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EC700B挖掘机大臂开裂的修复

作者: 马师傅

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发布时间: 2020-04-20 15:50:37

摘要:液压挖掘机工作环境恶劣,工作装置作为主要的受力部件,其结构的耐久性对挖掘机整体性能、工作可靠性和安全性有重要的影响。大臂作为工作装置的主要受力部件其强度和使用寿命具有举足轻重的作用。

通过对大臂结构、受力情况及开裂原因进行分析,找到了影响开裂的主要因素;针对大臂开裂,提出了改进方案,加强了内部筋板和中轴套筒强度,并组织实施,取得了良好效果。

1引言城门山铜矿采矿场有6台从瑞典进口的沃尔沃EC700B大型液压挖掘机,斗容为4m3。该液压挖掘机是采矿场生产剥离、采矿主力设备,设计先进、操作方便[1]。液压挖掘机作为矿山采矿主力设备,工作环境恶劣、工况复杂,工作装置承受交变冲击载荷,关键结构件对疲劳强度要求极高。挖掘机作业时以铲斗的切削刃切削岩石,岩石挖掘阻力较大,所以大臂、小臂和铲斗(如图1所示)阻力都很大。

六台挖掘机作业周期长、强度大,当使用20000h后,大臂与大臂油缸连接处(中轴处)均不同程度出现开裂,严重影响了矿山正常生产。基于生产急需、备件价格超高等实际情况,经过认真分析研究,终于解决了这个问题。

2大臂结构及受力特点大臂是挖掘机工作装置的重要组成部分。大臂为中空箱型密封式的焊接结构,其左右对称。由于大臂承载负荷大且复杂,所以大臂为高强度优质钢板焊接而成[2],一般主要材质为Q345B。为达到 较大的挖掘深度,通常采用向下弯曲的形式,其弯度一般在120~140°之间。在大臂内部,一般焊接有筋板以进一步加强局部强度,尤其在大臂转轴处。

大臂是工作装置中主要承力部件,挖机工作中大臂会受到复杂的瞬态冲击载荷[3],造成其结构出现变形、裂纹(如图2所示)等,而大臂中轴处又是大臂最大受力部位,极易产生应力集中,导致箱体的薄弱处和筋板容易疲劳开裂(如图3所示)。

3大臂开裂原因分析大臂开裂严重影响了挖掘机正常运行,导致维修量大,严重影响生产。对每件大臂开裂外表检查和探伤,发现都在大臂中轴处出现不规则裂纹,针对这一状况,综合诸多因素分析,主要原因如下:

3.1设计原因沃尔沃液压挖掘机是国际品牌,其产品质量与性能是毋庸置疑的。而EC700B机型由于原设计者是按照普通工程挖掘机设计。但该挖掘机自投入运行以来,一直处在矿山剥离、采矿等高强度环境下工作,因此,对该挖掘机工作装置强度提出更高要求,主要受力部位就显得单薄。

3.2金属疲劳损伤在实际工作中,由于挖掘机需要持续工作且长期在较为恶劣的环境中作业,大臂使用20000多h后主要受力部位进入了金属疲劳期。大臂中轴处是制造应力和工作应力叠加部位,根据大臂有限元受力分析,此处也是最大应力集中区域(如图4所示),导致大臂两侧板和筋板被挤压和扭曲,最终造成应变开裂。

3.3工作环境影响液压挖掘机一直在矿山复杂地质条件下剥离、采矿,工作周期长、强度高。运行中不规范的操作也时有发生,导致大臂受到冲击载荷、重载、横向力、偏载等复杂作用力,对挖掘机工作装置损伤较大[4]。

4大臂开裂修复4.1中轴处加固外筋板大臂中轴处受力最大、载荷复杂,两侧钢板容易开裂。在中轴处焊接外筋板加强强度,延长使用寿命。采用16mm厚的Q345B钢板作为外筋板,该钢板焊接性能好、强度高[5]。根据大臂两侧板形状制作加固筋板(如图5所示)焊接。使用2000h左右加固的筋板和箱体钢板又出现开裂。加强外筋板仍然满足不了高强度工作环境要求。

4.2中轴处内部改进以气刨(如图6所示)打开中轴处箱体对内部轴套和筋板检查[6]。以气刨方式从大臂中轴处刨开,发现内部中轴套只有一块筋板而且筋板严重开裂(如图7所以),中轴套也开裂(如图8所示)。

经分析,发现是由于内部中轴套筒、筋板疲劳强度达到极限,导致早期开裂。内部筋板受损后造成大臂外部箱体钢板受到冲击力变大而开裂。每件大臂开裂情况均相同。原始设计单薄,为避免再次出现开裂,需要对内加强筋板、中轴套筒改进。

4.2.1内筋板制作改进基于中轴内部筋板单薄、数量少,对中轴套筒内部进行加固改造。用16mm厚的Q345B钢板制作三块筋板分别在轴套筒上部焊接(如图9所示),与箱体上部连接。由于大臂内部空间有限,为了保证焊接质量及打磨角度,先焊接筋板I,然后焊接筋板Ⅱ,最后焊接筋板Ⅲ,单边V型角焊缝。

4.2.2中轴套筒改进由于中轴处长期受较大冲击复杂载荷,极易出现疲劳性开裂,原轴套单薄。一旦开裂对大臂外表面箱体结构造成很大冲击。因此,需设计新的中轴套筒,加厚尺寸(如图10所示),采用优质碳素结构钢45#钢,通过调质处理,机械性能好,抗冲击能力(如图11所示)。

4.3大臂焊接注意事项挖掘机大臂作为挖掘机中最重要的受力部件,其焊接质量直接影响挖掘机的整体质量和性能。大臂焊接的工艺核心便是要控制好焊接应力,使焊缝处尽可能少的出现位移和残余应力,从而使挖掘机大臂焊接质量更可靠[7。

EC700B挖机大臂改进修复使用Q345B钢板为筋板,用45#钢加工中轴套。考虑钢板厚度为16mm,焊接接头为V型坡口,坡口角度为60°。

由于CO2气体保护焊焊接质量高、效率高,焊接变形小,穿透能力强优点,采用CO,气体保护焊。

焊丝选用①1.2mm,材质为JM-58焊丝,具有较好的工艺性能、机械性能和抗热裂能力,尤其适合焊接低碳钢和低合金钢。焊接电流如下表:

焊接前对坡口进行打磨处理,将坡口表面磨平,将焊缝两侧30mm以内铁锈打磨清理干净。

用气刨创过的表面,打磨2mm的渗碳层,消除焊缝局部含磷量增高,以防产生裂纹影响焊接质量。焊接时应对焊接部位及焊接周边70~100mm区域进行预热,预热温度应在170~240℃。采用多层多道焊,堆焊时的焊接方向要保证由下向上、由外向里的顺序,这样既可以保证熔深,又能防止咬边[8]。多层多道焊时,焊缝分配要控制焊趾处的止端角度。并做消散应力处理,焊后保温6h。

5结束语用上述方法,我们对EC700B挖机大臂开裂进行了修复,通过近2年来的使用,该大臂没有再次出现新的裂纹及其它故障,既取得了大型结构件开裂修复的经验,又降低了对生产的影响,还节约了大量备件成本。

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