某機型挖掘機動臂故障分析與改進

撰文/王應軍

■廈門廈工機械股份有限公司

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某機型挖掘機動臂故障分析與改進

撰文/王應軍

■廈門廈工機械股份有限公司

針對某機型挖掘機動臂典型結構形式，根據市場使用過程中出現的故障情況對結構件進行切割分析，提出相應的改進措施，對降低市場結構件的故障率，提高客戶滿意度具有重要意義。挖掘機；動臂；前叉；后支撐；焊縫開裂

動臂是挖掘機在工作過程中直接承受荷載的主要受力部件，動臂的損壞通常既要承受疲勞荷載，還要承受沖擊荷載，雖然在實際工作中工作應力沒有達到設計條件的許用應力，但由于長期的交替荷載變化對工件造成損壞，同時由于客戶在使用中的不規范操作，使動臂的使用壽命大為縮短，動臂開裂現象經常發生。為了徹底了解故障的原因，從動臂的結構型式，開裂部位的外部狀況和內在因素分析結構件發生破壞的特征，揭示破壞的原因，從工藝與設計方面提出解決方法，進一步提高產品質量，提高結構件的使用性能。本文對該結構件故障原因進行分析，提出改進措施。

動臂的結構形式

動臂屬于對稱的箱型結構，由上蓋板、下蓋板、左右側板、前叉與后支撐組成，如圖1所示， 材質均為焊接性能良好的低碳合金高強度鋼Q345B

圖1　①前叉 ②左右側板 ③下蓋板④上蓋板 ⑤后支撐

故障件現象描述

某機型挖掘機動臂出現故障，從市場返回結構件外觀看，①前叉側板與③下蓋板出現焊縫開裂情況、⑤后支撐上蓋板與④后段上蓋板截面突變處出現焊縫與母材開裂情況。為了了解結構件開裂的具體原因，對動臂開裂部位進行切割并進行酸洗觀看焊縫內部情況。

a外觀

①前叉開裂情況（圖2）

后支撐開裂情況（圖3）

b內部

對前叉與后支撐開裂部位切割發現：①前叉內部加強板母材本身開裂、加強板與前叉側板連接焊縫兩邊整條出現開裂（圖4、圖5），同時隔板內部圓孔邊出現放射狀裂紋（圖6），經對加強板與側板連接焊縫切割發現隔板熔深只有1mm（圖7），故判定前叉外部焊縫開裂是由內部隔板焊縫與母材開裂引起的。

圖4　

圖5　

圖6　

圖7　

②后支撐內部隔板角焊縫偏焊，熔深僅1mm左右（圖8），內部隔板出現整條角焊縫開裂，外部后支撐上蓋板拐角處只是微裂，故判定后支撐上蓋板和角焊縫開裂是內部隔板焊縫先裂后引起的（圖9）

圖8　

圖9　

c原因分析

①由于現場沒有焊接前叉與后支撐的專用焊接變位機，焊接前叉與后支撐時平放置在地板上，在工藝上只能采用采用角焊縫焊接，，導致前叉與后支撐內部隔板偏焊熔深不足，焊腳尺寸不夠，使內部焊縫開裂。②由于客戶在使用過程中的不規范操作，如掃平、撞擊等力度太大，導致前叉與后支撐內部加強板產生頻繁的扭曲變形，使前叉與后支撐內部焊縫開裂。③前叉與后支撐內部圓孔直徑太大，消弱了動臂前叉與后支撐截面的抗扭能力。④前叉加強板孔邊緣的放射狀裂紋，表明加強板強度不足，使加強板與側板焊縫開裂。⑤后支撐上下蓋板外側上下蓋板形狀突變，成為應力集中點，當內部焊縫開裂后，后支撐在截面突變處開裂（圖10）。

圖10　

d處理措施

①制作專用的前叉（圖11）與后支撐（圖12）專用焊接變位機，對焊接工藝進行變更，由角焊縫改為船型焊，即保證熔深又保證焊縫尺寸（圖13）

圖11　前叉焊接變位機

圖12　后支撐焊接變位機

圖13　切割酸洗后

②為了增加前叉與后支撐的強度，將前叉與后支撐的內部加強隔板板厚由12mm增至16mm，焊縫尺寸由8*8mm增至更改為12*12mm，同時將加強隔板中間圓孔孔徑由?200mm縮減至?100mm 。③為了增加前叉與后支撐的整體抗扭強度，在前叉（圖14）與后支撐（圖15）側面增加8mm的加強貼板，減少動臂動作頻繁引起的發生變形。④為了減少后支撐上下蓋板結構突變引起的應力集中，在后支撐應力突變處增加4塊加強板（圖16）。

圖14　前叉加強板

圖15　后支撐加強板

圖16　截面突變處加強板

⑤在工藝上對后支撐的裝配與焊接順序進行變更，由原來的上下蓋板、左右側板與隔板整體裝配后焊接改為：先裝配后支撐上下蓋板與左右側板，然后對內部焊縫進行焊接，再按裝配內部隔板，最后在專用后支撐焊接變位機上完成隔板焊縫的焊接（圖17）。

圖17　后支撐工藝改善

⑥對后支撐截面突變處的4塊加強板，為了保證與側板邊緣的融合，工藝上采用X型350坡口，鈍邊2mm，焊接時先對上面焊縫打底焊接，然后反面清根，保證根部焊縫熔合，再采用多層多道焊，兩面交替施焊的順序，以使每側引起的變形最后都得以抵消。焊接時板邊端頭與側板邊緣焊縫要適當延長，保證與側板光滑過度，焊接完成后打磨平整，避免形成新的應力集中點。⑦由于顆粒過渡焊接的電弧穿透能力強，電弧穩定，焊縫成型好，熔深大，可以提高力學性能，因此該動臂前叉與后支撐內部焊縫采用顆粒過渡焊接。⑧焊接工藝參數確定：采用CO2氣體保護焊，焊絲采用JM-58焊絲，焊絲直徑φ1.2mm.焊接電壓34-38V，焊接電流350-400A。

結論

目前，這些改進在后續結構件的現場生產中已經完全實行，改進后的整機結構件使用良好，使用過程中的安全性和可靠性大大提高，從市場用戶使用時間統計來看，改善后的結構件使用時間比原來提升3倍，結構件故障率明顯降低，得到了廣大用戶的認可，提高了用戶對本產品的滿意度。

參考：

［1］姜煥中.電弧焊及電渣焊.機械工業出版社.2004.

［2］黃祥金.某型挖掘機回轉平臺支座焊縫開裂原因分析.工程機械，2013（5）.

作者簡介：

王應軍（1970-），男，福建廈門人，工程師，學士，研究方向：焊接質量控制。