大型挖掘機鏟斗焊接質量研究

孫星星，侯玉寒

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545006）

大型挖掘機鏟斗焊接質量研究

孫星星，侯玉寒

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545006）

液壓挖掘機的工作環境惡劣，鏟斗作為液壓挖掘機主要的受載部件，在工作中承受著絕大多數的載荷，是最常發生故障的部分，其結構性能對挖掘機的整機性能、工作可靠性和安全性有重要的影響。以液壓挖掘機鏟斗設計結構及焊接件的制造工藝和生產實踐為基礎，結合具體實例，研究分析液壓挖掘機鏟斗幾種典型的焊接故障，并進行針對性結構設計改進。本課題就圍繞著如何降低鏟斗的故障率，提高產品質量的目的展開，通過對其產品結構和生產過程進行研究，以找出有效的控制手段。

液壓挖掘機；鏟斗；焊接；應力分析；實驗設計

液壓挖掘機的工作裝置（如圖1包括動臂、斗桿和鏟斗），其作為主要的受載部件，在工作中承受著絕大多數的載荷，是最常發生故障的部分。大型挖掘機的主要工況為礦山，作為直接與礦巖直接接觸的部件，鏟斗在挖掘過程中直接承受很大外力，接觸滑移造成鏟斗激烈的磨損及損壞。本文結合具體實例，以液壓挖掘機鏟斗設計結構及焊接件的制造工藝和生產實踐為基礎，研究分析液壓挖掘機鏟斗幾種典型的焊接故障，通過對其產品結構和生產過程進行研究，以找出有效的控制手段。

圖1 液壓挖掘機工作裝置介紹

1 問題提出

液壓挖掘機的工作裝置包括動臂、斗桿和鏟斗，其作為主要的受載部件，在工作中承受著絕大多數的載荷，是最常發生故障的部分。作為直接與礦巖直接接觸的部件，在挖掘過程中鏟斗直接承受很大外力，接觸滑移造成鏟斗激烈的磨損及損壞。統計分析工作裝置的故障數據，其中鏟斗的故障率最為顯著，占整個工作裝置故障的50%以上。細分鏟斗的故障模式（如圖2），主要的故障模式有：（1）主刀板開裂；（2）齒座開裂；（3）側板周圍焊縫及其板材開裂；（4）斗底開裂；（5）側面開裂。

圖2 挖掘機鏟斗故障模式圖解

2 原因分析及對策實施

2.1 主刀板開裂

主刀板開裂的問題分析主要從有限元分析[1]及裂紋展開分析。鏟斗的基本信息如：寬深比為1 920∶1 245=1.54，理論重量2 582 kg，刀板材料采用WH60，材料屈服強度為580～600 MPa.按照行業標準當安全系數取1.6，刀板可承受的最小應力為580/1.6=362 MPa.邊界條件選擇主動力模式，用連桿主動力為72 800 N進行計算，最極限狀態最側邊單齒受力的情況下，主刀板所受應力為254.21 MPa＜362 MPa（如圖3），因此，WH60材料選擇完全滿足設計要求。

圖3 主刀板應力分析圖

通過深入分析問題件故障裂紋的分布及走向可以看出刀板的開裂可能是疲勞開裂造成的，而疲勞開裂往往是細節處理不好使其形成應力集中現象或焊接工藝使刀板屈服應力降低造成的。因周圍板對刀板剛性提高少，使刀板有扭曲的現象，所以這是主要開裂原因。針對以上原因，制定如下措施：

（1）側板完全包過刀板；

（2）加大加強筋尺寸，且延伸加強筋到齒座處，以起到加強刀板剛性作用；

（3）加強預留不焊接段的控制，改善前后對比如圖4所示。

圖4 主刀板開裂改進方案示意圖

2.2 齒座開裂

通過磁粉探傷和氣刨后焊縫熔合情況檢查發現，起裂的位置都在齒座和主刀板角焊縫靠近齒根部分的焊縫端頭（如圖5）。裂紋從焊縫端頭開始，沿焊趾擴展或沿齒座擴展，焊縫和母材在焊趾處熔合比小，造成焊趾處強度偏弱，易開裂。對齒座進行機械性能檢測結果顯示（如圖6）：顯微鏡下觀測到金相組織主要為馬氏體，齒座的硬度偏高，耐沖擊性能偏低。綜合以上分析信息得出故障發生的機理為：在齒座的收弧點處有嚴重的應力集中，在后續的受力情況下，此處的應力必然產生原始裂紋，裂紋要擴展，最終發生斷裂。對于由于焊趾處熔合比小，齒座熔合小，焊趾處強度弱，導致裂紋就沿著焊縫焊趾從前往后擴展的問題，采用改善接角度及焊接速度等工藝進行改善；對于焊縫母材熔合良好，而由于齒座塑形差導致裂紋擴展到齒座上導致齒座斷裂的問題，則重新調整齒座的材料成份。

圖5 齒座開裂位置圖示

圖6 齒座硬度檢測結果

2.3 側板周圍及其焊縫開裂

由于下側板設計的寬度小，使側板前端外側受到很大的拉應力，而內側受到大的壓應力，而造成側板的開裂。因此，側板外側由直線更改為彎曲線，使應力轉移到彎口處，避免其前端出現大應力；增大側板下寬度，使其完全包過刀板；側板由在齒座的側面更改為在齒座的中間，側板周圍焊縫開裂改善圖示如圖7所示。

圖7 側板周圍焊縫開裂改善圖

2.4 斗底開裂

從故障件的結構上看：

（1）斗底加強板分開，沒有形成一個整體性加強結構，其每塊加強板都是單獨受力，所以容易出現焊縫開裂的質量問題；

（2）加強板寬度大搭接在圓弧上形成間隙，不利于焊接；

（3）通過三維仿真分析發現，斗底的加強板板薄，在一塊加強板受到外來力的沖擊時，其剛性弱而容易形變，而擠壓斗底板；斗底板再與旁邊的另一塊加強板有固定的作用，而使斗底板受到一壓一固定的剪切力作用；

（4）直接塞焊焊接，沒有對加強板進行角焊接；雖然縫隙塞焊滿了，但部分焊縫與加強板存在未不熔合現象。

針對以上四項原因分別制定對策如圖8所示，并利用DOE選擇最佳參數，即加強板改為整體式；減小加強板寬度，增加厚度，提高加強板剛性；同時加大加強板之間間隙，避免斗底板被剪切；塞焊縫更改為角焊縫，保證焊縫質量。

圖8 斗底開裂改進方案示意圖

通過有限元分析更改前與更改后的結構，從圖9可以看出更改后應力值明顯降低。在同等邊界條件下，由185 MPa降到118 MPa，改善效果明顯。

圖9 斗底開裂改進方案實施前后應力分析對比圖

2.5 側面開裂

鏟斗的側面容易受到物料（如石頭）的碰撞，如果剛性不足就會被撞凹或撞開裂。舊結構側面中間只有10 mm的側封板，中間板薄的區域大，最容易受到物料的沖擊而開裂。因此剛性不足是導致側面開裂的主要因素。針對側面板剛性不足的問題，措施有：

（1）在側面增加加強板（耐磨條）；

（2）在加強板上開孔，使增加焊縫，提高粘附能力；

（3）考慮焊接質量的控制，保證角焊縫寬度，且焊縫必須飽滿。改善前后對比如圖10所示。

圖10 側面開裂改進方案示意圖

3 結束語

由以上分析結果可以看出，針對以上5類大型挖掘機鏟斗常見的故障模式，利用分析軟件對設計結構進行深入分析，同時針對不合理的結構設計，通過DOE選擇最優設計參數。通過從設計結構及制造工藝兩方面的優化，大大提升了大型挖掘機鏟斗的故障率，提升了鏟斗的質量。

[1]李亞智.有限元法—原理簡明教程[M].北京：北京理工大學出版社，2009.

Study of Large Hydraulic Excavator Bucket Welding Quality

SUN Xing-xing，HOU Yu-han
（Liugong Machinery Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545006，China）

Hydraulic excavator working conditions，hydraulic excavator bucket as the main load components，in the work under the overwhelming majority of the load，failure is the most common part，the structure performance of excavator machine had great effects on work performance，reliability and security.With hydraulic excavator bucket design structure and manufacturing process of the product and the basis of production practice，combined with concrete examples，the analysis of several typical welding failure of hydraulic excavator bucket，and with specific structure design improvement.This article focuses on how to reduce the failure rate of the shovel and to improve the quality of the product，and to study the product structure and production process to find the effective means of control.

hydraulic excavator；bucket；welding；stress analysis；DOE

TG404

A

1672-545X（2017）10-0196-04

2017-07-23

孫星星（1989－），女，甘肅慶陽人，本科，工程師，主 要從事裝配工藝、產品工藝一體化工作；侯玉寒（1987-），男，河南商丘人，本科，工程師，主要從事薄板件焊接及質量控制研究。