自卸车货箱焊接工装过程位移仿真及试验研究

唐珊珊

(1.安徽三联学院 机械工程学院，安徽 合肥 230601；2.马来西亚砂拉越大学 工程学院，马来西亚 砂拉越州 94300)

1 重卡自卸车行情

根据近五年的数据统计，如表1所示，重卡自卸车的更新换代日益加速[1-2]，其主要原因有以下几点：第一，我国从国三升级到国六只用了7年时间[3]，排放升级速度是所有国家中最快的，环保压力也是全球之最。第二，2016年修改发布的GB1589以及2018年发布的新GB7258，新发布的国标中对于卡车行业最主要的规定有：(1)危险货物运输挂车、三轴的栏板和仓栅式半挂车标配盘式制动器和自动调整臂；(2)三轴及以上货车将配备超速报警系统；(3)总质量大于等于12000kg的危险货物运输货车的后轴，所有危险货物运输半挂车，以及三轴栏板式、仓栅式半挂车应装备空气悬架等[4-5]。第三，受全球疫情影响，对重卡产业的需求提高，根据数据显示：2020年中国重型货车(含非完整车辆、半牵引车)产量为165.5万辆，同比增长38.7%；中国重型货车(含非完整车辆、半牵引车)销量为161.9万辆，同比增长37.9%[6]。受以上因素的综合影响，重卡自卸车的平均使用年限在3年左右，加大了对各大厂家制作能力的考验，一方面要提升产能，另一方面在轻量化大环境下保证产品质量。

表1 重卡自卸车的销量

2 国内外生产工艺研究现状

根据对诸多自卸车货箱制作厂家调研观察，在规模较大厂家(年产≥3000台)均使用拼箱专用设备，设备配备限位及液压夹紧、自动寻位、自动焊接，至最后上龙门、后门，整套设备价值数百万[7]，对于规模一般厂家上该设备使用频率较低，会形成严重的产能过剩。针对此问题，本文研究开发一种制造成本低，且可保证拼箱精度、提高拼箱效率的专用工装，适合于产量规模一般的厂家使用。

对于一般规模厂家自卸车货箱的拼焊过程，均通过以下方式进行：第一步，底板焊接完成后流转至拼箱工位，在底板上划线定位、再点焊临时限位；第二步，分别将左/右侧边吊至底板侧边，根据底板上的划线及临时限位确定左右侧边位置后点固，为减小拼接过程中边板的变形及移位，需在左右侧边、侧边与底板之间点固临时丝杠拉紧，同时可通过丝杠适当调整左右侧边的位置和角度；第三步，将龙门吊至底板前端，根据底板上的划线及临时限位确定龙门位置点固，为方便调整龙门的位置，需在龙门与底板之间点固临时丝杠；第四步，将后门吊至底板后端，根据底板上的划线及临时限位确定后门位置点固，为防止后门移位，需在后门与边板之间点固临时工艺筋，其工艺流程如图1所示。

图1 货箱制造工艺流程图

一般规模厂家现有拼箱过程大多沿用最传统的“地摊式”工艺，通过上述介绍可看出，传统拼箱工艺过程复杂、对作业人员要求较高且对于各零部件的原始尺寸精度要求高。整个作业过程完全靠人去控制位置和尺寸进度，所生产的产品一致性也难以保证，根据某厂家(一般规模)近期10台5600*2300*600尺寸U型货箱(边板材料为NM450，厚度4mm)拼箱后尺寸统计，拼箱后左右后立柱高度差、货箱前端内高尺寸、货箱后端内高尺寸、货箱前端内宽尺寸、货箱后端内宽尺寸，均难以保证一致，统计数据如表2所示。

表2 使用工装前5项数据统计 mm

3 货箱结构与材质

重卡自卸车U型货箱区别于矩形箱，主要特征在于其侧板通过多道折弯而成，即通过机械加工方法大幅度提高其本身的抗弯及抗扭强度，其优点较多：(1)省去传统矩形箱侧板外端的各种横竖加强筋；(2)保证其外观平整耐看；(3)防止了挖机在作业过程中掉落渣土堆积在加强筋上端，减小了车辆行驶出工地后对公共道路的污染。

也正是因为边板的多道折弯，为产品制作过程中带来了诸多不便：(1)边板需多道折弯，在下料、折弯的过程中误差不可避免；(2)合厢过程边板与底板无限位固定点；(3)各总成满焊处较多,存在超过5000mm焊缝，焊接变形不可避免[8]。以上原因存在导致：(1)难以保证产品质量及一致性；(2)合厢过程对作业人员技术要求高，且厢效率低，影响整体生产线平衡率。

因边板折弯后角度及高度方向长度会影响到下道拼箱工序的作业，故选取这两个参数做为变形量参考统计，如图2所示，两个变形量参考示意。根据市场订单情况，选取符合轻量化要求的板材NM450边板板材，分别取常用尺寸2mm，4mm及6mm厚试验，统计侧边折弯角度参数及高度参数(理论值角度参数为90°，高度参数为900mm)，如图3和图4所示。

通过图3和图4，相同板材情况下，板厚越大，边板折弯后角度及高度尺寸越不可控，发生较大误差的概率加大。

图2 角度及高度参数示意图

图3 角度参数

图4 高度参数

4 新拼箱结构设计

为了适应自卸车市场的需求，提升自卸车产能的同时保证其品质，针对自卸车货箱拼箱难度大、对作业人员要求高、产品一致性差的问题，本文介绍一种用于自卸车货箱拼箱的专用结构，优化自卸车货箱拼箱工艺，用于解决上述问题，以赢得更多的市场资源。

拼箱结构主要由上端限位、前端限位、框架总成、加高限位、外侧限位支架总成、外顶紧总成、限位块存放框总成、内顶紧总成。相比传统拼箱工艺，该结构所使用的工艺为反扣拼箱工艺，即货箱拼箱完成后是反扣在工装上，通过工装及夹具来限位和夹紧，保证货箱的位置和尺寸精度需求，保证产品的一致性，示意图如图5所示。

注：1.上端限位 2.前端限位 3.框架总成 4.加高限位 5.外侧限位支架总成 6.外顶紧总成 7.限位块存放框总成 8.内顶紧总成。图5 拼箱结构

调整内顶紧总成，使两侧内顶紧限位块外端间距为货箱内尺寸，如图6，再将前端限位向上翻转用螺母固定，见图7框内所示，将侧板用行车吊起流转至焊接工装侧边，调整至侧板前端抵住前端限位后缓慢放下侧边，侧板上口挂在上端限位上，侧板下口抵住加高限位，转动外顶紧总成上丝杠，使外顶紧总成对侧板限位。

图6 内尺寸调整

图7 侧板上件

将焊接完成的底板吊起流转至焊接工装上方，调整使底板中心线与工装纵向中心标识重合，见图8框中所示，底板前端抵住前端限位后缓慢放下底板，底板左右两侧压在侧板上方，复查前后压覆均匀后，点固底板和侧板。

图8 底板上件

松开前端限位上螺母，使其自然垂下。将焊接完成的龙门吊起流转至焊接工装前方，龙门前板端的缺口处扣在侧板伸出梁上端，在龙门左右安装板上各插入一根圆钢，与焊接工装上预留孔贯通，保证龙门的左右位置，如图9框中所示。调整使龙门与底板及侧边贴合后点固。在货箱后端的左右边板后端拉一根工艺筋后(防止吊运过程中组件变形)，可将上述组件吊下。

图9 龙门上件

5 模拟仿真及验证

5.1 丝杠啮合部分各圈承重比例分析

丝杠及其套筒啮合情况如图10所示。

图10 丝杠及其套筒啮合示意

旋合长度L，丝杠受拉伸力Fb的作用，牙面上每单位宽度上斜面垂直力ω。以丝杠套筒的顶面位置为原点，在z位置处作用于牙面垂直截面上的轴向力为F(z)[9]，则在z位置处丝杠伸长εb和丝杠套筒εn，可由下式求出。

(1)

式(1)中：Ab和An—丝杠和丝杠套筒的垂直截面面积；

Eb和En—丝杠和丝杠套筒的弹性模量。

故在z与z+dz之间的牙段上有：

ωcosα·dzcotβ=dF(z)

(2)

式(2)中：β—升角；α—牙型半角。可得：

(3)

对于内螺纹，其累计变形量δb、δn为：

(4)

式(4)中：kb、kn—丝杠和丝杠套筒的弹性变形系数。

将式(3)代入式(4)得：

(5)

在图10中，εb、εn、δb、δn之间关系如下：

(εb+εn)z=L=(δb+δn)z

=L-(δb+δn)z=0

(6)

把式(1)和式(5)代入式(6)中，并进行微分计算，可得：

(7)

式(7)中，

(8)

式(6)的通解为：

F(z)=c1coshλz+c2sinλz

(9)

边界条件[F]Z=L=0，[F]Z=0=Fb，根据此条件确定c1和c2，则式(9)变为：

(10)

代入式(3)得：

(11)

单圈螺纹承受的轴载荷p(i),i=1,2,3…[L/P]

(12)

又取ηi为第i圈螺纹承受轴向载荷的比例，则

(13)

所设计丝攻公称直径为d=24mm，牙距为p=10mm，故其截面面积Ab取有效值dp=d-0.5*p=19mm圆柱体的横截面面积，牙型角2α=60°，啮合部分长度L=50mm，预紧力Fb暂取50000N。则有：

所设计丝杠和丝杠套筒所用材料均为45号钢，密度7.85g/cm3，弹性模量为210GPa，泊松比0.3，根据文献中的计算方法[10]，kb=kn=3.45，Eb/En=1，将这些数据代入公式(8)中得λ=0.15，由此可计算前6圈螺牙承载的比例分别为：η1=28.3%，η2=22.6%，η3=18.8%，η4=12.1%，η5=8.4%，

η6=5.2%。

5.2 丝杠仿真模拟及分析

由上述分析计算可知，丝杠上前6道螺牙承受95%以上的负载，其中第一道牙承载28.3%，第六道承载5.2%，其余道承载可忽略。由于外牙的尺寸和受力面积比与之相配的内牙要小，所以螺纹发生破坏通常发生在外牙，故梯形螺纹核算承载力通常计算外牙(假设相同材料和处理工艺)[11-12]。

螺纹牙危险截面剪切强度条件[13-14]：

(14)

[τ]=0.06*[φ]

(15)

b=0.68P

(16)

式中：[τ]-剪切强度；[φ]为屈服强度，45号钢；F-作用于螺杆的轴向力；D-外牙小径，公称直径为24mm；μ-螺纹工作圈数；b-牙根的宽度；P为牙距。

式(14)变形得：

F≤0.06*[φ]*3.14*15*0.65*8/0.283

=31491N

即拼箱工装外顶紧总成螺纹处最大承受能力为31491N。

考虑拼箱过程中各总成之间存在缝隙时，需要进行敲击调整，以动态许用应力[F]计算。

[F]=F/S

(17)

式(17)中：S为动态修正系数，取值为3[15]，计算得[F]=10497N。

现选取市场销量最大货箱尺寸5600*2300*600mm尺寸U型货箱(边板材料为NM450，厚度4mm)进行建模，并分析边板总成在拼箱工装挤压下，是否可按照既定设计完成校正[16-17]。

如图11和图12所示，在压力点处可完成位移超过200mm，换算相应角度为12°，可完成图3统计中最大角度误差为3°时校正。

图11 边板过程位移变化云图

图12 边板位移对应角度示意图

图13 拼箱工装实物图

按照设计结构，制作出自卸车货箱拼箱工装，如图13所示。制作完成后批试10台5600*2300*600mm尺寸U型货箱(边板材料为NM450，厚度4mm)，在拼箱完成后，发现各总成间间缝隙均≤2mm，减小焊接难度的同时，可有效预控产品满焊过程的焊接变形。满焊后，又对该10台货箱5项关键数据进行尺寸复核，如表3所示。

表3 使用工装后5项数据统计 mm

表4 使用工装后5项数据分析 mm

将使用工装前(表2中数据)，及使用工装后(表3中数据)，各项分别取平均值后进行对比，如表4所示。从表4可看出，五项关键数据均有大幅度降低，其中左右后立柱高度差降幅最大达79%，其次为龙门左右高度差达72%，该两项数据的降低，可从直观上提升产品的外观质量，并提升产品的使用寿命,其余三项关键数据降幅也在50%左右，有效保证了产品过程质量要求。

结语

本文利用solidworks软件设计一种拼箱结构，并采用simulation模块对结构关键受力部位位移情况进行仿真模拟，根据设计结构制作加工实物后，再次进行系列试验验证设计的有效性。

试验数据表明所设计结构，可良好控制自卸车货箱制作过程中5项关键参数，其中左右后立柱高度差、龙门左右高度差降幅超过70%，货箱内尺寸相关误差数据降幅超过49%，大幅度控制了产品的焊接误差，提升了货箱外观及关键位置质量，保证了产品的法规项目及一致性要求。