進口混凝土泵車臂架耳板斷裂的原因解析及修理
全球和國內(nèi)經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展帶動基本建設快速增加,國內(nèi)相繼出臺一系列混凝土條例和法規(guī),促進各地采用商品混凝土的比例不斷提高,為商品混凝土泵送機械的發(fā)展提供了良好的市場環(huán)境?;炷帘密囈苿屿`活,使用方便,布料臂架具有變幅、曲折和回轉(zhuǎn)三個功能,輸送管道沿著臂架鋪設,在臂架活動范圍內(nèi)可以任意改變混凝土澆注位置,不需在現(xiàn)場臨時鋪設管道;節(jié)省輔助時間,提高功效,泵送量大,澆注質(zhì)量高,正越來越受到施工單位和租賃公司的青睞。但由于混凝土泵車獨特的結構、追求施工效率等原因,泵車的零部件時有損壞。下面針對我公司為某客戶修理的一臺從國外購買的37m進口混凝土泵車,對其損壞原因分析和修復方案實施,一是將此臺泵車修好繼續(xù)投入使用,二是給我們的設計和制造提供一些經(jīng)驗和借鑒,避免產(chǎn)生類似損壞,達到提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長使用壽命、使用安全和可靠性的目的。
1 斷裂的具體部位和外貌特征
根據(jù)對整車和斷裂的部位的現(xiàn)場查看,斷裂(開裂)具有以下特點:
(1)二節(jié)臂尾部鉸點之一側(cè)耳板完全斷裂,絕大部分的斷裂痕跡顯示為老裂紋(臂節(jié)尾部—各節(jié)臂與上一節(jié)臂頭部的連接端,臂節(jié)頭部—各節(jié)臂與下一節(jié)臂尾部的連接端。下同);
(2)二節(jié)臂尾部的另一側(cè)耳板完全扭曲,大彎連桿、小彎連桿及因二節(jié)臂尾部耳板斷裂而造成的一節(jié)臂頭部耳板局部擠壓變形。除一節(jié)臂頭部變形外,其余均為新裂紋,是由于二節(jié)臂尾部一側(cè)耳板斷裂引起;
(3)由于二節(jié)臂根部一側(cè)耳板斷裂引起肉眼難于明顯發(fā)現(xiàn)的、需要測量的缺陷,如臂架的變形及油缸、連桿的損壞等。
2 斷裂的形成和擴展分析
二節(jié)臂尾部一側(cè)耳板斷裂部位和形狀如圖1,(a)、(b)、(c)是斷裂耳板拆下后從各個不同的側(cè)面拍下的照片。根據(jù)斷裂產(chǎn)生的部位和形狀,斷裂處的裂紋大部分為陳舊性裂紋??梢酝茢嗍紫葹槲⒘鸭y,微裂紋經(jīng)過一定時期交變應力的循環(huán)后擴散產(chǎn)生宏觀裂紋,最后由于裂紋擴展、延伸引起母材突然斷裂。至于裂紋的形成,有以下幾方面原因引起:
(1)焊縫與母材未熔合,這種缺陷在焊接缺陷中出現(xiàn)較多,特別是泵車的板材采用高強鋼板,從斷裂面可以明顯看出有一段焊縫熔合不好;
(2)從國外和國內(nèi)的設計來看,泵車臂架,特別是與轉(zhuǎn)臺相連的前幾節(jié)臂的板材一般采用高強鋼板,高強鋼板在保證屈服強度時,有些指標如塑性、延展性、可焊性有所下降,特別在焊接時形成的熱應力影響區(qū),引起焊縫及周邊區(qū)域的強度降低;
(3)泵車施工及結構的特殊性引起的?;炷帘密囋谑┕ぷ饔脮r,布料臂展開,各節(jié)布料臂架、支腿液壓缸鎖死,整個布料臂系統(tǒng)形成一個懸臂梁結構。且該混凝土泵車臂架采用R形結構,二節(jié)臂后還有三、四節(jié)臂,其中三節(jié)臂還采用折彎結構,二節(jié)臂還要承受一定的扭轉(zhuǎn)載荷。同時混凝土泵車在工作時,兩個泵送液壓油缸交替循環(huán)動作,從而不斷地將混凝土壓送至澆注位置。由于兩個泵送油缸交替動作,混凝土泵車承受一個具有一定頻率的強迫沖擊。在泵送油缸的沖擊作用下,布料臂的振動有放大作用,所以布料臂承受交變載荷作用,引起疲勞破壞。
(4)銷軸、銅套磨損引起布料臂尾部的沖擊力,檢測時發(fā)現(xiàn)有三根銷軸、六個銅套已磨損,并且同一組的二個銷軸、銅套磨損程度不一致;
(5)二節(jié)臂根部軸套處有應力集中。根據(jù)以往的37米相似泵車對此臂的根部作定性分析,其受力圖及I-Deas有限元分析結果如圖2,可以看出軸套的下側(cè)有明顯的應力集中(蘭色顯示部分)。 而作為臂架板材的高強板具有良好的韌性和塑性,初始裂紋尖端在高應力集中區(qū)和殘余力的作用下局部小范圍屈服。在這種情況下,交變載荷的作用使微小裂紋逐漸擴展;
(6)泵車基本上是在露天的環(huán)境中作業(yè),由于雨水和空氣中硫化氫等腐蝕介質(zhì)的長期侵蝕而引起氧化腐蝕,局部強度下降;
(7)施工環(huán)境。我們國家的混凝土施工機械施工任務繁重,工作環(huán)境惡劣;不重視設備保養(yǎng);機手培訓不足,素質(zhì)不高。如我們國家的混凝土泵車租賃公司,一個月泵送8千至1萬多方很正常,1年的泵送方量為10至13萬方。相應的,國外8小時一天,不隨便加班加點,使用人員培訓得好,素質(zhì)高,懂得怎樣使用、維護、保養(yǎng),國外一臺泵車3至5年泵送10萬方?;旧鲜窃谖覈褂靡荒晗喈斢趪馐褂萌甓?,在這樣大的施工強度下,機手和維修保養(yǎng)人員的維護保養(yǎng)工作就差得很多。該泵車為歐洲進口泵車,在設計時,按歐美工況考慮在在中國的施工強度、條件。這樣,這臺混凝土泵車出廠3年多(標牌顯示為2002年6月出廠交付客戶使用)即相當于國外使用十多年后出現(xiàn)局部疲勞開裂也不足為奇了;
(8)未能及早發(fā)現(xiàn)并采取措施。由于泵車這種高度綜合性設備,局部裂紋和疲勞裂紋是不能完全避免的,歐洲把500小時要維修保養(yǎng)作為一種制度,而我國的這方面做得不好,有時連起碼的保養(yǎng),如銷軸和銅套之間的注油都未進行,更何況整體保養(yǎng)。有時出一點裂紋并不可怕,經(jīng)過小小修理或者加強就可了,如未發(fā)現(xiàn),或者發(fā)現(xiàn)了不及時采取措施,將會使裂紋擴大,最后有可能導致結構破壞,甚至釀成事故。此泵車的損壞就說明了這個問題。
3 臂架的修理步驟
(1)折分。將臂架的一、二、三、四節(jié)(從上轉(zhuǎn)臺處往上)吊下;
(2)檢查。檢測各部件,重點檢查一、二節(jié)臂的損壞和二節(jié)臂油缸有無損壞。經(jīng)檢查,結果如下:
a.轉(zhuǎn)臺、底架、三、四節(jié)臂、各節(jié)臂油缸完好;
b.一、二節(jié)臂連接銷軸、銅套,三、四節(jié)臂連接銷軸、銅套,大臂、上轉(zhuǎn)臺連接銅套已損壞,需測量制造;
c.一節(jié)臂的頭部除有一小處被二節(jié)臂擠曲變形處,其它變形很小,不影響裝配性能和使用;
d.二節(jié)臂根部一側(cè)耳板已完全被拉裂,另一側(cè)也因其對側(cè)耳板開裂而嚴重扭曲變形;
e.連接一、二節(jié)臂的大彎連桿和大直連桿也因二節(jié)臂耳板斷裂而嚴重扭曲變形。
(3) 測量。由于此泵車非國產(chǎn)泵車,沒有圖紙和測量數(shù)據(jù),所以在修理前,需要進行以下測量:
a.一、二節(jié)臂連接銷軸、銅套尺寸,三、四節(jié)臂連接銷軸、銅套尺寸,大臂、上轉(zhuǎn)臺連接銅套尺寸;
b.對大彎連桿和大直連桿進行修割、復原后測量部分尺寸,其余尺寸如與一、二節(jié)臂的連接尺寸和鉸點間的尺寸需要從與其連接的部件推算得出;
c.一節(jié)臂的頭部尺寸(到二節(jié)臂油缸支座位);
d.二節(jié)臂油缸的收回尺寸、行程和耳環(huán)厚度;
e.對二節(jié)臂根部耳板進行修割、焊接復原后測量部分尺寸,其余尺寸如與一節(jié)臂的連接尺寸需要從與其連接的一節(jié)臂推算得出;
f. 一、三節(jié)臂,二、三節(jié)臂的限位尺寸,用于驗算修理后的臂架能否合理限位。
(4)連桿機構分析,確定形狀尺寸。由于二節(jié)臂的耳板斷裂后引起二節(jié)臂根部、大彎連桿和大直連桿嚴重扭曲變形及一節(jié)臂的頭部的輕微變形,測量尺寸由于部件變形而與原有實物不一致,所以要用作圖法微調(diào)已測量的大彎連桿、大直連桿和二節(jié)臂根部的形狀尺寸,以確保張開和收回均能到位,不發(fā)生干涉。
(5)出圖。繪制以下圖紙:
a.大彎連桿、大直連桿及需要更換的銷軸、銅套圖;
b.一節(jié)臂頭部加強。校正擠曲變形處后,工程師現(xiàn)場指導具體加強方案;
c.修理二節(jié)臂尾部,由于二節(jié)臂的尾部已完全破壞,但其余部分保持完好,整個臂架重新測繪加工對客戶來說,一是不經(jīng)濟;二是重做整個臂架的設計、制造工作量大,會由于整個臂架的重做而拉長修理的時間;三是不重做整個臂架而采用對接拼焊并局部加強也能保證性能要求;況且客戶正處在施工高峰期,所以采用將根部重做與完好部分對接拼焊后加工的辦法進行修理,同時在原有結構的基礎上進行局部加強:一是將二耳板處的二塊內(nèi)端腹板由10mm改為12mm,二是在端腹板的外圍包一塊15mm的加強板。修理前后的對照圖如圖3:
(6)工藝規(guī)范。
a.在焊接前,應將油漆和污漬打磨干凈,焊前預熱,加熱時要求火焰前后左右移動,使金屬均勻加熱,防止局部過熱;
b.所有焊接均采用高強焊條,或者采用二氧化碳氣體保護焊,用高強焊絲,如采用高強焊條,焊前應將焊條干燥;
c.所有焊縫在焊后均應詳細檢驗,應無裂紋、咬邊、氣孔等焊接缺陷;
d.焊接工藝由焊接工程師提供;
e.建議派有高強板焊接經(jīng)驗的焊工施焊。
(7)調(diào)試。經(jīng)調(diào)試后滿足客戶要求。
(8)交付客戶。