修機|挖掘機鏟斗開裂原因分析及改進(jìn)方法

1 故障現(xiàn)象

挖掘機鏟斗由高強度鋼板焊接而成，是挖掘機實現(xiàn)挖掘功能的執(zhí)行部件，其質(zhì)量的好壞直接影響挖掘機的工作性能。某型號挖掘機使用一段時間后，鏟斗耳板及耳板下部的墊板出現(xiàn)開裂。耳板出現(xiàn)開裂部位多發(fā)生在前端及后端燕尾處，墊板開裂則發(fā)生在其側(cè)邊焊縫，鏟斗開裂情況如圖 1 所示。

2 原因分析

2.1 耳板開裂原因

鏟斗的耳板用于連接鏟斗與斗桿，墊板是耳板燕尾處的加強板。耳板及墊板作為鏟斗挖掘驅(qū)動力的傳遞件，受力較大。鏟斗挖掘時在受到正向力的同時還受到側(cè)向力的作用，加劇了耳板受力的復(fù)雜性。結(jié)構(gòu)件的制造精度有限，與理想尺寸存在一定偏差（尤其對稱度的偏差）。耳板前端作為力的直接傳遞點，如果強度不足，很容易開裂。耳板燕尾處為弧形，力的傳遞方向為向內(nèi)壓。如果應(yīng)力不能有效釋放，會造成耳板最遠(yuǎn)處即燕尾部分產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生開裂。 

2.2 墊板開裂原因

鏟斗耳板下部的墊板用于傳遞耳板承受的壓力，將耳板的部分壓力傳遞給鏟斗斗底的主弧板。墊板開裂主要表現(xiàn)為墊板與主弧板的搭接焊縫開裂。墊板下部與主弧板貼合，上部與耳板連接，按照結(jié)構(gòu)分析和理論計算，受力應(yīng)該不大。根據(jù)仿真分析結(jié)果表明，墊板部位也不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，推斷墊板的開裂主要是由于主弧板和墊板全部為圓弧結(jié)構(gòu)，折彎時很難保證圓弧完全相符，使墊板與主弧板貼合不緊，板與板之間存在間隙，如圖 2 所示。二者之間存在間隙，造成墊板主體幾乎不受力，外力全部通過焊縫作用在主弧板上，導(dǎo)致焊縫受力過大，引起焊縫開裂。

3 改進(jìn)方法

為了解決耳板與墊板容易開裂問題，我們采取了以下措施。

3.1 耳板改進(jìn)方法

耳板前端容易開裂，其主要原因是強度不足，為此應(yīng)增加耳板前端的強度，改進(jìn)前結(jié)構(gòu)如圖 3a 所示。改進(jìn)包括以下 2 個方面：一是在耳板與鏟斗彎板之間增加加強筋，以有效提高耳板局部強度；二是針對耳板前端與底板之間的連接部位較短，適當(dāng)延長前端燕尾長度，以緩解耳板應(yīng)力集中。耳板增加加強筋及耳板前端順延的改進(jìn)方法如圖3b 所示。

使用仿真分析軟件，對鏟斗進(jìn)行疲勞分析，發(fā)現(xiàn)燕尾處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。將耳板外形由內(nèi)弧形改進(jìn)為外弧形，仿真分析結(jié)果顯示應(yīng)力明顯降低。通過多次應(yīng)力分析矯正，得到應(yīng)力集中最小的改進(jìn)方案。根據(jù)仿真結(jié)果，對耳板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。耳板燕尾處與墊板相連，耳板燕尾處的具體尺寸應(yīng)與墊板改進(jìn)綜合考慮，再進(jìn)行確定。

3.2 墊板改進(jìn)方法

解決墊板開裂的問題，根本方法是提高墊板與主弧板的貼合度，改進(jìn)前結(jié)構(gòu)如圖 4a 所示。共有 2 項改進(jìn)措施：一是順延耳板尾部的燕尾長度；這樣既能增加墊板與耳板之間的焊縫長度，提高墊板與斗底主弧板的貼合，還能進(jìn)一步減小耳板燕尾的應(yīng)力集中，降低耳板燕尾的開裂風(fēng)險。二是在墊板上加工長圓孔，在長圓孔上增加焊縫，以提高貼合程度。將耳板尾部延長、改變耳板外弧形結(jié)構(gòu)、在墊

板上增加長圓孔方法如圖 4b 所示。

改進(jìn)方法確定后，根據(jù)加工、焊接工藝，對相關(guān)尺寸及焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，再按照優(yōu)化后的尺寸制作出樣品鏟斗進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果表明，鏟斗經(jīng)過以上方法改進(jìn)后強度得到了明顯提升，鏟斗開裂故障率高的問題得到有效控制。

來源《工程機械與維修》2019年第五期