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  自动上料搅拌车压力水箱属于小型压力容器,由圆柱薄壁筒体和水箱支座组成,通过加压的方式将水排出,为整车提供清洗用水。目前常用的压力水箱有焊接式和扎带式两种结构形式,焊接式水箱通过焊接方式固定在支架上,焊接方式连接稳固,但是焊接方式对筒体的母材有一定的伤害,而且连接处焊缝易引起应力集中,导致焊缝的疲劳开裂;扎带式则直接将筒体坐落在支架上,通过扎带捆绑在支架上,连接处为活动连接,应力集中得到释放,不存在焊缝开裂的情况,但是由于水箱内液体的长期晃动,导致扎带松动,因此筒体有串动甚至脱落的风险。

  在自动上料搅拌车正常使用3~6个月左右,部分焊接式压力水箱在焊接连接处会出现筒体开裂漏水和支架根部焊缝撕裂的现象位于筒体与支架连接的端部位置,主要为筒体母材开裂,首先发生于贴板尖角处的焊趾位置,由外表面开始扩展延伸,终导致筒体漏水,位于支架立板与底板的连接处,裂纹起始于连接根部的焊趾位置,由端面开始扩展,终导致整个截面的焊缝撕裂。

自动上料搅拌车压力水箱焊缝开裂分析

  一、水箱应力分析
  压力水箱筒体结构为简单压力容器结构,内部长期保持有较大的压强,正常的工作压力约为0.4MPa,安全压力为0.5MPa,许用压力为0.8MPa。筒体全长1700mm,直径600mm,壁厚4mm,材料为Q345B,本文采用有限元方法对结构进行分析。
  基于盛水水箱的模态分析发现,一阶模态为水箱的整体扭转模态,二阶模态为筒壁的弯曲模态,表明水箱在这两个自由度方向上刚度弱。水体晃动引起的冲击载荷为低频激励,且激励载荷较复杂,因此本文将该问题简化为静力问题来研究结构的应力分布,分别考虑液体前后晃动和左右晃动两种工况。
  1、液体前后方向晃动
  针对筒壁的弱刚度方向,考虑液体前后晃动工况,分别计算液面与水平面夹角为-30°、0°、30°时的筒壁应力变化范围。图3为液面前倾30°时的筒体局部应力云图,贴板端部存在明显的应力集中现象,应力峰值出现在贴板的尖角处,与实际的水箱开裂区域相符。
  内压导致贴板与筒体的连接焊缝表现为横向受拉角焊缝,疲劳等级较低,不利于承载动载荷,板厚及焊缝几何外形是影响焊缝疲劳强度的主要因素,由于液体晃动引起的拉应力不断变化,终导致该处焊趾位置的疲劳开裂并沿筒壁厚度方向扩展。
  2、液体左右方向晃动

  水箱内液体的左右晃动是支架根部不利的承载状态,以液面侧倾30°的工况进行计算大应力值发生在支架根部立板与底板的连接处,为局部应力集中,与实际开裂位置一致。该处焊缝形式为T型承力角焊缝,对焊接缺陷敏感,疲劳强度较低,裂纹首先产生于立板上的焊趾位置,终扩展导致整个连接面焊缝撕裂。

自动上料搅拌车压力水箱焊缝开裂分析

  二、焊缝开裂原因
  1、结构本身的构造细节不合理
  由有限元分析结果可见,焊缝开裂区域均存在较明显的应力集中现象,其原因为结构的细节构造不合理,如贴板采用厚而窄的矩形板条形式,造成局部结构几何形状突变及刚度过渡不合理。而且矩形贴板不利于焊接过程的连续稳定操作,在尖角处起熄弧或焊接速度不稳定会增加焊接缺陷的风险,从而降低焊接质量。
  2、焊接质量问题
  焊接质量问题为事故形成的主要原因之一,根据客户反馈信息发现,多数焊缝开裂的水箱均存在明显的焊接缺陷,如未焊透、咬边、焊瘤等形成初始裂纹源,在焊趾缺口效应与结构自身因几何突变产生的应力集中叠加作用下,导致疲劳裂纹在焊趾处形成并迅速扩展,从而降低焊缝的疲劳强度。
  三、结构修改方案
  针对压力水箱结构的焊缝开裂原因,对结构进行如下改进。
  1、将矩形贴板改为两端圆弧过渡的形式并加宽,将厚度由5mm减为4mm。一方面改善结构的刚度过渡,降低结构热点应力,另一方面采用端部圆弧形式避免了焊接过程中在关键连接区起熄弧的操作,降低形成焊接初始缺陷的风险。
  2、将底板改为折弯板形式,将支架根部的横向焊缝与底面纵向焊缝错开,焊缝形式由T型的连接角焊缝改为疲劳强度等级更高的对接焊缝,降低焊缝撕裂的风险。
  3、改善关键位置焊缝的焊接工艺,提高焊接质量,避免未焊透、咬边等焊接缺陷的出现,并对关键位置处的焊缝进行熔修整形或焊趾打磨光滑,改善焊缝的局部细节质量,降低应力集中水平。
  4、对关键焊缝位置采用喷丸工艺处理,引入残余压应力提高焊缝的疲劳强度。

  针对自动上料搅拌车在使用过程中遇到的压力水箱焊缝开裂问题,对结构进行计算分析,并根据客户反馈的具体细节,找出结构开焊的原因,进行针对性的结构调整。一方面改善焊接工艺,提高关键位置的焊接质量,另一方面调整结构,尽量避免在疲劳敏感区设置焊缝,提高结构整体的疲劳强度。

自动上料搅拌车压力水箱焊缝开裂分析

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