大型挖掘機回轉平臺可靠性提升研究

(徐州徐工挖掘機械有限公司，江蘇 徐州 221001)

回轉平臺（又稱轉臺）是大型挖掘機的重要組成部件，主要起放置和支撐挖掘機上車部件的作用。如圖1 所示，轉臺上布置了除底盤部件外幾乎所有部件，這些部件包括發動機總成、工作裝置總成、液壓元件（泵，閥等）、駕駛室、配重等部件，它猶如人體的軀干，將各個部件連接到一起，據統計，轉臺上布置的部件連同自身重量占據了挖掘機總重的60%以上，轉臺不僅要承受上車各部件重力及它們回轉時的慣性力，還要承受工作裝置產生的沖擊，發動機產生的震動等一些突變載荷，另外，大型挖掘機往往在礦山作業，工況更加復雜嚴峻，所以，其受力情況也更加復雜，轉臺一旦出問題，輕則機器停止工作，延誤工期，重則造成嚴重的財產損失甚至人身傷亡。因此，提高轉臺可靠性，優化轉臺結構對大型挖掘機而言意義重大。

圖1 某大型挖掘機上車布局示意圖

轉臺主要是由主體底板、主體立板、主體前彎板、主體蓋板、主閥支架、左右裙架邊梁和橫梁等板材類零件拼焊而成的開放式箱體結構（圖2 僅指出主要板材）。由轉臺結構特點可知，轉臺可靠性主要取決于各個板材類零件以及各條焊縫的可靠性。

圖2 回轉平臺結構示意圖

1 轉臺故障信息分析

通過對市場反饋數據的統計分析，以及市場調研，可歸納出回轉平臺主要存在以下問題：動臂銷軸安裝孔處開裂、轉臺邊梁機棚安裝處板材開裂、轉臺左右裙架橫梁開裂。

表1 匯總了2015 年～2017 年某大型挖掘機轉臺故障信息，從表1 可知回轉平臺隨使用年限增長故障率也隨之增加，而且早期產品相對故障更多一些。

表1 2015～2017年某型挖掘機故障統計

故障類別以動臂銷軸安裝孔處開裂為主，其次為轉臺邊梁機棚安裝處板材開裂（圖3）。

圖3 故障類別及部位

由圖4 可知回轉平臺的故障主要集中在7 500h～10 500h 之間。挖掘機一般使用壽命為15 000～20 000h 左右，轉臺早期故障一般都在3 000h以內，根據產品故障率浴盆曲線圖（圖5），結合行業經驗以及圖5，7 500h～10 500h 出現的故障很可能為偶然或耗損期故障。回轉平臺可靠性提升工作實際上就是盡量地減少并消除回轉平臺早期故障，盡量地延長回轉平臺偶然故障期并降低偶然故障率。

圖4 累計故障

2 轉臺故障原因分析

圖5 產品典型故障率曲線

采用故障模式影響分析（Fault Mode and Effects Analysis，簡稱FMEA)和故障樹分析（Fault Tree Analysis 簡稱FTA)2 種可靠性分析方法對回轉平臺故障進行分析。

2.1 故障模式及影響分析（FMEA）

FMEA 分析的是潛在的故障或失效對系統產生的影響，它是“防患于未然”的做法。

本文重點進行回轉平臺設計FMEA 分析。在進行回轉平臺設計FMEA 分析前，需要先進行風險優先數（RPN)計算。風險優先數（RPN)是產品故障嚴重度（S)、頻度（O)以及探測度（D)的乘積。該數值存在著一定的局限性，只是對故障后果的嚴重性、發生的可能性以及被探測性進行了大致的量化度量。

式中S為嚴重度，O為頻度，D探測度。

根據回轉平臺結構和載荷特點，采用專家評分方法，分別對主要零件和焊縫的嚴重度（S)、頻度（O)和探測度（D)進行打分。結合QS 9000《潛在失效模式、影響分析》（ISO16949）給出的設計FMEA（DFMEA）表格內容以及回轉平臺結構特點，形成各個主要板材零件和焊縫的設計FMEA分析表，受篇幅所限，本文僅列出主體立板設計FMEA 表（見表2)。

通過設計FMEA 分析，搞清楚了轉臺所有的基本的故障模式，為后續FTA 分析做準備，并采取相應措施，降低轉臺主要零件和焊縫的風險優先數（RPN）數值。

2.2 故障樹分析（FTA）

FTA 是采用自上而下的邏輯演繹法，從最終的故障分析到基本零部件的故障，是由果到因的分析方法。故障樹分析是以一個不希望發生的產品故障事件或災難性危險事件即頂事件作為分析的對象，通過自頂向下的嚴格按層次的故障因果邏輯分析，逐層找出故障事件的必要而充分的直接原因，最終找出導致頂事件發生的所有可能原因和原因組合。

表2 主體立板設計FMEA表

由圖3 可知，回轉平臺故障主要為動臂銷軸安裝孔處開裂，占據了總故障數75%，如果降低動臂銷軸安裝孔處故障率，將會有效地提升回轉平臺可靠性。

2.2.1 動臂銷軸安裝孔結構及所受載荷分析

如圖6 所示，動臂銷軸安裝孔結構主要由主體前彎板、主體立板、主體耳板、主體蓋板以及焊縫1～焊縫4 構成。

圖6 動臂銷軸安裝孔處結構示意圖

如圖7 所示，動臂銷軸安裝孔處載荷主要有作用于銷軸安裝孔內圓面的軸承載荷以及作用于銷軸安裝孔內檔端面的沖擊載荷。

圖7 動臂銷軸安裝孔處載荷示意圖

挖掘機正常工作過程中，在挖掘反力和動臂油缸推力等載荷作用下，動臂銷軸安裝孔處的軸承載荷往往比較大，也比較惡劣，而作用于銷軸安裝孔端面的沖擊載荷其實并不是很大，該沖擊載荷主要由回轉急停時的工作裝置慣性力以及動臂及動臂油缸安裝誤差引起的輕微偏載造成的。但是在實際操作中，由于挖掘機司機水平參差不齊，個別甚至還存在違規操作，一旦出現利用挖掘機上部的回轉運動，用鏟斗的側部來推動巖石或其他重物，銷軸安裝孔端面受到的沖擊載荷會很大，就使得主體立板和主體耳板承受較大的載荷，引發板材變形或板材和焊縫開裂。

2.2.2 動臂銷軸安裝孔處開裂FTA

動臂銷軸安裝孔處開裂主要有主體耳板與主體蓋板間的坡口焊縫開裂，主體立板與主體耳板板材開裂等故障。根據故障描述，現進行動臂銷軸安裝孔處開裂FTA分析。

圖8 動臂銷軸安裝孔處開裂FTA圖

該故障樹最小割集有7 個（圖8），即只要有一個發生就會導致動臂銷軸安裝孔處開裂發生。為了動臂銷軸安裝孔處的可靠性，必須要保證這些最小割集的可靠性。通過分析和研究故障樹的最小割集，來制定降低動臂銷軸安裝孔處開裂的方案和措施。

1）結構設計不恰當 對動臂銷軸安裝孔處在斗桿挖掘和動臂提升兩種典型工況下，進行受力分析，得出應力分布圖。此處應力集中水平并不高，最高應力190MPa，遠低于材料的屈服極限550MPa。

2）使用載荷過大 司機利用挖掘機上部的回轉運動，用鏟斗的側部清理地面物料，而且現場機器主體耳板、動臂油缸等處均出現不同程度變形，由前文介紹可知，司機這種操作實際上屬于違規操作。售后工程師測量現場機器轉臺主體內擋距，發現均有不同程度增大，表明在挖掘機實際工作中，存在著一定的違規操作。

3）疲勞破壞 從裂痕來看，并不是由于載荷或沖擊過大而產生的一次性脆斷，而是由于長期受載，產生裂紋并逐漸加深，向周邊擴展，最后造成焊縫或板材開裂。一般而言，焊縫一旦發生開裂，往往隨著裂縫增大，又會撕裂與之焊接板材，就出現了主體立板與主體耳板開裂現象。

4）板材材質缺陷 未發現。

5）板材處理不當 沒有發現異常。

6）焊工技術不佳 焊工技術等級合格。

7）焊接工藝性不佳 對故障機器動臂鉸點孔處尚未開裂的主體耳板與主體蓋板間焊縫進行切片處理，可以清晰看出焊縫根部沒有徹底焊透。未焊透原因如圖9 所示，相對于坡口角度偏小，而廠內焊槍保護嘴直徑比較大，不容易伸入進去，導致一些機器此處沒有焊透。

3 改進方案確定

針對上述分析的原因，做如下改進。

1）針對焊接工藝性差，適當增加主體耳板坡口角度β，使主體耳板與主體蓋板間焊縫焊透。如圖10 為改進后試制樣件焊縫切片，焊縫和板材完全融合。

圖9 焊接示意圖

圖10 改進實施后焊縫切片

2）針對用戶誤操作，在駕駛室前窗醒目位置增加禁止違規操作標識。

3）對動臂銷軸安裝孔處結構進行裕度設計，進一步提高此處結構強度。如圖11 所示，在動臂銷軸安裝孔左右兩側各增焊一塊外耳板，明顯地降低動臂銷軸安裝孔內的應力水平，還可以提高動臂銷軸安裝孔端面抗彎強度和減少端面變形，并可承受一定的輕微違規操作。

圖11 結構改進示意圖

4 改進方案實施與驗證

自改進方案實施起，經售后服務部跟蹤調研，采用改進方案的機器工作超過10 500h，共有176臺，僅1 臺在工作了2 210h 后，轉臺出現了裙架橫梁與主體底板焊縫開裂故障，該故障為早期故障，故障原因為焊縫長度未按照圖紙要求施焊。

改進方案實施后該型號挖掘機轉臺工作到10 500h 時，可靠度R（t)為0.994；平均首次故障時間MTTFF為10 453h。與改進前的可靠度0.965和平均首次故障時間10 324h 相比均有提高。改進方案實施后轉臺平均年度售后費用由過去每年58 300 元降低至650 元。

本改進實施，提高了回轉平臺可靠性，降低了售后維修成本，減少了故障停機時間。