1.開裂現(xiàn)象
　　某型號(hào)30t級(jí)多臺(tái)挖掘機(jī)均出現(xiàn)鏟斗連桿（以下簡稱連桿）開裂故障。該連桿用于連接鏟斗缸和鏟斗，是挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)的重要受力部件。挖掘時(shí)，鏟斗缸產(chǎn)生的推力通過連桿傳遞到鏟斗上，連桿承受較大的壓力。卸土?xí)r，鏟斗自身質(zhì)量及斗內(nèi)粘接的土壤對(duì)連桿產(chǎn)生較大的拉力。由此可見，連桿承受較大的交變載荷。連桿受力如圖1a所示。
　　該型挖掘機(jī)連桿下端銷套與鏟斗連接，上端銷套與鏟斗缸活塞桿連接。中間連接部分為16mm厚的筋板，兩側(cè)用22mm厚鋼板彎曲成彎板，筋板和彎板材料均為Q345B型鋼，與上、下端銷套焊接在一起。連桿結(jié)構(gòu)及開裂部位如圖1b所示。　　我們對(duì)開裂的連桿進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)開裂部位基本上都是下端銷套、筋板、彎板3者對(duì)接部位的焊縫，如圖1b中的紅圈區(qū)域。連桿發(fā)生開裂后，挖掘機(jī)不能繼續(xù)工作，嚴(yán)重影響挖掘機(jī)作業(yè)的效率。
　　2.原因分析
　　（1）受力分析
　　應(yīng)力我們采用四面體二階單位方式劃分有限元網(wǎng)格，并對(duì)焊縫位置的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，然后對(duì)連桿進(jìn)行有限元模型受力分析。連桿有限元模型分析結(jié)果如圖2a所示。有限元分析結(jié)果表明，在連桿開裂處存在應(yīng)力集中，該應(yīng)力達(dá)到148.5MPa。我們用計(jì)算出的應(yīng)力與連桿所用材料進(jìn)行屈服應(yīng)力對(duì)比（148.5:345），計(jì)算出連桿的安全系數(shù)為2.32，該安全系數(shù)大于設(shè)計(jì)要求的安全系數(shù)2，因此連桿結(jié)構(gòu)及材料的選型符合強(qiáng)度及安全系數(shù)要求。
　　焊縫我們對(duì)連桿焊縫尺寸及焊接強(qiáng)度進(jìn)行分析，其焊縫結(jié)構(gòu)及尺寸滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。連桿焊縫尺寸如圖2b所示。　　（2）解剖檢查
　　我們用火焰切割方法對(duì)開裂的連桿進(jìn)行剖切，發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)側(cè)外觀質(zhì)量差，焊縫內(nèi)部焊接缺陷嚴(yán)重，由此初步判斷是焊接不良導(dǎo)致焊縫開裂。
　　我們對(duì)開裂部位的剖面進(jìn)行精加工后，發(fā)現(xiàn)銷套、筋板和彎板組對(duì)時(shí)3者之間的間隙過大，即工藝要求組對(duì)間隙小于2mm，實(shí)際組對(duì)間隙超過10mm。工人焊接時(shí)，為了能夠完成焊接，只能在內(nèi)側(cè)用焊縫間隙。由于內(nèi)側(cè)空間狹小，不便于施焊，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)焊接缺陷嚴(yán)重，焊縫強(qiáng)度不足，從而出現(xiàn)開裂故障。
　　（3）焊接質(zhì)量分析
　　由于連桿開裂的主要原因是焊接質(zhì)量存在問題，我們對(duì)影響連桿焊接質(zhì)量的焊接材料、焊接設(shè)備、焊接人員、焊接操作方法和焊接環(huán)境等5個(gè)方面因素，進(jìn)行了詳細(xì)分析并繪制了因果關(guān)系圖，如圖3所示，通過對(duì)5個(gè)方面因素進(jìn)行分析，最終排查出的可能原因有彎板下料尺寸不符合要求、連桿結(jié)構(gòu)工藝性差、焊縫尺寸不符合要求、組對(duì)間隙不符合要求等4個(gè)方面。　　進(jìn)一步分析組對(duì)間隙不符合要求的原因有2個(gè)方面:一是彎板與銷套對(duì)接處是圓弧與圓弧接觸的相貫線，彎板展開是不規(guī)則的弧線，其下料尺寸不夠精確；二是由于彎板板厚為22mm，下料后進(jìn)行折彎成型時(shí)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)錯(cuò)位，折出彎后出現(xiàn)板材擠出現(xiàn)象。彎板展開形狀如圖4a所示，折彎成型如圖4b所示。
　　3.改進(jìn)方法
　?。?）調(diào)整制造工藝
　　為解決彎板、銷套組對(duì)間隙過大問題，我們?cè)谥圃旃に嚪矫嬷匦抡{(diào)整生產(chǎn)流程，由以前的下料→開坡口→折彎成型→組對(duì)→焊接→機(jī)加工→檢驗(yàn)入庫，調(diào)整為下料→折彎成型→修型→開坡口→組隊(duì)→組隊(duì)間隙檢查→焊接→焊縫超聲波探傷→機(jī)加工→檢驗(yàn)入庫。將折彎成型調(diào)整至開坡口之前，并且增加組對(duì)間隙檢查及焊縫超聲波探傷工序。改進(jìn)后的制造工藝具有以下5個(gè)特點(diǎn)：
　　一是在下料工序時(shí)保留修型余量，避免由于折彎成型后扭轉(zhuǎn)以及下料尺寸不準(zhǔn)確導(dǎo)致的組對(duì)間隙過大現(xiàn)象，以便在修型工序中，根據(jù)折彎后的實(shí)際尺寸按圖紙要求現(xiàn)場(chǎng)切割到圖紙尺寸。
　　二是在折彎成型工序上增加折彎專用模具，防止彎板折彎時(shí)扭轉(zhuǎn)錯(cuò)位，從而避免組對(duì)間隙不均勻。
　　三是增加組對(duì)間隙檢查，確保間隙小于2mm，檢測(cè)不合格時(shí)要進(jìn)行返修，避免出現(xiàn)間隙偏大現(xiàn)象。
　　四是增加焊接后的超聲波探傷，以便檢查出焊接缺陷。
　　五是要求焊接操作工按企業(yè)內(nèi)部質(zhì)量控制等級(jí)進(jìn)行焊接作業(yè)，要求坡口機(jī)器人的操作人員具備2年以上實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，要求超聲波探傷人員持有國家承認(rèn)的相應(yīng)證書。
　　（2）改進(jìn)設(shè)計(jì)方案
　　在制造工藝進(jìn)行調(diào)整和管控后，連桿開裂現(xiàn)象得到了有效控制。但制造成本增加較大。
　　為此我們決定進(jìn)一步改進(jìn)連桿設(shè)計(jì)方案，以便從根本上解決連桿開裂問題。
　　我們對(duì)連桿結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，取消了彎板折彎結(jié)構(gòu)，將連桿結(jié)構(gòu)由原來的腔體結(jié)構(gòu)優(yōu)化為工字形結(jié)構(gòu)，采用平板角接設(shè)計(jì)方案，直接由板材下料、開坡口、角接焊接，由此避免了原結(jié)構(gòu)帶來的種種弊端。改進(jìn)設(shè)計(jì)后的連桿結(jié)構(gòu)如圖5a所示。
　　改進(jìn)后我們對(duì)連桿進(jìn)行有限元分析，連桿有限元模型分析結(jié)果如圖5b所示，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后整體的應(yīng)力值與老結(jié)構(gòu)相當(dāng)，滿足強(qiáng)度要求。　　4.改進(jìn)效果
　　由于工字形連桿結(jié)構(gòu)簡單，易于下料制作，下料效率大大提升，在焊接工藝上也相對(duì)簡化，避免了制造工藝復(fù)雜增加連桿開裂的風(fēng)險(xiǎn)。不需要投入彎板成型模具，減少了工裝模具的投入，大大降低了制作成本。
　　新的工字形結(jié)構(gòu)連桿不但在強(qiáng)度上滿足挖掘機(jī)的使用要求，而且使其輕量化，質(zhì)量由原來的155kg降至139kg，減少了材料成本。工字形連桿結(jié)構(gòu)具有較高的經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值，該結(jié)構(gòu)連桿已在其他挖掘機(jī)推廣應(yīng)用。本論文得到山東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師國內(nèi)訪問學(xué)者項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助。