铲斗和斗门局部结构设计及制造工艺改进

2021-06-01石志强张永强庞志远

现代制造技术与装备 2021年4期

石志强张永强庞志远

（神华准格尔能源有限责任公司，鄂尔多斯 017100）

随着社会的发展，电铲在各个领域中的应用范围不断扩大。铲斗属于电铲中的易损伤部件，在当前社会中的相关需求量与日俱增。结合国内用户反映可知，进口铲斗成本高，价格昂贵。为了优化生产服务质量，延长铲斗应用期限，需全面优化改造铲斗局部结构，提升市场竞争力。

WK-55电铲总质量1 400 t，高度为22 m，理论层面分析的生产率为6 600 m3·h-1。此电铲2010年投运，具体工作是剥离和装运岩石。随着产量持续扩大和设备应用年限的增加，设备出现严重破损和裂纹问题，影响设备的正常安全应用，降低了岩石剥离产量。针对该种状况，本文专门设计了相应的焊接工艺方案[1]。

1 铲斗和斗门局部结构问题出现的原因

第一，设备长时间处于满载运行状态，会导致设备提前进入某种疲劳阶段，影响设备应用期限和应用周期。因操作方法或操作过程不合理会出现各种问题，如在铲斗装运岩石的过程中，通常经常会和卡车箱斗产生碰撞，导致斗顶箱体发生开裂现象。在铲斗卸料过程中，卡车厢斗和斗门之间会发生碰撞问题。斗门中缺少缓冲器或缓冲器损坏会和铲斗碰撞，使弯梁销孔裂开。

第二，维修不认真和不及时。在发现存在各种微小裂纹后，若没有及时有效进行的维修处理，会进一步扩展裂纹，直到彻底断裂。在现场实施维修处理的条件下，存在没有等到裂纹彻底清理干净直接进行焊接处理的情况。同时，大部分维修工作都是在剥离现场实施操作，无法保障焊接工艺条件，整体焊接质量较差。焊缝出现较多次开裂问题，会导致其中的焊缝和周围材料出现硬化问题而严重影响焊接性。

第三，焊接工艺方面的问题。铲斗开裂区域普遍是斗体与销耳之间的连接焊缝，因为销耳和斗体之间的材料存在明显差异，同时受力较大，所以焊缝主要通过结构钢焊丝实施焊接处理。再加上材料较厚，导致所需填充量增加，因此焊缝应力较高。其中，斗门开裂部位主要是以销孔区域及弯梁受力区域为主。因为弯梁对应受力面积相对较小而整体受力较大，所以弯梁从中部开始断裂。

第四，铲斗设计之初便存在相应的问题和缺陷。铲斗型号相对较大，铲斗顶部箱体结构内侧的拉筋数量相对较少，因此铲斗处于满载运行条件下会进一步加重铲斗变形现象。随着长期工作运行的问题积累，最终会导致斗体和销耳之间的连接焊缝产生开裂问题。此外，斗门原有设计也存在某种故障缺陷，其中斗门相对较大，弯梁相对较窄，同时受力面积较小。长期满载运行条件下，斗门弯梁区域不可避免会产生开裂变形现象。

2 铲斗和斗门局部结构设计改造工艺分析

2.1 工艺创新思路

通过调查分析，初步确定相关损坏铲斗及斗门结构部分元件能够重新利用，不需要重新购买更换的配件，提高了检修工艺应用效率，降低了检修成本。只需更换部分钢板，合理设置部分筋板，通过最低检修成本，即可得到最好检修效果，同时在检修工作结束后进行检查，以保障检修质量[2]。

2.2 技术改造难点

工艺技术难点在于铲斗斗顶机构。一是组队中应该确保斗顶两侧销耳和上下地板之间的垂直度；二是斗顶箱内部拉筋的分布需保持均匀性，可以选择Q345筋板，保障焊接质量；三是在焊接结束后，铲斗于装机中顺利完成。

对于斗门弯梁和销孔顶板结构，主要存在3个技术难点。一是组队销孔顶板中，需要合理控制顶板底部和方销之间的缝隙，通常需要维持在3～8 mm。二是在选择销孔顶板的相关材料时，除了需要保证材料强度之外，还应该具备良好的焊接性。此次主要选择SSAB生产制造的WELDOX高强钢，将两者组队间隙维持在3～5 mm，以促进顶板充分焊透。三是焊后斗门于装机应用中实施。

2.3 工艺要点

如果铲斗斗顶下方底板和立板之间存在严重的变形裂缝问题，那么需要及时切割两个钢板进行替换。如果斗门销孔顶板和弯梁出现严重开裂变形问题，则需要立刻实施改造更换。一方面，直接切割存在严重开裂变形问题的销孔顶板，随后通过气刨实施平滑处理，借助角磨机打磨。在顶板组队中，组队间隙维持在3～5 mm，确保材料充分焊透。在结束焊接工作后，还应该在顶板部位设置喇叭口U型拉筋，分别在销孔底板、侧板以及顶板实施焊接处理，从而保障销孔顶板不会被轻易敲飞。另一方面，气刨弯梁裂纹切割替换部位，在针对其中的裂纹区域实施全面焊接处理后，继续增加弯梁宽度，设置焊筋板，并针对弯梁实施加固处理，以促进弯梁强度的全面提高，增加斗门应用时间。加固后的弯梁如图1所示。

图1 加固后的弯梁

第一，对于铲斗的斗顶部位，可以率先针对斗前臂外侧焊缝实施有效处理，随后针对斗前臂内部焊缝实施焊接处理。需要注意，焊接中需要率先实施清根打磨处理。具体接头形式为对接接头，相关焊缝形式为对接焊缝，焊缝位置则是立焊缝。斗门销孔和弯梁应该率先针对销孔顶板平缝和弯梁开裂焊缝实施焊接处理，并针对顶板加强筋和弯梁加宽筋板实施焊接处理。在结束正面处理后，翻转斗门，实施焊缝清理和打磨处理，随后进行焊接。具体接头形式以对接接头方式为主，并选择对接焊缝作为焊缝处理主要形式，而焊缝位置以平焊缝为主。

焊接前率先做好预热处理，将温度维持在120 ℃左右。预热处理的主要目的是进一步提升焊缝起始温度，减少焊缝的裂纹几率和淬硬倾向，但在焊缝组织方面没有明显作用。为了避免高温状态下冷速过低导致脆性组织问题，需合理控制预热温度。如果预热温度过高，会降低材料韧性。焊接处理中，合理控制层间温度，相关温度应该维持在200 ℃以下，避免温度过高出现晶粒粗化和焊缝塌陷等问题而降低焊缝质量。

第三，在焊接处理中，选择实施多道多层双人焊接，使两侧实现均匀受力，以降低焊缝变形问题的发生概率。第四，补强筋焊接操作，主要是为了强化斗门和铲斗整体强度，做好焊缝保护，提升结构焊缝应用寿命。铲斗补强筋具体尺寸为420 mm×880 mm，对应内孔为400 mm×150 mm。第五，利用二氧化碳气体保护焊能耗少，焊接变形小，生产效率高，焊接综合成本低，操作机动灵活，抗锈蚀能力强，应用范围广，能够实现自动化处理，且最终形成的焊缝较为美观，同时合金过渡效果也远远超出实心焊丝和焊条药皮。它的主要操作缺陷是存在飞溅问题，而飞溅问题的有效控制方法是合理设置焊接参数和科学选择焊丝材料。

结束焊接工作后，还应该针对焊缝实施保温缓冷处理，即针对两侧地板和立缝实施处理，操作温度可以维持在150～200 ℃，对应时间可以维持在1～2 h。此外，焊缝内部和焊缝外观可以采取超声波探伤装置实施检查。针对不合格及不达标部位，可以实施补焊及修磨处理，同时顺利取下其中的不常用台具，彻底打磨焊接接头到光滑状态。

2.4 改造效果

焊接处理后经过半年的应用，发现设备整体应用状况较好，焊接部位没有出现任何裂纹问题。针对铲斗的斗顶箱体、销孔局部结构以及斗门弯梁等部位实施自修处理，能够帮助企业有效节约生产成本。2019年，神华准格尔能源有限责任公司率先实现了销孔局部结构、斗门弯梁以及斗顶箱体的自修操作，同时针对整个销孔结构、斗门弯梁以及斗体箱顶进行替换，有效节约了约60万元的成本。如果和外部委托修理方式进行对比分析，改造方案能够有效节约25万元的修理费用，其中的各种旧件组队需要耗费5万元。合理制定和准确记录不同型号斗门以及铲斗的相关检修工艺，尤其是对斗门、wk-20以及wk-35铲斗等，具有较大的推广价值。在斗门以及铲斗等部件结束维修工作后，整体呈现出良好的运行状态，其中的断裂部位没有产生任何裂纹问题[3]。