挖掘裝載機挖臂開裂分析及處理

宋紅兵+李紅英

【摘 要】挖臂作為挖掘裝載機工作裝置中的主要承載結構件，構造和受力復雜。在使用過程中，由于工況復雜，操縱不當等原因，造成開裂失效現象。通過對挖臂結構及強度進行認真分析，優(yōu)化挖臂結構型式，加強薄弱部位，從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.

【關鍵詞】挖臂； 開裂失效； 結構強度分析

【Keywords】digging arm； cracking failure； structural strength analysis

【中圖分類號】TB303 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0136-02

1 挖臂開裂失效分析

為保證機械結構件的正常工作，構件應具備足夠的承載能力。因此它應當滿足以下三方面的要求：①構件應具備足夠的強度，指結構件在規(guī)定載荷下抵抗破壞的能力。②構件應具備足夠的剛度，指結構件在一定載荷作用下抵抗變形的能力。③構件應具有足夠的穩(wěn)定性，指結構件在一定外力下保持既有形態(tài)的能力。另外，從構件所受載荷情況，載荷又分靜載荷和動載荷。動載荷又分為交變載荷和沖擊載荷。其中交變和沖擊載荷對結構件可靠性影響較大。如挖臂提升、下降和回轉時，突然停止，挖臂將受到來自多個方面的瞬時作用力，而這樣的力通常是不可計算的，只有通過相應實驗得來。在實際應用中，結構件所受載荷的大小和類型，將對結構件的可靠性起到至關重要的作用。因此，在分析構件失效時，應該從構件本身結構形式和構件所受載荷進行分析[1]。

對挖臂結構形式（如圖1所示）進行分析：①挖臂結構主體結構由兩側主腹板和下端翼緣板構成，在挖臂左右側主腹板外側加以加強腹板和底部的加強板構成；②在挖臂下端D-E段為箱形結構形式，此部分由左右側主腹板和下端翼緣板構成；③挖臂三個端點為主要受力點分別為：A、B和C三個關鍵的鉸接孔，三鉸接孔均處在懸臂位置，特別在位置C處為細長開口結構。

從挖臂結構形式和構造來分析開裂失效的原因：①挖臂整體主要結構為箱形梁結構如D-E段，此部分具有較強的抗彎扭能力，不易出現開裂失效現象，從使用情況來看，與實際使用情況一致；②在挖臂的三端主要受力點（A、B和C）分別為細長開口懸臂結構，特別是C端處更是懸臂長、開口大。而此處又并非箱體結構，抗扭性不佳，易造成下端加強的翼緣板和焊縫出現開裂現象（如圖2）。

從挖臂承受載荷的分布情況進行開裂失效原因分析：挖臂變幅油缸的推拉力通過挖臂鉸接孔B處銷軸及挖臂兩側腹板將力傳遞到挖臂上，鉸接孔B處受力較集中，易出現開裂情況。挖臂鉸點孔C通過銷軸與回轉體進行鉸接固定，通過回轉油缸的推拉力作用，實現挖掘工作裝置的左右回轉作業(yè)，特別是在快速、突然進行回轉操作時，挖臂除了受到正常拉力作用外，還承受較大的突變扭力作用，極易產生較大變形，從而產生開裂失效現象（如圖2）。

除此之外，焊接過程中的構件發(fā)生彎曲變形以及焊接產生的殘余內應力等多種因素影響，都將是造成結構開裂失效的又一因素。通過從結構件的結構形式、受力狀態(tài)及焊接等方面進行分析，開展有針對性的改進。

2 挖臂優(yōu)化改進措施

根據對挖臂結構形式、所受載荷等情況的分析，將從如下幾方面對挖臂結構進行優(yōu)化改進：

①挖臂下端D-E段雖為箱形結構形式，但是其箱體結構細長，中間沒有增強結構強度的肋板結構。所以在D-E段中a、b、c、d、e和f處增加肋板（如圖 3所示），同時為了減輕整個構件的重量，并滿足挖臂管路的通過，肋板進行了輕量化開孔（如圖 4所示）設計。通過均勻分布肋板處理，進一步增強挖臂下端箱形結構的力學性能和結構強度。

②在挖臂結構中A、B和C端為主要受力點，承載工作中來自各方面的載荷作用，受力情況復雜多變。而B端離挖臂下端D-E段箱形結構最遠，且處于開口懸臂結構（如圖5 所示）。所以根據該處特點，通過加強翼緣板3使開當兩側連接成一體的結構形式（如圖 6所示）。通過這樣的連接后，基本使整個臂架結構成為一個抗拉扭載荷較好的構件。

③在A和C端為了保證斗桿和挖臂的轉動和提升所需的空間要求，受結構的限制，不能采用增加加強翼緣板的方法進行處理。所以在這兩個為主要受力點A和C端采取增加加強腹板1、3進行加強，在A端處使加強腹板1（如圖7 所示）的外形盡量與上部B端和下端D-E段箱形結構相連；在C端處的加強腹板3（如圖 8所示）也同樣盡量與下端D-E段箱形結構相連。同時，為了保證加強腹板同主腹板之間在焊接時能更好地貼合，在加強腹板上開工藝圓孔設計。

④在焊接過程中合理安排焊接順序，焊接完成后對其進行噴丸、放置等失效處理，以消除挖臂結構焊接產生的殘余內應。通過一定的焊接控制措施減少結構件因焊接制造產生的影響，進一步減小開裂失效風險。

3 結論

通過上述開裂失效問題分析，進行優(yōu)化改進和焊接控制措施的實施，使挖臂結構強度得到了提升，提高了挖臂的

抗拉扭、抗沖擊載荷的能力，通過進一步驗證表明，改進后的挖臂未出現開裂失效故障，提高了產品可靠性，改進效果良好。

【參考文獻】

【1】杜文靖，崔國華，劉小光.液壓挖掘機工作裝置整體集成有限元分析[J].農業(yè)機械學報，2007（10）：55-56.