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中聯(lián)工程機(jī)械超高強(qiáng)鋼臂架設(shè)計(jì)及制造基礎(chǔ)共性關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

    在高聳建筑、大型能源設(shè)施、大跨橋梁、風(fēng)電、高鐵等大型建筑工程的施工及維護(hù)中，起重機(jī)、泵車(chē)、高空作業(yè)車(chē)等長(zhǎng)臂架類(lèi)工程機(jī)械不可或缺。

    目前，國(guó)內(nèi)外無(wú)公開(kāi)的超高強(qiáng)鋼臂架設(shè)計(jì)制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外企業(yè)技術(shù)保密封鎖。我國(guó)缺乏對(duì)該類(lèi)基礎(chǔ)共性技術(shù)的研究，尚未掌握超高強(qiáng)鋼臂架設(shè)計(jì)、制造的自主核心技術(shù)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)只能跟隨仿制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新。結(jié)構(gòu)件與國(guó)外相比，輕量化程度低、易疲勞開(kāi)裂、制造精度差，焊接變形大，導(dǎo)致產(chǎn)品國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力較弱。

    該項(xiàng)目依托“十一五”、“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃，“973”國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)研究項(xiàng)目，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作，在超高強(qiáng)鋼臂架結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法、非線性及耦合效應(yīng)分析、抗失穩(wěn)設(shè)計(jì)、抗疲勞設(shè)計(jì)、精密冷彎成形、焊接變形控制等關(guān)鍵技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了重大技術(shù)突破和實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新：

    1.針對(duì)細(xì)長(zhǎng)臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾何、接觸、材料非線性及耦合問(wèn)題開(kāi)展研究，首次采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，考慮各種載荷的偏差量以及材料的不均勻性，從工作級(jí)別分級(jí)、載荷情況、載荷組合、材料抗力、高危險(xiǎn)度系數(shù)到強(qiáng)度、剛性、穩(wěn)定性承載能力全面考量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)臂架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)幾何、接觸、材料非線性及耦合效應(yīng)精確計(jì)算，保證臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理，安全輕量。

    2.修正了超高強(qiáng)鋼管材及格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的等效缺陷模型，提出了超高強(qiáng)鋼管材的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式及多級(jí)變截面臂架計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)表，突破了超高強(qiáng)鋼臂架穩(wěn)定性精確分析及設(shè)計(jì)技術(shù)。

    3.建立了超高強(qiáng)鋼疲勞強(qiáng)度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，提出了超高強(qiáng)鋼臂架結(jié)構(gòu)動(dòng)載模型及載荷譜分布特征，開(kāi)發(fā)了超高強(qiáng)鋼臂架結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)系統(tǒng)，建立了超高強(qiáng)鋼臂架結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。實(shí)現(xiàn)泵車(chē)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(qiáng)鋼的改進(jìn)Y-U本構(gòu)模型，并推導(dǎo)出其隱式積分算法，解決了本構(gòu)模型多參數(shù)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(wěn)健設(shè)計(jì)技術(shù)，研制出臂架冷彎實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)10米以上超高強(qiáng)鋼臂架成形角度偏差小于0.5°，全長(zhǎng)直線度小于5mm，開(kāi)口尺寸誤差小于2mm。

    5.建立了適用于超高強(qiáng)鋼焊接的高溫粘塑性本構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)焊接變形模擬預(yù)測(cè)誤差小于10%，基于虛擬焊接實(shí)驗(yàn)的成果提出了焊接變形同步控制方法，研制出相應(yīng)裝備，實(shí)現(xiàn)了吊臂焊接最大變形量減少43%。焊后矯形時(shí)間減少50%。

    上述創(chuàng)新，使我國(guó)真正掌握了超高強(qiáng)鋼臂架設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)核心技術(shù)，使相關(guān)產(chǎn)品擺脫了跟隨模仿的局面，實(shí)現(xiàn)了自主創(chuàng)新。成果已應(yīng)用于3大系列28款產(chǎn)品，其中包括：世界最大噸位全地面起重機(jī)（2000噸級(jí)）、大噸位履帶式起重機(jī)（3000噸級(jí)）、世界最長(zhǎng)臂架高空消防車(chē)（113米），以上產(chǎn)品滿(mǎn)足了國(guó)家重大工程建設(shè)需求。

    該項(xiàng)目實(shí)施獲得直接經(jīng)濟(jì)效益2.24億元，帶動(dòng)工程機(jī)械臂架用高強(qiáng)鋼國(guó)產(chǎn)化率提升至30%以上，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，獲專(zhuān)利授權(quán)8項(xiàng)，受理發(fā)明專(zhuān)利7項(xiàng)，制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)，出版專(zhuān)著1部，國(guó)家級(jí)教材1部，發(fā)表論文4篇，利用相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品多次被鑒定為國(guó)際領(lǐng)先或先進(jìn)水平。

    獲獎(jiǎng)等級(jí)：一等獎(jiǎng)

    完成單位：中聯(lián)重科股份有限公司，太原科技大學(xué)