WK-55電鏟鏟斗前壁結(jié)構(gòu)改進及焊修加固工藝

董 新

（神華準格爾能源有限公司 設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

WK－55系列電鏟鏟斗外形接近正方體，主要由斗體、提梁、斗底、開斗杠桿和連接組件構(gòu)成。其中鏟斗是直接用來挖掘、收集、搬移和卸出物料，在工作過程中承受著較大的沖擊載荷與劇烈的磨損。鏟斗斗體主要由斗前壁與斗后壁2大部位構(gòu)成，其中斗后壁上主要為一些連接組件中的耳座，與電鏟的鏟桿進行連接，要求其要有足夠的強度和剛度，支撐整個斗體。斗前壁主要由3個主要部件構(gòu)成，分別為斗唇、主體母板、斗栓插座。由于斗前壁需直接插入料堆，故要求其材質(zhì)應(yīng)具備較高的強度和耐磨性。斗唇主要用于安裝鏟斗斗齒。主體母板主要用于承載物料和構(gòu)成鏟斗主體。斗栓插座主要用于開斗栓銷的定位，固定斗底。

WK－55電鏟在黑岱溝和哈爾烏素兩礦生產(chǎn)投入運行使用過程中，WK－55鏟斗頻繁發(fā)生裂紋損壞，需停機焊修或停機拆卸后進行整體焊接修復(fù)，嚴重降低了WK－55電鏟的出動率，制約了巖土的剝離效率，同時焊修工作的投入，不僅增加了檢修人員的工作量，也增加了生產(chǎn)檢修成本。

1 鏟斗損壞原因

對損壞鏟斗進行裂紋頻發(fā)部位的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其裂紋頻發(fā)部位主要為斗前壁的主體母板，及其背部縱向拉筋，磨損開裂部位主要為斗前壁的斗栓插座及其周邊對接焊縫。

WK－55系列電鏟鏟斗的斗容為58 m3，最大提升力達2 890 kN，故勻速情況下，提升力近似約294.9 t[1]。黑岱溝露天煤礦和哈爾烏素露天煤礦，若按照一般礦巖松散密度為1.9～2.4 t/m3計算，故滿載時巖土質(zhì)量110.2～139.2 t，鏟斗（帶斗門）質(zhì)量約84 t，斗門約重20 t。由于斗前壁為主要承載部件[2]，（不涵蓋斗唇）斗深3 465 mm，寬約4 900 mm，故其面積大致為17 m2，對其進行靜載受力分析。

鏟斗斗前壁的材質(zhì)接近于Q345，楊氏模量值約為206 000 N/mm2，此母板取值210 GPa，則變形時變形力約105 t，此種情況適用于鋼板兩側(cè)存在支點，與斗前壁結(jié)構(gòu)相符。故由此推斷鏟斗滿載時僅物料重便大于其變形力臨界值。隨斗前壁背部存在縱向加強筋板，但其主要起到了對縱向變形的抵抗強化作用，在橫向上作用不大。推斷鏟斗在裝載卸料過程中斗前壁主體母板不斷受力發(fā)生橫向為主的撓度變形，最終導(dǎo)致斗前壁主體母板材質(zhì)出現(xiàn)疲勞裂紋，裂紋拓展后發(fā)生較大裂紋損壞。對于更換過斗栓插座的鏟斗，引起對接焊縫變寬，且焊縫的強度遠低于母板材質(zhì)強度，導(dǎo)致短期內(nèi)在對接焊縫處便會出現(xiàn)新的裂紋損壞，符合目前鏟斗在更換新斗栓插座后的使用壽命僅40 d左右的實際情況。

通過以上的推理分析，基本確定導(dǎo)致WK－55鏟斗斗前壁裂紋頻發(fā)的原因為鏟斗斗前壁原設(shè)計結(jié)構(gòu)存在一定的缺陷，背部加強筋板布局存在不足，無法抵消受力時產(chǎn)生的撓度變形。

2 鏟斗斗前壁結(jié)構(gòu)改進

2.1 斗前壁斗栓插座結(jié)構(gòu)改進方案

在進行斗栓插座的焊接更換過程中，由于對接部位的多次開裂和反復(fù)焊接，其進行裂紋清根后，導(dǎo)致刨削量增加，對接焊縫增寬，焊縫寬度值約為150～ 200 mm，斗栓插座的材質(zhì)為高錳鋼，主體母板材質(zhì)為低合金高強度鋼板。

由于異種鋼對接焊縫的力學(xué)性能要明顯低于母材，故焊縫的寬度值增加[3]，也提高了對接焊縫再次受力時的裂紋發(fā)生幾率，降低其使用壽命。針對斗栓插座的更換提出以下改進方案：

1）增加斗栓插座兩側(cè)翼的長度。兩邊各增加約100 mm，用以縮減對接焊縫寬度。

2）若購進新斗。建議制造廠家將斗栓插座的結(jié)構(gòu)進行改進，讓其外形成梯形結(jié)構(gòu)，盡量避免兩側(cè)翼過大，縮小斗栓插座的整體體積。

3）目前斗栓插座為鑄鋼件，若購置成本相似，建議將其改成鍛件結(jié)構(gòu)，以提高其力學(xué)性能和對接更換時的焊接性。

2.2 斗前壁主體母板結(jié)構(gòu)強化及維修方案

通過對已發(fā)生損壞的用鏟斗進行以上結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的測量和分析，初步確認導(dǎo)致斗前壁拉筋斷裂、斗栓插座頻發(fā)裂紋損壞的原因，主要為斗前壁主體母板材質(zhì)較為單薄，背部縱向加強筋數(shù)量較少，且間距較大，很難起到較好的強化作用，又因鏟斗在裝載、卸料的工作過程中，不僅要承受物料的磨損作用，而且還需要不斷承受沖擊及交變載荷的作用[4]，促使斗前壁主體發(fā)生反復(fù)的撓度變形，且伴隨運行時間的增加，變形程度逐漸增加，最終降低了斗前壁結(jié)構(gòu)的強度和剛度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件本體鋼材內(nèi)部或外部裂紋頻發(fā)；因鋼材內(nèi)部裂紋無法觀察發(fā)現(xiàn)，或外部微小裂紋未被及時發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致裂紋的延展，最終致使結(jié)構(gòu)件發(fā)生裂紋損壞，嚴重磨損變薄等現(xiàn)象的發(fā)生。為強化斗前壁的強度和剛度，采取以下方案進行修復(fù)：

1）針對現(xiàn)有WK－55鏟斗共有8根縱向拉筋，拉筋長2500 mm，均高85～90 mm，寬約70 mm，縱向拉筋間隔490 mm。增加其斗前壁主體母板處縱向拉筋，寬100 mm，高70 mm，增加橫向拉筋，寬150 mm，高70 mm。因增加的縱向及橫向筋板促使鏟斗約增重2.4 t。依據(jù)鏟斗勻速情況下的最大提升力載重能力為294.9 t，增加筋板后鏟斗及物料自重達226 t ＜294.9 t，對鏟斗提升運行無影響。

2）新增橫向、縱向拉筋高度要求低于原始縱向拉筋，焊接方式選擇多層多道角縫焊接，焊縫形成圓弧過渡，增加縱向、橫向拉筋的斗前壁主體如圖1。

圖1 增加縱向、橫向拉筋的斗前壁主體

3 鏟斗結(jié)構(gòu)改進焊接工藝

3.1 斗栓插座焊接

斗栓插座是材質(zhì)為高錳鋼ZGMn13Mo的鑄件，與斗體為低合金剛強度鋼的材質(zhì)對接，屬于異種鋼焊接，故選擇焊接填充材料為E309LT－1的φ1.6 mm不銹鋼藥芯焊絲。在進行斗栓插座對接焊接過程中要嚴格按照以下幾點工藝進行焊接操作：

1）施焊前將斗栓插座及斗前壁部位的泥土等雜質(zhì)進行清理，利用碳弧氣刨焊進行坡口的加工，且利用角向磨光機將斗栓插座及斗前壁主體母板對接焊縫坡口及其周邊100 mm，范圍內(nèi)進行打磨，至少要磨削掉1 mm，直至漏出金屬光澤[5]。坡口處理結(jié)束后應(yīng)對其進行周邊范圍的探傷檢查，確認是否依然存在碎裂紋。

2）焊縫兩端設(shè)立引弧板。將焊縫預(yù)熱至38 ℃左右，采用多層多道焊，單道焊縫寬度小于焊絲直徑的3倍[6]，且當(dāng)前焊縫應(yīng)將前道焊縫重新熔覆寬度的1/3～1/2，斗栓插座對接焊縫如圖2，焊接過程中及時清渣，隨時用風(fēng)鏟錘擊焊道，以降低焊接應(yīng)力。嚴格將層間溫度控制在120 ℃左右，焊接操作結(jié)束后用石棉布保溫，緩慢冷卻。

圖2 斗栓插座對接焊縫

3）焊接操作過程中，焊道間的起弧點、收弧點應(yīng)相互錯開[7]。起弧點、收弧點不允許設(shè)在焊縫拐角處。若焊接過程中，出現(xiàn)氣孔、夾雜等焊接缺陷，應(yīng)立即清除干凈后再繼續(xù)施焊；焊后利用角向磨光機將焊縫表面余高進行打磨平整、光滑過渡，控制余高0 mm，對焊縫進行無損探傷檢查，保證焊接質(zhì)量。

4）斗栓插座焊接結(jié)束后，在其背部焊接加強筋板或耐磨板。

3.2 斗前壁主體母板加強筋板的焊接

根據(jù)斗體斗前壁主體母板的材質(zhì)和用于強化的加強筋板材質(zhì)，選擇加強筋板的角縫焊接填充材料為81Ni的φ1.6 mm不銹鋼藥芯焊絲。

1）橫向與縱向加強筋板鈞利用氧乙炔自動切割機在δ=70 mm的鋼板完成，要求切割邊緣光滑，無錯邊等缺陷，且切割過程中保障筋板無變形。

2）加工好的縱向、橫向筋板要進行角縫的焊接，因為加強筋板與斗前壁主體母板進行結(jié)構(gòu)焊接，且主體母板厚度約為40 mm左右，故依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，其焊件焊腳尺寸不小于最薄件厚度值，確定加強筋板的焊腳尺寸L≥40 mm，且確保筋板角縫為弧形過渡。相關(guān)焊縫的焊接示意如圖3。

圖3 增加筋板角焊縫

3）橫向與縱向筋板的交接處要焊滿，且禁止存在夾雜等缺陷。

4 改進后的應(yīng)用跟蹤及效益分析

4.1 改進后的應(yīng)用跟蹤

先后完成了2件WK-55電鏟鏟斗前壁結(jié)構(gòu)的改進和焊修加固。修復(fù)后的鏟斗，其中1件于2016年2月25日在黑岱溝裝4＃WK-55電鏟運行使用，1件于2016年6月10日在哈爾烏素裝2＃WK-55電鏟運行使用，2件修復(fù)后的WK-55鏟斗均運行使用情況良好，未出現(xiàn)裂紋損壞故障，電鏟鏟斗故障大大降低，斗栓插座的使用壽命得到了有效延長。

4.2 效益分析

2015年4＃WK-55電鏟的鏟斗斗前壁及斗栓插座的焊修記錄為：①鏟斗碎小裂紋焊修：停機時間16 h;②鏟斗更換下機整體焊修：停機時間29 h42 min;③鏟斗碎小裂紋焊修：停機時間91 h40 min;④鏟斗更換下機整體焊修：停機時間29 h4 min;⑤鏟斗碎小裂紋焊修：停機時間25 h51 min。2016年4＃鏟斗斗前壁及斗栓插座的焊修記錄為：①鏟斗碎小裂紋焊修：停機時間12 h21 min;②更換結(jié)構(gòu)改造和焊修加固鏟斗：停機時間32 h3 min;③鏟斗碎小裂紋焊修：停機時間3 h25 min。通過對比分析，可知2015年4＃WK-55電鏟坑下停機焊修鏟斗斗前壁及斗栓插座的碎裂紋總工時為133 h31 min，全年4＃WK-55電鏟因斗前壁及斗栓插座的更換和焊接檢修設(shè)備停機約192 h，平均每月因鏟斗斗前壁及斗栓插座的焊修導(dǎo)致設(shè)備停機約17 h30′min。而結(jié)構(gòu)改造和焊修加固鏟斗斗前壁及斗栓插座在4＃WK-55電鏟裝機后，截止2016年8月31日，因鏟斗斗前壁及斗栓插座的碎小裂紋焊修設(shè)備停機約3 h25 min，平均每月因鏟斗斗前壁及斗栓插座的焊修導(dǎo)致設(shè)備停機時間僅為34 min，且鏟斗斗前壁及斗栓插座尚未發(fā)現(xiàn)較大裂紋，無需更換下機整體焊修。2016全年較2015年減少WK－55電鏟停機時間為204 h。

一般情況下1臺WK－55電鏟每8 h裝830E卡車120車計算[8]，且830E卡車均車裝105 m3巖土，則平均每年單臺WK－55電鏟因縮短鏟斗停機焊修時間而增加的巖土剝離量約為32.13萬m3。

5 結(jié)語

通過結(jié)構(gòu)改進和焊修加固后的鏟斗在4＃WK－55上的有效運行記錄，可以確認對鏟斗的結(jié)構(gòu)改進和焊修加固方案取得了預(yù)期效果，有效解決了WK－55電鏟鏟斗裂紋頻損壞的故障難題，為礦山其他大型結(jié)構(gòu)件的裂紋頻發(fā)檢修及焊修強化提供了可參照的經(jīng)驗。