基于统计装载机前车架的故障分析研究

魏抗抗，李炼炼

（201612 上海市 中联重科桩工机械有限公司）

0 引言

前车架是装载机的核心结构件之一，连接着动臂、后车架以及油缸等重要的其他结构件，承担着装载机工作时的大部分重量，因此其发生故障的概率较其他构件失效的概率更高。构件失效的形式有很多，常见疲劳失效、冲击失效以及极限载荷失效等[1]，而构件失效又与许多因素有关，包括发生故障的部位、失效累计工作时间、机型等，所以有必要采取有效统计手段分析研究这些失效形式与故障因素的内在联系，对后续车架及结构件的研究奠定基础。

1 前车架主要故障点

统计样本发现，前车架共有 8 个主要故障点，分别是：（1）外翼板与中加强板焊缝；（2）动臂座法兰贴板与外翼板焊缝；（3）上横加强板与外翼板焊缝；（4）翻斗缸上连接板与主板焊缝；（5）侧箱主板与动臂缸座法兰焊缝；（6）动臂缸后销焊缝；（7）动臂缸后销与主板焊缝；（8）上铰接座加强板焊缝。具体如图 1 所示。

图1 前车架的主要故障点Fig.1 Main fault points of front frame

在100 个前车架故障统计中发现，翻斗缸上连接板与主板焊缝故障次数最多，达到 46 起；动臂缸后销焊缝次之，达到 38 起；还存在一个车架多起故障的情况[2]。统计如表 1 所示。

表1 前车架故障部位统计表Tab.1 Statistical table of fault parts of front frame

2 统计分析

2.1 2020～2021 年各季度不同部位故障统计分析

对样本数据进行不同季度、不同部位的故障统计，结果见表 2 。根据统计数据生成折线图，如图 2 所示。

表2 各季度不同部位的故障统计Tab.2 Fault statistics of different parts in each quarter

由表1 和图2 可知，故障部位主要集中在上连接板与主板以及动臂缸后销2 个部位，占比分别达到 43%以及 35.5%。说明这2处是前车架的受力薄弱点，应该对其加强优化或改良，但是这2 处部位具体以什么形式失效还不得而知，因此需要对数据进行进一步的分析研究[3]。

另外由图2 可知，随着时间线的变化，故障部位的失效数目也在发生变化，总体呈下降趋势，说明故障问题在逐步改善。

图2 前车架 2020-2021 年各季度不同部位故障统计分析Fig.2 Statistical analysis of faults in different parts of front frame in 2020-2021 seasons

2.2 不同部位失效累计工作时间统计分析

对样本数据进行不同部位失效累计工作时间统计，如表 3 所示。不同部位的失效累计工作时间可以反映出构件的疲劳状态。如果构件在累计工作一定小时之前发生失效，则认为构件失效与疲劳有较低的相关性；而在一定时间段内，构件出现大量的失效问题，则认为构件失效与疲劳有强关联性[4]。

表3 不同部位失效累计工作时间统计Tab.3 Cumulative working time statistics of failure in different parts

根据表3 生成关于不同部位失效累计工作时间的折线图，如图 3 所示，由表3 和图3 可知：（1）构件失效与疲劳有较低相关性的时间点是 1 000 h，即认为在累计工作1 000 h 之前的失效问题与疲劳关联性较低；构件失效与疲劳有强关联性的时间段是1 500～2 500 h，即认为在累计工作 1 500～ 2 500 h 之间的失效问题主要影响因素是疲劳；超过2 500 h 的失效问题，则认为疲劳是其失效的主导因素。总结趋势线走势可知，如果失效走势呈现典型的右正态分布，则认为这种失效问题就是典型的疲劳失效；（2）前车架失效问题总量及上连接板与主板焊缝开裂失效问题都是典型的疲劳失效形式。在 1 500～2 500 h失效的数量总数占比达到 68%，翻斗缸上连接板与主板焊缝开裂失效数量占比达到 87%，前车架的失效问题主要是疲劳失效导致的[5]；（3）动臂缸座后销失效问题则不是典型的疲劳失效形式，它是很均匀地分布在各个时间段内，说明动臂缸失效的形式与疲劳有较低的关联性，在其失效过程中极限载荷以及冲击等其他因素起着主要的作用；（4）假设构件在许用载荷下每2 min 完成一个工作循环，则构件疲劳失效的循环次数为 45 000～75 000 次。即认为构件在循环工作 45 000 次后，失效的原因很大概率是由疲劳引起的[6]。

图3 不同部位失效累计工作时间统计分析Fig.3 Statistical analysis of cumulative working time of failure in different parts

2.3 不同机型部位失效统计分析

对样本数据进行不同机型部位失效统计，如表 4 所示。根据统计表生成关于不同机型部位开裂统计折线图，如图 4 所示。

表4 不同机型部位失效统计Tab.4 Failure statistics of different models

由表4和图4可知：（1）翻斗缸上连接板与主板焊缝失效的问题主要集中在5 吨机上，占比高达95%。在 5 吨机中，又集中体现在 LG855 机型上，占比高达91%；（2）6 吨机的主要失效问题是动臂油缸座周围焊缝失效，占比高达 79%；（3）对于动臂缸座后销失效问题，5 吨机发生 16 起，占比 42%，6 吨机发生22 起，占比 58%，说明这个失效问题是普遍存在的。

图4 不同机型部位开裂统计分析Fig.4 Statistical analysis of cracks in different models

2.4 不同机型失效累计工作时间统计分析

对样本数据进行不同机型失效累计工作时间统计，如表 5 所示。

根据统计表生成关于不同机型失效累计工作时间的折线图，如图 5 所示。由表5 和图5 可知：（1）总失效走势线，5 吨机失效走势线，LG855机型失效走势线均是右正态分布，可认为构件失效大多数都和疲劳失效相关；（2）6 吨机的失效走势则不符合右正态分布，它是均匀分布在各时间段上，这是由于 6 吨机的失效问题主要是动臂缸座后销焊缝失效[7]。极限载荷以及强烈冲击均可造成构件突然失效，因此 6 吨机不仅需要考虑到疲劳失效，还需要考虑以上2 个因素。

表5 不同机型失效累计工作时间统计Tab.5 Total failure working time statistics of different models

图5 不同机型失效累计工作时间统计分析Fig.5 Statistical analysis of cumulative failure working time of different models

2.5 地域对于不同部位失效累计工作时间的统计分析

图6 和图 7 分别表示工作地点在北方和南方时不同部位失效累计工作时间的统计分析折线图。由图 6 和图 7 可知：（1）北方的构件失效走势基本与总的构件失效走势是一致的，说明构件失效大部分集中在北方，占比 70%。另一方面说明温度对构件寿命存在一定影响，北方冷，构件变脆，塑性变差，受到冲击时易断裂，动臂缸座后销在500～1 000 h 断裂达到极值 8 个也说明这个原因。

图6 不同部位失效累计工作时间统计分析（北方）Fig.6 Statistical analysis of cumulative working time of failure in different parts (North)

图7 不同部位失效累计工作时间统计分析（南方）Fig.7 Statistical analysis of cumulative failure working time in different parts (South)

（2）南方的构件失效走势则与总的构件走势有些不同。主要体现在翻斗缸上连接板与主板焊缝的构件失效走势明显右移，则说明在南方的构件疲劳失效性能要优于北方，也进一步说明了温度对构件的疲劳性能存在一定的影响。

3 结论

通过统计分析，总结如下：（1）翻斗缸上连接板与主板焊缝以及动臂缸座后销焊缝失效是前车架质量故障的主要体现点；（2）疲劳失效是前车架构件（焊缝）失效的最主要因素；（3）5 吨机的失效问题主要体现在翻斗缸上连接板与主板焊缝失效问题上，疲劳失效是其最主要因素；6 吨机的失效问题主要体现在动臂缸座后销焊缝失效问题上，考虑疲劳的同时也要兼顾考虑冲击及极限载荷。（4）南北方构件失效存在一定差异，温度对构件的疲劳性能存在一定的影响。