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2013-06-12 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
掘進機的截齒與截割頭的連接采用焊接形式,焊接工藝比較復雜。采用Solidworks建立掘進頭與截齒座的連接模型,Cosmosworks有限元分析的方法,對截齒工作時的應力分布進行分析,找出應力分布的規(guī)律,并據此對焊接工藝進行針對性的改進,可以有效地提高焊接質量。
掘進機的使用在我國礦山開采中越來越廣泛。作為掘進機的關鍵部件一截割頭,其質量直接影響機器的綜合性能。在截割頭上按照一定規(guī)律分布著數十個截齒(不同型號的機器可能不同),截齒座是焊接在截割頭上的。實際生產中,由于截齒座的脫落數量過多而導致的截割頭返修或報廢大量存在。因此,截割齒的焊接質量十分關鍵。焊接工藝是焊接質量的重要保證,本文試圖從有限元分析的角度改進焊接工藝。
1截割頭焊接工藝難點及存在問題
一般情況下,截割頭的材料為ZG247~500,碳當量Geq=0.49%;齒座材料為35CrMo,碳當量Ceq = 0.65%。由于這2種材料的碳含量都較高,材料的淬硬性傾向十分明顯,可焊接性能較差。另外,齒座的安裝角度各不相同,使得每個焊接面的焊縫都各不相同,焊縫高度存在明顯的差別,加之截割頭的厚度較厚,焊接時容易產生較大的焊接應力,嚴重的可能產生一些熱裂紋,導致焊接失敗。
雖然在現(xiàn)場施工中采取了一系列措施,如焊接前預熱,焊接后熱處理等方法,但由于不清楚截齒工作時焊縫處的應力分布,焊接工藝的針對性不強,因此生產中大多數還是按照傳統(tǒng)的焊接工藝進行施工,往往事倍功半。
2 問題分析及建模
掘進頭在截割煤巖時,截齒承受非常大的沖擊載荷及扭矩,這些負荷通過截齒、齒靴最終傳遞到截齒座與截割頭的連接處。顯然,連接處的應力分布是不均勻的,本文主要研究應力究竟是如何分布的。
(1)有限元分析的意義
本文采用Solidworks的插件Cosmosworks來進行模型有限元分析。掘進頭、截齒、齒靴、齒座種類比較多,選擇不同的齒座與掘進頭連接,其連接處的工作應力分布顯然不同。通過有限元分析,能夠清楚地看到焊縫上的應力分布情況,由此可以改進齒座的設計,使焊縫的工作應力分布盡量地趨于均勻,降低焊接難度。
(2)建模
首先采用Solidworks三維制圖軟件建立截齒與截割頭的安裝模型。為簡化模型,本文只畫出了一個截齒。圖1是某型號掘進機掘進頭的一部分,焊縫高設定14 mm,部分高度由Solidworks根據交線形狀生成。沖擊角B=450,偏轉角a=80,其他尺寸按實際制作,部件的材料按照實際工件材料設定。
(3)分析步驟
根據Cosmosworks的要求,設定材料、加負載、劃分網格和執(zhí)行分析。在本例中,為簡化分析,在截割的沖擊方向加一個反向的恒定載荷。根據Evans公式,載荷
根據有關資料,X=10~33, hi和β一般相對變化較小,因此,截割載荷基本上由Rc確定,取Rc=100 MPa, X=15, hi=40mm,β=10°。帶入得Fi=0.89 kN,載荷的分布為截齒尖均勻分布。由于焊縫的尺寸較小,網格劃分時其尺寸不能太大。圖2為網格劃分的一個結果。最后進行Cosmosworks的有限元分析,圖3為分析的應力云圖。
3結果分析
在圖3上,可以清晰地看到A處是應力集中最大處,在焊接時,應加強對此處的處理。此種齒座雖然不容易造成齒座干涉,但是應力集中也最嚴重,不利于齒座的焊接。設計了幾種不同形制的齒座分別進行了有限元分析,如圖4所示,發(fā)現(xiàn)增加B,G面與截割頭面的交角,增大B,C面之間的圓弧,能夠有效降低應力集中及應力,減小焊高,降低焊接時的應力集中現(xiàn)象。但是過大的交角勢必增加齒座的尺寸,容易造成齒座干涉,設計時應當根據截割頭的形狀具體確定。
在制定焊接工藝時,首先要根據截割頭的截割功率選擇合適的齒座,處理結合面(如將齒座底面加工成弧度),以降低焊縫的高度;其次,焊接前要進行適當的預熱,焊接時在圖4中的B面和C面的交角處的焊縫應當盡可能地采用大圓弧過渡,減小工作應力的集中,這樣也相應地降低焊接難度;最后要進行焊后熱處理。
4結語
(1) Solidworks軟件是一個強大的三維制圖軟件,利用它能夠很快地建立起各種模型。由于截割頭是曲面,截齒座在組裝模式下安裝有一定難度,但完全可行(一般資料上認為Solidwork,不支持)。Cosmosworks分析工具與Solidworks的無縫連接使得有限元分析方便而快捷。
(2)截割頭與截齒的結合面的形狀不一致,焊接難度較大。采用有限元分析,可以預知焊縫在工作時的應力分布,從而采取針對性的措施,提高焊接質量。采用Solidworks可以很輕松地在關聯(lián)狀態(tài)下改變齒座的形制,迅速的進行有限元分析。
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