基于統(tǒng)計裝載機前車架的故障分析研究

魏抗抗，李煉煉

（201612 上海市 中聯(lián)重科樁工機械有限公司）

0 引言

前車架是裝載機的核心結(jié)構(gòu)件之一，連接著動臂、后車架以及油缸等重要的其他結(jié)構(gòu)件，承擔著裝載機工作時的大部分重量，因此其發(fā)生故障的概率較其他構(gòu)件失效的概率更高。構(gòu)件失效的形式有很多，常見疲勞失效、沖擊失效以及極限載荷失效等[1]，而構(gòu)件失效又與許多因素有關(guān)，包括發(fā)生故障的部位、失效累計工作時間、機型等，所以有必要采取有效統(tǒng)計手段分析研究這些失效形式與故障因素的內(nèi)在聯(lián)系，對后續(xù)車架及結(jié)構(gòu)件的研究奠定基礎(chǔ)。

1 前車架主要故障點

統(tǒng)計樣本發(fā)現(xiàn)，前車架共有 8 個主要故障點，分別是：（1）外翼板與中加強板焊縫；（2）動臂座法蘭貼板與外翼板焊縫；（3）上橫加強板與外翼板焊縫；（4）翻斗缸上連接板與主板焊縫；（5）側(cè)箱主板與動臂缸座法蘭焊縫；（6）動臂缸后銷焊縫；（7）動臂缸后銷與主板焊縫；（8）上鉸接座加強板焊縫。具體如圖 1 所示。

圖1 前車架的主要故障點Fig.1 Main fault points of front frame

在100 個前車架故障統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，翻斗缸上連接板與主板焊縫故障次數(shù)最多，達到 46 起；動臂缸后銷焊縫次之，達到 38 起；還存在一個車架多起故障的情況[2]。統(tǒng)計如表 1 所示。

表1 前車架故障部位統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of fault parts of front frame

2 統(tǒng)計分析

2.1 2020～2021 年各季度不同部位故障統(tǒng)計分析

對樣本數(shù)據(jù)進行不同季度、不同部位的故障統(tǒng)計，結(jié)果見表 2 。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)生成折線圖，如圖 2 所示。

表2 各季度不同部位的故障統(tǒng)計Tab.2 Fault statistics of different parts in each quarter

由表1 和圖2 可知，故障部位主要集中在上連接板與主板以及動臂缸后銷2 個部位，占比分別達到 43%以及 35.5%。說明這2處是前車架的受力薄弱點，應(yīng)該對其加強優(yōu)化或改良，但是這2 處部位具體以什么形式失效還不得而知，因此需要對數(shù)據(jù)進行進一步的分析研究[3]。

另外由圖2 可知，隨著時間線的變化，故障部位的失效數(shù)目也在發(fā)生變化，總體呈下降趨勢，說明故障問題在逐步改善。

圖2 前車架 2020-2021 年各季度不同部位故障統(tǒng)計分析Fig.2 Statistical analysis of faults in different parts of front frame in 2020-2021 seasons

2.2 不同部位失效累計工作時間統(tǒng)計分析

對樣本數(shù)據(jù)進行不同部位失效累計工作時間統(tǒng)計，如表 3 所示。不同部位的失效累計工作時間可以反映出構(gòu)件的疲勞狀態(tài)。如果構(gòu)件在累計工作一定小時之前發(fā)生失效，則認為構(gòu)件失效與疲勞有較低的相關(guān)性；而在一定時間段內(nèi)，構(gòu)件出現(xiàn)大量的失效問題，則認為構(gòu)件失效與疲勞有強關(guān)聯(lián)性[4]。

表3 不同部位失效累計工作時間統(tǒng)計Tab.3 Cumulative working time statistics of failure in different parts

根據(jù)表3 生成關(guān)于不同部位失效累計工作時間的折線圖，如圖 3 所示，由表3 和圖3 可知：（1）構(gòu)件失效與疲勞有較低相關(guān)性的時間點是 1 000 h，即認為在累計工作1 000 h 之前的失效問題與疲勞關(guān)聯(lián)性較低；構(gòu)件失效與疲勞有強關(guān)聯(lián)性的時間段是1 500～2 500 h，即認為在累計工作 1 500～ 2 500 h 之間的失效問題主要影響因素是疲勞；超過2 500 h 的失效問題，則認為疲勞是其失效的主導因素?？偨Y(jié)趨勢線走勢可知，如果失效走勢呈現(xiàn)典型的右正態(tài)分布，則認為這種失效問題就是典型的疲勞失效；（2）前車架失效問題總量及上連接板與主板焊縫開裂失效問題都是典型的疲勞失效形式。在 1 500～2 500 h失效的數(shù)量總數(shù)占比達到 68%，翻斗缸上連接板與主板焊縫開裂失效數(shù)量占比達到 87%，前車架的失效問題主要是疲勞失效導致的[5]；（3）動臂缸座后銷失效問題則不是典型的疲勞失效形式，它是很均勻地分布在各個時間段內(nèi)，說明動臂缸失效的形式與疲勞有較低的關(guān)聯(lián)性，在其失效過程中極限載荷以及沖擊等其他因素起著主要的作用；（4）假設(shè)構(gòu)件在許用載荷下每2 min 完成一個工作循環(huán)，則構(gòu)件疲勞失效的循環(huán)次數(shù)為 45 000～75 000 次。即認為構(gòu)件在循環(huán)工作 45 000 次后，失效的原因很大概率是由疲勞引起的[6]。

圖3 不同部位失效累計工作時間統(tǒng)計分析Fig.3 Statistical analysis of cumulative working time of failure in different parts

2.3 不同機型部位失效統(tǒng)計分析

對樣本數(shù)據(jù)進行不同機型部位失效統(tǒng)計，如表 4 所示。根據(jù)統(tǒng)計表生成關(guān)于不同機型部位開裂統(tǒng)計折線圖，如圖 4 所示。

表4 不同機型部位失效統(tǒng)計Tab.4 Failure statistics of different models

由表4和圖4可知：（1）翻斗缸上連接板與主板焊縫失效的問題主要集中在5 噸機上，占比高達95%。在 5 噸機中，又集中體現(xiàn)在 LG855 機型上，占比高達91%；（2）6 噸機的主要失效問題是動臂油缸座周圍焊縫失效，占比高達 79%；（3）對于動臂缸座后銷失效問題，5 噸機發(fā)生 16 起，占比 42%，6 噸機發(fā)生22 起，占比 58%，說明這個失效問題是普遍存在的。

圖4 不同機型部位開裂統(tǒng)計分析Fig.4 Statistical analysis of cracks in different models

2.4 不同機型失效累計工作時間統(tǒng)計分析

對樣本數(shù)據(jù)進行不同機型失效累計工作時間統(tǒng)計，如表 5 所示。

根據(jù)統(tǒng)計表生成關(guān)于不同機型失效累計工作時間的折線圖，如圖 5 所示。由表5 和圖5 可知：（1）總失效走勢線，5 噸機失效走勢線，LG855機型失效走勢線均是右正態(tài)分布，可認為構(gòu)件失效大多數(shù)都和疲勞失效相關(guān)；（2）6 噸機的失效走勢則不符合右正態(tài)分布，它是均勻分布在各時間段上，這是由于 6 噸機的失效問題主要是動臂缸座后銷焊縫失效[7]。極限載荷以及強烈沖擊均可造成構(gòu)件突然失效，因此 6 噸機不僅需要考慮到疲勞失效，還需要考慮以上2 個因素。

表5 不同機型失效累計工作時間統(tǒng)計Tab.5 Total failure working time statistics of different models

圖5 不同機型失效累計工作時間統(tǒng)計分析Fig.5 Statistical analysis of cumulative failure working time of different models

2.5 地域?qū)τ诓煌课皇Ю塾嫻ぷ鲿r間的統(tǒng)計分析

圖6 和圖 7 分別表示工作地點在北方和南方時不同部位失效累計工作時間的統(tǒng)計分析折線圖。由圖 6 和圖 7 可知：（1）北方的構(gòu)件失效走勢基本與總的構(gòu)件失效走勢是一致的，說明構(gòu)件失效大部分集中在北方，占比 70%。另一方面說明溫度對構(gòu)件壽命存在一定影響，北方冷，構(gòu)件變脆，塑性變差，受到?jīng)_擊時易斷裂，動臂缸座后銷在500～1 000 h 斷裂達到極值 8 個也說明這個原因。

圖6 不同部位失效累計工作時間統(tǒng)計分析（北方）Fig.6 Statistical analysis of cumulative working time of failure in different parts (North)

圖7 不同部位失效累計工作時間統(tǒng)計分析（南方）Fig.7 Statistical analysis of cumulative failure working time in different parts (South)

（2）南方的構(gòu)件失效走勢則與總的構(gòu)件走勢有些不同。主要體現(xiàn)在翻斗缸上連接板與主板焊縫的構(gòu)件失效走勢明顯右移，則說明在南方的構(gòu)件疲勞失效性能要優(yōu)于北方，也進一步說明了溫度對構(gòu)件的疲勞性能存在一定的影響。

3 結(jié)論

通過統(tǒng)計分析，總結(jié)如下：（1）翻斗缸上連接板與主板焊縫以及動臂缸座后銷焊縫失效是前車架質(zhì)量故障的主要體現(xiàn)點；（2）疲勞失效是前車架構(gòu)件（焊縫）失效的最主要因素；（3）5 噸機的失效問題主要體現(xiàn)在翻斗缸上連接板與主板焊縫失效問題上，疲勞失效是其最主要因素；6 噸機的失效問題主要體現(xiàn)在動臂缸座后銷焊縫失效問題上，考慮疲勞的同時也要兼顧考慮沖擊及極限載荷。（4）南北方構(gòu)件失效存在一定差異，溫度對構(gòu)件的疲勞性能存在一定的影響。