某重型電動(dòng)輪礦用自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)支架焊縫疲勞實(shí)驗(yàn)研究

關(guān)麗坤 朱海平

摘要：某廠重型電動(dòng)輪礦用自卸車在使用過程中頻繁出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)支架、變速箱支架、燃油箱支架與車架縱梁連接處開裂和撕裂現(xiàn)象，經(jīng)分析疲勞損壞是支架與縱梁連接處焊縫開裂的主要原因。為了研究焊接參數(shù)、焊接工藝對(duì)焊接質(zhì)量的影響，利用SDS1000電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行多次不同形式的疲勞拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，采用多層焊接工藝成型的焊縫的疲勞壽命要優(yōu)于單層焊焊縫的疲勞壽命。

Abstract： In the process of using a heavy-duty electric wheel mining dump truck in a factory， cracks and tears often occur at the connection of engine support， gearbox support， fuel tank support and frame longitudinal beam. Through analysis， fatigue damage is the main reason for the weld cracks at the connection of support and longitudinal beam. In order to study the influence of welding parameters and welding process on welding quality， several different fatigue tensile tests were carried out by using sds1000 electro-hydraulic servo fatigue testing machine. The results show that the fatigue life of the weld formed by multi-layer welding process is better than that of single-layer welding.

關(guān)鍵詞：礦用車;發(fā)動(dòng)機(jī)支架;疲勞實(shí)驗(yàn);疲勞失效

Key words： mining truck;engine support;fatigue test;fatigue failure

0? 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速穩(wěn)步發(fā)展，大型露天礦山的建設(shè)方興未艾，作為主要運(yùn)輸工具的重型礦用自卸車需求迅速增長(zhǎng)。近年來，伴隨“一帶一路”偉大戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，傳統(tǒng)的機(jī)械輪礦用車已經(jīng)不能適應(yīng)新型礦山的要求。一是因?yàn)檠b載量較小，性價(jià)比不占優(yōu);二是在環(huán)境保護(hù)方面不占優(yōu)勢(shì)，尤其是在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家。北方某廠作為國(guó)內(nèi)礦用車研發(fā)、生產(chǎn)行業(yè)領(lǐng)跑者，同時(shí)作為連續(xù)多年憑借單一產(chǎn)品蟬聯(lián)工程機(jī)械世界50強(qiáng)企業(yè)單位，依靠強(qiáng)大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和國(guó)際一流的配套廠家，順應(yīng)市場(chǎng)需求及時(shí)推出大噸位系列油電混合動(dòng)力礦用車，具有市場(chǎng)需要的一切優(yōu)點(diǎn)：載重量大、安全舒適、清潔環(huán)保，能夠滿足零下40度的極寒天氣和海拔3000米以上的高原氣候，被用戶一致認(rèn)為是全生命周期運(yùn)行成本最優(yōu)的礦用車。

礦用自卸車因?yàn)槠鋹毫拥氖褂铆h(huán)境，尤其是在運(yùn)行過程中的顛簸沖擊，對(duì)車架和各種支架如發(fā)動(dòng)機(jī)支架、燃油箱支架、變速箱支架等結(jié)構(gòu)件形成極大破壞，導(dǎo)致整車在運(yùn)行8000小時(shí)左右，車架及個(gè)別支架出現(xiàn)焊縫開裂等疲勞破壞[1]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，車架及支架的失效形式主要表現(xiàn)為高周疲勞破壞，破壞的集中位置為各種結(jié)構(gòu)件的焊縫處。研究焊縫及各種支架的疲勞壽命可以有針對(duì)性的優(yōu)化焊接工藝、提高各種支架的使用壽命，進(jìn)而達(dá)到提高整車使用壽命的目標(biāo)。

目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)礦用車支架及其結(jié)構(gòu)件已經(jīng)做了大量研究。臧曉蕾等人[2]對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的支架進(jìn)行了疲勞壽命對(duì)比;陳華光[3]對(duì)礦用車車架的疲勞壽命進(jìn)行了計(jì)算;Kita、Y 等[4]通過實(shí)際測(cè)試和有限元分析的對(duì)比，研究了礦用車主要結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布;陽清泉等[5]分析 SF33900 型電動(dòng)輪礦用車車架及其焊縫的疲勞壽命，建立了車架的有限元模型，并對(duì)車輛在C 級(jí)路面上行駛時(shí)的疲勞壽命進(jìn)行了研究，利用 seam weld 方法得到可靠的焊縫疲勞壽命，從而為車架的可靠性設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考依據(jù);王軍等[6]對(duì)礦用車車架的受力特點(diǎn)、載荷和約束的確定等做了介紹，對(duì)車架在4種不同工況下的強(qiáng)度和剛度做了分析。這些研究主要對(duì)礦用車車架和其它結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行研究，或者是對(duì)其他類型的車型進(jìn)行疲勞壽命分析，沒有對(duì)礦用車支架從整車路譜采集、材料性能實(shí)驗(yàn)論證、支架有限元建模分析等方面做系統(tǒng)地研究和分析，尤其是目前還沒有關(guān)于礦用車架焊縫疲勞試驗(yàn)方面的研究。

本文以356噸礦用車的發(fā)動(dòng)機(jī)支架為研究對(duì)象，利用SDS1000電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，重點(diǎn)從焊接方法方面進(jìn)行多次不同形式的疲勞拉伸實(shí)驗(yàn)，得出更為合理的焊接方法和焊接參數(shù)。

1? 焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因分析

一般情況下，焊接接頭的靜載承受能力要好于母材，而受到交變載荷時(shí)，其承受能力卻又低于母材。大量的研究表明，影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命有兩個(gè)主要因素：一是焊接的工藝參數(shù);二是焊接接頭類型和焊接結(jié)構(gòu)形式。本文主要論述由焊接工藝參數(shù)不匹配所導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)支架疲勞壽命不足問題。

2? 試驗(yàn)總體方案的確定

本次試驗(yàn)選用的是高強(qiáng)度焊接鋼板BWELDY620，鋼板尺寸為500mm×90mm×12mm，其性能參數(shù)為屈服強(qiáng)度RP0.2≥620MPa，抗拉強(qiáng)度Rm=700-890MPa[7]。分別采用埋弧多層焊與單層焊兩種方法，對(duì)焊接試樣板進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析對(duì)比。為確定在疲勞拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)所施加的載荷幅值，需要先通過靜拉伸實(shí)驗(yàn)確定試樣的屈服強(qiáng)度。

3? 試驗(yàn)過程

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

如圖1所示試樣板母材均為BWELDY620，厚度12mm，打底焊參數(shù)一致，埋弧焊分別采用單層焊與兩層焊。

試板編號(hào)： C1-C2-C3

焊縫C1-C2：?jiǎn)螌雍?/p>

氣保護(hù)打底焊，電流 I= 315A，電壓U=27V，焊接速度=360mm/min。

埋弧焊：電流 I= 580A，電壓U=31V，焊接速度=290mm/min。

焊縫C2-C3：多層焊

氣保護(hù)打底焊，電流 I= 315A，電壓U=27V，焊接速度=360mm/min。

埋弧焊：打底電流 I= 500A，電壓U=26V，焊接速度=400mm/min。

埋弧蓋面：打底電流 I= 550A，電壓U=30V，焊接速度=320mm/min。

3.2 試驗(yàn)過程

準(zhǔn)備相同規(guī)格的試板三塊，其中第一塊進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)，以確定試板的屈服強(qiáng)度，其余兩塊做疲勞試驗(yàn)。

具體流程：對(duì)其余兩塊試板進(jìn)行多次加載實(shí)驗(yàn)，直至焊縫斷裂。對(duì)比兩塊試板的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終確定兩條焊縫疲勞壽命的具體差異。

第一步：對(duì)第一塊試板進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)，求出該試板的屈服強(qiáng)度，如圖2所示。

由圖可知：該試板的屈服力為：720kN;抗拉力為：780kN。

第二步：確定疲勞試驗(yàn)參數(shù)，并進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

采用高周疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)控制在50000次以內(nèi)，采用屈服力作為加載力，加載方式采用正弦波，波峰720kN，波谷0，如圖3所示。

第三步：經(jīng)過一定的循環(huán)加載次數(shù)后，焊接試板C1-C2焊縫斷裂，如圖4所示。

第四步：試板斷裂后，余下的C2-C3部分在同樣的加載條件下繼續(xù)疲勞試驗(yàn)，直至焊縫斷裂，斷裂的試樣板及疲勞試驗(yàn)機(jī)顯示如圖5所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于表1中。

4? 結(jié)論與建議

實(shí)驗(yàn)分別采用埋弧多層焊與單層焊兩種方法，對(duì)焊接試板進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析對(duì)比。查閱相關(guān)資料，利用SDS1000電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，對(duì)同等條件下不同焊接工藝成型的試板進(jìn)行多次不同形式的疲勞拉伸實(shí)驗(yàn)，屬于新型研究。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示C2-C3的焊縫疲勞實(shí)驗(yàn)次數(shù)比C1-C2實(shí)驗(yàn)次數(shù)多出4000余次，說明在其他同等條件下，多層焊接工藝成型的焊縫，疲勞壽命要優(yōu)于單層焊焊縫的疲勞壽命。

本研究得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)此類重型礦用自卸車各種支架的焊接工藝提供了思路和方法，為車架的改進(jìn)和優(yōu)化提供了支撐。建議在施焊時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮使用多層焊的焊接方式。

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