挖掘裝載機挖掘動臂開裂分析及措施

黃仲明

（嵊州陌桑高科股份有限公司，浙江 嵊州 312400）

挖掘裝載機俗稱為兩頭忙，前端為裝載工作裝置，后部為挖掘工作裝置，俗稱因此而得名。通過更換工作裝置，一臺設備可以完成鏟挖鑿鉆、鋪管開槽等多種作業施工，一機多用。

通常，挖掘裝載機所處的工作環境惡劣、工況復雜，尤其是挖掘工作裝置進行作業時，由于作業的內容不同、地質條件差異、挖掘臂伸展后力臂較長、卸載時整個挖掘臂帶負荷旋轉及急停，對挖掘工作裝置各部件、各構件的機械強度、抗疲勞性能、可靠性等提出了嚴苛的要求，其中又以挖掘動臂最為典型和突出。

在實際工作中，不乏有挖掘動臂損壞失效的事例，其中多數就是因開裂——焊縫的開裂、鉸接孔區域的鋼板開裂甚至是端頭臂梁斷裂等導致的失效，見圖1。本文通過分析挖掘動臂開裂失效的原因，提出針對性的措施，提升挖掘動臂乃至挖掘裝載機整機的穩定性和可靠性。

圖1

1 挖掘動臂開裂失效的原因分析

挖掘動臂是整個挖掘裝載機挖掘工作裝置中最主要的部分之一，它是由鋼板及軸座等焊接、加工而成。因挖掘動臂內部需布置油管及油缸等件，也是為了減重、具有更好的機械強度和剛性，挖掘動臂均設計成箱籠型的中空截面的單梁結構；其主體結構是由兩側的“側板”、兩“側板”間的“腹板”和“肋板”等構成。為了加強各受力點區域特別是呈開口式懸梁形式的鉸接孔O、M、N處的強度，在挖掘動臂的端部加焊“側加強板”和“端加強板”、尾部加焊“尾加強板”、鉸接孔M處加焊“加強板”，如圖2所示。

圖2

現從挖掘動臂自身結構及其所受載荷情況來分析產生開裂失效的原因。

（1）挖掘動臂雖然形體較大，但由于挖掘動臂內部及各鉸接孔區域要留出或避讓其它構件的安裝布置空間、在有限的設計空間內需要保證各個部件的正常安裝及在復雜的相對運動中不發生干涉，因此無法在最佳位置、較多地布置加強板，同時，鉸接孔O、M處焊接軸座的鋼板。呈開口式懸梁型結構，留下了先天性的強度薄弱環節。

（2）挖掘動臂系用多塊鋼板構件焊接而成，在連續、大量的焊接中，會產生鋼板件的彎曲變形及焊接殘余內應力等，這些變形和應力，既可因自身直接造成焊縫開裂也可因構件在外力作用下形變開裂時起推波助瀾的作用。

（3）挖掘動臂的兩個鉸接孔O、M屬開口式懸臂結構，另兩個鉸接孔P、N系處于挖掘動臂的懸臂段和懸臂端點。其中的M點開口大，因此其抗扭性不強，很容易造成兩“側板”與“加強板”、“肋板”之間的焊縫，甚至這些構件本身出現開裂。

（4）在挖掘裝載機進行挖掘作業時，挖掘動臂受力復雜，既有拉壓力又有扭曲力，挖掘動臂梁體既承受彎曲扭矩又受到扭曲轉矩；受力不僅是波動的，更有沖擊力，這不單是因作業時的挖掘阻力所造成，也有因加工誤差所導致鉸接孔等的受力偏斜、產生側向力的因素。從機械構件的承載情況分析，載荷可分為靜態和動態兩種，動態載荷又可具體細分為沖擊載荷和交變載荷，其中交變載荷對于機械結構的可靠性影響比較大，比如說挖掘動臂的提升、下降以及回轉，或者當及其突然處于停滯狀態時，挖掘動臂可能會受到多方面的短時疊加作用力，這對構件的破壞性是較強的，而且這種力一般不能被準確計算出來，只能通過實驗進行分析。

（5）從挖掘動臂的荷載承受的分布情況來分析，挖掘動臂變幅油缸的推拉力是通過銷軸以及兩側腹板，能夠將力快速傳遞給挖掘動臂，鉸接孔受力比較集中，很容易出現開裂的情況。挖掘動臂的另一個鉸接孔可以通過銷軸或者回轉體進行鉸接，固定鉸接，通過回轉油缸的推拉作用下完成挖掘工作裝置的作業，回轉作業尤其是在進行快速回轉操作時，這種情況下挖掘動臂除了受到一般拉力的影響，還承受突變扭力的巨大承受作用，很容易產生挖掘動臂變形，進而出現挖掘動臂開裂失效的情況。

2 裂紋預測以及危險區域的確定

運用靜力學理論分析可知：機械結構在承受交變載荷過程中，疲勞源位置往往處于高應力區域里。就挖掘動臂而言，挖掘動臂的固定、運動、傳遞力矩等，都是由4個鉸接孔及安裝于其上的銷軸，通過油缸或動臂梁來實現的。這些施加位移約束和承載的結構，就是高應力區域，或者說，挖掘動臂4個鉸接孔的區域，包括鋼板、焊縫等，都是開裂失效的危險區域。

進一步分析挖掘動臂的自身結構、制作工藝、載荷狀況，鉸接孔O、M兩處，支撐軸座的鋼板呈開口式懸梁結構，可以確定，挖掘動臂開裂失效的主要部分是在鉸接孔O、M，其它部分的應力相對均衡，造成開裂等失效的可能性極低。

3 對挖掘動臂改進優化的措施

基于前述分析，提出以下針對性的措施以杜絕挖掘動臂開裂失效的發生、改善挖掘動臂的受力狀況以延長其使用壽命。

（1）優化挖掘動臂的整體設計方案。以兩側“側板”為基礎，底部用從A點延伸到B點的整板長“腹板”、上部用基本能連結鉸接孔M到N的“肋板”；尾端N及中間偏尾的P上，采用整件軸座套焊接到兩側“側板”上，既保證了自身的強度，也加強了兩“側板”之間的固結；在尾端，再在“側板”外側，加焊“尾加強板”以分散鉸接孔N的作用力、擴大“側板”承受作用力的面積。

受到結構的限制和兼顧其它構件的安裝和移動所需的空間，鉸接孔O、M處附近的區域，呈開口式懸梁結構；在鉸接孔O到M區域上，摒棄了常見的、兩處分別用獨立的加強板來加強的方式，而采用了整體式的厚“側加強板”直接把O到M區域連結；同時，在鉸接孔O附近區域加焊“端加強板”、M附近加焊了呈倒U型的“加強板”。這樣，將各構件通過焊接連結，形成了一個能均衡地分擔各處的作用力、提升了構件載荷承受力的整體，保證整個臂架結構成為一個抗拉扭、抗沖擊的構件。

（2）優化焊接工藝，合理安排消應力措施。焊接工藝及焊接水平，直接決定了焊接內應力和工件變形的大小，為此，既要合理選擇焊接方式（如采用氣體保護焊等）、焊條種類和焊縫的種類大小，也要制訂焊接步驟及連續或間歇式等焊接工藝要求，還要不斷提升焊接技能或者采用機器人焊接設備。

工件在焊合完成后及焊合過程中，要合理安排去應力工序，去應力方式可采用自然時效去應力、振動去應力或熱處理去應力等一種或多種復合使用，以降低和消除焊接應力在工件失效的不良影響。

（3）提高尺寸精度、降低形位誤差，確保加工質量。鉸接孔O、M處附近的區域，呈開口型的懸掛板狀結構，左右兩軸套是獨立固定在兩側的“側加強板”上的，因此如果裝在鉸接孔O、M上的銷軸受到的是徑向力，則懸掛板狀結構是有較強的承受能力的；但如果所受的力是軸向力或者有軸向的分力，則這個懸掛板狀結構是比較可能被扭曲變形的，甚至導致各板間的焊縫受拉開裂。

為此，應考慮提高尺寸精度，如鉸接孔的直徑公差、鉸接孔左右兩側的軸座的開檔間距等，同時也要嚴格控制鉸接孔的位置誤差如鉸接孔之間的中心距及中心線的平行度，確保和提升這兩處鉸接孔的承受載荷的能力。

4 結語

本文通過深入探討造成挖掘裝載機挖掘動臂開裂的原因，綜合分析挖掘動臂結構形式、制作工藝及載荷狀況，提出了針對性的優化改進措施，提升了挖掘動臂的結構強度、抗拉扭和抗沖擊載荷的能力。實踐證明，改進后的挖掘動臂沒有出現開裂失效的情況，其工作性能穩定可靠。