某重型电动轮矿用自卸车发动机支架焊缝疲劳实验研究

关丽坤 朱海平

摘要：某厂重型电动轮矿用自卸车在使用过程中频繁出现发动机支架、变速箱支架、燃油箱支架与车架纵梁连接处开裂和撕裂现象，经分析疲劳损坏是支架与纵梁连接处焊缝开裂的主要原因。为了研究焊接参数、焊接工艺对焊接质量的影响，利用SDS1000电液伺服疲劳试验机，进行多次不同形式的疲劳拉伸实验，结果表明，采用多层焊接工艺成型的焊缝的疲劳寿命要优于单层焊焊缝的疲劳寿命。

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.

关键词：矿用车;发动机支架;疲劳实验;疲劳失效

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

0  引言

随着我国国民经济的高速稳步发展，大型露天矿山的建设方兴未艾，作为主要运输工具的重型矿用自卸车需求迅速增长。近年来，伴随“一带一路”伟大战略的深入推进，传统的机械轮矿用车已经不能适应新型矿山的要求。一是因为装载量较小，性价比不占优;二是在环境保护方面不占优势，尤其是在国外发达国家。北方某厂作为国内矿用车研发、生产行业领跑者，同时作为连续多年凭借单一产品蝉联工程机械世界50强企业单位，依靠强大的研发团队和国际一流的配套厂家，顺应市场需求及时推出大吨位系列油电混合动力矿用车，具有市场需要的一切优点：载重量大、安全舒适、清洁环保，能够满足零下40度的极寒天气和海拔3000米以上的高原氣候，被用户一致认为是全生命周期运行成本最优的矿用车。

矿用自卸车因为其恶劣的使用环境，尤其是在运行过程中的颠簸冲击，对车架和各种支架如发动机支架、燃油箱支架、变速箱支架等结构件形成极大破坏，导致整车在运行8000小时左右，车架及个别支架出现焊缝开裂等疲劳破坏[1]。数据统计，车架及支架的失效形式主要表现为高周疲劳破坏，破坏的集中位置为各种结构件的焊缝处。研究焊缝及各种支架的疲劳寿命可以有针对性的优化焊接工艺、提高各种支架的使用寿命，进而达到提高整车使用寿命的目标。

目前，国内外很多学者对矿用车支架及其结构件已经做了大量研究。臧晓蕾等人[2]对两种结构的支架进行了疲劳寿命对比;陈华光[3]对矿用车车架的疲劳寿命进行了计算;Kita、Y 等[4]通过实际测试和有限元分析的对比，研究了矿用车主要结构件的应力分布;阳清泉等[5]分析 SF33900 型电动轮矿用车车架及其焊缝的疲劳寿命，建立了车架的有限元模型，并对车辆在C 级路面上行驶时的疲劳寿命进行了研究，利用 seam weld 方法得到可靠的焊缝疲劳寿命，从而为车架的可靠性设计和结构优化提供了参考依据;王军等[6]对矿用车车架的受力特点、载荷和约束的确定等做了介绍，对车架在4种不同工况下的强度和刚度做了分析。这些研究主要对矿用车车架和其它结构件的强度、刚度进行研究，或者是对其他类型的车型进行疲劳寿命分析，没有对矿用车支架从整车路谱采集、材料性能实验论证、支架有限元建模分析等方面做系统地研究和分析，尤其是目前还没有关于矿用车架焊缝疲劳试验方面的研究。

本文以356吨矿用车的发动机支架为研究对象，利用SDS1000电液伺服疲劳试验机，重点从焊接方法方面进行多次不同形式的疲劳拉伸实验，得出更为合理的焊接方法和焊接参数。

1  焊接结构疲劳失效的原因分析

一般情况下，焊接接头的静载承受能力要好于母材，而受到交变载荷时，其承受能力却又低于母材。大量的研究表明，影响焊接结构疲劳寿命有两个主要因素：一是焊接的工艺参数;二是焊接接头类型和焊接结构形式。本文主要论述由焊接工艺参数不匹配所导致的发动机支架疲劳寿命不足问题。

2  试验总体方案的确定

本次试验选用的是高强度焊接钢板BWELDY620，钢板尺寸为500mm×90mm×12mm，其性能参数为屈服强度RP0.2≥620MPa，抗拉强度Rm=700-890MPa[7]。分别采用埋弧多层焊与单层焊两种方法，对焊接试样板进行疲劳强度分析对比。为确定在疲劳拉伸实验时所施加的载荷幅值，需要先通过静拉伸实验确定试样的屈服强度。

3  试验过程

3.1 试验准备

如图1所示试样板母材均为BWELDY620，厚度12mm，打底焊参数一致，埋弧焊分别采用单层焊与两层焊。

试板编号： C1-C2-C3

焊缝C1-C2：单层焊

气保护打底焊，电流 I= 315A，电压U=27V，焊接速度=360mm/min。

埋弧焊：电流 I= 580A，电压U=31V，焊接速度=290mm/min。

焊缝C2-C3：多层焊

气保护打底焊，电流 I= 315A，电压U=27V，焊接速度=360mm/min。

埋弧焊：打底电流 I= 500A，电压U=26V，焊接速度=400mm/min。

埋弧盖面：打底电流 I= 550A，电压U=30V，焊接速度=320mm/min。

3.2 试验过程

准备相同规格的试板三块，其中第一块进行静拉伸试验，以确定试板的屈服强度，其余两块做疲劳试验。

具体流程：对其余两块试板进行多次加载实验，直至焊缝断裂。对比两块试板的实验数据，最终确定两条焊缝疲劳寿命的具体差异。

第一步：对第一块试板进行静拉伸试验，求出该试板的屈服强度，如图2所示。

由图可知：该试板的屈服力为：720kN;抗拉力为：780kN。

第二步：确定疲劳试验参数，并进行疲劳试验。

采用高周疲劳试验，试验次数控制在50000次以内，采用屈服力作为加载力，加载方式采用正弦波，波峰720kN，波谷0，如图3所示。

第三步：经过一定的循环加载次数后，焊接试板C1-C2焊缝断裂，如图4所示。

第四步：试板断裂后，余下的C2-C3部分在同样的加载条件下继续疲劳试验，直至焊缝断裂，断裂的试样板及疲劳试验机显示如图5所示，实验数据记录于表1中。

4  结论与建议

实验分别采用埋弧多层焊与单层焊两种方法，对焊接试板进行疲劳强度分析对比。查阅相关资料，利用SDS1000电液伺服疲劳试验机，对同等条件下不同焊接工艺成型的试板进行多次不同形式的疲劳拉伸实验，属于新型研究。

实验结果显示C2-C3的焊缝疲劳实验次数比C1-C2实验次数多出4000余次，说明在其他同等条件下，多层焊接工艺成型的焊缝，疲劳寿命要优于单层焊焊缝的疲劳寿命。

本研究得到的实验数據对此类重型矿用自卸车各种支架的焊接工艺提供了思路和方法，为车架的改进和优化提供了支撑。建议在施焊时，应优先考虑使用多层焊的焊接方式。

参考文献：

[1]郑松林，刘洋，冯金芝，等.受到随机载荷作用的前副车架疲劳耐久仿真分析[J].机械强度，2014，36（5）：773-778.

[2]臧晓蕾，谷正气，米承继，等.矿用车车架结构的静动态多目标拓扑优化[J].汽车工程，2015，37（5）：566-570.

[3]陈华光.电动轮自卸车车架的疲劳寿命预测[J].煤矿机械，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]阳清泉，谷正气，米承继，等.SF33900 型矿用自卸车车架疲劳寿命分析[J].汽车工程，2012，34（11）：1015-1019.

[6]王军，马若丁，王继新，等.矿用自卸车车架强度有限元分析[J].工程机械，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.