朱志興

（江西銅業(yè)集團公司 城門山銅礦，江西 九江 332100）

1 引言

城門山銅礦采礦場有6臺從瑞典進口的沃爾沃EC700B大型液壓挖掘機，斗容為4m3。該液壓挖掘機是采礦場生產(chǎn)剝離、采礦主力設(shè)備，設(shè)計先進、操作方便［1］。液壓挖掘機作為礦山采礦主力設(shè)備，工作環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜，工作裝置承受交變沖擊載荷，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件對疲勞強度要求極高。挖掘機作業(yè)時以鏟斗的切削刃切削巖石，巖石挖掘阻力較大，所以大臂、小臂和鏟斗（如圖1所示）阻力都很大。六臺挖掘機作業(yè)周期長、強度大，當使用20000h后，大臂與大臂油缸連接處（中軸處）均不同程度出現(xiàn)開裂，嚴重影響了礦山正常生產(chǎn)?；谏a(chǎn)急需、備件價格超高等實際情況，經(jīng)過認真分析研究，終于解決了這個問題。

圖1 液壓挖掘機工作裝置圖

2 大臂結(jié)構(gòu)及受力特點

大臂是挖掘機工作裝置的重要組成部分。大臂為中空箱型密封式的焊接結(jié)構(gòu)，其左右對稱。由于大臂承載負荷大且復(fù)雜，所以大臂為高強度優(yōu)質(zhì)鋼板焊接而成［2］，一般主要材質(zhì)為Q345B。為達到較大的挖掘深度，通常采用向下彎曲的形式，其彎度一般在120～140°之間。在大臂內(nèi)部，一般焊接有筋板以進一步加強局部強度，尤其在大臂轉(zhuǎn)軸處。大臂是工作裝置中主要承力部件，挖機工作中大臂會受到復(fù)雜的瞬態(tài)沖擊載荷［3］，造成其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形、裂紋（如圖2所示）等，而大臂中軸處又是大臂最大受力部位，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致箱體的薄弱處和筋板容易疲勞開裂（如圖3所示）。

圖2 大臂開裂圖

圖3 內(nèi)加強筋板圖

3 大臂開裂原因分析

大臂開裂嚴重影響了挖掘機正常運行，導(dǎo)致維修量大，嚴重影響生產(chǎn)。對每件大臂開裂外表檢查和探傷，發(fā)現(xiàn)都在大臂中軸處出現(xiàn)不規(guī)則裂紋，針對這一狀況，綜合諸多因素分析，主要原因如下：

3.1 設(shè)計原因

沃爾沃液壓挖掘機是國際品牌，其產(chǎn)品質(zhì)量與性能是毋庸置疑的。而EC700B機型由于原設(shè)計者是按照普通工程挖掘機設(shè)計。但該挖掘機自投入運行以來，一直處在礦山剝離、采礦等高強度環(huán)境下工作，因此，對該挖掘機工作裝置強度提出更高要求，主要受力部位就顯得單薄。

3.2 金屬疲勞損傷

在實際工作中，由于挖掘機需要持續(xù)工作且長期在較為惡劣的環(huán)境中作業(yè)，大臂使用20000多h后主要受力部位進入了金屬疲勞期。大臂中軸處是制造應(yīng)力和工作應(yīng)力疊加部位，根據(jù)大臂有限元受力分析，此處也是最大應(yīng)力集中區(qū)域（如圖4所示），導(dǎo)致大臂兩側(cè)板和筋板被擠壓和扭曲，最終造成應(yīng)變開裂。

圖4 大臂中軸應(yīng)力集中區(qū)

3.3 工作環(huán)境影響

液壓挖掘機一直在礦山復(fù)雜地質(zhì)條件下剝離、采礦，工作周期長、強度高。運行中不規(guī)范的操作也時有發(fā)生，導(dǎo)致大臂受到?jīng)_擊載荷、重載、橫向力、偏載等復(fù)雜作用力，對挖掘機工作裝置損傷較大［4］。

4 大臂開裂修復(fù)

4.1 中軸處加固外筋板

大臂中軸處受力最大、載荷復(fù)雜，兩側(cè)鋼板容易開裂。在中軸處焊接外筋板加強強度，延長使用壽命。采用16mm厚的Q345B鋼板作為外筋板，該鋼板焊接性能好、強度高［5］。根據(jù)大臂兩側(cè)板形狀制作加固筋板（如圖5所示）焊接。使用2000h左右加固的筋板和箱體鋼板又出現(xiàn)開裂。加強外筋板仍然滿足不了高強度工作環(huán)境要求。

圖5 中軸外筋板圖

4.2 中軸處內(nèi)部改進

以氣刨（如圖6所示）打開中軸處箱體對內(nèi)部軸套和筋板檢查［6］。以氣刨方式從大臂中軸處刨開，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部中軸套只有一塊筋板而且筋板嚴重開裂（如圖7所以），中軸套也開裂（如圖8所示）。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)是由于內(nèi)部中軸套筒、筋板疲勞強度達到極限，導(dǎo)致早期開裂。內(nèi)部筋板受損后造成大臂外部箱體鋼板受到?jīng)_擊力變大而開裂。每件大臂開裂情況均相同。原始設(shè)計單薄，為避免再次出現(xiàn)開裂，需要對內(nèi)加強筋板、中軸套筒改進。

圖6 中軸箱體刨開圖

圖7 內(nèi)筋板開裂圖

圖8 中軸套筒開裂圖

4.2.1 內(nèi)筋板制作改進

基于中軸內(nèi)部筋板單薄、數(shù)量少，對中軸套筒內(nèi)部進行加固改造。用16mm厚的Q345B鋼板制作三塊筋板分別在軸套筒上部焊接（如圖9所示），與箱體上部連接。由于大臂內(nèi)部空間有限，為了保證焊接質(zhì)量及打磨角度，先焊接筋板Ⅰ，然后焊接筋板Ⅱ，最后焊接筋板Ⅲ，單邊V型角焊縫。

圖9 加固內(nèi)筋板示意圖

4.2.2 中軸套筒改進

由于中軸處長期受較大沖擊復(fù)雜載荷，極易出現(xiàn)疲勞性開裂，原軸套單薄。一旦開裂對大臂外表面箱體結(jié)構(gòu)造成很大沖擊。因此，需設(shè)計新的中軸套筒，加厚尺寸（如圖10所示），采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45#鋼，通過調(diào)質(zhì)處理，機械性能好，抗沖擊能力（如圖11所示）。

圖10 中軸套筒示意圖

圖11 中軸套焊接圖

4.3 大臂焊接注意事項

挖掘機大臂作為挖掘機中最重要的受力部件，其焊接質(zhì)量直接影響挖掘機的整體質(zhì)量和性能。大臂焊接的工藝核心便是要控制好焊接應(yīng)力，使焊縫處盡可能少的出現(xiàn)位移和殘余應(yīng)力，從而使挖掘機大臂焊接質(zhì)量更可靠［7］。

EC700B挖機大臂改進修復(fù)使用Q345B鋼板為筋板，用45#鋼加工中軸套?？紤]鋼板厚度為16mm，焊接接頭為V型坡口，坡口角度為60°。由于CO2氣體保護焊焊接質(zhì)量高、效率高，焊接變形小，穿透能力強優(yōu)點，采用CO2氣體保護焊。焊絲選用Φ1.2mm，材質(zhì)為JM-58焊絲，具有較好的工藝性能、機械性能和抗熱裂能力，尤其適合焊接低碳鋼和低合金鋼。焊接電流如下表：

表1 焊絲直徑與使用的電流范圍

焊接前對坡口進行打磨處理，將坡口表面磨平，將焊縫兩側(cè)30mm以內(nèi)鐵銹打磨清理干凈。用氣刨刨過的表面，打磨2mm的滲碳層，消除焊縫局部含磷量增高，以防產(chǎn)生裂紋影響焊接質(zhì)量。焊接時應(yīng)對焊接部位及焊接周邊70～100mm區(qū)域進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度應(yīng)在170～240℃。采用多層多道焊，堆焊時的焊接方向要保證由下向上、由外向里的順序，這樣既可以保證熔深，又能防止咬邊［8］。多層多道焊時，焊縫分配要控制焊趾處的止端角度。并做消散應(yīng)力處理，焊后保溫6h。

5 結(jié)束語

用上述方法，我們對EC700B挖機大臂開裂進行了修復(fù)，通過近2年來的使用，該大臂沒有再次出現(xiàn)新的裂紋及其它故障，既取得了大型結(jié)構(gòu)件開裂修復(fù)的經(jīng)驗，又降低了對生產(chǎn)的影響，還節(jié)約了大量備件成本。