关于动臂后端裂纹形成原因的分析 - 文章

关于动臂后端裂纹形成原因的分析

newmaker

动臂作为挖掘机的易损结构件，对整车的安全可靠性有着重要影响。无论是国产还是进口机型都有后端开裂的情况发生，现对２２吨级、最大挖掘力为１１０ＫＮ的挖掘机动臂进行强度校核。

取一常见裂纹形成面加以分析，材质为１６Ｍｎ，板厚为１４ｍｍ，尺寸如图１：

（１）、由弯矩方程：σ＝（Ｍ×ｙ）／Ｊ，式中
Ｊ＝∫Ｆｙ２ｄＦ，ｄＦ及为阴影部分面积，（如图２）

经计算此端面的惯矩Ｊ＝４．４２×１０ｍ，把工作装置假设为整体刚性件，由于履带长度和整车稳定性的影响，实现最大挖掘力时受力点到此截面的力臂不大于２．５ｍ，所以Ｍ＝１１０×１０×２．５＝２．７５×１０ＮＭ，可得此处：
σ＝２．７５×１０×０．１８６÷（４．４２×１０）＝１１６ＭＰ＜σ＝２３１ＭＰ

表明此端面处可满足弯曲强度要求。

（２）、由剪应力方程：τ＝（Ｑ×Ｓｚ）／Ｊ×ｂ，（如图３）

式中Ｓｚ为阴影部分面积到Ｚ轴的静矩，由剪应力方程可知在中性轴（ｚ轴）处剪应力最大，经计算端面的惯矩
Ｊ＝４．４２×１０ｍ，
Ｓｚ＝１／２×ｂ×１／４×ｈ
＝０．１２５×（３６４×４４２×４４２—３３６×４１４×４１４）×１０＝１．６９×１０ｍ
所以：τ＝１１０×１０×１．６９×１０／（４．４２×１０×０．１８２）＝４５ＭＰ＜τ＝１３３ＭＰ

表明此处可满足剪应力强度要求。

（３）、由扭转方程：τ＝（Ｍ×ｒ）／Ｊ，把此处结构近似为截面积相等的圆环形结构得：Ｊｐ＝０．５×π×（Ｒ－ｒ）＝０．５×π×（２９８－２８４）×１０
＝２．１７×１０

假设铲斗在最大挖掘力挖掘时只有一个侧齿受力，铲斗宽为１１００ｍｍ，则扭矩：Ｍ＝１１０×１０×０．５５＝６．０５×１０
所以τ＝６．０５×１０×２９８×１０÷（２．１７×１０）
＝８．３１ＭＰ＜τ＝１３３ＭＰ

由此可见，表明此处可满足扭转强度要求。

综上所得，从设计角度来说，此处不应产生裂纹，后把动臂割开后发现，在此处有一块加强板，裂纹都在加强筋上，初步分析为加强筋造成此处刚度大，制约了侧板的变形，引起应力集中，造成应力破坏。由于动臂在拼焊过程中，先拼上盖板，再拼两侧板，最后拼下盖板，这就造成下盖板和内部的加强筋无法拼焊，动臂后端加强筋板和下盖板之间大约有几毫米左右的间隙，具体如附图４：

如此可见，该处筋板对上下盖板不起支撑作用，仅对两侧板起支撑作用，对动臂进行应力分析可得动臂在工作过程中主要受弯矩作用，在弯曲变形过程中侧板在靠近下盖板侧板焊道终点处（标记１处）造成应力集中，产生裂纹。

由此事可见，对于结构件的设计并不是越强越好，适当的降低其刚度有利于材料的塑性变形。不但能降低成本，而且能提高产品的性能。

(投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2004-6-2，阅读1405次)

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