董 新

（神華準(zhǔn)格爾能源有限公司 設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

WK－55系列電鏟鏟斗外形接近正方體，主要由斗體、提梁、斗底、開斗杠桿和連接組件構(gòu)成。其中鏟斗是直接用來挖掘、收集、搬移和卸出物料，在工作過程中承受著較大的沖擊載荷與劇烈的磨損。鏟斗斗體主要由斗前壁與斗后壁2大部位構(gòu)成，其中斗后壁上主要為一些連接組件中的耳座，與電鏟的鏟桿進(jìn)行連接，要求其要有足夠的強(qiáng)度和剛度，支撐整個(gè)斗體。斗前壁主要由3個(gè)主要部件構(gòu)成，分別為斗唇、主體母板、斗栓插座。由于斗前壁需直接插入料堆，故要求其材質(zhì)應(yīng)具備較高的強(qiáng)度和耐磨性。斗唇主要用于安裝鏟斗斗齒。主體母板主要用于承載物料和構(gòu)成鏟斗主體。斗栓插座主要用于開斗栓銷的定位，固定斗底。

WK－55電鏟在黑岱溝和哈爾烏素兩礦生產(chǎn)投入運(yùn)行使用過程中，WK－55鏟斗頻繁發(fā)生裂紋損壞，需停機(jī)焊修或停機(jī)拆卸后進(jìn)行整體焊接修復(fù)，嚴(yán)重降低了WK－55電鏟的出動(dòng)率，制約了巖土的剝離效率，同時(shí)焊修工作的投入，不僅增加了檢修人員的工作量，也增加了生產(chǎn)檢修成本。

1 鏟斗損壞原因

對(duì)損壞鏟斗進(jìn)行裂紋頻發(fā)部位的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其裂紋頻發(fā)部位主要為斗前壁的主體母板，及其背部縱向拉筋，磨損開裂部位主要為斗前壁的斗栓插座及其周邊對(duì)接焊縫。

WK－55系列電鏟鏟斗的斗容為58 m3，最大提升力達(dá)2 890 kN，故勻速情況下，提升力近似約294.9 t[1]。黑岱溝露天煤礦和哈爾烏素露天煤礦，若按照一般礦巖松散密度為1.9～2.4 t/m3計(jì)算，故滿載時(shí)巖土質(zhì)量110.2～139.2 t，鏟斗（帶斗門）質(zhì)量約84 t，斗門約重20 t。由于斗前壁為主要承載部件[2]，（不涵蓋斗唇）斗深3 465 mm，寬約4 900 mm，故其面積大致為17 m2，對(duì)其進(jìn)行靜載受力分析。

鏟斗斗前壁的材質(zhì)接近于Q345，楊氏模量值約為206 000 N/mm2，此母板取值210 GPa，則變形時(shí)變形力約105 t，此種情況適用于鋼板兩側(cè)存在支點(diǎn)，與斗前壁結(jié)構(gòu)相符。故由此推斷鏟斗滿載時(shí)僅物料重便大于其變形力臨界值。隨斗前壁背部存在縱向加強(qiáng)筋板，但其主要起到了對(duì)縱向變形的抵抗強(qiáng)化作用，在橫向上作用不大。推斷鏟斗在裝載卸料過程中斗前壁主體母板不斷受力發(fā)生橫向?yàn)橹鞯膿隙茸冃?，最終導(dǎo)致斗前壁主體母板材質(zhì)出現(xiàn)疲勞裂紋，裂紋拓展后發(fā)生較大裂紋損壞。對(duì)于更換過斗栓插座的鏟斗，引起對(duì)接焊縫變寬，且焊縫的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于母板材質(zhì)強(qiáng)度，導(dǎo)致短期內(nèi)在對(duì)接焊縫處便會(huì)出現(xiàn)新的裂紋損壞，符合目前鏟斗在更換新斗栓插座后的使用壽命僅40 d左右的實(shí)際情況。

通過以上的推理分析，基本確定導(dǎo)致WK－55鏟斗斗前壁裂紋頻發(fā)的原因?yàn)殓P斗斗前壁原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)存在一定的缺陷，背部加強(qiáng)筋板布局存在不足，無法抵消受力時(shí)產(chǎn)生的撓度變形。

2 鏟斗斗前壁結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 斗前壁斗栓插座結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

在進(jìn)行斗栓插座的焊接更換過程中，由于對(duì)接部位的多次開裂和反復(fù)焊接，其進(jìn)行裂紋清根后，導(dǎo)致刨削量增加，對(duì)接焊縫增寬，焊縫寬度值約為150～ 200 mm，斗栓插座的材質(zhì)為高錳鋼，主體母板材質(zhì)為低合金高強(qiáng)度鋼板。

由于異種鋼對(duì)接焊縫的力學(xué)性能要明顯低于母材，故焊縫的寬度值增加[3]，也提高了對(duì)接焊縫再次受力時(shí)的裂紋發(fā)生幾率，降低其使用壽命。針對(duì)斗栓插座的更換提出以下改進(jìn)方案：

1）增加斗栓插座兩側(cè)翼的長度。兩邊各增加約100 mm，用以縮減對(duì)接焊縫寬度。

2）若購進(jìn)新斗。建議制造廠家將斗栓插座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，讓其外形成梯形結(jié)構(gòu)，盡量避免兩側(cè)翼過大，縮小斗栓插座的整體體積。

3）目前斗栓插座為鑄鋼件，若購置成本相似，建議將其改成鍛件結(jié)構(gòu)，以提高其力學(xué)性能和對(duì)接更換時(shí)的焊接性。

2.2 斗前壁主體母板結(jié)構(gòu)強(qiáng)化及維修方案

通過對(duì)已發(fā)生損壞的用鏟斗進(jìn)行以上結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的測量和分析，初步確認(rèn)導(dǎo)致斗前壁拉筋斷裂、斗栓插座頻發(fā)裂紋損壞的原因，主要為斗前壁主體母板材質(zhì)較為單薄，背部縱向加強(qiáng)筋數(shù)量較少，且間距較大，很難起到較好的強(qiáng)化作用，又因鏟斗在裝載、卸料的工作過程中，不僅要承受物料的磨損作用，而且還需要不斷承受沖擊及交變載荷的作用[4]，促使斗前壁主體發(fā)生反復(fù)的撓度變形，且伴隨運(yùn)行時(shí)間的增加，變形程度逐漸增加，最終降低了斗前壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件本體鋼材內(nèi)部或外部裂紋頻發(fā)；因鋼材內(nèi)部裂紋無法觀察發(fā)現(xiàn)，或外部微小裂紋未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致裂紋的延展，最終致使結(jié)構(gòu)件發(fā)生裂紋損壞，嚴(yán)重磨損變薄等現(xiàn)象的發(fā)生。為強(qiáng)化斗前壁的強(qiáng)度和剛度，采取以下方案進(jìn)行修復(fù)：

1）針對(duì)現(xiàn)有WK－55鏟斗共有8根縱向拉筋，拉筋長2500 mm，均高85～90 mm，寬約70 mm，縱向拉筋間隔490 mm。增加其斗前壁主體母板處縱向拉筋，寬100 mm，高70 mm，增加橫向拉筋，寬150 mm，高70 mm。因增加的縱向及橫向筋板促使鏟斗約增重2.4 t。依據(jù)鏟斗勻速情況下的最大提升力載重能力為294.9 t，增加筋板后鏟斗及物料自重達(dá)226 t ＜294.9 t，對(duì)鏟斗提升運(yùn)行無影響。

2）新增橫向、縱向拉筋高度要求低于原始縱向拉筋，焊接方式選擇多層多道角縫焊接，焊縫形成圓弧過渡，增加縱向、橫向拉筋的斗前壁主體如圖1。

圖1 增加縱向、橫向拉筋的斗前壁主體

3 鏟斗結(jié)構(gòu)改進(jìn)焊接工藝

3.1 斗栓插座焊接

斗栓插座是材質(zhì)為高錳鋼ZGMn13Mo的鑄件，與斗體為低合金剛強(qiáng)度鋼的材質(zhì)對(duì)接，屬于異種鋼焊接，故選擇焊接填充材料為E309LT－1的φ1.6 mm不銹鋼藥芯焊絲。在進(jìn)行斗栓插座對(duì)接焊接過程中要嚴(yán)格按照以下幾點(diǎn)工藝進(jìn)行焊接操作：

1）施焊前將斗栓插座及斗前壁部位的泥土等雜質(zhì)進(jìn)行清理，利用碳弧氣刨焊進(jìn)行坡口的加工，且利用角向磨光機(jī)將斗栓插座及斗前壁主體母板對(duì)接焊縫坡口及其周邊100 mm，范圍內(nèi)進(jìn)行打磨，至少要磨削掉1 mm，直至漏出金屬光澤[5]。坡口處理結(jié)束后應(yīng)對(duì)其進(jìn)行周邊范圍的探傷檢查，確認(rèn)是否依然存在碎裂紋。

2）焊縫兩端設(shè)立引弧板。將焊縫預(yù)熱至38 ℃左右，采用多層多道焊，單道焊縫寬度小于焊絲直徑的3倍[6]，且當(dāng)前焊縫應(yīng)將前道焊縫重新熔覆寬度的1/3～1/2，斗栓插座對(duì)接焊縫如圖2，焊接過程中及時(shí)清渣，隨時(shí)用風(fēng)鏟錘擊焊道，以降低焊接應(yīng)力。嚴(yán)格將層間溫度控制在120 ℃左右，焊接操作結(jié)束后用石棉布保溫，緩慢冷卻。

圖2 斗栓插座對(duì)接焊縫

3）焊接操作過程中，焊道間的起弧點(diǎn)、收弧點(diǎn)應(yīng)相互錯(cuò)開[7]。起弧點(diǎn)、收弧點(diǎn)不允許設(shè)在焊縫拐角處。若焊接過程中，出現(xiàn)氣孔、夾雜等焊接缺陷，應(yīng)立即清除干凈后再繼續(xù)施焊；焊后利用角向磨光機(jī)將焊縫表面余高進(jìn)行打磨平整、光滑過渡，控制余高0 mm，對(duì)焊縫進(jìn)行無損探傷檢查，保證焊接質(zhì)量。

4）斗栓插座焊接結(jié)束后，在其背部焊接加強(qiáng)筋板或耐磨板。

3.2 斗前壁主體母板加強(qiáng)筋板的焊接

根據(jù)斗體斗前壁主體母板的材質(zhì)和用于強(qiáng)化的加強(qiáng)筋板材質(zhì)，選擇加強(qiáng)筋板的角縫焊接填充材料為81Ni的φ1.6 mm不銹鋼藥芯焊絲。

1）橫向與縱向加強(qiáng)筋板鈞利用氧乙炔自動(dòng)切割機(jī)在δ=70 mm的鋼板完成，要求切割邊緣光滑，無錯(cuò)邊等缺陷，且切割過程中保障筋板無變形。

2）加工好的縱向、橫向筋板要進(jìn)行角縫的焊接，因?yàn)榧訌?qiáng)筋板與斗前壁主體母板進(jìn)行結(jié)構(gòu)焊接，且主體母板厚度約為40 mm左右，故依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，其焊件焊腳尺寸不小于最薄件厚度值，確定加強(qiáng)筋板的焊腳尺寸L≥40 mm，且確保筋板角縫為弧形過渡。相關(guān)焊縫的焊接示意如圖3。

圖3 增加筋板角焊縫

3）橫向與縱向筋板的交接處要焊滿，且禁止存在夾雜等缺陷。

4 改進(jìn)后的應(yīng)用跟蹤及效益分析

4.1 改進(jìn)后的應(yīng)用跟蹤

先后完成了2件WK-55電鏟鏟斗前壁結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和焊修加固。修復(fù)后的鏟斗，其中1件于2016年2月25日在黑岱溝裝4＃WK-55電鏟運(yùn)行使用，1件于2016年6月10日在哈爾烏素裝2＃WK-55電鏟運(yùn)行使用，2件修復(fù)后的WK-55鏟斗均運(yùn)行使用情況良好，未出現(xiàn)裂紋損壞故障，電鏟鏟斗故障大大降低，斗栓插座的使用壽命得到了有效延長。

4.2 效益分析

2015年4＃WK-55電鏟的鏟斗斗前壁及斗栓插座的焊修記錄為：①鏟斗碎小裂紋焊修：停機(jī)時(shí)間16 h;②鏟斗更換下機(jī)整體焊修：停機(jī)時(shí)間29 h42 min;③鏟斗碎小裂紋焊修：停機(jī)時(shí)間91 h40 min;④鏟斗更換下機(jī)整體焊修：停機(jī)時(shí)間29 h4 min;⑤鏟斗碎小裂紋焊修：停機(jī)時(shí)間25 h51 min。2016年4＃鏟斗斗前壁及斗栓插座的焊修記錄為：①鏟斗碎小裂紋焊修：停機(jī)時(shí)間12 h21 min;②更換結(jié)構(gòu)改造和焊修加固鏟斗：停機(jī)時(shí)間32 h3 min;③鏟斗碎小裂紋焊修：停機(jī)時(shí)間3 h25 min。通過對(duì)比分析，可知2015年4＃WK-55電鏟坑下停機(jī)焊修鏟斗斗前壁及斗栓插座的碎裂紋總工時(shí)為133 h31 min，全年4＃WK-55電鏟因斗前壁及斗栓插座的更換和焊接檢修設(shè)備停機(jī)約192 h，平均每月因鏟斗斗前壁及斗栓插座的焊修導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)約17 h30′min。而結(jié)構(gòu)改造和焊修加固鏟斗斗前壁及斗栓插座在4＃WK-55電鏟裝機(jī)后，截止2016年8月31日，因鏟斗斗前壁及斗栓插座的碎小裂紋焊修設(shè)備停機(jī)約3 h25 min，平均每月因鏟斗斗前壁及斗栓插座的焊修導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)時(shí)間僅為34 min，且鏟斗斗前壁及斗栓插座尚未發(fā)現(xiàn)較大裂紋，無需更換下機(jī)整體焊修。2016全年較2015年減少WK－55電鏟停機(jī)時(shí)間為204 h。

一般情況下1臺(tái)WK－55電鏟每8 h裝830E卡車120車計(jì)算[8]，且830E卡車均車裝105 m3巖土，則平均每年單臺(tái)WK－55電鏟因縮短鏟斗停機(jī)焊修時(shí)間而增加的巖土剝離量約為32.13萬m3。

5 結(jié)語

通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)和焊修加固后的鏟斗在4＃WK－55上的有效運(yùn)行記錄，可以確認(rèn)對(duì)鏟斗的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和焊修加固方案取得了預(yù)期效果，有效解決了WK－55電鏟鏟斗裂紋頻損壞的故障難題，為礦山其他大型結(jié)構(gòu)件的裂紋頻發(fā)檢修及焊修強(qiáng)化提供了可參照的經(jīng)驗(yàn)。