掘削機のバケットバー上端割れの原因分析と改善について

1.クラッキング現象

ある型式の掘削機で、工場出荷後、約3000時間の作業で、バケットロッドの上端に亀裂が入る現象が発生し、亀裂が入った部分は、バケットロッドの上部補強板とバケットロッドシリンダーピストンロッド支持板が接続されている重なり溶接部であった。この亀裂によりバケットバーの底板が破損し、亀裂はバケットバーの底板に沿って横方向に延びた。重荷重ショベルのバケットロッド底板はほとんど破断し、個々のショベルの亀裂は、図1に示すように、バケットロッドウェブまで延びている。

2.原因分析

(1）繰り返し溶接による鋼の靭性、モデル掘削機のバケットロッドシリンダピストンロッドサポートの元の設計を削減し、底板とない補強板の底部は、プロセスの使用では、垂直板と底板曲げ変形に溶接された底板の剛性を高めるために、補強板の補助溶接で後の製品で底板の変形を防止するために、垂直板と補強板の間の溶接の重なりは、その結果、バケットロッドのベースプレート補強板を溶接した後、垂直板と補強板の間に溶接の重なりがあり、バケット棒の底板の塑性と靭性の低下を招き、応力がかかると底板に亀裂が入る。

(2) 応力集中

掘削機が掘削作業状態にあるとき、バケットシリンダピストンロッド支持部の位置は最大力を受け、バケットシリンダピストンロッド支持部のベースプレートは引張応力と圧縮応力を交互に受けることになる。しかし、この場所の補強板に伸びる支持板は弱い場所に属し、支持板は長さが比較的短いベース板に向かって伸びるため、支持板とベース板は応力が集中する場所に接続され、支持板はベース板を引っ張り割れる。

バケットシリンダピストンロッドサポートの有限要素法応力解析作業を実施したところ、掘削機が最大掘削力状態にあるとき、このときの補強板に延長された垂直板の位置の引張応力が175M P aに達しており、発生応力の溶接過程と相まって、この現象の応力集中が顕著になっていることがわかった。

(3) 破砕ハンマーの長時間使用

調査を実施するために掘削機のユーザーは、バケットシリンダピストンロッド支持割れ掘削機を表示される人は、すべての破砕ハンマーを装備していることを知っている。これらの掘削機のため、長時間破砕ハンマーを使用して作業を実施し、その結果、シリンダーベアリングに大きな交互応力が発生し、その底板割れ現象になります。

3.改善プログラム

私たちは、バケットシリンダーのピストンロッド支持部のひび割れの問題を解決し、それを完全に解決するために、元の支持ヒンジ点の位置が変更されていない場合には、バケットシリンダーの支持構造については、次のスキームに従って、改善を行う。

(1) 構造強度の向上

構造強度を向上させるために、図2に示すように、支持ベースプレート2を厚く長くする方法と、支持プレート3を広くする方法の2つの対策がとられている。支持ベース板2を厚くした場合、バケットバー上端の強度や剛性を向上させることができ、バケットバー上端の変形や割れの可能性を低減することができる。支持ベースプレート2を長くすることで、バケットロッドのベースプレート1との突合せ部を高応力部で避けることができ、溶接部の応力を低減することができる。支持板3の幅を広げ、さらに300mm下方に延長できるようにし、支持板3の断面積を徐々に小さくすることで、このような緩やかに移行する構造により応力集中を低減することができる。

改良後のバケットシリンダー支持部について有限要素法による応力解析を行ったところ、応力の最大値が改良前の値からこの時点で140.78MPaまで減少し、高応力域の面積が大幅に減少していることがわかった。

(2) 改善点溶接工程

支持板3の溶接方法を多層溶接形態に変更し、溶接時の溶接位置の発熱を低減し、溶接後の移行部を平滑に研磨し、応力集中点を低減した後、溶接工程を改善すると、溶接継ぎ目の数が減少し、溶接変形及び溶接応力もある程度低減されることが判明した。

4.有効性の向上

改良される掘削機のバケットシリンダーピストンロッドサポートは、その構造強度を向上させ、同時に、生産工程を簡素化することができるように、溶接作業量を削減するだけでなく、バケットロッドの生産効率を向上させ、小バッチの試作に基づいて、使用されるように市場に投入され、掘削機のそのタイプは、もはやこの構造改善が成功したことを示している亀裂現象のバケットロッド上端に現れなかった。