修机|挖掘机铲斗开裂原因分析及改进方法

1 故障现象

挖掘机铲斗由高强度钢板焊接而成，是挖掘机实现挖掘功能的执行部件，其质量的好坏直接影响挖掘机的工作性能。某型号挖掘机使用一段时间后，铲斗耳板及耳板下部的垫板出现开裂。耳板出现开裂部位多发生在前端及后端燕尾处，垫板开裂则发生在其侧边焊缝，铲斗开裂情况如图 1 所示。

2 原因分析

2.1 耳板开裂原因

铲斗的耳板用于连接铲斗与斗杆，垫板是耳板燕尾处的加强板。耳板及垫板作为铲斗挖掘驱动力的传递件，受力较大。铲斗挖掘时在受到正向力的同时还受到侧向力的作用，加剧了耳板受力的复杂性。结构件的制造精度有限，与理想尺寸存在一定偏差（尤其对称度的偏差）。耳板前端作为力的直接传递点，如果强度不足，很容易开裂。耳板燕尾处为弧形，力的传递方向为向内压。如果应力不能有效释放，会造成耳板最远处即燕尾部分产生较大应力集中，从而产生开裂。 

2.2 垫板开裂原因

铲斗耳板下部的垫板用于传递耳板承受的压力，将耳板的部分压力传递给铲斗斗底的主弧板。垫板开裂主要表现为垫板与主弧板的搭接焊缝开裂。垫板下部与主弧板贴合，上部与耳板连接，按照结构分析和理论计算，受力应该不大。根据仿真分析结果表明，垫板部位也不存在应力集中现象，推断垫板的开裂主要是由于主弧板和垫板全部为圆弧结构，折弯时很难保证圆弧完全相符，使垫板与主弧板贴合不紧，板与板之间存在间隙，如图 2 所示。二者之间存在间隙，造成垫板主体几乎不受力，外力全部通过焊缝作用在主弧板上，导致焊缝受力过大，引起焊缝开裂。

3 改进方法

为了解决耳板与垫板容易开裂问题，我们采取了以下措施。

3.1 耳板改进方法

耳板前端容易开裂，其主要原因是强度不足，为此应增加耳板前端的强度，改进前结构如图 3a 所示。改进包括以下 2 个方面：一是在耳板与铲斗弯板之间增加加强筋，以有效提高耳板局部强度；二是针对耳板前端与底板之间的连接部位较短，适当延长前端燕尾长度，以缓解耳板应力集中。耳板增加加强筋及耳板前端顺延的改进方法如图3b 所示。

使用仿真分析软件，对铲斗进行疲劳分析，发现燕尾处存在应力集中现象。将耳板外形由内弧形改进为外弧形，仿真分析结果显示应力明显降低。通过多次应力分析矫正，得到应力集中最小的改进方案。根据仿真结果，对耳板结构进行改进。耳板燕尾处与垫板相连，耳板燕尾处的具体尺寸应与垫板改进综合考虑，再进行确定。

3.2 垫板改进方法

解决垫板开裂的问题，根本方法是提高垫板与主弧板的贴合度，改进前结构如图 4a 所示。共有 2 项改进措施：一是顺延耳板尾部的燕尾长度；这样既能增加垫板与耳板之间的焊缝长度，提高垫板与斗底主弧板的贴合，还能进一步减小耳板燕尾的应力集中，降低耳板燕尾的开裂风险。二是在垫板上加工长圆孔，在长圆孔上增加焊缝，以提高贴合程度。将耳板尾部延长、改变耳板外弧形结构、在垫

板上增加长圆孔方法如图 4b 所示。

改进方法确定后，根据加工、焊接工艺，对相关尺寸及焊缝结构进行优化，再按照优化后的尺寸制作出样品铲斗进行试验。试验结果表明，铲斗经过以上方法改进后强度得到了明显提升，铲斗开裂故障率高的问题得到有效控制。

来源《工程机械与维修》2019年第五期