驢頭焊接變位機設計研究與仿真

李相國,李明浩,姜學田,姜源,孫慶

（大慶油田裝備制造集團抽油機制造分公司，黑龍江大慶 163255）

0 引言

驢頭作為游梁式抽油機四大結構件之一，外形不規則，焊道分布復雜；焊接過程需對其進行多次翻轉，在翻轉過程中存在安全隱患[1]。目前，現有的驢頭焊接變位機，更多是與焊接機器人配套，一次定位不能完成所有焊道的焊接。如圖1所示，一次定位無法焊接定位側驢頭側板上定位軸、調整螺母及定位管等焊道。

圖1 一種驢頭焊接變位機

根據我集團生產現狀及驢頭結構特點，需要研發出一種適用于手工焊接，且能實現驢頭全部焊道焊接的焊接變位機。焊接變位機可將工件任意一條焊縫轉到平焊或者船焊位置[2]，可提高焊接效率、產品焊道質量，而且可以改善操作者工作環境，降低勞動強度，消除翻轉驢頭時存在的安全隱患[3]。

1 焊接回轉平臺結構設計

目前，焊接變位機主要分為三種結構類型：伸臂式、傾翻回轉式和雙立柱單回轉式。筆者所設計的焊接變位機屬雙立柱單回轉式，根據驢頭的結構及焊道分布特點，綜合考慮焊接變位機的通用性、定位方式，焊接回轉平臺采用“魚骨”式結構[4]。通過設計配重塊使焊接回轉平臺的重心在兩旋轉軸軸線處，提高結構穩定性的同時，可有效降低驅動力矩。

圖2 焊接回轉平臺結構圖

該焊接回轉平臺所用材質為Q345，應用SolidWorks軟件對其結構進行了有限元分析。分析之前首先要對焊接回轉平臺進行網格劃分，SolidWorks Simulation網格處理功能可對復雜的結構模型進行高品質的網格處理，計算結構能反映出實際受力情況[5]。為了驗證自身結構安全性，在重力的作用下對其進行了受力分析，分析得最大應力及最小安全系數4.35位于旋轉軸加強筋板連根部，最大位移為1.9 mm在允許變形范圍內，不影響其結構穩定性。

將14型抽油機驢頭固定在焊接回轉平臺上，同時在驢頭上方施加0.25倍驢頭重量的均布載荷，分析情況如圖4所示，最大位移為1.37 mm，最大安全系數為3.35，焊接回轉平臺滿足工作要求。焊接回轉平臺除了滿足結構穩定性外，還要設置焊接導電裝置，防止焊接電流對齒輪副和軸承等回轉副造成損傷[6]。

圖3 焊接回轉平臺有限元分析云圖

圖4 施加載荷后綜合分析云圖

2 驢頭定位方式

設計驢頭在回轉平臺的定位裝置時，充分考慮定位快捷與穩定性，采用四點定位方式，對其進行定位。根據驢頭側板的外形尺寸，設計專用夾具限定驢頭空間6個方向自由度。定位裝置由一組圓弧定位裝置和一組滑塊式定位裝置組成；通過定位裝置上壓緊機構，限定Z軸方向移動和繞X軸、Y軸旋轉，3個方向自由度；滑塊定位裝置可沿Y軸移動，與側板邊緣接觸部位呈斜面狀，傾斜角度與側板相同；圓弧定位裝置相對固定，滑塊定位裝置向圓弧定位裝置移動至與驢頭側板斜面完全接觸，可限定驢頭沿Y軸方向移動和繞Z軸旋轉；而滑塊定位裝置內部斜面可限定驢頭沿X軸方向的移動，如圖5所示。

圖5 驢頭四點定位

3 焊接變位機動力學分析

考慮焊接時焊縫位置不宜過高，不便于操作者施焊，回轉臺不能整周旋轉，旋轉角度為0°～180°，再由180°至0°。運動仿真分析時，忽略調心滾子軸承產生的摩擦力矩。運動學分析目的在于準確選擇驅動力矩及電動機功率，為此簡化支撐立柱，建立動力學模型。為模型添加驅動馬達，馬達類型旋轉距離，角度旋轉180°，時間設定為12 s，為了實現焊接回轉平臺0°～180°～0°，需要為模型添加2個旋轉馬達，馬達1為0°～180°提供動力，馬達2為180°～0°提供動力。通過設置馬達鍵碼來實現其運動過程，為模型添加引力，在算例類型中選擇Motion，開始進行動力學分析[7]。分析得馬達1和馬達2的力矩及能源消耗如圖6～圖8所示。馬達1和馬達2最大力矩為6479 N·m，消耗能源為3393 W。將驢頭固定在焊接回轉平臺上，在0°和180°時，整個回轉平臺需要制動力矩才能保持在工作位置，為了確保安全性，需增設機械鎖緊裝置。

圖6 馬達1力矩

圖7 馬達2力矩

圖8 馬達1和馬達2能源消耗

4 結語

綜上所述，通過分析驢頭的結構及焊縫分布，以SolidWorks軟件的有限元及運動學仿真分析分析結果為參考，可有效優化其結構，準確選擇其驅動力矩和傳動系統。

通用驢頭焊接變位機，可以很好改善焊接操作者作業環境，有效提高工作效率及產品焊接質量，消除驢頭翻轉過程中潛在的安全隱患。

[1] 李相國.基于有限元理論優化設計梁式抽油機結構件[J].機械工程師,2015(9):201-203.

[2] 翟浩,孟國強,王彩鳳.常用焊接變位機種類及其選用原則[J].工程機械與維修,2013(11):179.

[3] 林尚揚,陳善本,李成桐.焊接機器人及其應用[M].北京:機械工業出版社,2000.

[4] 李相國,李明浩.通用驢頭焊接變位機:CN201520736974.6[P].2015-09-22.

[5] 陸宗學,崔世義,劉勇.基于SolidWorks Simulation的重載機械手主梁的有限元分析[J].機械工程師,2013(11):129.

[6] 譚湘夫.焊接變位機[J].機械工程師,2001(3):58-59.

[7] DS SolidWorks公司.SolidWorks Motion運動仿真教程[M].北京:機械工業出版社,2012.