大型挖掘機(jī)起重臂跟腳更換及其焊接變形控制

張華俊，卞功波

1.太原重工礦山設(shè)備分公司，山西 太原 030024

2.太原理工大學(xué) 材料科學(xué)工程學(xué)院，山西 太原 030024

0 引言

礦用電驅(qū)動(dòng)大型挖掘機(jī)，又稱挖掘機(jī)、繩鏟、鋼纜鏟，作為千萬(wàn)噸級(jí)露天礦山主要的采掘設(shè)備之一，其生產(chǎn)率高、作業(yè)率高、操作成本低，是目前采礦業(yè)公認(rèn)的機(jī)型。伴隨著國(guó)內(nèi)外礦山及采礦設(shè)備的大型化趨勢(shì)，大型挖掘機(jī)的普及在提高生產(chǎn)效率、更低使用成本的前提下也給礦山帶來(lái)一系列挑戰(zhàn)［1-5］。在現(xiàn)場(chǎng)缺少維修設(shè)備、生產(chǎn)任務(wù)繁重、工期緊張、工況惡劣等情況下，挖掘機(jī)的維修保養(yǎng)工作一直是礦山設(shè)備管理的重中之重。特別是起重臂作為挖掘機(jī)在挖掘中的主要承壓部件，雖然其設(shè)計(jì)使用壽命多為20年，但由于挖掘過(guò)程中受載復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣且操作不當(dāng)以及日常點(diǎn)檢維護(hù)困難，難以避免出現(xiàn)起重臂跟腳損壞問(wèn)題［6］。然而，在進(jìn)行起重臂跟腳焊接修復(fù)時(shí)，焊接變形成為一個(gè)制約因素，往往會(huì)導(dǎo)致起重臂與回轉(zhuǎn)平臺(tái)間的協(xié)作尺寸失調(diào)，從而影響挖掘機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，本文針對(duì)大型挖掘機(jī)起重臂跟腳的更換及焊接變形問(wèn)題，以太原重工礦山設(shè)備分公司W(wǎng)K-10B型挖掘機(jī)為例，通過(guò)有限元分析起重臂跟腳的焊接殘余應(yīng)力與變形，同時(shí)探索在現(xiàn)場(chǎng)更換單側(cè)起重臂跟腳的可行性，這將為采礦生產(chǎn)節(jié)省大量時(shí)間和成本。

1 挖掘機(jī)主要結(jié)構(gòu)及起重臂特點(diǎn)

WK-10B型挖掘機(jī)的起重臂采用便于焊接、強(qiáng)度高的箱形結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)在于：制造缺陷少，使用壽命較長(zhǎng)，質(zhì)量輕，焊接質(zhì)量高，生產(chǎn)周期短。挖掘機(jī)的主要機(jī)構(gòu)包括：回轉(zhuǎn)平臺(tái)及上部機(jī)構(gòu)（1），起重臂（2），斗桿、斗體（3），履帶架、底架梁及下部機(jī)構(gòu)（4），如圖1a所示。

圖1 挖掘機(jī)主要機(jī)構(gòu)示意Fig.1 Main mechanism of the excavator

2 起重臂跟腳現(xiàn)場(chǎng)更換的難點(diǎn)

起重臂是挖掘機(jī)工作時(shí)需持續(xù)承載的主機(jī)結(jié)構(gòu)件，載荷變化大，種類繁多。通常起重臂通過(guò)跟腳與挖掘機(jī)的機(jī)械連接進(jìn)行作業(yè)，因此在跟腳銷孔區(qū)域極易產(chǎn)生局部裂紋，如圖1b中的黃色陰影部分所示。若全新更換，經(jīng)濟(jì)成本的高昂。此外，起重臂跟腳更換的難點(diǎn)在于跟腳銷孔與平臺(tái)耳子之間的配合尺寸，起重臂鋼板材質(zhì)為高強(qiáng)合金鋼A633D，跟腳材質(zhì)為鑄件ZG25，材料硬度大且厚，起重臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接工作量大導(dǎo)致焊接變形不可避免。變形后將使得配合尺寸產(chǎn)生偏差，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)法裝配至回轉(zhuǎn)平臺(tái)或者出現(xiàn)過(guò)大的間隙，造成推壓減速機(jī)箱體偏心、挖掘時(shí)震動(dòng)劇烈，最終導(dǎo)致其他主要機(jī)構(gòu)失效乃至產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)損失。鑒于起重臂跟腳銷孔為配合加工，在車間生產(chǎn)時(shí)皆為先裝配后加工，加工余量的存在削弱了對(duì)焊接變形的嚴(yán)格控制。而在礦山現(xiàn)場(chǎng)受環(huán)境所限，使得這項(xiàng)工作變得極為困難。

針對(duì)此種情況，引入工藝假軸及模板，通過(guò)合理制定裝焊順序，不僅有效抑制了焊接變形，而且假軸及模板的使用也免除了其他夾具對(duì)起重臂所造成的損傷。

3 修復(fù)工藝制定

3.1 所需工具

空壓機(jī)、電弧氣刨工具、CO2氣保焊焊機(jī)、焊槍、保護(hù)套及焊嘴等；氧乙炔切割工具及預(yù)熱烤把、預(yù)熱嘴等；千斤頂、模板/工藝假軸及測(cè)量工具、角磨機(jī)、楔子，C形卡、探傷所需工具、夾具及固定塊。

3.2 制作工藝假軸和模板

按照銷孔尺寸直徑制作工藝假軸，材料選用A345鋼管，長(zhǎng)度約3 m；按起重臂跟角半圓處內(nèi)徑制作跟腳定位板，如圖2所示。

圖2 工藝假軸及定位夾具、定位板的制作Fig.2 Production of process dummy shafts，positioning fixtures，and positioning plates

3.3 拆卸并調(diào)平起重臂

將起重臂從挖掘機(jī)上拆離并轉(zhuǎn)移至安全區(qū)域準(zhǔn)備修復(fù)。建議在配有裝配平臺(tái)的車間修復(fù)，以確保水平和尺寸校準(zhǔn)。為保障安全，建議使用三個(gè)腳架放置木塊或鋼塊以調(diào)平起重臂。清理干凈根腳及附近的油、漆、銹及其他污染物。

3.4 切割蓋板并安裝新跟腳

如圖3所示，精確切割且不觸及內(nèi)部（筋板）；切割起重臂跟腳；由于板材厚度為24 mm，考慮到加工余量、焊接成本與變形，本次焊接采用Y形坡口，角度選取45°，鈍邊高度取2 mm，同時(shí)為了保證鈍邊熔透，根部間隙取2～4 mm。按上述要求制作坡口，并打磨，如有必要，對(duì)筋板實(shí)施焊接修復(fù)。

圖3 劃線移除部分蓋板并移除起重臂跟腳示意Fig.3 Schematic diagram of removing part of the cover plate and removing the heel of the lifting arm by marking

按圖紙要求，采用自制卡具和模板輔助裝配新的起重臂跟腳，確保定位的準(zhǔn)確性，如圖4所示。由于該跟腳已精細(xì)加工，因此裝配及焊接要求較高。

圖4 裝配新起重臂跟角及工裝夾具示意Fig.4 Schematic diagram of assembling new boom heel and fixture

3.5 焊接工藝的選擇

本次起重臂跟腳采用的焊接工藝參數(shù)如表1所示。焊接方法采用MIG，焊絲使用E71T-5型藥芯焊絲，也可以使用ER70S-6（A5.18）實(shí)心焊絲；正式焊接前將起重臂跟腳預(yù)熱至100 ℃，筋板預(yù)熱至70 ℃；焊接過(guò)程中保持層間溫度低于100 ℃并注意防風(fēng)，以避免夾渣、氣孔等焊接缺陷；預(yù)熱后先完成由蓋板、腹板和翼板組成的內(nèi)部焊縫的焊接；再依次完成封閉區(qū)域的焊接工作，這里的封閉區(qū)域是由新蓋板、起重臂和起重臂跟腳組合而成，如有需要可以使用引/收弧板［7］。

表1 起重臂跟腳焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding process parameters for lifting arm heel foot

3.6 將新蓋板焊接至起重臂上，使用內(nèi)部隔板作為襯板

首先，從外部對(duì)蓋板均勻點(diǎn)焊，根部間隙2～4 mm，以保證鈍邊100%熔透；如果條件允許，可以將起重臂翻身，進(jìn)行點(diǎn)焊和由蓋板、腹板和翼板組成的內(nèi)部焊縫的焊接，否則就需要進(jìn)行仰焊，但不推薦這種方法；在完成最后焊接之前，仍然需要先進(jìn)行點(diǎn)焊和由蓋板、腹板和翼板組成的內(nèi)部焊縫的焊接［7］。首先，預(yù)熱并焊接由蓋板、腹板和翼板組成的內(nèi)部焊縫；然后，將外部焊縫填平后，清理正面和反面，按要求將所有焊縫打磨光滑。具體操作過(guò)程如圖5所示。

圖5 尺寸復(fù)查后移除工裝夾具并裝配新蓋板示意Fig.5 Schematic diagram of removing the fixture and assembling a new cover plate after dimensional review

4 焊接有限元分析

4.1 模型簡(jiǎn)化

由于本次計(jì)算的重點(diǎn)是研究焊接前后起重臂跟腳銷孔的尺寸匹配精度，因此跟腳處的焊接變形與殘余應(yīng)力分布顯得尤為關(guān)鍵。為了便于計(jì)算、減少計(jì)算成本，本次有限元分析采用局部簡(jiǎn)化。采用二維模型，模型截面來(lái)自于新跟腳附近區(qū)域，如圖5中的藍(lán)色虛線部分所示；熱源模型采用高斯面熱源模，熱源的熱量分布如圖6所示。

圖6 高斯面熱源熱量分布Fig.6 Gaussian surface heat source heat distribution diagram

該模型設(shè)定焊接電弧的能量為正態(tài)分布，電弧中心的能量最高，越靠近中心弧光能量越大，離中心位置越遠(yuǎn)，能量越小。該模型表達(dá)式為［8］：

式中qs（x，y）為二維熱通量分布；Qs為電弧的有效熱輸入，文中Qs取280 W；rs為焊接電弧有效加熱范圍，文中rs取值為8 mm；x，y為焊接熱源瞬時(shí)位置。

4.2 有限元模型的建立及邊界條件

選用8節(jié)點(diǎn)熱力耦合、縮減積分及沙漏控制的C3D8RT單元進(jìn)行模擬，單元數(shù)量為54 415，同時(shí)對(duì)起重臂跟腳區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，建立其二維模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終得到起重臂跟腳的焊接有限元分析模型。其中蓋板的邊界條件均設(shè)置為固定約束，約束設(shè)定在藍(lán)色實(shí)線圓圈所示的位置，同時(shí)焊接熱源的起始位置設(shè)定在黃色虛線部位，具體設(shè)置如圖7所示。

圖7 起重臂跟腳的焊接有限元分析模型Fig.7 Finite element analysis model for welding of boom heel

4.3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

不考慮工藝假軸的作用，在起重臂跟腳經(jīng)歷焊接熱循環(huán)過(guò)程之后，經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算得到的焊接殘余應(yīng)力與變形云圖如圖8所示。ZG25材料的許用應(yīng)力為266 MPa，許用應(yīng)力的計(jì)算表達(dá)式如式（2）所示［9］：

圖8 未考慮工藝假軸的作用下焊接殘余應(yīng)力與變形云圖Fig.8 Welding residual stress and deformation cloud map without considering the effect of process dummy axis

式中 ［σ］為材料的許用應(yīng)力；σs為屈服強(qiáng)度，板厚小于65 mm板的屈服強(qiáng)度為320 MPa；K為材料的強(qiáng)度安全系數(shù)，文中K取1.2。

由圖8a、8b可知，起重臂跟腳區(qū)域的最大焊接殘余應(yīng)力為453 MPa，位于焊縫中心位置且范圍較小，表明焊接殘余應(yīng)力具有明顯的局部集中現(xiàn)象。其他部位的焊接殘余應(yīng)力約為200 MPa，主要分布在焊縫周圍的熱影響區(qū)域。這些焊接殘余應(yīng)力的分布對(duì)于解決銷孔周圍的焊接變形問(wèn)題非常重要。進(jìn)一步觀察銷孔周圍區(qū)域情況，此處的最大殘余應(yīng)力僅為31 MPa，分布在結(jié)構(gòu)下方靠近焊縫一側(cè)的區(qū)域，如圖8c所示。同時(shí)，在局部區(qū)域沿著負(fù)x軸方向出現(xiàn)了1.03 mm的撓曲變形，最大變形量位于局部區(qū)域的端部，如圖8d所示。這種撓曲變形的產(chǎn)生是由于跟腳局部區(qū)域的右側(cè)上下收縮應(yīng)力不均衡引起的，上側(cè)的收縮應(yīng)力高達(dá)65 MPa，遠(yuǎn)超過(guò)下側(cè)的收縮應(yīng)力（45 MPa），如圖8e所示。這種殘余變形可能會(huì)給后續(xù)跟腳的裝配和使用帶來(lái)很大的困難。

為了解決這種變形問(wèn)題，考慮了工藝假軸的作用，得到圖9所示的焊接殘余應(yīng)力和變形云圖。由圖9a、9b所示，起重臂跟腳區(qū)域的最大焊接殘余應(yīng)力為453 MPa，位于焊縫中心位置且范圍較小，表明焊接殘余應(yīng)力局部集中在焊縫中心。其他位置的焊接殘余應(yīng)力約為189 MPa，分布在焊縫周圍的熱影響區(qū)域。這與不考慮工藝假軸的情況下得到的焊接殘余應(yīng)力分布基本一致。

圖9 考慮工藝假軸的作用下焊接殘余應(yīng)力與變形云圖Fig.9 Cloud Chart of Welding Residual Stress and Deformation Considering the Effect of Process Dummy Axis

對(duì)于銷孔周圍的焊接變形和殘余應(yīng)力分布情況，根據(jù)圖9c，銷孔周圍的最大殘余應(yīng)力為80 MPa，主要分布于結(jié)構(gòu)上方靠近焊縫的一側(cè)區(qū)域。在銷孔區(qū)域附近則沒(méi)有焊接變形，但在銷孔右側(cè)區(qū)域出現(xiàn)了沿正x方向的撓曲變形，最大變形量為0.11 mm，如圖9d所示。值得關(guān)注的是，在此工藝條件下，撓曲變形量（0.11 mm）相較于之前工藝（1.03 mm）有明顯降低，且變形發(fā)生的位置遠(yuǎn)離銷孔中心。這是由于跟腳局部區(qū)域的右側(cè)上下收縮應(yīng)力達(dá)到平衡，兩側(cè)收縮應(yīng)力均為約為50 MPa，如圖9e所示。這種調(diào)整大大降低了焊接變形，最終使得起重臂跟腳修補(bǔ)后能夠滿足使用要求。

通過(guò)對(duì)比分析可知：在考慮工藝假軸的情況下，起重臂跟腳區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力分布與不考慮工藝假軸的情況基本相同。然而，針對(duì)銷孔周圍的焊接變形方面，采用考慮工藝假軸后的工藝路徑能夠顯著降低撓曲變形，最大變形量從1.03 mm降低到0.11 mm，且變形位置遠(yuǎn)離銷孔中心。這種改進(jìn)有助于確保起重臂跟腳修補(bǔ)后能滿足使用要求，并減少后續(xù)裝配的難度。

5 結(jié)論

文中主要介紹了大型礦山挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理，分析了其在采礦生產(chǎn)過(guò)程中的所面臨的使用環(huán)境和功能。同時(shí)，深入探討了挖掘機(jī)故障診斷及維修關(guān)鍵技術(shù)，并成功解決挖掘機(jī)故障成為制約采礦生產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題。此外，通過(guò)有限元分析計(jì)算焊接殘余應(yīng)力和分析變形結(jié)果表明：

（1）起重臂跟腳區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力分布表明，焊接殘余應(yīng)力主要集中在焊縫中心，峰值應(yīng)力為453 MPa，而其他位置的焊接殘余應(yīng)力約為200 MPa，分布在焊縫周圍的熱影響區(qū)域。這些結(jié)果對(duì)于解決銷孔周圍的焊接變形問(wèn)題至關(guān)重要。

（2）銷孔周圍的最大殘余應(yīng)力為31 MPa，分布在結(jié)構(gòu)下方靠近焊縫一側(cè)的區(qū)域。局部區(qū)域沿著負(fù)x方向出現(xiàn)了1.03 mm的撓曲變形，最大變形量位于局部區(qū)域的端部。這種變形是跟腳局部區(qū)域的右側(cè)上下收縮應(yīng)力不一致所致，上側(cè)的收縮應(yīng)力高達(dá)65 MPa，遠(yuǎn)大于下側(cè)的收縮應(yīng)力（45 MPa）。

（3）通過(guò)應(yīng)用工藝假軸，焊接殘余應(yīng)力和變形能有一定改善。在起重臂跟腳區(qū)域，焊接殘余應(yīng)力的分布與不考慮工藝假軸時(shí)基本一致。但是，在針對(duì)銷孔周圍的焊接變形方面，考慮工藝假軸后的工藝能夠顯著減輕撓曲變形，最大變形量從1.03 mm降低到0.11 mm，并且變形位置遠(yuǎn)離銷孔中心。這種改善有助于確保起重臂跟腳修補(bǔ)后能夠符合使用要求，并減少后續(xù)裝配難度。