Analyse und Verbesserung der Gründe für das Brechen des oberen Endes der Schaufelstange von Baggern

1. das Phänomen der Rissbildung

Bei einem bestimmten Baggermodell traten nach Verlassen des Werks und bei einer Betriebsdauer von etwa 3.000 Stunden nach und nach Risse am oberen Ende des Löffelstiels auf. Die Risse befanden sich genau an der überlappenden Schweißnaht, an der die Verstärkungsplatte am oberen Ende des Löffelstiels mit der Stützplatte der Kolbenstange des Löffelstielzylinders verbunden ist. Solche Risse führten zu einem Bruch der Schaufelarm-Bodenplatte, wobei sich der Riss entlang der Bodenplatte in Querrichtung ausbreitete. Bei den Baggern mit höherer Belastung stand die Schaufelarm-Bodenplatte kurz vor dem Bruch, und bei einzelnen Baggern hatte sich der Riss bereits bis auf die Schaufelarm-Seitenwand ausgebreitet, wie in Abbildung 1 dargestellt.

2.Analyse der Ursachen

(1) In der ursprünglichen Konstruktion der Kolbenstangenhalterung des Löffelstielzylinders fehlte am unteren Ende der Bodenplatte dieses Baggermodells eine Verstärkungsplatte. Durch wiederholtes Schweißen wurde die Zähigkeit des Stahls beeinträchtigt, was im Betrieb zu einer Verformung der Bodenplatte an der Schweißstelle zwischen Stützplatte und Bodenplatte führte. Bei späteren Produktversionen wurde zur Erhöhung der Steifigkeit der Bodenplatte und zur Verhinderung von Verformungen eine Verstärkungsplatte nachgeschweißt. Nach dem Nachschweißen entstanden überlappende Schweißnähte zwischen der Stützplatte und der Verstärkungsplatte, was zu einer Verringerung der Plastizität und Zähigkeit der Schaufelarm-Bodenplatte führte und Risse in der Bodenplatte verursachte, wenn diese Belastungen ausgesetzt war.

(2) Spannungskonzentration

Während des Aushubvorgangs eines Baggers ist die Belastung an der Halterung der Kolbenstange des Löffelstangenzylinders am größten. Die Bodenplatte an dieser Halterung ist wechselnden Zug- und Druckbeanspruchungen ausgesetzt, die sich ständig ändern. Zudem stellt die Stelle, an der sich die Stützplatte bis zur Verstärkungsplatte erstreckt, eine Schwachstelle dar, da die Stützplatte nur über eine relativ kurze Länge in Richtung der Bodenplatte verläuft. Dies führt zu einer Spannungskonzentration an der Verbindungsstelle zwischen Stützplatte und Bodenplatte, was wiederum dazu führt, dass die Stützplatte die Bodenplatte aufreißt.

Nach der Durchführung einer Finite-Elemente-Spannungsanalyse an der Kolbenstangenauflage des Auslegers haben wir festgestellt, dass bei maximaler Grabkraft des Baggers die Zugspannung, die im Bereich der Verlängerung der Stützplatte bis zur Verstärkungsplatte entsteht, 175 MPa erreicht. Da zudem beim Schweißen der Naht Spannungen entstehen, sind die mit der Spannungskonzentration verbundenen Phänomene noch deutlicher zu erkennen.

(3) Längerer Einsatz von Brechhämmern

Eine Umfrage unter Baggerbetreibern ergab, dass alle Bagger, bei denen Risse an der Halterung der Kolbenstange des Löffelstangenzylinders auftraten, mit einem Abbruchhammer ausgestattet waren. Da diese Bagger über einen längeren Zeitraum mit dem Abbruchhammer im Einsatz waren, war die Halterung des Zylinders starken wechselnden Belastungen ausgesetzt, was schließlich zu Rissen in der Bodenplatte führte.

3. die Verbesserungsprogramme

Um das Problem der Risse an der Kolbenstangenauflage des Schaufelarmzylinders endgültig zu beheben, haben wir die Position des ursprünglichen Auflagengelenks unverändert beibehalten und auf dieser Grundlage die folgenden Verbesserungsmaßnahmen an der Konstruktion der Schaufelarmzylinder-Auflage umgesetzt.

(1) Erhöhte strukturelle Festigkeit

Es wurden zwei Maßnahmen zur Erhöhung der strukturellen Festigkeit ergriffen: Erstens wurde die Bodenplatte 2 des Lagers vergrößert und verdickt, wodurch sich ihre Länge vergrößerte, und zweitens wurde die Seitenwand 3 des Lagers verbreitert, wie in Abbildung 2 dargestellt. Durch die Verdickung der Lagerbodenplatte 2 werden die Festigkeit und Steifigkeit des oberen Endes des Schaufelarms erhöht, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Verformungen und Rissen an dieser Stelle verringert wird. Durch die Verlängerung der Lagerbodenplatte 2 wird der Bereich mit hoher Belastung umgangen, der bei der Verbindung mit der Schaufelstangenbodenplatte 1 an dieser Stelle auftritt, wodurch die auf die Schweißnaht wirkenden Spannungen verringert werden. Durch die Verbreiterung der Stützständerplatte 3 und deren Verlängerung um 300 mm nach unten bei gleichzeitig allmählich abnehmendem Querschnitt entsteht eine Struktur mit sanftem Übergang, die die Spannungskonzentration an dieser Stelle verringert.

Es wurde eine Finite-Elemente-Analyse der Spannungen an der überarbeiteten Halterung des Schaufelstangenzylinders durchgeführt. Der derzeitige maximale Spannungswert beträgt 140,78 MPa; dieser Wert ist gegenüber dem Wert vor der Überarbeitung gesunken, und zudem konnte die Fläche der Bereiche mit hoher Spannung erheblich verkleinert werden.

(2) VerbesserungenSchweissverfahren

Die Schweißmethode für die Stützplatte 3 soll auf Mehrlagenschweißen umgestellt werden, um die Wärmeentwicklung im Schweißnahtbereich während des Schweißvorgangs zu verringern. Nach dem Schweißen müssen die Übergangsbereiche der Schweißnähte glatt geschliffen werden, um die Entstehung von Spannungskonzentrationen zu verringern. Durch die Verbesserung des Schweißverfahrens wird die Anzahl der Schweißnähte reduziert, wodurch sich die Schweißverformungen und die Schweißspannungen verringern.

4. die Verbesserung der Wirksamkeit

An der Kolbenstangenhalterung des Löffelstangenzylinders dieses Baggers wurden Verbesserungen vorgenommen. Durch diese Verbesserungen wurde die strukturelle Festigkeit erhöht, gleichzeitig der Schweißaufwand reduziert und der Fertigungsprozess vereinfacht, was wiederum zu einer Steigerung der Fertigungseffizienz der Löffelstange führte. Nach einer Testproduktion in kleinen Stückzahlen und der Markteinführung traten bei diesem Baggermodell keine Risse mehr am oberen Ende des Löffelstiels auf, was zeigt, dass diese konstruktive Verbesserung erfolgreich war.