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挖掘装载机挖臂开裂分析及处理

宋红兵+李红英

【摘 要】挖臂作为挖掘装载机工作装置中的主要承载结构件，构造和受力复杂。在使用过程中，由于工况复杂，操纵不当等原因，造成开裂失效现象。通过对挖臂结构及强度进行认真分析，优化挖臂结构型式，加强薄弱部位，从而提高挖臂的可靠性。
【Abstract】 The digging arm is the main load-bearing structure of loader-digger， and its structure and force are very complex. During the process of application， the cracking failure occurs due to the complex operating condition and improper handling. Through the careful analysis of the structure and strength of the digging arm， its structure is optimized and the weak spots are strengthened， so the reliability of the excavated arm is improved.
【关键词】挖臂； 开裂失效； 结构强度分析
【Keywords】digging arm； cracking failure； structural strength analysis
TB303 【文献标志码】A 1673-1069（2017）05-0136-02
1 挖臂开裂失效分析
为保证机械结构件的正常工作，构件应具备足够的承载能力。因此它应当满足以下三方面的要求：①构件应具备足够的强度，指结构件在规定载荷下抵抗破坏的能力。②构件应具备足够的刚度，指结构件在一定载荷作用下抵抗变形的能力。③构件应具有足够的稳定性，指结构件在一定外力下保持既有形态的能力。另外，从构件所受载荷情况，载荷又分静载荷和动载荷。动载荷又分为交变载荷和冲击载荷。其中交变和冲击载荷对结构件可靠性影响较大。如挖臂提升、下降和回转时，突然停止，挖臂将受到来自多个方面的瞬时作用力，而这样的力通常是不可计算的，只有通过相应实验得来。在实际应用中，结构件所受载荷的大小和类型，将对结构件的可靠性起到至关重要的作用。因此，在分析构件失效时，应该从构件本身结构形式和构件所受载荷进行分析[1]。
对挖臂结构形式（如图1所示）进行分析：①挖臂结构主体结构由两侧主腹板和下端翼缘板构成，在挖臂左右侧主腹板外侧加以加强腹板和底部的加强板构成；②在挖臂下端D-E段为箱形结构形式，此部分由左右侧主腹板和下端翼缘板构成；③挖臂三个端点为主要受力点分别为：A、B和C三个关键的铰接孔，三铰接孔均处在悬臂位置，特别在位置C处为细长开口结构。
从挖臂结构形式和构造来分析开裂失效的原因：①挖臂整体主要结构为箱形梁结构如D-E段，此部分具有较强的抗弯扭能力，不易出现开裂失效现象，从使用情况来看，与实际使用情况一致；②在挖臂的三端主要受力点（A、B和C）分别为细长开口悬臂结构，特别是C端处更是悬臂长、开口大。而此处又并非箱体结构，抗扭性不佳，易造成下端加强的翼缘板和焊缝出现开裂现象（如图2）。
从挖臂承受载荷的分布情况进行开裂失效原因分析：挖臂变幅油缸的推拉力通过挖臂铰接孔B处销轴及挖臂两侧腹板将力传递到挖臂上，铰接孔B处受力较集中，易出现开裂情况。挖臂铰点孔C通过销轴与回转体进行铰接固定，通过回转油缸的推拉力作用，实现挖掘工作装置的左右回转作业，特别是在快速、突然进行回转操作时，挖臂除了受到正常拉力作用外，还承受较大的突变扭力作用，极易产生较大变形，从而产生开裂失效现象（如图2）。
除此之外，焊接过程中的构件发生弯曲变形以及焊接产生的残余内应力等多种因素影响，都将是造成结构开裂失效的又一因素。通过从结构件的结构形式、受力状态及焊接等方面進行分析，开展有针对性的改进。
2 挖臂优化改进措施
根据对挖臂结构形式、所受载荷等情况的分析，将从如下几方面对挖臂结构进行优化改进：
①挖臂下端D-E段虽为箱形结构形式，但是其箱体结构细长，中间没有增强结构强度的肋板结构。所以在D-E段中a、b、c、d、e和f处增加肋板（如图 3所示），同时为了减轻整个构件的重量，并满足挖臂管路的通过，肋板进行了轻量化开孔（如图 4所示）设计。通过均匀分布肋板处理，进一步增强挖臂下端箱形结构的力学性能和结构强度。
②在挖臂结构中A、B和C端为主要受力点，承载工作中来自各方面的载荷作用，受力情况复杂多变。而B端离挖臂下端D-E段箱形结构最远，且处于开口悬臂结构（如图5 所示）。所以根据该处特点，通过加强翼缘板3使开当两侧连接成一体的结构形式（如图 6所示）。通过这样的连接后，基本使整个臂架结构成为一个抗拉扭载荷较好的构件。
③在A和C端为了保证斗杆和挖臂的转动和提升所需的空间要求，受结构的限制，不能采用增加加强翼缘板的方法进行处理。所以在这两个为主要受力点A和C端采取增加加强腹板1、3进行加强，在A端处使加强腹板1（如图7 所示）的外形尽量与上部B端和下端D-E段箱形结构相连；在C端处的加强腹板3（如图 8所示）也同样尽量与下端D-E段箱形结构相连。同时，为了保证加强腹板同主腹板之间在焊接时能更好地贴合，在加强腹板上开工艺圆孔设计。
④在焊接过程中合理安排焊接顺序，焊接完成后对其进行喷丸、放置等失效处理，以消除挖臂结构焊接产生的残余内应。通过一定的焊接控制措施减少结构件因焊接制造产生的影响，进一步减小开裂失效风险。
3 结论
通过上述开裂失效问题分析，进行优化改进和焊接控制措施的实施，使挖臂结构强度得到了提升，提高了挖臂的
抗拉扭、抗冲击载荷的能力，通过进一步验证表明，改进后的挖臂未出现开裂失效故障，提高了产品可靠性，改进效果良好。
【参考文献】
【1】杜文靖，崔国华，刘小光.液压挖掘机工作装置整体集成有限元分析[J].农业机械学报，2007（10）：55-56.
中小企业管理与科技·下旬刊2017年5期
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