大吨位汽车起重机车架细节的设计与工艺

1、842006.04CMTM 产品技术Product & Technology随着近年来国外新材料在国内的应用以及新技术的引进,国产汽车起重机的吨位也不断加大,100t 、130t、300t 汽车起重机近两年在这种大环境下得到了快速地研究和开发。与进口汽车起重机相比,国产汽车起重机由于存在价格方面的绝对优势及完善的售后服务网络强有力的保障支持,100t 以上的大吨位产品迅速得到用户认可,并批量走向市场。1概要对汽车起重机而言,三大结构件即车架、吊臂、转台是决定产品能否满足性能的最主要因素,其设计和制作是决定产品开发成败的关键,其它如底盘动力及上装液压系统主要是匹配问题,大吨位汽车起重机现

2、在大多采用进口的动力装置及液压阀组,一般不存在多少致命的问题。因此首先要在源头即设计上保证三大结构件不能出现缺陷,下面就130t 汽车起重机三大结构件之一的车架细节的设计与工艺改进作一些探讨。2设计思路及问题最初的设计沿用中小吨位即65t 以下的车架思路来进行的,即采用传统的大箱形抗扭截面梁,不同的是在箱形里面增加了两块内腹板,以增大抗弯和抗扭能力,截面形式如图1所示。由于箱形为封闭的结构,为了保证每块隔板、内腹板与上下盖板之间都能有效焊接,必须在乌龟板上开焊接工艺孔,工艺孔的四个圆角半径为10m m ,工艺孔的形状如图2所示。当箱形里面的焊缝全部焊接完后(图1箭头所示位置,再将同样形状(图2

3、的板材焊在工艺孔的位置,焊接时采用连续焊接的方法将工艺孔封闭。大吨位汽车起重机车架细节的设计与工艺Design and Process for Frame Detail of Big Tonnage Truck Crane长沙中联重工科技发展股份有限公司浦沅分公司刘毓明 /LIUYuming图21.上盖板2.腹板3.乌龟板4.隔板5.工艺板6.下盖板图1产品销售给用户,经用户使用一段时间后,问题漫漫地暴露出来,工艺板位置处的焊缝有不同程度的开裂现象,严重时还引起母材的开裂,维修人员及时修补后,用不了多久此位置会出现第二次,甚至第三次开裂,用户意见很大,给市场造成了不良影响,有损公司品牌的形象。

4、3原因分析有限元分析的应力图显示乌龟板处的应力仅为363M P a ,材料为进口WELDOX960,离材料的许用应力=570M P a 有较远的距离,安全系数还有很大的富余,排除了因材质的选用导致问题的产生。查阅相关资料,得知结构件开裂,多半是脆性破坏。3.1脆断原因分析3.1.1材料的韧性不足特别在缺口尖端处材料的微观塑性变形能力差。脆性断裂在大多数情况下从焊接区开始,所以焊缝及热影响区的韧性不足,往往是造成低应力脆性破坏的主要原因。3.1.2焊缝存在着裂纹等缺陷断裂总是从缺陷处开始的。虽然随着焊接技术(如富氩气体保护焊的发展,裂纹基本上可以得到控制,但要完全避免,还是比较困难的。产品经过定

5、型试验和可靠性试 验后,车架没有发现任何问题,但123456A -AA A产品技术Product & Technology3.1.3一定的应力水平不正确的设计和不良的制造工艺是产生焊接残余应力的主要原因。因此,对于焊接结构件来说,除了工作应力外,还必须考虑焊接残余应力和应力集中程度,以及由于装配不良等所带来的附加应力。3.2脆性断裂的主要影响因素最重要的影响因素是应力状态、温度和加载速度、材料。当温度越低,加载速度越快,材料中三向应力状态越严重,则产生脆性断裂的倾向越大。3.2.1应力状态的影响试验证明:当材料处于单轴或双轴拉应力状态下,呈现塑性。当处于三向拉应力状态下,则不易发生塑性

6、变形,而是呈现脆性。在实际结构中,三向拉应力可能由三向载荷产生,但更多的情况下是由于几何不连续性引起的。虽然整个结构处于单轴、双向拉伸应力状态下,但其局部地区由于设计不佳、工艺不当,往往出现形成局部三轴应力状态的缺口效应(如三向焊缝。在受力过程中,缺口根部材料的伸长,必然要引起材料沿宽度和厚度方向的收缩。由于缺口根部出现高值的应力和应变集中,而缺口尖端以外材料受到的应力较小,它们只能引起较小的横向收缩,又由于横向收缩的不均匀,缺口根部的横向收缩受阻,结果产生横向和厚度方向的拉伸应力和剪切应力,即在缺口根部产生三轴拉伸应力,使最大应力超出单轴拉伸时的屈服应力,形成很高的局部应力,而材料尚不发生屈

7、服,结果降低了材料的塑性,使该处材料变脆。因此,脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处!而在试验中也只有引入这样的缺口才能产生脆性行为。3.2.2温度的影响确定合适的预热温度可减少焊接区的冷裂倾向,避免产生裂纹。当热输入增大到允许值上限时裂纹还不能避免,那就必须采取预热措施,对低碳高合金钢来说,预热的主要目的是防止冷裂,改善热影响区的性能意义并不大,从它800500的性能变化来看,对韧性会有不利的影响,因此焊接时必须采用较低的预热温度(对低碳高合金钢而言一般为100150,主要是希望它能降低马氏体转变时的冷却速度,通过马氏体的自回火作用来提高抗裂性能。当预热温度过高时,不仅对防止冷裂

8、纹没有效果,相反会使800500的冷却速度低于出现脆性混合组织的临界冷却速度,从而使热影响区出现明显的脆化。3.2.3加载速度的影响加载速度对材料破坏的影响已由试验所证实,即提高加载速度能促使材料脆性破坏,其作用相当于降低温度。3.2.4材料的影响材料中的晶粒度和化学成份(如氢、硫、碳、锰等影响也很大,其中氢(包括材料内和附在材料上的是焊接冷裂纹的最直接的诱发因素,低合金高强钢焊接时产生的裂纹大多是氢致裂纹,因此在采用低扩散氢焊接方法的同时,还需按规定要求严格采取焊前清理、打磨焊缝区域的氧化皮、铁锈、底漆、油污等措施。从以上的分析得知:工艺板位置产生裂纹的原因是设计细节上存在不足,主要是工艺板四个角处的圆角太小,焊缝采用连续焊接而且焊缝形成一个封闭的环形,导致应力集中和焊接残余应力无法释放。4改进措施将工艺板的形状改成椭圆形形状(如图3所示,同样将乌龟板的形状改为椭圆形,并且焊缝要求采用间断焊,这样既可消除焊缝应力集中的现象,又可使焊缝残余应力有充分的释放空间,用此方法再次对工艺孔进行修复,经过一年左右时间的使用后,此位置再没有出现焊缝或母材开裂的现象,说明修改方案的效果不错,决定在其它产品上也实行推广。5结论对于大型结构件的设计,设计人员一方面要考虑整体性能满足要求外,还需具有丰富的工艺制作经验(如焊接技术及新材料的应用,特别是在细节上要考虑周到,避免出现应力集中