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摘 要：装载机是一种在建筑 、铁路 、公路等建设工程中应用广泛的施工机械，能够对硬土、矿石等进行 轻度产挖作业，同时还能够铲装煤炭、石灰、砂石土壤等松散物料，同时通过和不同工作装置的配合还能够进行起重、木材装卸等作业。高等级公路施工中装载机用于路基工程填挖、水泥混凝土料场和沥青集料、装料等作业。从上能够看出装载机功能多样，操作灵活，作业效率高，速度快，能够有效降低工程成本，提高工程质量同时节省人工。由于装载机这些显著的特点，使得近年来得到了广泛关注，无论是国内外装载机的品种、质量都得到了快速发展。
关键词：装载机 前车架 局部焊接应力
中图分类号：U260.32
装载机有良好的机动性能和装卸性能，是工程机械主要机种，也是我国工程机械中的优势产品。大型轮式装载机的开发和制造能力反映了一个国家的工业能力和机械制造业发展水平。目前车架上开发较为成熟的技术有强度、刚度分析、机构运动分析等。基于理论分析和实验基础上的各种优化方法为车架架构提供了多种方案，进一步的优化了设计。
一、装载机前车架负载力学分析
讨论装载机进行强度以及局部焊接应力分析。装载机按照行走装置可以划分为轮胎式和履带式。二者行走装置不同，其余结构基本类似。履带式装载机通过能力强，牵引力大，工作稳定，在地形复杂的矿山、松软路面、湿地等条件下适应性良好。轮胎式装载机的优势在于具有较高的灵活性和机动性，同时造价比履带式要便宜，而且结构简单维修方便，作业效率较高，在国内应用较为广泛。
轮式装载机由车架、动力系统、控制系统、传递系统、行走系统和液压系统等组成。装载机技术性能参数包括铲斗容量、发电机额定功率、整机重量、额定载荷、最大行驶速度、最大崛起力、最大牵引力、轮胎、工作装置动作、装卸距离等。装卸机前车架是连接工作装置和后车架中间结构，作业工程中除了自身重量之外还承受着工作装置传递过来的力矩，结构复杂、焊缝多。转斗液压缸连接孔、动臂上铰接孔和动臂与液压缸连接孔、动臂上铰接孔和液压缸连接孔较厚，整体结构复杂。前车架 强度和刚度将影响整机效果。
装载机整体结构包括颤抖、摇杆、动臂、转斗液压缸、举升液压缸。精确分析装载机前车架的受力载荷。
二、前车架强度分析
装载机前车架材料是低碳高强钢，结构失效的主要形式一般为塑性屈服，进行强度分析需要使用第三或者第四强度理论。通过在 ANSYS 软件的后处理模块中读取各个节点位置的应力值，查看前车架应力范围和数据。铲斗正载水平插入和正崛起两个工况构成了水平插入崛起联合工况，进行受力分析，铲斗正载水平插入崛起联合作业工况受力较大。对这种工况进行受力载荷分析，这种情况下装载机处于右偏载情况。由于铲斗偏载水平插入、偏载崛起及偏载水平插入崛起联合作业三种工况铲斗受侧向力。通过在 ANSYS 软件的后处理模块中读取各个节点位置的应力值，查看其范围及数据，前车架应力分布最大值最小值发生在后背板上沿接触位置，没有超过材料屈服极限。
三、焊接残余应力
钢结构有着轻质高强、良好的塑性、韧性且制作安装简单等优点，得到了广泛的应用。焊接连接是目前钢结构链接中最重要的方法，但是焊接本身是一个十分复杂的过程，均属构建的不均匀受热和相变不均匀导致焊接后产生很大残余应力，对结构刚度、强度、稳定性等造成不良影响，需要进行控制。在装载机前车架的制造工艺中，控制焊接残余应力对于提高前车架塑性屈服强度，减少塑性屈服破坏有着重要的作用。
焊接残余应力简称焊接应力，是由于冷却时焊缝和焊缝附近钢材受到周边环境约束，不能够自由收缩造成的内应力。沿着焊缝长度方向的纵向焊接盈利、垂直于焊缝方向横向残余应力和沿厚度方向的焊接应力。
焊接接头是焊接研究的重点。焊接接头形式应该根据焊接结构形状、工件厚度、焊接后变形大小、焊条消耗量等进行综合考虑。焊接低合金钢和碳钢接头形式有对接接头、搭接接头、角接接头、T型接头。焊条电弧焊班后不超过6mm的对接接头一般直接焊接，随着板厚的增加，接头应该进行开坡口处理，一般厚度开v型破口，板厚增加可以开双v型破口或者双u型坡口等多种形式的坡口，通过开坡口保证焊透，控制焊接变形和焊接残余应力。焊接接头采取低组配时，焊缝金属屈服强度低于母材，焊缝先发生屈服，但是母材金属较强的刚度对焊缝金属的屈服变形形成了约束作用，形成了三相应力区，变相增强了焊缝的强度，但是这种接头形式容易发生脆断，造成的危害可能更大。
焊接残余应力的大小取决于金属焊缝不均匀加热的程度。加热过程中产生的热应力超过了材料屈服极限，材料将发生塑性变形导致热应力状态变化，塑性变形不均匀导致焊接残余应力。
装载机大部分采用时效处理的方式消除残余应力，并没有进行过针对性的焊接残余应力消除工作，导致在工作过程中由于焊接残余应力消除不理想和强度叠加以及路面颠簸冲击等的综合作用下导致结构应力较大发生塑性变形使焊缝部位开裂，影响正常使用。
四、装载机前车架局部残余应力分析
假设各种材料都是各向同性，工件边界仅仅和空气发生对流换热，包含辐射换热，忽略金属的填充作用以及熔池内部化学反应和搅拌、对流现象。建立焊接平面应变模型，通过不同开口角度之间的分析比较找出适合该模型的角度，之后完成对焊接残余应力分析的全过程仿真模拟，建立网格单元类型，添加材料的各项性能参数，包括温度、弹性模量、密度、膨胀曲线、热导率、比热容等，完成中间焊接单元由上向下的焊接过程模拟，最后通过软件提供处理模块显示焊接后应力图。
通过对仿真模拟结果的研究可以发现，焊缝处温度上升快，通过峰值之后逐渐降低，其他热影响区也发生类似过程，并且随着距离增加热源作用逐渐减弱，达到峰值的时间也逐渐推迟，焊接之后达到冷却阶段。同时对应力分布进行分析后发现开口角度和应力值之间有着很直接的关系，35度时应力值较小，45度时应力值超过了材料屈服极限。
焊缝开裂的影响因素很多，包括应力的分布、方向、焊接热处理过程和相变等，本文主要考虑不同开口角度施焊对装载机前车架强度的影响。
结束语：
装载机前车架结构作为装载机整体设计中重要组成部分，性能好坏直接影响到了整机性能和经济性。装载机前车架结构设计是一项复杂的工程，这项工程中保证前车架强度和控制焊接残余应力对装载机不良影响是问题的重点。通过详细研究对比，经过研究发现当焊缝开口角度在35度时盈利最小且整体趋势明显减小，这很明确的揭示了焊缝开口角度对焊接残余應力的影响。
参考文献：
[1] 王海霞，汤文成，钟秉林，等.客车车身骨架动应力研究的现状与未来[J].应用力学学报，2011.18（3）：8-13.
[2] 周新建，周长国，万正平.基于虚拟样机的井下装载机工作装置动力学分析与运动学仿真分析[J].煤矿机械，2010，29（5）：58-61.
[3] 王淋，张丽萍，王彦博，等.钢结构桥梁中特厚钢板焊接应力动态数值模拟分析[J].重庆交通大学学报，2012，28（3）：345-348.
[4] 毛君，李娜，刘春华，等.虚拟样机技术在机械工业中的发展与应用[J].CAD/CAM与制造业信息化，2010，（7）：82-84.
[5] 阚前华，谭长建，张娟，等.ANSYS高级工程应用实例分析与二次开发[M].北京：电子工业出版社，2011.8.
[6] 李静，孙娟.裂纹柔度法插值函数选择和实验对比[J].河南科技大学学报，2011，20（4）：56-60.
关键词：装载机 前车架 局部焊接应力
中图分类号：U260.32
装载机有良好的机动性能和装卸性能，是工程机械主要机种，也是我国工程机械中的优势产品。大型轮式装载机的开发和制造能力反映了一个国家的工业能力和机械制造业发展水平。目前车架上开发较为成熟的技术有强度、刚度分析、机构运动分析等。基于理论分析和实验基础上的各种优化方法为车架架构提供了多种方案，进一步的优化了设计。
一、装载机前车架负载力学分析
讨论装载机进行强度以及局部焊接应力分析。装载机按照行走装置可以划分为轮胎式和履带式。二者行走装置不同，其余结构基本类似。履带式装载机通过能力强，牵引力大，工作稳定，在地形复杂的矿山、松软路面、湿地等条件下适应性良好。轮胎式装载机的优势在于具有较高的灵活性和机动性，同时造价比履带式要便宜，而且结构简单维修方便，作业效率较高，在国内应用较为广泛。
轮式装载机由车架、动力系统、控制系统、传递系统、行走系统和液压系统等组成。装载机技术性能参数包括铲斗容量、发电机额定功率、整机重量、额定载荷、最大行驶速度、最大崛起力、最大牵引力、轮胎、工作装置动作、装卸距离等。装卸机前车架是连接工作装置和后车架中间结构，作业工程中除了自身重量之外还承受着工作装置传递过来的力矩，结构复杂、焊缝多。转斗液压缸连接孔、动臂上铰接孔和动臂与液压缸连接孔、动臂上铰接孔和液压缸连接孔较厚，整体结构复杂。前车架 强度和刚度将影响整机效果。
装载机整体结构包括颤抖、摇杆、动臂、转斗液压缸、举升液压缸。精确分析装载机前车架的受力载荷。
二、前车架强度分析
装载机前车架材料是低碳高强钢，结构失效的主要形式一般为塑性屈服，进行强度分析需要使用第三或者第四强度理论。通过在 ANSYS 软件的后处理模块中读取各个节点位置的应力值，查看前车架应力范围和数据。铲斗正载水平插入和正崛起两个工况构成了水平插入崛起联合工况，进行受力分析，铲斗正载水平插入崛起联合作业工况受力较大。对这种工况进行受力载荷分析，这种情况下装载机处于右偏载情况。由于铲斗偏载水平插入、偏载崛起及偏载水平插入崛起联合作业三种工况铲斗受侧向力。通过在 ANSYS 软件的后处理模块中读取各个节点位置的应力值，查看其范围及数据，前车架应力分布最大值最小值发生在后背板上沿接触位置，没有超过材料屈服极限。
三、焊接残余应力
钢结构有着轻质高强、良好的塑性、韧性且制作安装简单等优点，得到了广泛的应用。焊接连接是目前钢结构链接中最重要的方法，但是焊接本身是一个十分复杂的过程，均属构建的不均匀受热和相变不均匀导致焊接后产生很大残余应力，对结构刚度、强度、稳定性等造成不良影响，需要进行控制。在装载机前车架的制造工艺中，控制焊接残余应力对于提高前车架塑性屈服强度，减少塑性屈服破坏有着重要的作用。
焊接残余应力简称焊接应力，是由于冷却时焊缝和焊缝附近钢材受到周边环境约束，不能够自由收缩造成的内应力。沿着焊缝长度方向的纵向焊接盈利、垂直于焊缝方向横向残余应力和沿厚度方向的焊接应力。
焊接接头是焊接研究的重点。焊接接头形式应该根据焊接结构形状、工件厚度、焊接后变形大小、焊条消耗量等进行综合考虑。焊接低合金钢和碳钢接头形式有对接接头、搭接接头、角接接头、T型接头。焊条电弧焊班后不超过6mm的对接接头一般直接焊接，随着板厚的增加，接头应该进行开坡口处理，一般厚度开v型破口，板厚增加可以开双v型破口或者双u型坡口等多种形式的坡口，通过开坡口保证焊透，控制焊接变形和焊接残余应力。焊接接头采取低组配时，焊缝金属屈服强度低于母材，焊缝先发生屈服，但是母材金属较强的刚度对焊缝金属的屈服变形形成了约束作用，形成了三相应力区，变相增强了焊缝的强度，但是这种接头形式容易发生脆断，造成的危害可能更大。
焊接残余应力的大小取决于金属焊缝不均匀加热的程度。加热过程中产生的热应力超过了材料屈服极限，材料将发生塑性变形导致热应力状态变化，塑性变形不均匀导致焊接残余应力。
装载机大部分采用时效处理的方式消除残余应力，并没有进行过针对性的焊接残余应力消除工作，导致在工作过程中由于焊接残余应力消除不理想和强度叠加以及路面颠簸冲击等的综合作用下导致结构应力较大发生塑性变形使焊缝部位开裂，影响正常使用。
四、装载机前车架局部残余应力分析
假设各种材料都是各向同性，工件边界仅仅和空气发生对流换热，包含辐射换热，忽略金属的填充作用以及熔池内部化学反应和搅拌、对流现象。建立焊接平面应变模型，通过不同开口角度之间的分析比较找出适合该模型的角度，之后完成对焊接残余应力分析的全过程仿真模拟，建立网格单元类型，添加材料的各项性能参数，包括温度、弹性模量、密度、膨胀曲线、热导率、比热容等，完成中间焊接单元由上向下的焊接过程模拟，最后通过软件提供处理模块显示焊接后应力图。
通过对仿真模拟结果的研究可以发现，焊缝处温度上升快，通过峰值之后逐渐降低，其他热影响区也发生类似过程，并且随着距离增加热源作用逐渐减弱，达到峰值的时间也逐渐推迟，焊接之后达到冷却阶段。同时对应力分布进行分析后发现开口角度和应力值之间有着很直接的关系，35度时应力值较小，45度时应力值超过了材料屈服极限。
焊缝开裂的影响因素很多，包括应力的分布、方向、焊接热处理过程和相变等，本文主要考虑不同开口角度施焊对装载机前车架强度的影响。
结束语：
装载机前车架结构作为装载机整体设计中重要组成部分，性能好坏直接影响到了整机性能和经济性。装载机前车架结构设计是一项复杂的工程，这项工程中保证前车架强度和控制焊接残余应力对装载机不良影响是问题的重点。通过详细研究对比，经过研究发现当焊缝开口角度在35度时盈利最小且整体趋势明显减小，这很明确的揭示了焊缝开口角度对焊接残余應力的影响。
参考文献：
[1] 王海霞，汤文成，钟秉林，等.客车车身骨架动应力研究的现状与未来[J].应用力学学报，2011.18（3）：8-13.
[2] 周新建，周长国，万正平.基于虚拟样机的井下装载机工作装置动力学分析与运动学仿真分析[J].煤矿机械，2010，29（5）：58-61.
[3] 王淋，张丽萍，王彦博，等.钢结构桥梁中特厚钢板焊接应力动态数值模拟分析[J].重庆交通大学学报，2012，28（3）：345-348.
[4] 毛君，李娜，刘春华，等.虚拟样机技术在机械工业中的发展与应用[J].CAD/CAM与制造业信息化，2010，（7）：82-84.
[5] 阚前华，谭长建，张娟，等.ANSYS高级工程应用实例分析与二次开发[M].北京：电子工业出版社，2011.8.
[6] 李静，孙娟.裂纹柔度法插值函数选择和实验对比[J].河南科技大学学报，2011，20（4）：56-60.