液壓支架頂梁部件焊接的變形分析

徐瑞崗

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046100）

引言

隨著煤炭開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化綜采成為主要的開(kāi)采方式，液壓支架是進(jìn)行自動(dòng)化綜采的重要設(shè)備，對(duì)巷道及工作面起著重要的支撐作用。液壓支架的主體結(jié)構(gòu)為焊接結(jié)構(gòu)件，頂梁和掩護(hù)梁是液壓支架的主要構(gòu)件，承受較大的壓力作用。在進(jìn)行液壓支架的加工過(guò)程中，對(duì)于頂梁的焊接是主要的加工工藝，由于頂梁的尺寸較大，并且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在焊接過(guò)程中會(huì)引起一定的焊后變形[1]。頂梁部件的焊接變形，不僅造成液壓支架裝配困難，而且由于變形引起應(yīng)力的變化，影響整體的性能，不利于液壓支架的使用。針對(duì)頂梁的焊接變形，采用仿真分析的方式，確定有效控制焊接變形的措施，減小焊后變形，以提高液壓支架的穩(wěn)定性[2]。

1 液壓支架頂梁焊接模擬準(zhǔn)備

隨著煤層開(kāi)采深度的增加，液壓支架承受的阻力也逐漸增強(qiáng)，對(duì)液壓支架的承載性能具有較高的要求。由于液壓支架整體的重量不能無(wú)限增加，液壓支架的材料選用Q690 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼[3]。采用Q690高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，不僅提高強(qiáng)度，而且對(duì)于焊接的控制更加精確，避免熱影響區(qū)的性能產(chǎn)生變化。

采用ANSYS 有限元軟件對(duì)焊接區(qū)域的溫度及變形進(jìn)行仿真分析，依據(jù)仿真結(jié)果，分析焊接變形的規(guī)律，從而采取針對(duì)性的措施控制焊接變形。

2 頂梁部件的焊接有限元分析

2.1 焊接溫度場(chǎng)的模擬分析

采用ANSYS 進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬分析，首先建立幾何模型，由于焊接溫度的變化與頂梁的結(jié)構(gòu)相關(guān)性不大，同種材料進(jìn)行焊接時(shí)的溫度變化一致，因此，采用簡(jiǎn)單的模型進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬。隨著自動(dòng)化焊接的使用，焊接的穩(wěn)定性逐漸提高，采用單條焊道的形式進(jìn)行建模分析。對(duì)建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，在網(wǎng)格劃分的過(guò)程中，在焊接區(qū)域進(jìn)行細(xì)小的網(wǎng)格劃分，在焊接區(qū)域的網(wǎng)格控制在5 mm 以內(nèi)，遠(yuǎn)離焊接區(qū)域的網(wǎng)格控制在10 mm[4]，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分后的模型如圖1 所示。

圖1 焊接式樣網(wǎng)格劃分模型

對(duì)于焊接熱源的移動(dòng)載荷，采用ANSYS 函數(shù)加載的功能，將函數(shù)加載到所焊接的焊道位置處，依據(jù)焊接熱源的移動(dòng)速度，設(shè)置載荷的加載時(shí)間，設(shè)定單條焊縫的加載時(shí)間為5 min，同時(shí)在移動(dòng)的過(guò)程中[5]，設(shè)定傳熱時(shí)間為240 s，加載的焊接熱源溫度為1 500 ℃，對(duì)焊接件的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，在焊接開(kāi)始和結(jié)束后得到如下頁(yè)圖2 所示的溫度變化圖。

從圖2 中可以看出，在焊接的開(kāi)始階段，焊接區(qū)域的溫度急劇上升，此時(shí)焊接溫度首先沿著焊縫的位置傳導(dǎo)，其他區(qū)域的溫度較低，隨著焊接過(guò)程的完成，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的冷卻后，焊接溫度下降較快，并且仍以焊縫處的溫度下降最慢，外圍區(qū)域的溫度下降較快。

2.2 焊接變形的模擬分析

焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)變及塑性應(yīng)變是引起焊接變形和應(yīng)力的主要原因，對(duì)頂梁部件的變形進(jìn)行分析，采用固有應(yīng)變有限元分析的方式，將固有應(yīng)變的初始值進(jìn)行彈性計(jì)算，從而得到頂梁的變形[6]。建立頂梁部件的模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，依次進(jìn)行不同筋板的焊接，采用固有應(yīng)變的方式，得到頂梁的焊接變形如下頁(yè)圖3 所示。

圖3 中選取了在筋板焊接的不同過(guò)程中第一筋板和第五筋板焊接后的變形圖，從圖3 中可以看出，隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，在頂梁中產(chǎn)生的最大形變量不斷增加，并且變形量也向著整體分布。在焊接的不同過(guò)程中的產(chǎn)生的最大形變量見(jiàn)表1 所示。

圖2 焊接溫度場(chǎng)（℃）模擬分析

圖3 焊接變形（m）模擬分析

3 焊接變形的控制措施

液壓支架頂梁在進(jìn)行焊接的過(guò)程中，引起焊接變形的原因包括溫度應(yīng)力及殘余應(yīng)力。溫度應(yīng)力由于構(gòu)件的受熱不均勻引起，使得工件的不同區(qū)域產(chǎn)生不同的伸長(zhǎng)或壓縮，使得零件產(chǎn)生一定的變形。殘余應(yīng)力是在溫度場(chǎng)的變化引起的應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服極限時(shí)，產(chǎn)生塑性變形，殘留在零件內(nèi)部形成殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力對(duì)于零件的影響比較大，降低了材料的靜載強(qiáng)度，并且影響了構(gòu)件的尺寸精度，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

表1 焊接變形量 mm

對(duì)于液壓支架的頂梁焊接變形及應(yīng)力進(jìn)行控制，采用反措施控制，在進(jìn)行焊接時(shí)，將物料拼接成一定的拱狀，然后進(jìn)行裝配焊接，從而提高焊接的精度；在進(jìn)行薄板的焊接時(shí)，可以采用剛性固定法，在焊縫的兩側(cè)采用一定的固定措施，壓緊點(diǎn)的位置盡量靠近焊縫并且壓力施加均勻，從而避免薄板焊接時(shí)產(chǎn)生波浪形的變形。在進(jìn)行頂梁等大構(gòu)件的焊接時(shí)，可以將結(jié)構(gòu)分成不同的部件，分別進(jìn)行焊接，然后進(jìn)行拼焊成整體。以此進(jìn)行頂梁的焊接時(shí)，可以有效地控制焊接變形，并且可以提高作業(yè)效率。

4 結(jié)論

液壓支架是進(jìn)行煤礦自動(dòng)化開(kāi)采的重要設(shè)備，在進(jìn)行液壓支架的加工過(guò)程中，焊接加工是其中的主要工藝。頂梁是液壓支架進(jìn)行承載的主要部件，在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生變形，影響液壓支架的性能。針對(duì)頂梁部件焊接過(guò)程中的變形，采用ANSYS 有限元分析的方式對(duì)焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)及變形進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示，溫度應(yīng)力及殘余應(yīng)力的影響是產(chǎn)生變形的主要原因。針對(duì)頂梁的焊接變形，提出了相應(yīng)的控制措施，以減小頂梁的焊接變形，提高液壓支架的生產(chǎn)效率及性能，為煤礦的開(kāi)采提供有效的支撐。