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临沂工程机械股份有限公司的一台ZL40装载机动臂上横梁发生断裂,动臂原结构及断裂位置见图1所示。由此,查找断裂发生的原因,并对上横梁结构及动臂加工工艺进行了改进。

  1 原因分析

  在排除了使用不当或者连接件损款导致上横梁断裂的可能性后,分析动臂结构,上横梁两端焊接在动臂板之间而刚性固定,支撑3焊在上横梁上,并焊贴在动臂板上。使用中,当翻头号缸促进使铲斗动作时,摇臂所受力通过支撑传递给上横梁和动臂板,上横梁受剪切力和弯矩力作用,其大小,方向经常变化,可见,上横梁本身应有足够的抗弯强度。同时,我们将上横梁断口对齐,测量了图1A-A截面处的动臂宽度尺寸L,参见图2a,测得上部实际尺寸L1为1208mm,下部L2为1105mm,与设计尺寸1210mm相差很大,这说明该动臂截面呈“喇叭口”状。又对未损动臂进行了测量,发现也不同程度地呈现“喇叭口”现象。因此,在实际使用中使动力臂上横梁受力变得更为复杂,加剧了横梁的破坏。现把“喇叭口”动臂截面变形简化如图2a所示,并对动臂举升进作受力分析。此时,上横梁的受力为重物对动臂板的压力G和液压缸对动臂的举力F。

  喇叭形动臂在载物升降过程中,由于所受压力G和举力F不重合,在上横梁内产生弯矩,引起了内应力,横梁上部受拉应力,下部受压应力,如图2b所法,最大应力位于上横梁上缘。

  当内应力超过横梁的弯曲许用应力时,就会引起断裂。况且,内应力随着动臂升降是不断变化的动载荷,在使用中也会促使动臂喇叭口状逐渐加剧,在横梁的薄弱部位产生疲劳裂纹,并迅速扩展,引起断裂;另外,由于横梁上焊缝长1m以上,手工焊时可能出现的未焊透、未熔合、夹渣等缺陷,都是引起焊缝开裂的原因。

  2 结构工艺改进

  使用中动臂上横梁受力复杂,内应力较大,因此在其结构上必须保证有足够的抗弯强度。由于横梁截面面积相对动臂侧面过小,并且位置有动臂板偏上方,焊角高度又很大,焊接后动臂板上下部分变形不一样,而使动臂呈“喇叭口”截面。因此,我们改进了横梁的结构形状,以保证L1、L2的结构尺寸,避免出现“喇叭口”形状,改变受力状况,并使焊缝位置避开最大应力处,同时还并加大了它的截面积,提高其抗弯强度,改时前后的横梁截面如图3(b)所示,同时,对上横梁截面相对于动臂位置也作了变动。

  在工艺上,人工焊接改为机器人自动焊接,提高了焊缝质量;调整动臂的焊接顺序,减少焊后变形;增加焊后检查校正工序。

  ZL40装载机动臂经过以上改进,质量提高,寿命延长,在使用中再未了现断裂,开焊现象。

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