某重型電動輪礦用自卸車發(fā)動機支架焊縫疲勞實驗研究

關(guān)麗坤 朱海平

摘要：某廠重型電動輪礦用自卸車在使用過程中頻繁出現(xiàn)發(fā)動機支架、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)、焊接工藝對焊接質(zhì)量的影響，利用SDS1000電液伺服疲勞試驗機，進行多次不同形式的疲勞拉伸實驗，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)動機支架;疲勞實驗;疲勞失效

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

0? 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的高速穩(wěn)步發(fā)展，大型露天礦山的建設(shè)方興未艾，作為主要運輸工具的重型礦用自卸車需求迅速增長。近年來，伴隨“一帶一路”偉大戰(zhàn)略的深入推進，傳統(tǒng)的機械輪礦用車已經(jīng)不能適應(yīng)新型礦山的要求。一是因為裝載量較小，性價比不占優(yōu);二是在環(huán)境保護方面不占優(yōu)勢，尤其是在國外發(fā)達國家。北方某廠作為國內(nèi)礦用車研發(fā)、生產(chǎn)行業(yè)領(lǐng)跑者，同時作為連續(xù)多年憑借單一產(chǎn)品蟬聯(lián)工程機械世界50強企業(yè)單位，依靠強大的研發(fā)團隊和國際一流的配套廠家，順應(yīng)市場需求及時推出大噸位系列油電混合動力礦用車，具有市場需要的一切優(yōu)點：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)為是全生命周期運行成本最優(yōu)的礦用車。

礦用自卸車因為其惡劣的使用環(huán)境，尤其是在運行過程中的顛簸沖擊，對車架和各種支架如發(fā)動機支架、燃油箱支架、變速箱支架等結(jié)構(gòu)件形成極大破壞，導(dǎo)致整車在運行8000小時左右，車架及個別支架出現(xiàn)焊縫開裂等疲勞破壞[1]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計，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性的優(yōu)化焊接工藝、提高各種支架的使用壽命，進而達到提高整車使用壽命的目標(biāo)。

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對礦用車支架及其結(jié)構(gòu)件已經(jīng)做了大量研究。臧曉蕾等人[2]對兩種結(jié)構(gòu)的支架進行了疲勞壽命對比;陳華光[3]對礦用車車架的疲勞壽命進行了計算;Kita、Y 等[4]通過實際測試和有限元分析的對比，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，并對車輛在C 級路面上行駛時的疲勞壽命進行了研究，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)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考依據(jù);王軍等[6]對礦用車車架的受力特點、載荷和約束的確定等做了介紹，對車架在4種不同工況下的強度和剛度做了分析。這些研究主要對礦用車車架和其它結(jié)構(gòu)件的強度、剛度進行研究，或者是對其他類型的車型進行疲勞壽命分析，沒有對礦用車支架從整車路譜采集、材料性能實驗論證、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方面的研究。

本文以356噸礦用車的發(fā)動機支架為研究對象，利用SDS1000電液伺服疲勞試驗機，重點從焊接方法方面進行多次不同形式的疲勞拉伸實驗，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，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)動機支架疲勞壽命不足問題。

2? 試驗總體方案的確定

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

3? 試驗過程

3.1 試驗準(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： C1-C2-C3

焊縫C1-C2：單層焊

氣保護打底焊，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 試驗過程

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

具體流程：對其余兩塊試板進行多次加載實驗，直至焊縫斷裂。對比兩塊試板的實驗數(shù)據(jù)，最終確定兩條焊縫疲勞壽命的具體差異。

第一步：對第一塊試板進行靜拉伸試驗，求出該試板的屈服強度，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：確定疲勞試驗參數(shù)，并進行疲勞試驗。

采用高周疲勞試驗，試驗次數(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，直至焊縫斷裂，斷裂的試樣板及疲勞試驗機顯示如圖5所示，實驗數(shù)據(jù)記錄于表1中。

4? 結(jié)論與建議

實驗分別采用埋弧多層焊與單層焊兩種方法，對焊接試板進行疲勞強度分析對比。查閱相關(guān)資料，利用SDS1000電液伺服疲勞試驗機，對同等條件下不同焊接工藝成型的試板進行多次不同形式的疲勞拉伸實驗，屬于新型研究。

實驗結(jié)果顯示C2-C3的焊縫疲勞實驗次數(shù)比C1-C2實驗次數(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。

本研究得到的實驗數(shù)據(jù)對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，為車架的改進和優(yōu)化提供了支撐。建議在施焊時，應(yīng)優(yōu)先考慮使用多層焊的焊接方式。

參考文獻：

[1]鄭松林，劉洋，馮金芝，等.受到隨機載荷作用的前副車架疲勞耐久仿真分析[J].機械強度，2014，36（5）：773-778.

[2]臧曉蕾，谷正氣，米承繼，等.礦用車車架結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化[J].汽車工程，2015，37（5）：566-570.

[3]陳華光.電動輪自卸車車架的疲勞壽命預(yù)測[J].煤礦機械，2009，30（1）：48-50.

[4]Kita，Y，A Kitaguchi，et al. Development of the strengthevaluation method for body of mining dump truck under actual operations[C]//Houston，TX，United states：American Society of Mechanical Engineers. In ASME 2012 International Mechanical Engineering Congress and Exposition， IMECE 2012，November 9，2012 - November 15，2012：957-966.

[5]陽清泉，谷正氣，米承繼，等.SF33900 型礦用自卸車車架疲勞壽命分析[J].汽車工程，2012，34（11）：1015-1019.

[6]王軍，馬若丁，王繼新，等.礦用自卸車車架強度有限元分析[J].工程機械，2008，39（11）：29-32.

[7]QU Zhaoxia，XIA Liqian，ZHU Shuangchun.? Study of welding technology on Baosteel highstrength heavy steel Bweldy620QL6[J]. Baosteel Technical Research，2018，12（ 2）：3-7.