小型挖掘级斗杆开裂原因分析及改进方法

为解决某小型3.5t液压挖掘机斗杆容易开裂故障，我们在进行焊接工艺和应力分析的基础上，改进了斗杆结构和焊接工艺，取得了明显成效。

1.故障现象

1台小型3.5t液压挖掘机使用过程中出现斗杆开裂故障。该挖掘机斗杆由侧板、U形板及底板组成，其开裂起点正好位于侧板、U形板及底板的交汇处，并向底板延伸，如图1所示。改进前斗杆结构如图2所示。

2.故障分析

（1）结构不合理

分析认为，由于该挖掘机斗杆开裂部位位于U形板、侧板和底板组合而成的焊缝交汇处，且侧板底部尺寸较长，超过底板与U形板焊缝位置，造成U形板、侧板和底板交汇处的焊缝结构比较复杂，很难达到焊接技术要求。

（2）焊缝有缺陷

该挖掘机斗杆底板分别与U形板和侧板搭接，焊接后均形成角焊缝。侧板与U形板搭接，焊接后形成对接焊缝。由于侧板的板材较厚、尺寸较大，且侧板与底板需要进行角焊，侧板与U形板需要进行对接焊，造成此处焊缝需要进行3次焊接。由于焊接过程中产生多次起弧、收弧和断弧操作，造成焊缝处板材较薄的底板的机械性能降低，产生应力集中点，导致底板发生断裂。

3.改进方法

（1）优化结构

改进后的斗杆结构如图3所示。优化结构主要是将侧板底部尺寸缩短，使焊缝在底板上部。改进后，侧板与底板、U形板与底板的角焊缝连接顺畅，满足了T形焊缝焊接交汇区域内必须连续焊接的要求，可使整个底板与U形板和侧板的焊缝在同一平面一次完成焊接。此种结构在焊接时对板材的热影响最小。

（2）改进焊接工艺

斗杆T形焊缝具体施焊过程为：先在T形接头交点区域进行打底焊，接着从起弧部位起弧，满焊T型焊缝。焊接过程连贯、顺畅，从而避免了起弧、收弧和断弧操作。

4.改进效果

斗杆结构和焊接工艺改进后，我们采用等条件原则对斗杆进行了改进前、后的应力分析。

为便于进行应力分析，我们假设焊前和焊后斗杆板材性能一致，材质均为Q345B钢板。该钢板的抗拉强度为470～630mPa，材料密度为7，85×10³/m³，泊松比为0.3，杨氏弹性馍量为2，1×10⁵MPR。

进行应力分析时，需建立斗杆结构三维模型，采用六面体和四面体实体单元对斗杆进行网格划分，施加载荷并定义边界约束条件。为此确定加载载荷F_w为22kN（此载荷为理论载荷的1.35倍）；斗杆底板采用全约束，而在A、B、c铰接点约束3个方向的平动自由度和2个方向的转动自由度，释放绕销轴旋转方向的旋转自由度。如图4所示。

分析结果表明，改进前斗杆最大应力为349.39 MPa，最大应力点位于U型板、侧板与底板的焊缝交汇处P点（见图2）。改进前由于P点正处于底板截面积变化处，造成焊缝中断，导致底板断裂。而改进后斗杆最大应力P点处于u型板与侧板交汇处（见图3），改进后斗杆的安全系数可达1.732。

改进后的斗杆结构设计更合理、焊接工艺性好、焊缝质量提高，消除了U形板、侧板和底板焊缝交汇处应力集中和开裂问题，提高了斗杆安全系数，延长了斗杆使用寿命。

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