某机型挖掘机动臂故障分析与改进

撰文/王应军

■厦门厦工机械股份有限公司



某机型挖掘机动臂故障分析与改进

撰文/王应军

■厦门厦工机械股份有限公司

针对某机型挖掘机动臂典型结构形式，根据市场使用过程中出现的故障情况对结构件进行切割分析，提出相应的改进措施，对降低市场结构件的故障率，提高客户满意度具有重要意义。挖掘机；动臂；前叉；后支撑；焊缝开裂

动臂是挖掘机在工作过程中直接承受荷载的主要受力部件，动臂的损坏通常既要承受疲劳荷载，还要承受冲击荷载，虽然在实际工作中工作应力没有达到设计条件的许用应力，但由于长期的交替荷载变化对工件造成损坏，同时由于客户在使用中的不规范操作，使动臂的使用寿命大为缩短，动臂开裂现象经常发生。为了彻底了解故障的原因，从动臂的结构型式，开裂部位的外部状况和内在因素分析结构件发生破坏的特征，揭示破坏的原因，从工艺与设计方面提出解决方法，进一步提高产品质量，提高结构件的使用性能。本文对该结构件故障原因进行分析，提出改进措施。

动臂的结构形式

动臂属于对称的箱型结构，由上盖板、下盖板、左右侧板、前叉与后支撑组成，如图1所示， 材质均为焊接性能良好的低碳合金高强度钢Q345B

图1　①前叉 ②左右侧板 ③下盖板④上盖板 ⑤后支撑

故障件现象描述

某机型挖掘机动臂出现故障，从市场返回结构件外观看，①前叉侧板与③下盖板出现焊缝开裂情况、⑤后支撑上盖板与④后段上盖板截面突变处出现焊缝与母材开裂情况。为了了解结构件开裂的具体原因，对动臂开裂部位进行切割并进行酸洗观看焊缝内部情况。

a外观

①前叉开裂情况（图2）

后支撑开裂情况（图3）

b内部

对前叉与后支撑开裂部位切割发现：①前叉内部加强板母材本身开裂、加强板与前叉侧板连接焊缝两边整条出现开裂（图4、图5），同时隔板内部圆孔边出现放射状裂纹（图6），经对加强板与侧板连接焊缝切割发现隔板熔深只有1mm（图7），故判定前叉外部焊缝开裂是由内部隔板焊缝与母材开裂引起的。

图4　

图5　

图6　

图7　

②后支撑内部隔板角焊缝偏焊，熔深仅1mm左右（图8），内部隔板出现整条角焊缝开裂，外部后支撑上盖板拐角处只是微裂，故判定后支撑上盖板和角焊缝开裂是内部隔板焊缝先裂后引起的（图9）

图8　

图9　

c原因分析

①由于现场没有焊接前叉与后支撑的专用焊接变位机，焊接前叉与后支撑时平放置在地板上，在工艺上只能采用采用角焊缝焊接，，导致前叉与后支撑内部隔板偏焊熔深不足，焊脚尺寸不够，使内部焊缝开裂。②由于客户在使用过程中的不规范操作，如扫平、撞击等力度太大，导致前叉与后支撑内部加强板产生频繁的扭曲变形，使前叉与后支撑内部焊缝开裂。③前叉与后支撑内部圆孔直径太大，消弱了动臂前叉与后支撑截面的抗扭能力。④前叉加强板孔边缘的放射状裂纹，表明加强板强度不足，使加强板与侧板焊缝开裂。⑤后支撑上下盖板外侧上下盖板形状突变，成为应力集中点，当内部焊缝开裂后，后支撑在截面突变处开裂（图10）。

图10　

d处理措施

①制作专用的前叉（图11）与后支撑（图12）专用焊接变位机，对焊接工艺进行变更，由角焊缝改为船型焊，即保证熔深又保证焊缝尺寸（图13）

图11　前叉焊接变位机

图12　后支撑焊接变位机

图13　切割酸洗后

②为了增加前叉与后支撑的强度，将前叉与后支撑的内部加强隔板板厚由12mm增至16mm，焊缝尺寸由8*8mm增至更改为12*12mm，同时将加强隔板中间圆孔孔径由Ø200mm缩减至Ø100mm 。③为了增加前叉与后支撑的整体抗扭强度，在前叉（图14）与后支撑（图15）侧面增加8mm的加强贴板，减少动臂动作频繁引起的发生变形。④为了减少后支撑上下盖板结构突变引起的应力集中，在后支撑应力突变处增加4块加强板（图16）。

图14　前叉加强板

图15　后支撑加强板

图16　截面突变处加强板

⑤在工艺上对后支撑的装配与焊接顺序进行变更，由原来的上下盖板、左右侧板与隔板整体装配后焊接改为：先装配后支撑上下盖板与左右侧板，然后对内部焊缝进行焊接，再按装配内部隔板，最后在专用后支撑焊接变位机上完成隔板焊缝的焊接（图17）。

图17　后支撑工艺改善

⑥对后支撑截面突变处的4块加强板，为了保证与侧板边缘的融合，工艺上采用X型350坡口，钝边2mm，焊接时先对上面焊缝打底焊接，然后反面清根，保证根部焊缝熔合，再采用多层多道焊，两面交替施焊的顺序，以使每侧引起的变形最后都得以抵消。焊接时板边端头与侧板边缘焊缝要适当延长，保证与侧板光滑过度，焊接完成后打磨平整，避免形成新的应力集中点。⑦由于颗粒过渡焊接的电弧穿透能力强，电弧稳定，焊缝成型好，熔深大，可以提高力学性能，因此该动臂前叉与后支撑内部焊缝采用颗粒过渡焊接。⑧焊接工艺参数确定：采用CO2气体保护焊，焊丝采用JM-58焊丝，焊丝直径φ1.2mm.焊接电压34-38V，焊接电流350-400A。

结论

目前，这些改进在后续结构件的现场生产中已经完全实行，改进后的整机结构件使用良好，使用过程中的安全性和可靠性大大提高，从市场用户使用时间统计来看，改善后的结构件使用时间比原来提升3倍，结构件故障率明显降低，得到了广大用户的认可，提高了用户对本产品的满意度。

参考：

［1］姜焕中.电弧焊及电渣焊.机械工业出版社.2004.

［2］黄祥金.某型挖掘机回转平台支座焊缝开裂原因分析.工程机械，2013（5）.

作者简介：

王应军（1970-），男，福建厦门人，工程师，学士，研究方向：焊接质量控制。