CN103422520B

CN103422520B - 工程机械及其箱型工作装置

Info

Publication number: CN103422520B
Application number: CN201310317047.6A
Authority: CN
Inventors: 李伟; 项伟; 李广乐
Original assignee: Sany Heavy Machinery Ltd
Current assignee: Sany Heavy Machinery Ltd
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: CN103422520A

Abstract

本发明公开了一种工程机械及其箱型工作装置。上述箱型工作装置为铸造铝合金，上述铝合金为Al-Cu-Mn系合金、Al-Zn系合金或Al-Si系合金。铝合金具有较小的密度，有利于降低工作装置的重量；同时，铝合金表面还易形成致密牢固的Al₂O₃保护膜，提高该工作装置的耐腐蚀性能。上述铝合金的力学性能与钢材接近，能够满足作业时承受作用力以及抵抗冲击的需要。此外，上述铝合金具有较为优异的铸造流动性能，不易形成铸造缺陷，可为保证工作装置的力学性能提供前提；还可省去将顶板、底板和侧板相互焊接成箱型结构的工序；还可减少焊缝，提高该工作装置的力学均一性，降低故障率。

Description

工程机械及其箱型工作装置

技术领域

本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种工程机械及其箱型工作装置。

背景技术

工程机械是进行土石方施工工程、路面建设与养护、流动式起重装载作业必须的机械装备，是我国装备工业的重要组成部分。工程机械在国防建设工程、交通运输建设、能源工业建设、原材料工业建设，农林水利建设，工业与民众建筑，城市建设，环境保护等领域有着极为广泛的应用。

工作装置是工程机械的重要执行机构。有些工程机械的工作装置采用箱型结构。以挖掘机为例，其工作装置为主要包括箱型结构的动臂和铲斗等。具体结构参见图1，包括顶板111’，与顶板111’两侧相连的两个侧板113’，和与两个侧板113’相连的底板112’。目前，为了保证工作装置的力学强度，现有的工作装置通常由钢板焊接而成，具体而言为首先将钢板焊接成箱体基本结构，然后再进行套接、组对后焊接而成。此种结构的工作装置具有如下缺陷：

首先，钢材的密度较高，由此导致工作装置的重量较大，增加了工程机械的油耗；其次，工作装置的成型需要进行多次焊接，而焊缝往往是结构件的薄弱部位，由此提高了工作装置的故障率；最后，钢材的耐腐蚀性能也有待提高，通常需要进行复杂的涂装工艺才可保证工作装置能适用于多种工况环境。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种重量轻、耐腐蚀、力学性能优异箱型工作装置，以及设置有该工作装置的工程机械。

一方面，本发明提供了一种箱型工作装置，其为铸造铝合金，所述铝合金为Al-Cu-Mn系合金、Al-Zn系合金或Al-Si系合金。

进一步地，所述箱型工作装置为整体铸造成型。

进一步地，所述箱型工作装置为摇杆或连杆。

进一步地，所述箱型工作装置为垂直分型铸造成型。

进一步地，所述工作装置包括若干铸造子段，相邻所述铸造子段之间焊接连接。

进一步地，所述铸造子段均包括顶板、底板和两个侧板；相邻子段之间对应的顶板之间形成有顶焊缝，相对应的底板之间形成有底焊缝，相对应的侧板之间形成有侧焊缝；并且，所述顶焊缝、底焊缝和侧焊缝不位于同一面内。

进一步地，所述顶焊缝和侧焊缝之间，以及侧焊缝和底焊缝之间均设置有间距。

进一步地，所述间距不小于所述铝合金的焊接热影响区的宽度的3倍。

进一步地，所述工作装置为动臂或斗杆。

本发明还提供一种工程机械，上述任意一项所述的箱型工作装置。

本发明提供的箱型工作装置的材质为Al-Cu-Mn系合金、Al-Zn系合金或Al-Si系合金。相对于现有技术，铝合金具有较小的密度，有利于降低工作装置的重量，进而减轻设置该工作装置的设备的油耗；同时，铝合金表面还易形成致密牢固的Al₂O₃保护膜，提高该工作装置的耐腐蚀性能，无需进行复杂的涂装工艺便能够应用于多种工况。在降低工作装置重量和提高耐腐蚀性能的同时，上述铝合金的力学性能与钢材接近，能够满足作业时承受作用力以及抵抗冲击的需要。此外，上述铝合金具有较为优异的铸造流动性能，不易形成铸造缺陷，一方面可为保证工作装置的力学性能提供前提；另一方面还可省去将顶板、底板和侧板相互焊接成箱型结构的工序；同时又可减少焊缝，提高该工作装置的力学均一性，降低故障率。综上所述，本发明提供的箱型工作装置具有重量轻、耐腐蚀、力学性能优异和故障率低的优点。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为相关技术箱型工作装置的剖面示意图；

图2为本发明实施例提供的动臂的分割示意图；

图3为本发明实施例提供的动臂的剖面示意图；

图4为本发明一优选实施例中，图2中P处的局部放大示意图；

图5为本发明另一优选实施例中，图2中P处的局部放大示意图；

图6为本发明另一优选实施例中，图2中P处的局部放大示意图；

图7为本发明另一优选实施例中，图2中P处的局部放大示意图。

附图标记说明：

11铸造子段

111顶板

112底板

113侧板

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图，对本发明的各优选实施例作进一步说明。

本发明实施例提供一种箱型工作装置，该工作装置为铸造铝合金，上述铝合金具体为Al-Cu-Mn系合金、Al-Zn系合金或Al-Si系合金。

相对于现有的工作装置，本实施例采用铝合金替代原有的钢材。由于铝合金的主要成分铝的密度仅为铜或铁的三分之一，因此采用铝合金可大幅度降低工作装置的重量。此外，铝的表面易自然产生一层致密牢固的Al₂O₃保护膜，能很好的保护基体不受腐蚀，因此采用铝合金还可提高工作装置的耐腐蚀性能。

铝合金的另一优点在于适于进行铸造成型，铸造成型可省去将箱型工作的装置的顶板、底板和侧板再进行焊接的工序，不仅简化了制造工艺，还可减少焊接次数，提高工作装置力学性能的均一性，提升其工作可靠性。

结合考虑铝合金的铸造流动性以及力学强度性能，本实施例提供的工作装置采用Al-Cu-Mn系合金、Al-Zn系合金或Al-Si系合金。上述三种铝合金的铸造流动性能较为优异，不易形成铸造缺陷，为铸造成型后的工件仍保持较好力学性能提供前提。此外，上述三种铝合金的拉伸强度σb≥300Mpa，屈服强度σs≥240Mpa，延伸率接近15%，冲击功≥150J/cm³，其力学性能与钢材接近，能够满足作业时承受作用力以及抵抗冲击的需要。

本实施例提供的箱型工作装置的材质进一步优选为Al-Cu-Mn系合金。Al-Cu-Mn系合金具有更为优异的抗拉伸和抗冲击冲击性能，其屈服强度σs可达400Mpa，冲击功可达150J/cm³。Al-Cu-Mn系合金中可含有少量的V和B。其中，V能够起到细化Al-Cu-Mn合金的基体和第二相Al₂Cu的作用，提高铝合金的综合力学性能；B可以起到细化晶粒作用，进一步提升铝合金的力学性能。

上述箱型工作装置均为铸造成型，由此可省去将顶板、底板和侧板相互焊接成箱型结构的工序，同时可减少焊缝，提高力学均一性。作为本发明的优选方案，箱型工作装置可以为低压消失模具铸造成型。相对于压铸，低压消失模具铸造设备投资小，铸件成本低，铸件可进行热处理强化；相对于砂型铸造，低压消失模具铸造制备的铸件精度高，表面粗糙度小，生产率高。

上述铸造成型可以为整体铸造成型或垂直分型铸造成型，本领域技术人员可以根据工件的尺寸以及结构复杂程度进行选择。具体的如：对于小尺寸的工作装置部件，如摇杆、连杆等可采用整体铸造成型；对于大尺寸的工作装置部件，如动臂、斗杆等，若采用整体铸造易产生铸造缩孔等内部缺陷，因此，适宜采用垂直分型铸造成型。

对于垂直分型铸造成型的箱型工作装置，其可以包括有若干的铸造子段，由于铝合金具有较为优异的焊接性能，相邻铸造子段之间可焊接连接。具体焊接方式可为钨极氩弧焊接。钨极氩弧焊接是电弧在氩气中进行燃烧，具有以下优点：交流氩弧焊在焊接过程中能够自动清除焊件表面的氧化膜，因此适于对铝合金进行焊接；氩气具有极好的保护作用，能有效的隔绝周围空气，它本身既不与金属起化学反应，也不溶于金属，使得焊接过程中的冶金反应简单易控制，有利于获得较高质量的焊缝。

请参见图2至图7，下面以动臂为例，进一步对垂直分型铸造成型的箱型工作装置进行说明。

本发明实施例提供的动臂包括多个铸造子段11（本实施例中为三个，本领域技术人员可根据部件尺寸对铸造子段的个数进行选择），相邻铸造子段11之间焊接连接。

每个铸造子段11均包括：顶板111、底板112和两个侧板113（请参见图3）；相邻铸造子段11之间对应的顶板111之间形成有顶焊缝，相对应的底板112之间形成有底焊缝，相对应的侧板113之间形成有侧焊缝。焊缝区域是结构件的薄弱区域，为了避免上述焊缝分布过于集中导致部件易发生面断裂，本实施中提供的动臂中，上述顶焊缝、底焊缝和侧焊缝不位于同一面内。即，顶焊缝和侧焊缝之间，和/或侧焊缝和底焊缝之间设置有间距。由于上述焊缝之间设置有间距，因此在外界冲击力的作用下，作用力难以沿顶焊缝、底焊缝和侧焊缝迅速形成易断面，大部分的作用力被传递于顶板111、底板112和侧板113上，动臂不易发生焊缝断裂。

为了进一步防止动臂沿焊缝发生断裂，上述顶焊缝和侧焊缝之间，以及侧焊缝和底焊缝之间均设置有间距。作为优选方案，该间距不小于所用铝合金的焊接热影响区的宽度的3倍。

为了实现上述功能，相邻铸造子段连接末端的结构（即图2中P处的结构）具体采用可以如下方式：

方式一：相邻的两个铸造子段的连接末端中，左右侧板均基本对齐，一个铸造子段的顶板向前延伸距离d1，底板向后缩回距离d2；相应的，另一个铸造顶板向后缩回距离d1，底板向前延伸距离d2；（具体请参见图4）

方式二：相邻的两个铸造子段的连接末端中，左右侧板均基本对齐，一个铸造子段的顶板向前延伸距离d1，底板向前延伸距离d2；相应的，另一个铸造顶板向后缩回距离d1，底板向后缩回距离d2；（具体请参见图5）

方式三：相邻的两个铸造子段的连接末端中，顶板和底板均基本对齐，一个铸造子段的一个侧板向前延伸距离d1，另一侧板向后缩回距离d2；相应的，另一个侧板中，一个侧板向后缩回延伸d1，另一侧板向前延伸距离d2；（具体请参见图6）

方式四：相邻的两个铸造子段的连接末端中，顶板和底板均基本对齐，一个铸造子段的一个侧板向前延伸距离d1，另一侧板向前延伸距离d2；相应的，另一个侧板中，一个侧板向后缩回距离d1，另一侧板向后缩回距离d2。（具体请参见图7）

上述d1和d2可以相等也可以不相等，均优选不小于焊接热影响区的宽度的3倍。

对本发明实施例提供的动臂以及现有的动臂进行力学性能测试，测试对象分别为：

试样A：

材质：Al-Cu-Mn系合金，牌号为ZL205A

成型方式：垂直分型铸造成型；相邻的两个铸造子段焊接连接，相邻的两个铸造子段的连接末端中，左右侧板均基本对齐，一个铸造子段的顶板向前延伸距离d，底板向后缩回延伸d；相应的，另一个铸造顶板向后缩回距离d，底板向前延伸距离d；d为铝合金的焊接热影响区的宽度的3倍。

试样B：

材质：钢材，牌号为SS400P

成型方式：将各钢材面板焊接成型。

分别从试样A和试样B上取尺寸相同的标样进行试验。重量分别为0.17kg和0.5kg。

测量试样A和试样B的力学性能，测量结果列于表1。

表1试样力学性能测试结果

	拉伸强度	屈服强度	延伸率	冲击功
					试样A	398Mpa	239Mpa	16.8%	202J/cm³
试样B	402Mpa	245Mpa	16.9%	170J/cm³

由上述内容可知，本发明提供的箱型工作装置的材质为Al-Cu-Mn系合金、Al-Zn系合金或Al-Si系合金。相对于现有技术，铝合金具有较小的密度，有利于降低工作装置的重量，进而减轻设置该工作装置的设备的油耗；同时，铝合金表面还易形成致密牢固的Al₂O₃保护膜，提高该工作装置的耐腐蚀性能，无需进行复杂的涂装工艺便能够应用于多种工况。在降低工作装置重量和提高耐腐蚀性能的同时，上述铝合金的力学性能与钢材接近，能够满足作业时承受作用力以及抵抗冲击的需要。此外，上述铝合金具有较为优异的铸造流动性能，不易形成铸造缺陷，适于铸造成型，由此可省去将顶板、底板和侧板相互焊接成箱型结构的工序，同时又可减少焊缝，提高该工作装置的力学均一性，降低故障率。综上所述，本发明实施例提供的箱型工作装置具有重量轻、耐腐蚀、力学性能优异和故障率低的优点。

本发明实施例还提供了一种工程机械，例如挖掘机，该工程机械设有上述任一种箱型工作装置，由于上述任一种箱型工作装置具有上述技术效果，因此，设有该箱型工作装置的工程机械也应具备相应的技术效果，其具体实施过程与上述实施例类似，兹不赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种箱型工作装置，其特征在于，其为铸造铝合金，所述铝合金为Al-Cu-Mn系合金、Al-Zn系合金或Al-Si系合金，所述箱型工作装置为垂直分型铸造成型，所述箱型工作装置包括若干铸造子段，相邻所述铸造子段之间焊接连接；所述铸造子段均包括顶板、底板和两个侧板；相邻子段之间对应的顶板之间形成有顶焊缝，相对应的底板之间形成有底焊缝，相对应的侧板之间形成有侧焊缝；所述顶焊缝、底焊缝和侧焊缝不位于同一面内。

2.根据权利要求1所述的箱型工作装置，其特征在于，所述顶焊缝和侧焊缝之间，以及侧焊缝和底焊缝之间均设置有间距。

3.根据权利要求2所述的箱型工作装置，其特征在于，所述间距不小于所述铝合金的焊接热影响区的宽度的3倍。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的箱型工作装置，其特征在于，所述工作装置为动臂或斗杆。

5.一种工程机械，其特征在于，设置有如权利要求1至4任意一项所述的箱型工作装置。