大型挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)可靠性提升研究

(徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221001)

回轉(zhuǎn)平臺(tái)（又稱轉(zhuǎn)臺(tái)）是大型挖掘機(jī)的重要組成部件，主要起放置和支撐挖掘機(jī)上車部件的作用。如圖1 所示，轉(zhuǎn)臺(tái)上布置了除底盤部件外幾乎所有部件，這些部件包括發(fā)動(dòng)機(jī)總成、工作裝置總成、液壓元件（泵，閥等）、駕駛室、配重等部件，它猶如人體的軀干，將各個(gè)部件連接到一起，據(jù)統(tǒng)計(jì)，轉(zhuǎn)臺(tái)上布置的部件連同自身重量占據(jù)了挖掘機(jī)總重的60%以上，轉(zhuǎn)臺(tái)不僅要承受上車各部件重力及它們回轉(zhuǎn)時(shí)的慣性力，還要承受工作裝置產(chǎn)生的沖擊，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的震動(dòng)等一些突變載荷，另外，大型挖掘機(jī)往往在礦山作業(yè)，工況更加復(fù)雜嚴(yán)峻，所以，其受力情況也更加復(fù)雜，轉(zhuǎn)臺(tái)一旦出問題，輕則機(jī)器停止工作，延誤工期，重則造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失甚至人身傷亡。因此，提高轉(zhuǎn)臺(tái)可靠性，優(yōu)化轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)對大型挖掘機(jī)而言意義重大。

圖1 某大型挖掘機(jī)上車布局示意圖

轉(zhuǎn)臺(tái)主要是由主體底板、主體立板、主體前彎板、主體蓋板、主閥支架、左右裙架邊梁和橫梁等板材類零件拼焊而成的開放式箱體結(jié)構(gòu)（圖2 僅指出主要板材）。由轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，轉(zhuǎn)臺(tái)可靠性主要取決于各個(gè)板材類零件以及各條焊縫的可靠性。

圖2 回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

1 轉(zhuǎn)臺(tái)故障信息分析

通過對市場反饋數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，以及市場調(diào)研，可歸納出回轉(zhuǎn)平臺(tái)主要存在以下問題：動(dòng)臂銷軸安裝孔處開裂、轉(zhuǎn)臺(tái)邊梁機(jī)棚安裝處板材開裂、轉(zhuǎn)臺(tái)左右裙架橫梁開裂。

表1 匯總了2015 年～2017 年某大型挖掘機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)故障信息，從表1 可知回轉(zhuǎn)平臺(tái)隨使用年限增長故障率也隨之增加，而且早期產(chǎn)品相對故障更多一些。

表1 2015～2017年某型挖掘機(jī)故障統(tǒng)計(jì)

故障類別以動(dòng)臂銷軸安裝孔處開裂為主，其次為轉(zhuǎn)臺(tái)邊梁機(jī)棚安裝處板材開裂（圖3）。

圖3 故障類別及部位

由圖4 可知回轉(zhuǎn)平臺(tái)的故障主要集中在7 500h～10 500h 之間。挖掘機(jī)一般使用壽命為15 000～20 000h 左右，轉(zhuǎn)臺(tái)早期故障一般都在3 000h以內(nèi)，根據(jù)產(chǎn)品故障率浴盆曲線圖（圖5），結(jié)合行業(yè)經(jīng)驗(yàn)以及圖5，7 500h～10 500h 出現(xiàn)的故障很可能為偶然或耗損期故障?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)可靠性提升工作實(shí)際上就是盡量地減少并消除回轉(zhuǎn)平臺(tái)早期故障，盡量地延長回轉(zhuǎn)平臺(tái)偶然故障期并降低偶然故障率。

圖4 累計(jì)故障

2 轉(zhuǎn)臺(tái)故障原因分析

圖5 產(chǎn)品典型故障率曲線

采用故障模式影響分析（Fault Mode and Effects Analysis，簡稱FMEA)和故障樹分析（Fault Tree Analysis 簡稱FTA)2 種可靠性分析方法對回轉(zhuǎn)平臺(tái)故障進(jìn)行分析。

2.1 故障模式及影響分析（FMEA）

FMEA 分析的是潛在的故障或失效對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，它是“防患于未然”的做法。

本文重點(diǎn)進(jìn)行回轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)FMEA 分析。在進(jìn)行回轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)FMEA 分析前，需要先進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN)計(jì)算。風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN)是產(chǎn)品故障嚴(yán)重度（S)、頻度（O)以及探測度（D)的乘積。該數(shù)值存在著一定的局限性，只是對故障后果的嚴(yán)重性、發(fā)生的可能性以及被探測性進(jìn)行了大致的量化度量。

式中S為嚴(yán)重度，O為頻度，D探測度。

根據(jù)回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)和載荷特點(diǎn)，采用專家評分方法，分別對主要零件和焊縫的嚴(yán)重度（S)、頻度（O)和探測度（D)進(jìn)行打分。結(jié)合QS 9000《潛在失效模式、影響分析》（ISO16949）給出的設(shè)計(jì)FMEA（DFMEA）表格內(nèi)容以及回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，形成各個(gè)主要板材零件和焊縫的設(shè)計(jì)FMEA分析表，受篇幅所限，本文僅列出主體立板設(shè)計(jì)FMEA 表（見表2)。

通過設(shè)計(jì)FMEA 分析，搞清楚了轉(zhuǎn)臺(tái)所有的基本的故障模式，為后續(xù)FTA 分析做準(zhǔn)備，并采取相應(yīng)措施，降低轉(zhuǎn)臺(tái)主要零件和焊縫的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）數(shù)值。

2.2 故障樹分析（FTA）

FTA 是采用自上而下的邏輯演繹法，從最終的故障分析到基本零部件的故障，是由果到因的分析方法。故障樹分析是以一個(gè)不希望發(fā)生的產(chǎn)品故障事件或?yàn)?zāi)難性危險(xiǎn)事件即頂事件作為分析的對象，通過自頂向下的嚴(yán)格按層次的故障因果邏輯分析，逐層找出故障事件的必要而充分的直接原因，最終找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能原因和原因組合。

表2 主體立板設(shè)計(jì)FMEA表

由圖3 可知，回轉(zhuǎn)平臺(tái)故障主要為動(dòng)臂銷軸安裝孔處開裂，占據(jù)了總故障數(shù)75%，如果降低動(dòng)臂銷軸安裝孔處故障率，將會(huì)有效地提升回轉(zhuǎn)平臺(tái)可靠性。

2.2.1 動(dòng)臂銷軸安裝孔結(jié)構(gòu)及所受載荷分析

如圖6 所示，動(dòng)臂銷軸安裝孔結(jié)構(gòu)主要由主體前彎板、主體立板、主體耳板、主體蓋板以及焊縫1～焊縫4 構(gòu)成。

圖6 動(dòng)臂銷軸安裝孔處結(jié)構(gòu)示意圖

如圖7 所示，動(dòng)臂銷軸安裝孔處載荷主要有作用于銷軸安裝孔內(nèi)圓面的軸承載荷以及作用于銷軸安裝孔內(nèi)檔端面的沖擊載荷。

圖7 動(dòng)臂銷軸安裝孔處載荷示意圖

挖掘機(jī)正常工作過程中，在挖掘反力和動(dòng)臂油缸推力等載荷作用下，動(dòng)臂銷軸安裝孔處的軸承載荷往往比較大，也比較惡劣，而作用于銷軸安裝孔端面的沖擊載荷其實(shí)并不是很大，該沖擊載荷主要由回轉(zhuǎn)急停時(shí)的工作裝置慣性力以及動(dòng)臂及動(dòng)臂油缸安裝誤差引起的輕微偏載造成的。但是在實(shí)際操作中，由于挖掘機(jī)司機(jī)水平參差不齊，個(gè)別甚至還存在違規(guī)操作，一旦出現(xiàn)利用挖掘機(jī)上部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用鏟斗的側(cè)部來推動(dòng)巖石或其他重物，銷軸安裝孔端面受到的沖擊載荷會(huì)很大，就使得主體立板和主體耳板承受較大的載荷，引發(fā)板材變形或板材和焊縫開裂。

2.2.2 動(dòng)臂銷軸安裝孔處開裂FTA

動(dòng)臂銷軸安裝孔處開裂主要有主體耳板與主體蓋板間的坡口焊縫開裂，主體立板與主體耳板板材開裂等故障。根據(jù)故障描述，現(xiàn)進(jìn)行動(dòng)臂銷軸安裝孔處開裂FTA分析。

圖8 動(dòng)臂銷軸安裝孔處開裂FTA圖

該故障樹最小割集有7 個(gè)（圖8），即只要有一個(gè)發(fā)生就會(huì)導(dǎo)致動(dòng)臂銷軸安裝孔處開裂發(fā)生。為了動(dòng)臂銷軸安裝孔處的可靠性，必須要保證這些最小割集的可靠性。通過分析和研究故障樹的最小割集，來制定降低動(dòng)臂銷軸安裝孔處開裂的方案和措施。

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不恰當(dāng) 對動(dòng)臂銷軸安裝孔處在斗桿挖掘和動(dòng)臂提升兩種典型工況下，進(jìn)行受力分析，得出應(yīng)力分布圖。此處應(yīng)力集中水平并不高，最高應(yīng)力190MPa，遠(yuǎn)低于材料的屈服極限550MPa。

2）使用載荷過大 司機(jī)利用挖掘機(jī)上部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用鏟斗的側(cè)部清理地面物料，而且現(xiàn)場機(jī)器主體耳板、動(dòng)臂油缸等處均出現(xiàn)不同程度變形，由前文介紹可知，司機(jī)這種操作實(shí)際上屬于違規(guī)操作。售后工程師測量現(xiàn)場機(jī)器轉(zhuǎn)臺(tái)主體內(nèi)擋距，發(fā)現(xiàn)均有不同程度增大，表明在挖掘機(jī)實(shí)際工作中，存在著一定的違規(guī)操作。

3）疲勞破壞 從裂痕來看，并不是由于載荷或沖擊過大而產(chǎn)生的一次性脆斷，而是由于長期受載，產(chǎn)生裂紋并逐漸加深，向周邊擴(kuò)展，最后造成焊縫或板材開裂。一般而言，焊縫一旦發(fā)生開裂，往往隨著裂縫增大，又會(huì)撕裂與之焊接板材，就出現(xiàn)了主體立板與主體耳板開裂現(xiàn)象。

4）板材材質(zhì)缺陷 未發(fā)現(xiàn)。

5）板材處理不當(dāng) 沒有發(fā)現(xiàn)異常。

6）焊工技術(shù)不佳 焊工技術(shù)等級合格。

7）焊接工藝性不佳 對故障機(jī)器動(dòng)臂鉸點(diǎn)孔處尚未開裂的主體耳板與主體蓋板間焊縫進(jìn)行切片處理，可以清晰看出焊縫根部沒有徹底焊透。未焊透原因如圖9 所示，相對于坡口角度偏小，而廠內(nèi)焊槍保護(hù)嘴直徑比較大，不容易伸入進(jìn)去，導(dǎo)致一些機(jī)器此處沒有焊透。

3 改進(jìn)方案確定

針對上述分析的原因，做如下改進(jìn)。

1）針對焊接工藝性差，適當(dāng)增加主體耳板坡口角度β，使主體耳板與主體蓋板間焊縫焊透。如圖10 為改進(jìn)后試制樣件焊縫切片，焊縫和板材完全融合。

圖9 焊接示意圖

圖10 改進(jìn)實(shí)施后焊縫切片

2）針對用戶誤操作，在駕駛室前窗醒目位置增加禁止違規(guī)操作標(biāo)識。

3）對動(dòng)臂銷軸安裝孔處結(jié)構(gòu)進(jìn)行裕度設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高此處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。如圖11 所示，在動(dòng)臂銷軸安裝孔左右兩側(cè)各增焊一塊外耳板，明顯地降低動(dòng)臂銷軸安裝孔內(nèi)的應(yīng)力水平，還可以提高動(dòng)臂銷軸安裝孔端面抗彎強(qiáng)度和減少端面變形，并可承受一定的輕微違規(guī)操作。

圖11 結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖

4 改進(jìn)方案實(shí)施與驗(yàn)證

自改進(jìn)方案實(shí)施起，經(jīng)售后服務(wù)部跟蹤調(diào)研，采用改進(jìn)方案的機(jī)器工作超過10 500h，共有176臺(tái)，僅1 臺(tái)在工作了2 210h 后，轉(zhuǎn)臺(tái)出現(xiàn)了裙架橫梁與主體底板焊縫開裂故障，該故障為早期故障，故障原因?yàn)楹缚p長度未按照圖紙要求施焊。

改進(jìn)方案實(shí)施后該型號挖掘機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)工作到10 500h 時(shí)，可靠度R（t)為0.994；平均首次故障時(shí)間MTTFF為10 453h。與改進(jìn)前的可靠度0.965和平均首次故障時(shí)間10 324h 相比均有提高。改進(jìn)方案實(shí)施后轉(zhuǎn)臺(tái)平均年度售后費(fèi)用由過去每年58 300 元降低至650 元。

本改進(jìn)實(shí)施，提高了回轉(zhuǎn)平臺(tái)可靠性，降低了售后維修成本，減少了故障停機(jī)時(shí)間。