鏟斗和斗門局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝改進(jìn)

石志強(qiáng) 張永強(qiáng) 龐志遠(yuǎn)

（神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司，鄂爾多斯 017100）

隨著社會(huì)的發(fā)展，電鏟在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。鏟斗屬于電鏟中的易損傷部件，在當(dāng)前社會(huì)中的相關(guān)需求量與日俱增。結(jié)合國(guó)內(nèi)用戶反映可知，進(jìn)口鏟斗成本高，價(jià)格昂貴。為了優(yōu)化生產(chǎn)服務(wù)質(zhì)量，延長(zhǎng)鏟斗應(yīng)用期限，需全面優(yōu)化改造鏟斗局部結(jié)構(gòu)，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

WK-55電鏟總質(zhì)量1 400 t，高度為22 m，理論層面分析的生產(chǎn)率為6 600 m3·h-1。此電鏟2010年投運(yùn)，具體工作是剝離和裝運(yùn)巖石。隨著產(chǎn)量持續(xù)擴(kuò)大和設(shè)備應(yīng)用年限的增加，設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重破損和裂紋問題，影響設(shè)備的正常安全應(yīng)用，降低了巖石剝離產(chǎn)量。針對(duì)該種狀況，本文專門設(shè)計(jì)了相應(yīng)的焊接工藝方案[1]。

1 鏟斗和斗門局部結(jié)構(gòu)問題出現(xiàn)的原因

第一，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處于滿載運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備提前進(jìn)入某種疲勞階段，影響設(shè)備應(yīng)用期限和應(yīng)用周期。因操作方法或操作過程不合理會(huì)出現(xiàn)各種問題，如在鏟斗裝運(yùn)巖石的過程中，通常經(jīng)常會(huì)和卡車箱斗產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致斗頂箱體發(fā)生開裂現(xiàn)象。在鏟斗卸料過程中，卡車廂斗和斗門之間會(huì)發(fā)生碰撞問題。斗門中缺少緩沖器或緩沖器損壞會(huì)和鏟斗碰撞，使彎梁銷孔裂開。

第二，維修不認(rèn)真和不及時(shí)。在發(fā)現(xiàn)存在各種微小裂紋后，若沒有及時(shí)有效進(jìn)行的維修處理，會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展裂紋，直到徹底斷裂。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施維修處理的條件下，存在沒有等到裂紋徹底清理干凈直接進(jìn)行焊接處理的情況。同時(shí)，大部分維修工作都是在剝離現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施操作，無法保障焊接工藝條件，整體焊接質(zhì)量較差。焊縫出現(xiàn)較多次開裂問題，會(huì)導(dǎo)致其中的焊縫和周圍材料出現(xiàn)硬化問題而嚴(yán)重影響焊接性。

第三，焊接工藝方面的問題。鏟斗開裂區(qū)域普遍是斗體與銷耳之間的連接焊縫，因?yàn)殇N耳和斗體之間的材料存在明顯差異，同時(shí)受力較大，所以焊縫主要通過結(jié)構(gòu)鋼焊絲實(shí)施焊接處理。再加上材料較厚，導(dǎo)致所需填充量增加，因此焊縫應(yīng)力較高。其中，斗門開裂部位主要是以銷孔區(qū)域及彎梁受力區(qū)域?yàn)橹鳌Ｒ驗(yàn)閺澚簩?duì)應(yīng)受力面積相對(duì)較小而整體受力較大，所以彎梁從中部開始斷裂。

第四，鏟斗設(shè)計(jì)之初便存在相應(yīng)的問題和缺陷。鏟斗型號(hào)相對(duì)較大，鏟斗頂部箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的拉筋數(shù)量相對(duì)較少，因此鏟斗處于滿載運(yùn)行條件下會(huì)進(jìn)一步加重鏟斗變形現(xiàn)象。隨著長(zhǎng)期工作運(yùn)行的問題積累，最終會(huì)導(dǎo)致斗體和銷耳之間的連接焊縫產(chǎn)生開裂問題。此外，斗門原有設(shè)計(jì)也存在某種故障缺陷，其中斗門相對(duì)較大，彎梁相對(duì)較窄，同時(shí)受力面積較小。長(zhǎng)期滿載運(yùn)行條件下，斗門彎梁區(qū)域不可避免會(huì)產(chǎn)生開裂變形現(xiàn)象。

2 鏟斗和斗門局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改造工藝分析

2.1 工藝創(chuàng)新思路

通過調(diào)查分析，初步確定相關(guān)損壞鏟斗及斗門結(jié)構(gòu)部分元件能夠重新利用，不需要重新購買更換的配件，提高了檢修工藝應(yīng)用效率，降低了檢修成本。只需更換部分鋼板，合理設(shè)置部分筋板，通過最低檢修成本，即可得到最好檢修效果，同時(shí)在檢修工作結(jié)束后進(jìn)行檢查，以保障檢修質(zhì)量[2]。

2.2 技術(shù)改造難點(diǎn)

工藝技術(shù)難點(diǎn)在于鏟斗斗頂機(jī)構(gòu)。一是組隊(duì)中應(yīng)該確保斗頂兩側(cè)銷耳和上下地板之間的垂直度；二是斗頂箱內(nèi)部拉筋的分布需保持均勻性，可以選擇Q345筋板，保障焊接質(zhì)量；三是在焊接結(jié)束后，鏟斗于裝機(jī)中順利完成。

對(duì)于斗門彎梁和銷孔頂板結(jié)構(gòu)，主要存在3個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。一是組隊(duì)銷孔頂板中，需要合理控制頂板底部和方銷之間的縫隙，通常需要維持在3～8 mm。二是在選擇銷孔頂板的相關(guān)材料時(shí)，除了需要保證材料強(qiáng)度之外，還應(yīng)該具備良好的焊接性。此次主要選擇SSAB生產(chǎn)制造的WELDOX高強(qiáng)鋼，將兩者組隊(duì)間隙維持在3～5 mm，以促進(jìn)頂板充分焊透。三是焊后斗門于裝機(jī)應(yīng)用中實(shí)施。

2.3 工藝要點(diǎn)

如果鏟斗斗頂下方底板和立板之間存在嚴(yán)重的變形裂縫問題，那么需要及時(shí)切割兩個(gè)鋼板進(jìn)行替換。如果斗門銷孔頂板和彎梁出現(xiàn)嚴(yán)重開裂變形問題，則需要立刻實(shí)施改造更換。一方面，直接切割存在嚴(yán)重開裂變形問題的銷孔頂板，隨后通過氣刨實(shí)施平滑處理，借助角磨機(jī)打磨。在頂板組隊(duì)中，組隊(duì)間隙維持在3～5 mm，確保材料充分焊透。在結(jié)束焊接工作后，還應(yīng)該在頂板部位設(shè)置喇叭口U型拉筋，分別在銷孔底板、側(cè)板以及頂板實(shí)施焊接處理，從而保障銷孔頂板不會(huì)被輕易敲飛。另一方面，氣刨彎梁裂紋切割替換部位，在針對(duì)其中的裂紋區(qū)域?qū)嵤┤婧附犹幚砗螅^續(xù)增加彎梁寬度，設(shè)置焊筋板，并針對(duì)彎梁實(shí)施加固處理，以促進(jìn)彎梁強(qiáng)度的全面提高，增加斗門應(yīng)用時(shí)間。加固后的彎梁如圖1所示。

圖1 加固后的彎梁

第一，對(duì)于鏟斗的斗頂部位，可以率先針對(duì)斗前臂外側(cè)焊縫實(shí)施有效處理，隨后針對(duì)斗前臂內(nèi)部焊縫實(shí)施焊接處理。需要注意，焊接中需要率先實(shí)施清根打磨處理。具體接頭形式為對(duì)接接頭，相關(guān)焊縫形式為對(duì)接焊縫，焊縫位置則是立焊縫。斗門銷孔和彎梁應(yīng)該率先針對(duì)銷孔頂板平縫和彎梁開裂焊縫實(shí)施焊接處理，并針對(duì)頂板加強(qiáng)筋和彎梁加寬筋板實(shí)施焊接處理。在結(jié)束正面處理后，翻轉(zhuǎn)斗門，實(shí)施焊縫清理和打磨處理，隨后進(jìn)行焊接。具體接頭形式以對(duì)接接頭方式為主，并選擇對(duì)接焊縫作為焊縫處理主要形式，而焊縫位置以平焊縫為主。

焊接前率先做好預(yù)熱處理，將溫度維持在120 ℃左右。預(yù)熱處理的主要目的是進(jìn)一步提升焊縫起始溫度，減少焊縫的裂紋幾率和淬硬傾向，但在焊縫組織方面沒有明顯作用。為了避免高溫狀態(tài)下冷速過低導(dǎo)致脆性組織問題，需合理控制預(yù)熱溫度。如果預(yù)熱溫度過高，會(huì)降低材料韌性。焊接處理中，合理控制層間溫度，相關(guān)溫度應(yīng)該維持在200 ℃以下，避免溫度過高出現(xiàn)晶粒粗化和焊縫塌陷等問題而降低焊縫質(zhì)量。

第三，在焊接處理中，選擇實(shí)施多道多層雙人焊接，使兩側(cè)實(shí)現(xiàn)均勻受力，以降低焊縫變形問題的發(fā)生概率。第四，補(bǔ)強(qiáng)筋焊接操作，主要是為了強(qiáng)化斗門和鏟斗整體強(qiáng)度，做好焊縫保護(hù)，提升結(jié)構(gòu)焊縫應(yīng)用壽命。鏟斗補(bǔ)強(qiáng)筋具體尺寸為420 mm×880 mm，對(duì)應(yīng)內(nèi)孔為400 mm×150 mm。第五，利用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊能耗少，焊接變形小，生產(chǎn)效率高，焊接綜合成本低，操作機(jī)動(dòng)靈活，抗銹蝕能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化處理，且最終形成的焊縫較為美觀，同時(shí)合金過渡效果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)心焊絲和焊條藥皮。它的主要操作缺陷是存在飛濺問題，而飛濺問題的有效控制方法是合理設(shè)置焊接參數(shù)和科學(xué)選擇焊絲材料。

結(jié)束焊接工作后，還應(yīng)該針對(duì)焊縫實(shí)施保溫緩冷處理，即針對(duì)兩側(cè)地板和立縫實(shí)施處理，操作溫度可以維持在150～200 ℃，對(duì)應(yīng)時(shí)間可以維持在1～2 h。此外，焊縫內(nèi)部和焊縫外觀可以采取超聲波探傷裝置實(shí)施檢查。針對(duì)不合格及不達(dá)標(biāo)部位，可以實(shí)施補(bǔ)焊及修磨處理，同時(shí)順利取下其中的不常用臺(tái)具，徹底打磨焊接接頭到光滑狀態(tài)。

2.4 改造效果

焊接處理后經(jīng)過半年的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)設(shè)備整體應(yīng)用狀況較好，焊接部位沒有出現(xiàn)任何裂紋問題。針對(duì)鏟斗的斗頂箱體、銷孔局部結(jié)構(gòu)以及斗門彎梁等部位實(shí)施自修處理，能夠幫助企業(yè)有效節(jié)約生產(chǎn)成本。2019年，神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司率先實(shí)現(xiàn)了銷孔局部結(jié)構(gòu)、斗門彎梁以及斗頂箱體的自修操作，同時(shí)針對(duì)整個(gè)銷孔結(jié)構(gòu)、斗門彎梁以及斗體箱頂進(jìn)行替換，有效節(jié)約了約60萬元的成本。如果和外部委托修理方式進(jìn)行對(duì)比分析，改造方案能夠有效節(jié)約25萬元的修理費(fèi)用，其中的各種舊件組隊(duì)需要耗費(fèi)5萬元。合理制定和準(zhǔn)確記錄不同型號(hào)斗門以及鏟斗的相關(guān)檢修工藝，尤其是對(duì)斗門、wk-20以及wk-35鏟斗等，具有較大的推廣價(jià)值。在斗門以及鏟斗等部件結(jié)束維修工作后，整體呈現(xiàn)出良好的運(yùn)行狀態(tài)，其中的斷裂部位沒有產(chǎn)生任何裂紋問題[3]。

3 結(jié)語

通過針對(duì)鏟斗和斗門局部結(jié)構(gòu)實(shí)施全面改造，優(yōu)化技術(shù)工藝，能夠進(jìn)一步延長(zhǎng)鏟斗應(yīng)用壽命，尤其是能夠有效提升關(guān)鍵部位的壽命，強(qiáng)化產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)率，使相關(guān)設(shè)備維修更便利，控制設(shè)備應(yīng)用成本，具有較大的推廣價(jià)值。