工程機械超高強鋼臂架設計及制造基礎共性關鍵技術研究與應用
2014年01月20日17:23
中聯工程機械超高強鋼臂架設計及制造基礎共性關鍵技術研究與應用
在高聳建筑、大型能源設施、大跨橋梁、風電、高鐵等大型建筑工程的施工及維護中，起重機、泵車、高空作業車等長臂架類工程機械不可或缺。
目前，國內外無公開的超高強鋼臂架設計制造技術標準，國外企業技術保密封鎖。我國缺乏對該類基礎共性技術的研究，尚未掌握超高強鋼臂架設計、制造的自主核心技術，產品開發只能跟隨仿制，無法實現自主創新。結構件與國外相比，輕量化程度低、易疲勞開裂、制造精度差，焊接變形大，導致產品國際市場競爭力較弱。
該項目依托“十一五”、“十二五”國家科技支撐計劃，“973”國家基礎科學研究項目，通過產學研合作，在超高強鋼臂架結構極限狀態設計方法、非線性及耦合效應分析、抗失穩設計、抗疲勞設計、精密冷彎成形、焊接變形控制等關鍵技術方面實現了重大技術突破和實質性創新：
1.針對細長臂架結構設計中的幾何、接觸、材料非線性及耦合問題開展研究，首次采用極限狀態設計法，考慮各種載荷的偏差量以及材料的不均勻性，從工作級別分級、載荷情況、載荷組合、材料抗力、高危險度系數到強度、剛性、穩定性承載能力全面考量，實現了對臂架結構實現幾何、接觸、材料非線性及耦合效應精確計算，保證臂架結構設計的科學合理，安全輕量。
2.修正了超高強鋼管材及格構式結構的等效缺陷模型，提出了超高強鋼管材的穩定系數計算公式及多級變截面臂架計算長度系數表，突破了超高強鋼臂架穩定性精確分析及設計技術。
3.建立了超高強鋼疲勞強度基礎數據庫，提出了超高強鋼臂架結構動載模型及載荷譜分布特征，開發了超高強鋼臂架結構抗疲勞設計系統，建立了超高強鋼臂架結構抗疲勞設計準則。實現泵車臂架焊接部位疲勞壽命提高1.12~1.62倍。
4.提出了適用于超高強鋼的改進Y-U本構模型，并推導出其隱式積分算法，解決了本構模型多參數快速精確反演難題，突破了多因素耦合作用下冷彎工藝的穩健設計技術，研制出臂架冷彎實時檢測與控制系統。實現10米以上超高強鋼臂架成形角度偏差小于0.5°，全長直線度小于5mm，開口尺寸誤差小于2mm。
5.建立了適用于超高強鋼焊接的高溫粘塑性本構模型，實現焊接變形模擬預測誤差小于10%，基于虛擬焊接實驗的成果提出了焊接變形同步控制方法，研制出相應裝備，實現了吊臂焊接最大變形量減少43%。焊后矯形時間減少50%。
上述創新，使我國真正掌握了超高強鋼臂架設計制造的基礎核心技術，使相關產品擺脫了跟隨模仿的局面，實現了自主創新。成果已應用于3大系列28款產品，其中包括：世界最大噸位全地面起重機（2000噸級）、大噸位履帶式起重機（3000噸級）、世界最長臂架高空消防車（113米），以上產品滿足了國家重大工程建設需求。
該項目實施獲得直接經濟效益2.24億元，帶動工程機械臂架用高強鋼國產化率提升至30%以上，擁有完全自主知識產權，獲專利授權8項，受理發明專利7項，制定國家標準4項、企業標準2項，出版專著1部，國家級教材1部，發表論文4篇，利用相關技術開發的產品多次被鑒定為國際領先或先進水平。
獲獎等級：一等獎
完成單位：中聯重科股份有限公司，太原科技大學
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