挖掘机斗杆上端开裂原因分析与改进

1.开裂现象

某型号挖掘机出厂后工作3000h左右，相继出现斗杆上端开裂现象，开裂部位位于斗杆顶部加强板与斗杆缸活塞杆支座立板衔接的重叠焊缝处。该裂缝造成斗杆底板断裂，且裂缝沿斗杆底板横向延伸。负荷较重的挖掘机斗杆底板几乎断裂，个别挖掘机裂缝已扩展到斗杆的腹板上，如图1所示。

2.原因分析

（1）重复焊接使钢材韧性降低在该型号挖掘机斗杆缸活塞杆支座的原始设计中，底板下端没有加强板。在使用过程中，立板与底板的焊接处出现了底板弯曲变形。为增加底板的刚度，防止底板变形，在后期的产品中补焊了加强板。补焊加强板后，在立板和加强板之间出现重叠焊缝，造成斗杆底板的塑性和韧性降低，导致底板在受力时出现裂纹。

（2）应力集中

挖掘机挖掘作业时，斗杆缸活塞杆支座处受力最大，斗杆缸活塞杆支座处的底板承受拉、压交变应力。而支座立板延伸至加强板处是薄弱点，支座立板向底板延伸较短，造成支座立板与底板衔接处存在应力集中，导致支座立板将底板拉裂。

我们对斗杆缸活塞杆支座进行有限元应力分析后发现，当挖掘机处于最大挖掘力状态时，立板延伸至加强板处的拉应力达到175M P a，加上焊缝焊接时产生的应力，应力集中现象更为明显。

（3）长期使用破碎锤作业

经过对挖掘机用户调查，得知发生斗杆缸活塞杆支座开裂的挖掘机均配装了破碎锤。由于这些挖掘机长期使用破碎锤作业，造成该缸支座承受较大的交变应力，导致其底板开裂。

3.改进方案

为彻底解决斗杆缸活塞杆支座处开裂的问题，我们在原支座铰点位置不变的基础上，对斗杆缸支座结构按以下方案进行了改进。

（1）增加结构强度

增加结构强度采取了2项措施：一是将支座底板2加厚、加长，二是将支座立板3加宽，如图2所示。将支座底板2加厚后，可提高斗杆上端强度和刚度，降低斗杆上端变形和开裂的可能。将支座底板2加长后，避开了高应力区与斗杆底板1 对接， 减小了焊缝的应力。将支座立板3加宽，使其向下多延伸300m m，并使支座立板3截面积逐渐缩小，这种缓慢过渡的结构可减小应力集中。

我们对改进后的斗杆缸支座进行有限元应力分析，发现应力最大值由改进前的1758MPa下降到现在的140.78MPa，而且高应力区面积大大减小。

（2）改进焊接工艺

将支座立板3的焊接方式改为多层焊接，以减小焊接时焊缝部位的发热量。焊后将焊缝过渡部位打磨光滑，以减少应力集中点的产生。改进焊接工艺后，焊缝减少，焊接变形及焊接应力有所减小。

4.改进效果

对该挖掘机斗杆缸活塞杆支座处改进后，在增强其结构强度的同时，减少了焊接工作量，简化了制作工艺，提高了斗杆制作效率。通过小批量试制，投入市场使用后，该型号挖掘机再未出现斗杆上端开裂现象，说明此结构改进取得成功。

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