微型挖掘機機械動臂的缺陷分析與控制

鄧岐杏 農田友 陸美文

微型挖掘機機械動臂的缺陷分析與控制

鄧岐杏 農田友 陸美文

（廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023）

機械動臂是挖掘機的重要受力元件，其自身缺陷嚴重影響著挖掘機的使用安全性和使用壽命。為了有效避免機械動臂的缺陷，文章通過對其機械結構、工作過程中的受力情況進行分析，探討缺陷存在的原因，并提出了對缺陷進行控制的建議，以供參考與借鑒。

機械動臂；缺陷；缺陷控制

引言

微型挖掘機作為一種體積小、靈活性好、工作效率高的工程機械，被廣泛用于農業機械化開墾、市政工程基坑管道挖掘、市政園林景觀作業和民用建筑作業等場合，在很大程度上減輕了操作者的勞動強度，因此微型挖掘機民用化的程度越來越高。由于微型挖掘機作業對象范圍廣，常見的作業對象為土方、石方等，工況統一性不高，工作時對微型挖掘機的要求不盡相同。為了提高挖掘機的使用廣度，對微型挖掘機的工作性能提出了相應的要求，以確保其工作裝置在結構性能、工作平穩性和工作效率上的最優化。對于企業而言，特別是中小微型企業，提升微型挖掘機的工作性能并延長其使用壽命是企業產品能占據市場的重要手段。

1 機械動臂

在微型挖掘機的工作裝置中，主要的受力部件為挖掘機的機械動臂。機械動臂通過鉸鏈連接的方式與機身和斗桿相連接，通過機身與機械動臂之間的液壓缸和機械動臂與斗桿之間的液壓缸帶動斗桿上下、前后地伸縮，以此完成挖掘機挖掘的動作。因此機械動臂是微型挖掘機工作裝置中的關鍵的受力部件之一，如圖1所示。機械動臂在不同的工作狀態下受力情況是復雜、多樣的。對于整個裝置來說，機械動臂的使用壽命相對其他結構構件而言要短很多，對機械動臂的結構性能進行分析，從結構設計、焊接工藝等多方面提升其質量是延長挖掘機整體壽命的重要環節。

圖1 微型挖掘機機械動臂位置圖

1.1 機械動臂的結構分析

機械動臂外形一般呈彎曲形狀，以完成在地面上作業時向下挖掘的工作需要。由于其體積較大，且為細長形狀，考慮其為參與抬升的運動件，因此機械動臂要求有足夠的強度之外，還應盡可能降低其自身的重量。機械動臂如圖2所示，一般由鋼板焊接而成，為中空的封閉空箱焊接結構，主要由“兩段直”的和“一段彎”的結構所構成，兩端焊接上與機架和斗桿相鉸接的鉸鏈孔，上、下耳板分別為斗桿和機械動臂的液壓缸連接端。考慮機械動臂應具備足夠的強度，在其中空結構中還可根據受力的分成情況，合理地設置加強筋或加強板。

1—后支撐；2—后腹板；3—中腹板；4—下耳板；5—上耳板；6—前腹板；7—上蓋板；8—前支撐。

圖2 機械動臂結構圖

1.2 機械動臂的典型工作狀況分析

機械動臂的工作狀況因工作模式不同，受力載荷情況也各不相同。挖掘機可以對工作面進行的典型工作主要有破碎工作、挖掘工作和回轉制動等。當挖掘機處于破碎作業時，斗室作為工作端，通過機械動臂帶動，向施工面施加一定的沖擊力，此時工作裝置主要承受的是沖擊載荷的作用，這種狀態下，材料易出現多點的斷裂紋，并與沖擊運動的速度相關，速度越快，沖擊現象越顯著，速度慢，沖擊力不明顯，但影響作業效率。當挖掘機處于挖掘作用時，斗室由空載突然改變為滿載，或由滿載突然轉變為空載，工作裝置承受的是交變的載荷。工作裝置在承受多次交替變化的應力作用下，容易產生疲勞受損，當應力大小超過一定限度時，在構件的應力最大處或材料缺陷處產生細微裂紋源，甚至極有可能在工作應力低于屈服強度極限時構件突然產生結構的斷裂。回轉制動狀態時，工作裝置則承受的是彎矩作用。因此，要改善機械動臂的工作性能，需要對機械動臂處于不同工作狀態下的結構強度和靜動態機械特性進行分析，從而找到結構改進的方向和方法，提升機械動臂的綜合性能。

1.3 機械動臂的缺陷分析

因為機械動臂的結構主要由鋼板件焊接而成，在焊接過程中有可能會出現以下幾種問題。

（1）機械動臂其本身為中空的細長狀態，長度尺寸大，寬度尺寸小，四面分別采用分段進行焊接的形式裝配，在這種結構情況下，焊接順序、焊接過程沒有設定充分的約束，特別是不對稱的焊縫結構，材料會因為收縮不均、內應力等產生彎曲變形，甚至可能造成零件報廢。

（2）機械動臂的焊接板尺寸并不是均衡布置的，甚至為了減輕重量，承受力較大的部位材料較厚，承受力較小的部位在能保證強度足夠的情況下會適當減小鋼板厚度。因此在焊接時，由于尺寸不均衡，焊縫不規則，會呈現非對稱的布置局面，焊接時內應力一致性不好。這種內應力的差異性，使焊接材料的收縮呈現多維度，從而產生扭曲變形。相對于彎曲變形，扭曲變形的情況更為復雜。

根據機械動臂的典型工況，在工作過程中，挖掘機在挖掘時，因載荷增大，機械動臂作為主要受力零件，其內應力突然增大，而在卸載時，內應力卻突然減小，機械動臂頻繁地承受交變的拉壓作用力和彎扭作用力，以及沖擊載荷的作用。對于焊接件而言，其疲勞敏感性高，這種頻繁交變的受力作用使得機械動臂極易出現疲勞開裂的情況[1]，裂紋主要集中在應力集中的區域。達到或超過疲勞極限時，會導致主要受力元件在應力集中區產生裂紋，最終導致材料斷裂失效，存在安全隱患。

2 機械動臂缺陷控制

2.1 焊接變形的控制

焊接變形主要的原因是焊接后的殘余應力作用，而殘余應力主要來源于焊接工藝、構件本身的結構設計、焊接的順序和焊接用的工裝夾具等方面。要消除焊接變形最重要的就是抑制和消除內應力。具體可從影響因素方面考慮控制的方法。

首先，要設計最優的工藝流程。從焊接工藝上來說，由于機械動臂總體質量較大，采用熔化極氣體保護焊是比較有利的。焊接時，焊絲與工件間產生的電弧作熱源可以將金屬熔化，電弧熔化焊絲和母材形成的熔池及焊接區域采用惰性氣體或活性氣體形成保護焊接區域，在氣體的保護下，形成了焊接熱保護區，可以有效地阻止周圍環境空氣的有害作用，從而避免影響焊接的質量，再結合合理的焊接方向與順序，這樣焊接過程中所產生的應力呈分散狀，可以有效地減少應力集中，降低焊接的變形程度。

其次，要合理地設計焊接的方向和順序。由于焊接后材料會有不同程度的熱收縮現象，對于大型件焊接來說，為了避免殘余應力引起的變形，通常采用分段焊接結合跳焊的方式。從材料的結構性方面考慮，焊接順序的安排主要可根據材料的曲直、厚薄、對稱性等方面進行綜合判斷，從材料的焊接特性考慮則根據材料的收縮性來判斷。一般選擇先難后易、先厚后薄、先直后曲、先收縮量大后收縮量小的順序來作為依據。從焊接方向來看，則先焊立焊縫，再焊平焊縫。但這種選擇更多的是依賴于工藝人員的經驗。更優的設計還可以借助計算機技術，通過有限元分析方法對機械動臂建立熱源模型，通過多次分析對比不同的焊接順序組合下溫度場的情況，焊接之后殘余應力對變形的影響，達到優化焊接順序的目的[2]。圖3是一機械動臂焊接順序的安排案例（預先已經完成整面即圖上A、B面的焊接）。

圖3 機械動臂焊接順序案例

注：圖上所標示數字為焊接順序號。

最后，焊接所用到的工藝裝備需要合理選擇。焊接時，夾具對工件的夾緊力會對焊接對象產生一定的約束作用。焊接過程中的材料因焊接的殘余應力或熱收縮影響造成的變形在一定程度上被抑制了，但這并不是限制變形，而是會造成焊縫的伸縮不完全，內部的殘余應力無法被釋放。對于機械動臂這種大型件來說，這會使各條焊縫內部產生殘余應力，而且這些殘余應力是雜亂、方向不一、大小不同的，最終會造成焊接的缺陷和構件的變形。因此焊接過程中，工藝裝備的選擇也會影響到焊接件的變形，為了降低夾具帶來的焊接變形，使用成套的工藝裝備是最佳的選擇，這樣便于設置定位裝置，統一調整好定位裝置的定位精度，調控焊接的相對位置，并能較好地確保每個零件都得到可靠的支撐，確保焊接成型的質量。

從構件本身的結構設計來看，其自身材料特性和結構特性引起的變形會是變形的主導因素，結構越大、越復雜的，影響就越大。處理該問題的方法主要是通過對結構進行優化，增加加強筋、肋板等結構來提高整體的剛性和結構的穩定性，在動臂強度足夠時還可以通過改變鋼板的材料厚度、焊縫的位置設計等來改善焊接變形[3]。

焊接過程中所產生的變形是無法完全避免的，焊接實際上是完成了液態向固態轉化的過程。在這一過程中，熱脹冷縮引起的焊縫收縮必然存在，為補償這部分所引起的變形，可以考慮預變形的方法，在焊接前預先給焊件施加反方向的一個變形量，焊接后所產生的焊接變形正好和預變形相互抵消，以達到降低焊接變形程度的作用。

2.2 疲勞斷裂的控制

機械動臂的疲勞斷裂現象主要出現在挖掘機工作狀態時，在工作過程中機械動臂頻繁地承受交變的外力作用，達到疲勞極限時，機械動臂會突然產生疲勞斷裂的現象，其斷裂時斷面處的應力分布是非常不規則的。想要避免出現疲勞斷裂的現象，傳統的方法是提高機械動臂設計的安全系統，這是最簡單直接的處理方式。這種處理方法使機械動臂的結構更加結實可靠，同時也提高了整體的質量，但事實上這樣做并不能真正地消除應力集中的現象，開焊、斷裂的現象無法避免。另一做法是需要對工作過程中受力的情況進行分析，但如果通過材料力學將機械動臂假定為梁進行受力分析，會存在計算困難、計算量大、誤差較大的問題，并不滿足構分析的需要。在這種復雜的情況下，最好的方式是通過計算機技術的應用，以數學近似的方法，采用ANSYS有限元分析對機械動臂的結構和受到載荷的情況進行模擬檢測，以分析計算的結果作為改進的依據。

2.2.1 機械動臂的三維模型創建

ANSYS有限元分析，需要先建立用于分析計算的三維模型。ANSYS Workbench軟件的三維建模比較麻煩，同時考慮到零件三維模型文件的傳播和發送的便捷性，在進行機械動臂的零件三維模型創建時，一般不直接采用ANSYS Workbench軟件來實現，而是采用三維建模更常用的Solidworks、Pro/E、UG、AutoCAD等軟件來創建機械動臂的三維模型，充分利用三維作圖軟件的建模功能，快速準確地完成機械動臂的三維模型，ANSYS Workbench軟件可與這些三維建模軟件實現無縫接口連接，導入建立好的分析對象的三維模型，進行相應的后續處理即可進行計算分析。

但需要注意的是，考慮后續進行有限元分析，需要在不影響最終計算結果準確性、合理性的前提下，對機械動臂的三維模型進行非必要的結構特征簡化處理，主要是去除機械動臂各部位板之間的預留焊縫間隙量，去除各種結構上的倒角、倒圓等工藝結構，去除用于與其他部件相連接的螺紋孔以及不必要的部分工藝孔等。這樣處理便于有限元分析計算，提高效率。

2.2.2 有限元模型的創建

選擇ANSYS Workbench軟件中的Analysis Systems，進入所需要使用的分析模塊，導入已經創建好的機械動臂的三維模型文件。要準確地進行分析計算，需要根據微型挖掘機機械動臂所使用的鋼板的材料屬性進行參數設置，主要的參數為材料的彈性模量、泊松比，以及屈服強度、抗拉伸強度等。

將機械動臂進行自動網格劃分，再進行網格的細分，網格劃分數量如果過大，會增加計算的時間，嚴重時甚至會影響到受力關鍵位置的單元畸變[4]。

2.2.3 機械動臂的力學分析

在受到外部載荷時，機械動臂的應力分布和位移會相應產生變化，通過計算分析可以對其強度進行校核，以保障機械動臂工作過程中的安全特性，延長其使用的壽命，也可作為結構改進的依據。

機械動臂的主要工作是通過機械動臂的液壓缸伸縮動作完成斗室的提升與降落。機械動臂實際工作中，前支撐與斗桿通過鉸鏈相連，斗桿壓力作用在前腹板，斗桿液壓缸與動臂上耳板連接，液壓缸壓力作用在上耳板，而機械動臂的后支撐通過鉸鏈與挖掘機機架連接在一起。在分析過程中給機械動臂在該處施加X、Y、Z三個方向上的約束，在動臂的前支撐和上耳板上施加載荷。根據挖掘機在最大挖掘能力下所產生的挖掘阻力的大小，根據力矩平衡及力平衡原則建立平衡方程式，計算受力的實際大小。分析時更多地考慮挖掘機機械動臂在工作過程中的實際狀態，合理地設置邊界條件并在計算分析時施加約束，這樣可以更真實地模擬出載荷特性對疲勞強度的影響。實際操作時，需要收集更多的工況數據對機械動臂的受力情況進行分析。

2.2.4 分析結果的應用

根據分析計算的結果，結合受力大小的分布情況，對機械動臂進行減重處理。受力較小的部位可適當地將鋼板材料減薄[5]，在安全系數范圍內，使其本身質量降低；受力大的部位可適當增加加強筋、肋板等結構，提高這個區域的承載能力。疲勞開裂的現象主要出現在應力集中的位置，因此焊縫的位置應適當地避開內部應力大的區域，以減小焊縫周圍的應力，延長機械動臂的使用壽命。

改進后的結構應再次進行分析計算，通過不斷地調整與改進，達到結構的最優化。

3 結束語

當前中小微企業對機械動臂的結構設計更多依賴于經驗法或類比法等簡單的傳統方法，造成產品設計周期長、加工質量不高、結構優化不好、部分結構強度過高或不足的現象，沒有分析的數據作為依據，無法最大限度避免機械動臂缺陷的存在。通過對工藝的分析，借助計算機技術，采用有限元分析方法對機械動臂的強度和剛度進行分析和校核，提出可行的結構改進方案，這是有效地避免機械動臂的設計、加工中出現缺陷的高效辦法，對提高挖掘機機械動臂的安全性、可靠性及延長其使用壽命均有實際意義。

[1] 曹蕾蕾，王留濤，王嚴，等. 基于等效結構應力法的挖掘機工作裝置疲勞壽命評估[J]. 華南理工大學學報(自然科學版)，2022，50(8): 62-70.

[2] 李志永. 挖掘機動臂焊接殘余應力分析與焊接順序優化[D]. 長春: 吉林大學，2013: 84.

[3] 王緒橋. 挖掘機動臂和斗桿焊接制造技術分析[J]. 工程機械，2019，50(10): 55-60，9.

[4] 王智森，汪兆棟，張少懷. 液壓挖掘機動臂結構優化設計[J]. 中國工程機械學報，2022，20(1): 75-80.

[5] 周磊，王秋良. 某中型液壓挖掘機工作裝置輕量化設計[J]. 工程機械，2022，53(12): 96-100，12.

Analysis and Control of Defects in the Mechanical Boom of Mini-Excavators

The mechanical boom is an important load-bearing component of the excavators, and its defects seriously affect the safety and service life of the excavators. In order to effectively avoid defects in the mechanical boom, this article analyzes its mechanical structure and the stress situation during operation, explores the reasons for the existence of defects, and proposes suggestions for controlling defects for reference.

mechanical boom;defects; defect control

TH13

A

1008-1151(2023)11-0072-04

2023-02-23

2021年廣西高校中青年教師科研項目“微型挖掘機機械動臂結構的優化設計”（2021KY1108）。

鄧岐杏（1978－），女，廣西柳城人，廣西水利電力職業技術學院副教授，研究方向為機械電子工程。