EC700B挖掘机大臂开裂的修复

朱志兴

（江西铜业集团公司 城门山铜矿，江西 九江 332100）

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。

图1 液压挖掘机工作装置图

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）。

图2 大臂开裂图

图3 内加强筋板图

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。

图4 大臂中轴应力集中区

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。

图5 中轴外筋板图

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。

图6 中轴箱体刨开图

图7 内筋板开裂图

图8 中轴套筒开裂图

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。

图9 加固内筋板示意图

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）。

图10 中轴套筒示意图

图11 中轴套焊接图

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CO2气体保护焊。焊丝选用Φ1.2mm，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：

表1 焊丝直径与使用的电流范围

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。用气刨刨过的表面，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。