Kaivinkoneiden kauhapalkin yläpään halkeilun syiden analysointi ja parantaminen

1. Halkeiluilmiö

Tietyn mallin kaivinkoneessa on alkanut ilmetä kauhanvarren yläosan halkeamia, kun koneen käyttöaika on saavuttanut noin 3000 tuntia tehtaalta lähtön jälkeen. Halkeamat sijaitsevat tarkalleen kauhanvarren yläosan vahvistuslevyn ja kauhanvarren sylinterin mäntävarren tukilevyn välisessä päällekkäisessä hitsaussaumassa. Tällaiset halkeamat ovat johtaneet kauhan varren pohjalevyn murtumiseen, ja halkeamat ovat levinneet kauhan varren pohjalevyä pitkin poikittaissuuntaan. Niissä kaivinkoneissa, joissa kuormitus on ollut erityisen raskas, kauhan varren pohjalevy on jo lähes murtumaisillaan, ja joissakin koneissa halkeamat ovat levinneet jo kauhan varren sivulevyyn, kuten kuvassa 1 on esitetty.

2.Syiden analysointi

(1) Kaivukahvan sylinterin mäntävarren tuen alkuperäisessä suunnittelussa kyseisen kaivinkonemallin pohjalevyn alaosassa ei ollut vahvistuslevyä, ja toistuvat hitsaukset heikensivät teräksen sitkeyttä, minkä seurauksena pohjalevyn ja pystylevyn hitsauskohdassa ilmeni käytön aikana pohjalevyn taipumista ja muodonmuutosta. Myöhemmissä tuotteissa pohjalevyn jäykkyyttä lisättiin ja sen muodonmuutoksia estettiin hitsaamalla vahvistuslevy paikalleen. Hitsauksen jälkeen pystylevyn ja vahvistuslevyn väliin syntyi päällekkäisiä hitsaussaumoja, mikä heikensi kauhanvarren pohjalevyn plastisuutta ja sitkeyttä ja johti halkeamien syntymiseen pohjalevyssä kuormituksen alaisena.

(2) Jännityskonsentraatio

Kun kaivinkone suorittaa kaivutöitä, kauhanvarren sylinterin mäntän varren kiinnityskohdassa kohdistuu suurin ja voimakkain kuormitus. Kauhanvarren sylinterin mäntän varren kiinnityskohdan pohjalevyyn kohdistuu vuorotellen vetovoimaa ja puristusvoimaa, ja tämä vaihteleva rasitus muuttuu jatkuvasti. Lisäksi kiinnityspalkin pystysuora levy ulottuu vahvistuslevyyn asti, mikä on rakenteen heikko kohta. Kiinnityspalkin pystysuora levy ulottuu pohjalevyyn nähden suhteellisen lyhyen matkan, mikä aiheuttaa jännityskeskittymän kiinnityspalkin pystysuoran levyn ja pohjalevyn liitoskohdassa ja johtaa lopulta siihen, että kiinnityspalkin pystysuora levy repii pohjalevyn auki.

Suorittamamme kaivuvarsisylinterin mäntävarsituen elementtimenetelmällä tehdyn jännitysanalyysin perusteella havaitsimme, että kun kaivinkone on suurimmalla kaivuvoimalla, pystylevyn venyessä vahvistuslevyn alueelle syntyvä vetojännitys saavuttaa 175 MPa. Koska hitsaussauman muodostuminen aiheuttaa jännitystä, joten jännityskeskittymään liittyvät ilmiöt ovat entistä selvemmin havaittavissa.

(3) Murskaavien vasaroiden pitkäaikainen käyttö

Kaivinkoneiden käyttäjille tehdyn kyselyn perusteella selvisi, että niissä kaivinkoneissa, joissa kauhanvarren sylinterin mäntätuen kiinnikkeessä oli havaittu halkeamia, oli asennettuna murtovasara. Koska näitä kaivinkoneita oli käytetty pitkään murtovasaran kanssa, kyseisen sylinterin kiinnike joutui alttiiksi suurille vaihteleville rasituksille, mikä johti pohjalevyn halkeamiseen.

3. Parannusohjelmat

Jotta kauhanvarren sylinterin mäntän varren kiinnityskohdassa esiintyvä halkeama saataisiin ratkaistua lopullisesti, päätimme säilyttää alkuperäisen kiinnityskohdan sijainnin muuttumattomana. Tämän pohjalta toteutimme kauhanvarren sylinterin kiinnitysrakenteeseen seuraavanlaisen parannussuunnitelman mukaiset toimenpiteet.

(1) Lisääntynyt rakenteellinen lujuus

Rakenteen lujuuden lisäämiseksi toteutettiin kaksi toimenpidettä: ensinnäkin tukijalan pohjalevyä 2 suurennettiin ja paksunnettiin, jolloin sen pituus kasvoi, ja toiseksi tukijalan sivulevyä 3 levennettiin, kuten kuvassa 2 on esitetty. Tukijalan pohjalevyn 2 paksuuttaminen parantaa kauhan varren yläpään lujuutta ja jäykkyyttä, mikä vähentää varren yläpään muodonmuutosten ja halkeamien mahdollisuutta. Tukialustan 2 pidentämisen ansiosta vältetään alue, jossa kuormitus on suurin, kun se liitetään kauhan varren pohjalevyyn 1, mikä vähentää hitsaussauman kohdalla vaikuttavaa rasitusta. Tukilevyn 3 leventäminen ja sen ulottaminen 300 millimetriä alaspäin samalla, kun tukilevyn 3 poikkipinta-alaa pienennetään asteittain, luo rakenteen, jossa siirtymä on loiva, mikä vähentää jännitysten keskittymistä kyseiseen kohtaan.

Parannetulle kauhasylinterin kiinnikkeelle suoritettiin rajakenttäanalyysi, jonka tuloksena suurin jännitys oli tällä hetkellä 140,78 MPa. Tämä arvo on pienentynyt verrattuna tilanteeseen ennen parannusta, ja lisäksi korkean jännityksen alueen pinta-ala on pienentynyt huomattavasti.

(2) ParannuksetHitsausprosessi

Tukilevyn 3 hitsausmenetelmä muutetaan monikerroksiseksi hitsaukseksi, jotta hitsauskohdan lämmönkehittymistä voidaan vähentää. Hitsauksen jälkeen hitsaussauman siirtymäkohdat on hiottava sileiksi, jotta jännityskeskittymien muodostumista voidaan vähentää. Hitsausmenetelmän parantamisen jälkeen hitsaussaumojen määrä vähenee, ja hitsausmuodonmuutokset sekä hitsausjännitykset pienenevät.

4. Tehokkuuden parantaminen

Tämän kaivinkoneen kauhanvarren sylinterin mäntävarren kiinnityskohtaa parannettiin. Parannuksen seurauksena rakenteen lujuus parani, samalla kun hitsaustyömäärä väheni ja valmistusprosessi yksinkertaistui, mikä puolestaan paransi kauhanvarren valmistustehokkuutta. Pienimuotoisen koetuotannon ja markkinoille tuonnin jälkeen kyseisen kaivinkonemallin kauhanvarren yläosassa ei ole enää ilmennyt halkeamia, mikä osoittaa, että rakenteellinen parannus on onnistunut.