挖掘裝載機(jī)挖掘動(dòng)臂開裂分析及措施

黃仲明

（嵊州陌桑高科股份有限公司，浙江 嵊州 312400）

挖掘裝載機(jī)俗稱為兩頭忙，前端為裝載工作裝置，后部為挖掘工作裝置，俗稱因此而得名。通過更換工作裝置，一臺(tái)設(shè)備可以完成鏟挖鑿鉆、鋪管開槽等多種作業(yè)施工，一機(jī)多用。

通常，挖掘裝載機(jī)所處的工作環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜，尤其是挖掘工作裝置進(jìn)行作業(yè)時(shí)，由于作業(yè)的內(nèi)容不同、地質(zhì)條件差異、挖掘臂伸展后力臂較長、卸載時(shí)整個(gè)挖掘臂帶負(fù)荷旋轉(zhuǎn)及急停，對(duì)挖掘工作裝置各部件、各構(gòu)件的機(jī)械強(qiáng)度、抗疲勞性能、可靠性等提出了嚴(yán)苛的要求，其中又以挖掘動(dòng)臂最為典型和突出。

在實(shí)際工作中，不乏有挖掘動(dòng)臂損壞失效的事例，其中多數(shù)就是因開裂——焊縫的開裂、鉸接孔區(qū)域的鋼板開裂甚至是端頭臂梁斷裂等導(dǎo)致的失效，見圖1。本文通過分析挖掘動(dòng)臂開裂失效的原因，提出針對(duì)性的措施，提升挖掘動(dòng)臂乃至挖掘裝載機(jī)整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖1

1 挖掘動(dòng)臂開裂失效的原因分析

挖掘動(dòng)臂是整個(gè)挖掘裝載機(jī)挖掘工作裝置中最主要的部分之一，它是由鋼板及軸座等焊接、加工而成。因挖掘動(dòng)臂內(nèi)部需布置油管及油缸等件，也是為了減重、具有更好的機(jī)械強(qiáng)度和剛性，挖掘動(dòng)臂均設(shè)計(jì)成箱籠型的中空截面的單梁結(jié)構(gòu)；其主體結(jié)構(gòu)是由兩側(cè)的“側(cè)板”、兩“側(cè)板”間的“腹板”和“肋板”等構(gòu)成。為了加強(qiáng)各受力點(diǎn)區(qū)域特別是呈開口式懸梁形式的鉸接孔O、M、N處的強(qiáng)度，在挖掘動(dòng)臂的端部加焊“側(cè)加強(qiáng)板”和“端加強(qiáng)板”、尾部加焊“尾加強(qiáng)板”、鉸接孔M處加焊“加強(qiáng)板”，如圖2所示。

圖2

現(xiàn)從挖掘動(dòng)臂自身結(jié)構(gòu)及其所受載荷情況來分析產(chǎn)生開裂失效的原因。

（1）挖掘動(dòng)臂雖然形體較大，但由于挖掘動(dòng)臂內(nèi)部及各鉸接孔區(qū)域要留出或避讓其它構(gòu)件的安裝布置空間、在有限的設(shè)計(jì)空間內(nèi)需要保證各個(gè)部件的正常安裝及在復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中不發(fā)生干涉，因此無法在最佳位置、較多地布置加強(qiáng)板，同時(shí)，鉸接孔O、M處焊接軸座的鋼板。呈開口式懸梁型結(jié)構(gòu)，留下了先天性的強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)。

（2）挖掘動(dòng)臂系用多塊鋼板構(gòu)件焊接而成，在連續(xù)、大量的焊接中，會(huì)產(chǎn)生鋼板件的彎曲變形及焊接殘余內(nèi)應(yīng)力等，這些變形和應(yīng)力，既可因自身直接造成焊縫開裂也可因構(gòu)件在外力作用下形變開裂時(shí)起推波助瀾的作用。

（3）挖掘動(dòng)臂的兩個(gè)鉸接孔O、M屬開口式懸臂結(jié)構(gòu)，另兩個(gè)鉸接孔P、N系處于挖掘動(dòng)臂的懸臂段和懸臂端點(diǎn)。其中的M點(diǎn)開口大，因此其抗扭性不強(qiáng)，很容易造成兩“側(cè)板”與“加強(qiáng)板”、“肋板”之間的焊縫，甚至這些構(gòu)件本身出現(xiàn)開裂。

（4）在挖掘裝載機(jī)進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)，挖掘動(dòng)臂受力復(fù)雜，既有拉壓力又有扭曲力，挖掘動(dòng)臂梁體既承受彎曲扭矩又受到扭曲轉(zhuǎn)矩；受力不僅是波動(dòng)的，更有沖擊力，這不單是因作業(yè)時(shí)的挖掘阻力所造成，也有因加工誤差所導(dǎo)致鉸接孔等的受力偏斜、產(chǎn)生側(cè)向力的因素。從機(jī)械構(gòu)件的承載情況分析，載荷可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種，動(dòng)態(tài)載荷又可具體細(xì)分為沖擊載荷和交變載荷，其中交變載荷對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性影響比較大，比如說挖掘動(dòng)臂的提升、下降以及回轉(zhuǎn)，或者當(dāng)及其突然處于停滯狀態(tài)時(shí)，挖掘動(dòng)臂可能會(huì)受到多方面的短時(shí)疊加作用力，這對(duì)構(gòu)件的破壞性是較強(qiáng)的，而且這種力一般不能被準(zhǔn)確計(jì)算出來，只能通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。

（5）從挖掘動(dòng)臂的荷載承受的分布情況來分析，挖掘動(dòng)臂變幅油缸的推拉力是通過銷軸以及兩側(cè)腹板，能夠?qū)⒘焖賯鬟f給挖掘動(dòng)臂，鉸接孔受力比較集中，很容易出現(xiàn)開裂的情況。挖掘動(dòng)臂的另一個(gè)鉸接孔可以通過銷軸或者回轉(zhuǎn)體進(jìn)行鉸接，固定鉸接，通過回轉(zhuǎn)油缸的推拉作用下完成挖掘工作裝置的作業(yè)，回轉(zhuǎn)作業(yè)尤其是在進(jìn)行快速回轉(zhuǎn)操作時(shí)，這種情況下挖掘動(dòng)臂除了受到一般拉力的影響，還承受突變扭力的巨大承受作用，很容易產(chǎn)生挖掘動(dòng)臂變形，進(jìn)而出現(xiàn)挖掘動(dòng)臂開裂失效的情況。

2 裂紋預(yù)測(cè)以及危險(xiǎn)區(qū)域的確定

運(yùn)用靜力學(xué)理論分析可知：機(jī)械結(jié)構(gòu)在承受交變載荷過程中，疲勞源位置往往處于高應(yīng)力區(qū)域里。就挖掘動(dòng)臂而言，挖掘動(dòng)臂的固定、運(yùn)動(dòng)、傳遞力矩等，都是由4個(gè)鉸接孔及安裝于其上的銷軸，通過油缸或動(dòng)臂梁來實(shí)現(xiàn)的。這些施加位移約束和承載的結(jié)構(gòu)，就是高應(yīng)力區(qū)域，或者說，挖掘動(dòng)臂4個(gè)鉸接孔的區(qū)域，包括鋼板、焊縫等，都是開裂失效的危險(xiǎn)區(qū)域。

進(jìn)一步分析挖掘動(dòng)臂的自身結(jié)構(gòu)、制作工藝、載荷狀況，鉸接孔O、M兩處，支撐軸座的鋼板呈開口式懸梁結(jié)構(gòu)，可以確定，挖掘動(dòng)臂開裂失效的主要部分是在鉸接孔O、M，其它部分的應(yīng)力相對(duì)均衡，造成開裂等失效的可能性極低。

3 對(duì)挖掘動(dòng)臂改進(jìn)優(yōu)化的措施

基于前述分析，提出以下針對(duì)性的措施以杜絕挖掘動(dòng)臂開裂失效的發(fā)生、改善挖掘動(dòng)臂的受力狀況以延長其使用壽命。

（1）優(yōu)化挖掘動(dòng)臂的整體設(shè)計(jì)方案。以兩側(cè)“側(cè)板”為基礎(chǔ)，底部用從A點(diǎn)延伸到B點(diǎn)的整板長“腹板”、上部用基本能連結(jié)鉸接孔M到N的“肋板”；尾端N及中間偏尾的P上，采用整件軸座套焊接到兩側(cè)“側(cè)板”上，既保證了自身的強(qiáng)度，也加強(qiáng)了兩“側(cè)板”之間的固結(jié)；在尾端，再在“側(cè)板”外側(cè)，加焊“尾加強(qiáng)板”以分散鉸接孔N的作用力、擴(kuò)大“側(cè)板”承受作用力的面積。

受到結(jié)構(gòu)的限制和兼顧其它構(gòu)件的安裝和移動(dòng)所需的空間，鉸接孔O、M處附近的區(qū)域，呈開口式懸梁結(jié)構(gòu)；在鉸接孔O到M區(qū)域上，摒棄了常見的、兩處分別用獨(dú)立的加強(qiáng)板來加強(qiáng)的方式，而采用了整體式的厚“側(cè)加強(qiáng)板”直接把O到M區(qū)域連結(jié)；同時(shí)，在鉸接孔O附近區(qū)域加焊“端加強(qiáng)板”、M附近加焊了呈倒U型的“加強(qiáng)板”。這樣，將各構(gòu)件通過焊接連結(jié)，形成了一個(gè)能均衡地分擔(dān)各處的作用力、提升了構(gòu)件載荷承受力的整體，保證整個(gè)臂架結(jié)構(gòu)成為一個(gè)抗拉扭、抗沖擊的構(gòu)件。

（2）優(yōu)化焊接工藝，合理安排消應(yīng)力措施。焊接工藝及焊接水平，直接決定了焊接內(nèi)應(yīng)力和工件變形的大小，為此，既要合理選擇焊接方式（如采用氣體保護(hù)焊等）、焊條種類和焊縫的種類大小，也要制訂焊接步驟及連續(xù)或間歇式等焊接工藝要求，還要不斷提升焊接技能或者采用機(jī)器人焊接設(shè)備。

工件在焊合完成后及焊合過程中，要合理安排去應(yīng)力工序，去應(yīng)力方式可采用自然時(shí)效去應(yīng)力、振動(dòng)去應(yīng)力或熱處理去應(yīng)力等一種或多種復(fù)合使用，以降低和消除焊接應(yīng)力在工件失效的不良影響。

（3）提高尺寸精度、降低形位誤差，確保加工質(zhì)量。鉸接孔O、M處附近的區(qū)域，呈開口型的懸掛板狀結(jié)構(gòu)，左右兩軸套是獨(dú)立固定在兩側(cè)的“側(cè)加強(qiáng)板”上的，因此如果裝在鉸接孔O、M上的銷軸受到的是徑向力，則懸掛板狀結(jié)構(gòu)是有較強(qiáng)的承受能力的；但如果所受的力是軸向力或者有軸向的分力，則這個(gè)懸掛板狀結(jié)構(gòu)是比較可能被扭曲變形的，甚至導(dǎo)致各板間的焊縫受拉開裂。

為此，應(yīng)考慮提高尺寸精度，如鉸接孔的直徑公差、鉸接孔左右兩側(cè)的軸座的開檔間距等，同時(shí)也要嚴(yán)格控制鉸接孔的位置誤差如鉸接孔之間的中心距及中心線的平行度，確保和提升這兩處鉸接孔的承受載荷的能力。

4 結(jié)語

本文通過深入探討造成挖掘裝載機(jī)挖掘動(dòng)臂開裂的原因，綜合分析挖掘動(dòng)臂結(jié)構(gòu)形式、制作工藝及載荷狀況，提出了針對(duì)性的優(yōu)化改進(jìn)措施，提升了挖掘動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗拉扭和抗沖擊載荷的能力。實(shí)踐證明，改進(jìn)后的挖掘動(dòng)臂沒有出現(xiàn)開裂失效的情況，其工作性能穩(wěn)定可靠。