EC700B挖掘機大臂開裂的修復

朱志興

（江西銅業集團公司 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剝離、采礦主力設備，設計先進、操作方便［1］。液壓挖掘機作為礦山采礦主力設備，工作環境惡劣、工況復雜，工作裝置承受交變沖擊載荷，關鍵結構件對疲勞強度要求極高。挖掘機作業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）均不同程度出現開裂，嚴重影響了礦山正常生產。基于生產急需、備件價格超高等實際情況，經過認真分析研究，終于解決了這個問題。

圖1 液壓挖掘機工作裝置圖

2 大臂結構及受力特點

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構，其左右對稱。由于大臂承載負荷大且復雜，所以大臂為高強度優質鋼板焊接而成［2］，一般主要材質為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。在大臂內部，一般焊接有筋板以進一步加強局部強度，尤其在大臂轉軸處。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雜的瞬態沖擊載荷［3］，造成其結構出現變形、裂紋（如圖2所示）等，而大臂中軸處又是大臂最大受力部位，極易產生應力集中，導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，導致維修量大，嚴重影響生產。對每件大臂開裂外表檢查和探傷，發現都在大臂中軸處出現不規則裂紋，針對這一狀況，綜合諸多因素分析，主要原因如下：

3.1 設計原因

沃爾沃液壓挖掘機是國際品牌，其產品質量與性能是毋庸置疑的。而EC700B機型由于原設計者是按照普通工程挖掘機設計。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工作且長期在較為惡劣的環境中作業，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力和工作應力疊加部位，根據大臂有限元受力分析，此處也是最大應力集中區域（如圖4所示），導致大臂兩側板和筋板被擠壓和扭曲，最終造成應變開裂。

圖4 大臂中軸應力集中區

3.3 工作環境影響

液壓挖掘機一直在礦山復雜地質條件下剝離、采礦，工作周期長、強度高。運行中不規范的操作也時有發生，導致大臂受到沖擊載荷、重載、橫向力、偏載等復雜作用力，對挖掘機工作裝置損傷較大［4］。

4 大臂開裂修復

4.1 中軸處加固外筋板

大臂中軸處受力最大、載荷復雜，兩側鋼板容易開裂。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］。根據大臂兩側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開裂。加強外筋板仍然滿足不了高強度工作環境要求。

圖5 中軸外筋板圖

4.2 中軸處內部改進

以氣刨（如圖6所示）打開中軸處箱體對內部軸套和筋板檢查［6］。以氣刨方式從大臂中軸處刨開，發現內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）。經分析，發現是由于內部中軸套筒、筋板疲勞強度達到極限，導致早期開裂。內部筋板受損后造成大臂外部箱體鋼板受到沖擊力變大而開裂。每件大臂開裂情況均相同。原始設計單薄，為避免再次出現開裂，需要對內加強筋板、中軸套筒改進。

圖6 中軸箱體刨開圖

圖7 內筋板開裂圖

圖8 中軸套筒開裂圖

4.2.1 內筋板制作改進

基于中軸內部筋板單薄、數量少，對中軸套筒內部進行加固改造。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。由于大臂內部空間有限，為了保證焊接質量及打磨角度，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雜載荷，極易出現疲勞性開裂，原軸套單薄。一旦開裂對大臂外表面箱體結構造成很大沖擊。因此，需設計新的中軸套筒，加厚尺寸（如圖10所示），采用優質碳素結構鋼45#鋼，通過調質處理，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，其焊接質量直接影響挖掘機的整體質量和性能。大臂焊接的工藝核心便是要控制好焊接應力，使焊縫處盡可能少的出現位移和殘余應力，從而使挖掘機大臂焊接質量更可靠［7］。

EC700B挖機大臂改進修復使用Q345B鋼板為筋板，用45#鋼加工中軸套。考慮鋼板厚度為16mm，焊接接頭為V型坡口，坡口角度為60°。由于CO2氣體保護焊焊接質量高、效率高，焊接變形小，穿透能力強優點，采用CO2氣體保護焊。焊絲選用Φ1.2mm，材質為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30mm以內鐵銹打磨清理干凈。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，以防產生裂紋影響焊接質量。焊接時應對焊接部位及焊接周邊70～100mm區域進行預熱，預熱溫度應在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。并做消散應力處理，焊后保溫6h。

5 結束語

用上述方法，我們對EC700B挖機大臂開裂進行了修復，通過近2年來的使用，該大臂沒有再次出現新的裂紋及其它故障，既取得了大型結構件開裂修復的經驗，又降低了對生產的影響，還節約了大量備件成本。