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)動大型挖掘機，又稱挖掘機、繩鏟、鋼纜鏟，作為千萬噸級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)公認的機型。伴隨著國內(nèi)外礦山及采礦設(shè)備的大型化趨勢，大型挖掘機的普及在提高生產(chǎn)效率、更低使用成本的前提下也給礦山帶來一系列挑戰(zhàn)［1-5］。在現(xiàn)場缺少維修設(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在挖掘中的主要承壓部件，雖然其設(shè)計使用壽命多為20年，但由于挖掘過程中受載復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣且操作不當以及日常點檢維護困難，難以避免出現(xiàn)起重臂跟腳損壞問題［6］。然而，在進行起重臂跟腳焊接修復(fù)時，焊接變形成為一個制約因素，往往會導(dǎo)致起重臂與回轉(zhuǎn)平臺間的協(xié)作尺寸失調(diào)，從而影響挖掘機的正常運轉(zhuǎn)。因此，本文針對大型挖掘機起重臂跟腳的更換及焊接變形問題，以太原重工礦山設(shè)備分公司W(wǎng)K-10B型挖掘機為例，通過有限元分析起重臂跟腳的焊接殘余應(yīng)力與變形，同時探索在現(xiàn)場更換單側(cè)起重臂跟腳的可行性，這將為采礦生產(chǎn)節(jié)省大量時間和成本。

1 挖掘機主要結(jié)構(gòu)及起重臂特點

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

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

2 起重臂跟腳現(xiàn)場更換的難點

起重臂是挖掘機工作時需持續(xù)承載的主機結(jié)構(gòu)件，載荷變化大，種類繁多。通常起重臂通過跟腳與挖掘機的機械連接進行作業(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)濟成本的高昂。此外，起重臂跟腳更換的難點在于跟腳銷孔與平臺耳子之間的配合尺寸，起重臂鋼板材質(zhì)為高強合金鋼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，進而導(dǎo)致無法裝配至回轉(zhuǎn)平臺或者出現(xiàn)過大的間隙，造成推壓減速機箱體偏心、挖掘時震動劇烈，最終導(dǎo)致其他主要機構(gòu)失效乃至產(chǎn)生更大的經(jīng)濟損失。鑒于起重臂跟腳銷孔為配合加工，在車間生產(chǎn)時皆為先裝配后加工，加工余量的存在削弱了對焊接變形的嚴格控制。而在礦山現(xiàn)場受環(huán)境所限，使得這項工作變得極為困難。

針對此種情況，引入工藝假軸及模板，通過合理制定裝焊順序，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、電弧氣刨工具、CO2氣保焊焊機、焊槍、保護套及焊嘴等；氧乙炔切割工具及預(yù)熱烤把、預(yù)熱嘴等；千斤頂、模板/工藝假軸及測量工具、角磨機、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

將起重臂從挖掘機上拆離并轉(zhuǎn)移至安全區(qū)域準備修復(fù)。建議在配有裝配平臺的車間修復(fù)，以確保水平和尺寸校準。為保障安全，建議使用三個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，對筋板實施焊接修復(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，確保定位的準確性，如圖4所示。由于該跟腳已精細加工，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 ℃；焊接過程中保持層間溫度低于100 ℃并注意防風，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，從外部對蓋板均勻點焊，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，進行點焊和由蓋板、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，仍然需要先進行點焊和由蓋板、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 模型簡化

由于本次計算的重點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。為了便于計算、減少計算成本，本次有限元分析采用局部簡化。采用二維模型，模型截面來自于新跟腳附近區(qū)域，如圖5中的藍色虛線部分所示；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，能量越小。該模型表達式為［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為焊接熱源瞬時位置。

4.2 有限元模型的建立及邊界條件

選用8節(jié)點熱力耦合、縮減積分及沙漏控制的C3D8RT單元進行模擬，單元數(shù)量為54 415，同時對起重臂跟腳區(qū)域進行適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)簡化，建立其二維模型，并進行網(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)定在藍色實線圓圈所示的位置，同時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)過程之后，經(jīng)過有限元計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)力的計算表達式如式（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為屈服強度，板厚小于65 mm板的屈服強度為320 MPa；K為材料的強度安全系數(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)力的分布對于解決銷孔周圍的焊接變形問題非常重要。進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，在局部區(qū)域沿著負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65 MPa，遠超過下側(cè)的收縮應(yīng)力（45 MPa），如圖8e所示。這種殘余變形可能會給后續(xù)跟腳的裝配和使用帶來很大的困難。

為了解決這種變形問題，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后能夠滿足使用要求。

通過對比分析可知：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，且變形位置遠離銷孔中心。這種改進有助于確保起重臂跟腳修補后能滿足使用要求，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的結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理，分析了其在采礦生產(chǎn)過程中的所面臨的使用環(huán)境和功能。同時，深入探討了挖掘機故障診斷及維修關(guān)鍵技術(shù)，并成功解決挖掘機故障成為制約采礦生產(chǎn)的瓶頸問題。此外，通過有限元分析計算焊接殘余應(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)果對于解決銷孔周圍的焊接變形問題至關(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65 MPa，遠大于下側(cè)的收縮應(yīng)力（45 MPa）。

（3）通過應(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基本一致。但是，在針對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，并且變形位置遠離銷孔中心。這種改善有助于確保起重臂跟腳修補后能夠符合使用要求，并減少后續(xù)裝配難度。