挖掘機斗桿上端開裂原因分析與改進

某型號挖掘機出廠后工作3000h左右，相繼出現斗桿上端開裂現象，開裂部位位于斗桿頂部加強板與斗桿缸活塞桿支座立板銜接的重疊焊縫處。該裂縫造成斗桿底板斷裂，且裂縫沿斗桿底板橫向延伸。負荷較重的挖掘機斗桿底板幾乎斷裂，個別挖掘機裂縫已擴展到斗懺的腹板上，如圖1所示。

2.原因分析

（1）重復焊接使鋼材韌性降低

在該型號挖掘機斗桿缸活塞桿支座的原始設計中，底板下端沒有加強板。在使用過程中，立板與底板的焊接處出現了底板彎曲變形。為增加底板的剛度，防止底板變形，在后期的產品中補焊了加強板。補焊加強板后，在立板和加強板之間出現重疊焊縫，造成斗桿底板的塑性和韌性降低，導致底板在受力時出現裂紋。

（2）應力集中

挖掘機挖掘作業時，斗桿缸活塞桿支座處受力最大，斗桿缸活塞桿支座處的底板承受拉、壓交變應力。而支座立板延伸至加強板處是薄弱點，支座立板向底板延伸較短，造成支座立板與底板銜接處存在應力集中，導致支座立板將底板拉裂。

我們對斗桿缸活塞桿支座進行有限元應力分析后發現，當挖掘機處于最大挖掘力狀態時，立板延伸至加強板處的拉應力達到175M Pa，加上焊縫焊接時產生的應力，應力集中現象更為明顯。

（3）長朗使用破碎錘作業

經過對挖掘機用戶調查，得知發生斗桿缸活塞桿支座開裂的挖掘機均配裝了破碎錘。由于這些挖掘機長期使用破碎錘作業，造成該缸支座承受較大的交變應力，導致其底板開裂。

3.改進方案

為徹底解決斗桿缸活塞桿支座處開裂的問題，我們在原支座鉸點位置不變的基礎上，對斗桿缸支座結構按以下方案進行了改進。

（1）增加結構強度

增加結構強度采取了2項措施：一是將支座底板2加厚、加長，二是將支座立板3加寬，如圖2所示。將支座底板2加厚后，可提高斗桿上端強度和剛度，降低斗桿上端變形和開裂的可能。將支座底板2加長后，避開了高應力區與斗桿底板1對接，減小了焊縫的應力。將支座立板3加寬，使其向下多延伸300mm，并使支座立板3截面積逐漸縮小，這種緩慢過渡的結構可減小應力集中。

我們對改進后的斗桿缸支座進行有限元應力分析，發現應力最大值由改進前的1758MPa下降到現在的140.78MPa，而且高應力區面積大大減小。

（2）改進焊接工藝

將支座立板3的焊接方式改為多層焊接，以減小焊接時焊縫部位的發熱量。焊后將焊縫過渡部位打磨光滑，以減少應力集中點的產生。改進焊接工藝后，焊縫減少，焊接變形及焊接應力有所減小。

4.改進效果

對該挖掘機斗桿缸活塞桿支座處改進后，在增強其結構強度的同時，減少了焊接工作量，簡化了制作工藝，提高了斗桿制作效率。通過小批量試制，投入市場使用后，該型號挖掘機再未出現斗桿上端開裂現象，說明此結構改進取得成功。