异型钢管在工程机械行业中的应用_张瑞.pdf

57CONSTRUCTION MACHINERY 2015.3专题论述SURVEYING异型钢管在工程机械行业中的应用张 瑞（山东山推机械有限公司，山东 济宁 272001）摘要介绍了异型管产品及其成型工艺，对机械产品中箱梁结构的传统拼焊工艺与直接采用异型钢管工艺进行了对比，并从设备投入、人工辅料消耗、生产周期等方面对两种工艺的经济性进行了分析比较，指出了异型钢管的应用优势。最后介绍在工程机械中驾驶室、推杆用异型钢管替代原有的拼焊结构的实际应用情况，不仅使工程机械结构件在外观、结构强度方面得到改善，且生产工序减少、生产周期缩短、工艺成本降低。关键词工程机械；异型钢管；加工工艺；弯管中图分类号TU511.3+7 文献标识码B 文章编号1001-554X（2015）03-0057-04Application of special-shaped steel pipe in construction machinery industryZHANG Rui工程机械产品结构复杂、零部件数量繁多，制造工序覆盖铸造、锻造、切割成型、焊接、机械加工、涂装、装配等。降低成本的途径很多，但关键在于设计和制造工艺，尤其是新材料、新工艺的应用，不仅可提高产品质量，还能大大降低产品的成本。异型钢管及其加工工艺在工程机械产品中的应用是一种典型新材料新工艺应用，不仅使得零件的工序简化、生产周期缩短，还提高了零件的结构强度，降低生产成本。1 异型钢管简介异型钢管是除圆管以外其他截面形状的钢管的总称，包括横断面轮廓非圆形的、等壁厚的、变壁厚的、沿长度方向变壁厚的、断面对称和不对称的等1，具有断面形状复杂、品种繁多的特点。由于异型钢管一般都有较大的惯性矩和截面模量，有较大的抗弯抗扭能力，可以大大减轻结构重量、节约钢材，在现代工业的各个领域得到了广泛的应用。随着越来越多型号产品的开发、产品质量的提高以及及后续加工工艺的发展，异型钢管的应用越来越普遍。1.1 异型钢管的分类根据截面、壁厚情况，异型钢管可分为等壁厚简单断面（代号D）、等壁厚复杂断面（代号DF）、等壁厚凸缘状断面（代号DT）、不等壁厚断面（代号BD）和变截面（代号DJ）。等壁厚异型钢管任何截面壁厚相同，变壁厚异型钢管在同一截面壁厚不完全相同，但在纵向上壁厚是相同的。纵向变断面异型管在同一截面壁厚可能相同也可以不完全相同，但在纵向上壁厚不同。本文中涉及的是等壁厚异型管，等壁厚异型钢管又可以分为无缝异型钢管和焊接异型钢管。等壁厚异型钢管按截面形状不同，可分为椭圆形、三角形、六角形、菱形、八角形、半圆形、凹型、凸型、不等边六角形、五瓣梅花形、双凸形、双凹形、瓜子形、圆锥形、波纹形等，图1所示是YB/T 171-2000复杂断面异形钢管标准中部分异型钢管截面。1.2 等壁厚异型钢管生产等壁厚异型管的方法有冷拔成形工艺、冷轧成形工艺、扩径成形工艺、热轧成形工艺、挤压成形工艺与滚压成形工艺等2-5，用挤压成形工艺挤出的管材尺寸精度高、形状复杂。焊接钢管异型管的生产工艺是：板材下料校平卷管焊 DOI:10.14189/ki.cm1981.2015.03.001收稿日期2014-11-02通讯地址张瑞，山东省济宁市任城经济技术开发区山博路山推机械工业园建机分公司技术开发部专题论述SURVEYING58建筑机械 2015.3接成形6。由于焊管采用钢板加工而成，成本和价格都低于无缝钢管，因此在使用条件不高的情况下广泛采用焊接异型钢管。异型钢管的长度还可根据具体需要在管材制造过程进行定制，目前异型钢管的加工工艺已经十分成熟。2 异型钢管与板材拼焊工艺比较2.1 拼焊结构与工艺在机械产品中存在一些箱型结构的零件，过去这些箱型结构零件几乎都采用板材拼焊而成，如图2所示。拼焊结构也有多种，图2a完全采用拼焊，图2b、c、d则部分采用折弯成型，然后拼焊。为了获得较好的外观，有时候还需要将焊缝打磨平整。图2中4种拼焊结构件的生产工艺路线如表1所示。在机械产品中，矩形箱型结构件的生产工艺相对简单，而一些异形截面的箱型结构件生产工艺则更为复杂，不仅需要多次折弯，还需要多次组对、焊接，而且图纸形状不易保证，外观较差。在长度方向上存在圆弧形的箱型结构件，可能还会用卷板机卷弯，组对焊接工艺与工装也更为复杂。一些薄板拼焊的箱型结构件，由于板材本身较薄，焊缝不需要开坡口，可直接采用搭接角焊缝，如图3所示。图1 YB/T 171-2000中部分异型钢管截面三角形管等腰梯形管等腰梯形凹底管单凹梯形管双凹梯形管双凹管缺角钢窗管凸字形钢窗管菱形管正五边形管正八边形管鼓形管单拱矩形管拱形管指教拱形管 馒头形管II处放大II处放大I处放大IIabcdI处放大图2 矩形箱型结构的拼焊方式表1 4种拼焊矩形箱型结构件生产工艺流程及设备拼焊方式工艺路线使用设备图2a下料校平加工坡口组对焊接（四条焊缝）修磨切割机、校平机、铣边机、组对工装、电焊机、打磨机59CONSTRUCTION MACHINERY 2015.3拼焊方式工艺路线使用设备图2b下料校平加工坡口折弯（两件，每件两次折弯）组对焊接（两条焊缝）修磨切割机、校平机、铣边机、折弯机、组对工装（也可直接采用平台）、电焊机、打磨机图2c下料校平加工坡口折弯（一件，两次折弯）组对焊接（两条焊缝）修磨切割机、校平机、铣边机、折弯机、组对工装、电焊机、打磨机图2d下料校平加工坡口折弯（两件，每件一次折弯）组对焊接（两条焊缝）修磨切割机、校平机、铣边机、折弯机、组对工装（也可直接采用平台）、电焊机、打磨机III 处放大图3 不开坡口的矩形箱型结构的拼焊方式续表对于一个成品件而言，焊接后还会有钻孔、攻丝、镗孔、铣面等机械加工工序以及与其它工件的焊接工序，如图4中所示的工件，还需要焊接支座、钻孔、攻丝等。图4 拼焊结构整体工件示意图2.2 异型钢管的工艺由于异型钢管本身已经是成型的箱型构件，只需按照长度进行切割即可。在长度方向上存在圆弧的工件，可采用弯管机及相关模具进行弯曲。由于异型钢管表面质量好且不需要焊接，因此整体外观质量好。异型钢管切割后，根据工件使用要求，也可能会有切割、钻孔、攻丝、镗孔、铣面（坡口）等机械加工工序以及与其它工件的焊接工序。对于异型钢管不同面上的方孔、圆孔以及非平面断面等，可采用三维切割工艺一次完成，不仅速度快，而且尺寸精度高。2.3 异型钢管与拼焊工艺比较实际应用的异型钢管结构会有各种各样形状的零件，生产工艺也各不相同。对于简单形状的零件，如图5所示的弯曲管，分别采用拼焊结构和矩形管，拼焊结构需要采用4个零件（3种）进行焊接，而采用矩形管只需1根整体管件弯曲即可。1232条线之间的间隙图5 拼焊管零件从表2生产工艺流程可以看出，采用拼焊工艺的工序多，用的设备也多，尤其是成型过程，不仅需要卷板机、折弯机，还需要组焊工装；而采用异型管所用设备只有2种，即切割和成型设备，如果专题论述SURVEYING60建筑机械 2015.3按长度定制，连切割设备也不需要。另外，图5中件2的形状不利于材料利用率的提高。当然，板料切割机、校平机、卷板机、折弯机都是通用设备，使用范围广，而弯管机及其配套使用的模具相对专用，对多品种、小批量的生产显然不合适，但对于大批量生产不仅效率高，而且成本低。表2 生产工艺比较比较项目拼焊工艺型管工艺工艺流程整体：组对焊接修磨件1（数量为1）：下料校平折弯（小圆弧）卷弯（大圆弧）焊接组对件2（数量为2）：下料校平组对件3（数量为1）：下料校平折弯（小圆弧）卷弯（大圆弧）焊接组对非定长管材：下料弯管（2次）定长管材：弯管（2次）设备板材切割机、校平机、卷板机、折弯机、组对工装焊接变位机锯床、弯管机、模具优点设备通用性强效率高，工艺简单，适合大批量缺点工艺复杂，需大量焊接设备专业性强3 异型钢管在工程机械中的典型应用3.1 驾驶室传统的驾驶室采用板材折弯拼焊成不规则截面的立柱作为主要骨架，工艺流程为：下料折弯焊接（成管）焊接（非直线拼接）加工（孔）焊接（总焊）涂装，其中拼焊成立柱的工作量大。而采用与不规则截面立柱相同的异形管材，则工序大大简化，流程为：（下料）弯管加工焊接（总焊）涂装。图6为采用异型钢管作为框架的挖掘机驾驶室，图7为推土机驾驶室框架采用的异型钢管截面图。目前，国内已经有钢材加工企业开发生产专门用于工程机械驾驶室的异型钢管材，管材截面可根据驾驶室具体骨架设计。图6 采用异型钢管作为框架的挖掘机驾驶室图7 推土机驾驶室中用到的异型钢管工程机械驾驶室采用异型钢管以及相应的弯管工艺、三维激光切割工艺，在缩短新产品开发时间、提高批量生产效率、减少焊接量等方面有着十分明显的优势7。尽管异型钢管加工使用的弯管机和三维激光切割机价格较高，但可以省去板材切割、折弯、拼焊等相关的工序及设备，综合成本并不高，且产品的结构性能和外观质量都有较大提高，因此工程机械驾驶室采用异型钢管材正在成为一种趋势。3.2 推土机推杆推土机工作装置中的推杆对结构强度要求高，其主梁为箱型结构，过去是采用4块板拼焊而成，如图8所示。工件中的4个零件经下料、校平后焊接，由于主梁较长，焊接的工作量很大。后在市场上发现大截面矩形管后，将其用到推土机推杆上，通过（下转第66页）66建筑机械 2015.3专题研究SPECIAL RESEARCH材料强度试验、计算模拟以及小批量应用试验，证明合适壁厚与截面的矩形管能满足某些型号推土机推杆的使用要求。目前矩形管已经替代一些型号的推土机推杆拼焊主梁，工序简单，节省了组对焊接工装、焊丝及人工。工艺从下料校平焊接修磨4步缩短为下料一步完成，周期大大缩短。II处放大图8 拼焊结构的推杆参考文献1 弓振川，顾一新，杨建中，我国异型钢管的生产现状与趋势J，上海金属，1996（1）：1-6.2 黄贞益，王萍，孔维斌，杨建春，无模拉伸工艺及发展J，华东冶金学院学报，2000，17（2）：118-121.3 夏鸿雁，吴迪，栾瑰馥，一种新型的锥形方管无模拉伸成形工艺J，钢铁，2009，44（7）：50-52.4 王忠堂，栾瑰馥，白光润，无模拉伸工艺及发展J，沈阳工业学院学报，1994，13（2）：13-18.5 曹国富，异型管先成槽圆再变异工艺研究J，2012（7）：28-34.6 陈桂金，普通焊管机组生产复杂断面异型管J，钢管，1988（4）：46-48.7 张瑞，工程机械驾驶室新材料与新工艺的应用J，工程机械，2012（4）：58-63.试验结果表明，低速状态下的全轮转向、蟹行、无偏摆转向以及独立后桥转向均完好实现，转向姿态正常。正常行驶过程中，公路行驶模式下的转角关系变化正常，车速为15km/h时转角跟随情况如图14所示。图中曲线1为一桥右侧车轮转角，由方向盘控制；曲线2、曲线3和曲线4分别对应三、四、五桥右侧车轮转角。第3桥转角与第1桥转角关系同向，且转向角度小，而四、五桥与一桥转角异向且转角图13 方波信号跟随情况无量纲值0246时间/s-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8较大，这与以上分析的公路行驶模式下的转角关系吻合。就跟随状态而言，四、五桥跟随一桥变化良好，三桥图形中有少许波动。这主要是三桥转角小，传感器自身的波动在图形中表现得比较明显。实验表明，200t级产品电液辅助转向系统工作正常，完全达到设计要求。参考文献1 高秀华，张春秋. 多轮转向系统转向控制模式综述. 起重运输机械. 2006（6）.2 姚永建，韩强. 四轮转向汽车的非线性模型及其动力方程. 华南理工大学学报（自然科学版）. 2003（11）.3 孙玉波，高秀华. 大型载重车辆电液多轴转向执行机构的模糊P ID控制. 农业工程学报. 2007（5）.0-16-80922-5-203-50转角/（ ）-2301342260163620000400006000080000转向时间/ms100000120000140000图14 转角跟随情况（上接第60页）