进口混凝土泵车臂架耳板断裂的原因解析及修理

      全球和国内经济的持续快速发展带动基本建设快速增加，国内相继出台一系列混凝土条例和法规，促进各地采用商品混凝土的比例不断提高，为商品混凝土泵送机械的发展提供了良好的市场环境。混凝土泵车移动灵活，使用方便，布料臂架具有变幅、曲折和回转三个功能，输送管道沿着臂架铺设，在臂架活动范围内可以任意改变混凝土浇注位置，不需在现场临时铺设管道；节省辅助时间，提高功效，泵送量大，浇注质量高，正越来越受到施工单位和租赁公司的青睐。但由于混凝土泵车独特的结构、追求施工效率等原因，泵车的零部件时有损坏。下面针对我公司为某客户修理的一台从国外购买的37m进口混凝土泵车，对其损坏原因分析和修复方案实施，一是将此台泵车修好继续投入使用，二是给我们的设计和制造提供一些经验和借鉴，避免产生类似损坏，达到提高产品质量、延长使用寿命、使用安全和可靠性的目的。 

      1　断裂的具体部位和外貌特征
　　根据对整车和断裂的部位的现场查看，断裂（开裂）具有以下特点：
　　(1)二节臂尾部铰点之一侧耳板完全断裂，绝大部分的断裂痕迹显示为老裂纹（臂节尾部—各节臂与上一节臂头部的连接端，臂节头部—各节臂与下一节臂尾部的连接端。下同）；
　　(2)二节臂尾部的另一侧耳板完全扭曲，大弯连杆、小弯连杆及因二节臂尾部耳板断裂而造成的一节臂头部耳板局部挤压变形。除一节臂头部变形外，其余均为新裂纹，是由于二节臂尾部一侧耳板断裂引起；
　　(3)由于二节臂根部一侧耳板断裂引起肉眼难于明显发现的、需要测量的缺陷，如臂架的变形及油缸、连杆的损坏等。

      2　断裂的形成和扩展分析

　　二节臂尾部一侧耳板断裂部位和形状如图1，（a）、（b）、（c）是断裂耳板拆下后从各个不同的侧面拍下的照片。根据断裂产生的部位和形状，断裂处的裂纹大部分为陈旧性裂纹。可以推断首先为微裂纹，微裂纹经过一定时期交变应力的循环后扩散产生宏观裂纹，最后由于裂纹扩展、延伸引起母材突然断裂。至于裂纹的形成，有以下几方面原因引起：

　　(1)焊缝与母材未熔合，这种缺陷在焊接缺陷中出现较多，特别是泵车的板材采用高强钢板，从断裂面可以明显看出有一段焊缝熔合不好；

　　(2)从国外和国内的设计来看，泵车臂架，特别是与转台相连的前几节臂的板材一般采用高强钢板，高强钢板在保证屈服强度时，有些指标如塑性、延展性、可焊性有所下降，特别在焊接时形成的热应力影响区，引起焊缝及周边区域的强度降低；

　　(3)泵车施工及结构的特殊性引起的。混凝土泵车在施工作用时，布料臂展开，各节布料臂架、支腿液压缸锁死，整个布料臂系统形成一个悬臂梁结构。且该混凝土泵车臂架采用R形结构，二节臂后还有三、四节臂，其中三节臂还采用折弯结构，二节臂还要承受一定的扭转载荷。同时混凝土泵车在工作时，两个泵送液压油缸交替循环动作，从而不断地将混凝土压送至浇注位置。由于两个泵送油缸交替动作，混凝土泵车承受一个具有一定频率的强迫冲击。在泵送油缸的冲击作用下，布料臂的振动有放大作用，所以布料臂承受交变载荷作用，引起疲劳破坏。

　　(4)销轴、铜套磨损引起布料臂尾部的冲击力，检测时发现有三根销轴、六个铜套已磨损，并且同一组的二个销轴、铜套磨损程度不一致；

　　(5)二节臂根部轴套处有应力集中。根据以往的37米相似泵车对此臂的根部作定性分析，其受力图及I-Deas有限元分析结果如图2，可以看出轴套的下侧有明显的应力集中（兰色显示部分）。 而作为臂架板材的高强板具有良好的韧性和塑性，初始裂纹尖端在高应力集中区和残余力的作用下局部小范围屈服。在这种情况下，交变载荷的作用使微小裂纹逐渐扩展；

　　(6)泵车基本上是在露天的环境中作业，由于雨水和空气中硫化氢等腐蚀介质的长期侵蚀而引起氧化腐蚀，局部强度下降；

　　(7)施工环境。我们国家的混凝土施工机械施工任务繁重，工作环境恶劣；不重视设备保养；机手培训不足，素质不高。如我们国家的混凝土泵车租赁公司，一个月泵送8千至1万多方很正常，1年的泵送方量为10至13万方。相应的，国外8小时一天,不随便加班加点，使用人员培训得好，素质高，懂得怎样使用、维护、保养，国外一台泵车3至5年泵送10万方。基本上是在我国使用一年相当于国外使用三年多，在这样大的施工强度下，机手和维修保养人员的维护保养工作就差得很多。该泵车为欧洲进口泵车，在设计时，按欧美工况考虑在在中国的施工强度、条件。这样，这台混凝土泵车出厂3年多（标牌显示为2002年6月出厂交付客户使用）即相当于国外使用十多年后出现局部疲劳开裂也不足为奇了；

　　(8)未能及早发现并采取措施。由于泵车这种高度综合性设备，局部裂纹和疲劳裂纹是不能完全避免的，欧洲把500小时要维修保养作为一种制度，而我国的这方面做得不好，有时连起码的保养，如销轴和铜套之间的注油都未进行，更何况整体保养。有时出一点裂纹并不可怕，经过小小修理或者加强就可了，如未发现，或者发现了不及时采取措施，将会使裂纹扩大，最后有可能导致结构破坏，甚至酿成事故。此泵车的损坏就说明了这个问题。

      3　臂架的修理步骤

　　(1)折分。将臂架的一、二、三、四节（从上转台处往上）吊下；
　　(2)检查。检测各部件，重点检查一、二节臂的损坏和二节臂油缸有无损坏。经检查，结果如下：
　　a.转台、底架、三、四节臂、各节臂油缸完好；
　　b.一、二节臂连接销轴、铜套，三、四节臂连接销轴、铜套，大臂、上转台连接铜套已损坏，需测量制造；
　　c.一节臂的头部除有一小处被二节臂挤曲变形处，其它变形很小，不影响装配性能和使用；
　　d.二节臂根部一侧耳板已完全被拉裂，另一侧也因其对侧耳板开裂而严重扭曲变形；
　　e.连接一、二节臂的大弯连杆和大直连杆也因二节臂耳板断裂而严重扭曲变形。

　　(3) 测量。由于此泵车非国产泵车，没有图纸和测量数据，所以在修理前，需要进行以下测量：
　　a.一、二节臂连接销轴、铜套尺寸，三、四节臂连接销轴、铜套尺寸，大臂、上转台连接铜套尺寸；
　　b.对大弯连杆和大直连杆进行修割、复原后测量部分尺寸，其余尺寸如与一、二节臂的连接尺寸和铰点间的尺寸需要从与其连接的部件推算得出；
　　c.一节臂的头部尺寸（到二节臂油缸支座位）；
　　d.二节臂油缸的收回尺寸、行程和耳环厚度；
　　e.对二节臂根部耳板进行修割、焊接复原后测量部分尺寸，其余尺寸如与一节臂的连接尺寸需要从与其连接的一节臂推算得出；
　　f. 一、三节臂，二、三节臂的限位尺寸，用于验算修理后的臂架能否合理限位。

　　(4)连杆机构分析，确定形状尺寸。由于二节臂的耳板断裂后引起二节臂根部、大弯连杆和大直连杆严重扭曲变形及一节臂的头部的轻微变形，测量尺寸由于部件变形而与原有实物不一致，所以要用作图法微调已测量的大弯连杆、大直连杆和二节臂根部的形状尺寸，以确保张开和收回均能到位，不发生干涉。

　　(5)出图。绘制以下图纸：
　　a.大弯连杆、大直连杆及需要更换的销轴、铜套图；
　　b.一节臂头部加强。校正挤曲变形处后，工程师现场指导具体加强方案；
　　c.修理二节臂尾部，由于二节臂的尾部已完全破坏，但其余部分保持完好，整个臂架重新测绘加工对客户来说，一是不经济；二是重做整个臂架的设计、制造工作量大，会由于整个臂架的重做而拉长修理的时间；三是不重做整个臂架而采用对接拼焊并局部加强也能保证性能要求；况且客户正处在施工高峰期，所以采用将根部重做与完好部分对接拼焊后加工的办法进行修理，同时在原有结构的基础上进行局部加强：一是将二耳板处的二块内端腹板由10mm改为12mm，二是在端腹板的外围包一块15mm的加强板。

　　(6)工艺规范。
　　a.在焊接前，应将油漆和污渍打磨干净，焊前预热，加热时要求火焰前后左右移动，使金属均匀加热，防止局部过热；
　　b.所有焊接均采用高强焊条，或者采用二氧化碳气体保护焊,用高强焊丝，如采用高强焊条，焊前应将焊条干燥；
　　c.所有焊缝在焊后均应详细检验，应无裂纹、咬边、气孔等焊接缺陷；
　　d.焊接工艺由焊接工程师提供；
　　e.建议派有高强板焊接经验的焊工施焊。

　　(7)调试。经调试后满足客户要求。

　　(8)交付客户。

　　参考文献
　　1. 刘鸿文主编 《材料力学》 高等教育出版社 1992年9月
　　2. 陈伯蠹 《焊接工程缺欠分析与对策》机械工业出版社 1998年
　　3. 邓增杰、周敬恩编著 《工程材料的断裂与疲劳》机械工业出版社 1995年6月