進口混凝土泵車臂架耳板斷裂的原因解析及修理

全球和國內經濟的持續快速發展帶動基本建設快速增加，國內相繼出臺一系列混凝土條例和法規，促進各地采用商品混凝土的比例不斷提高，為商品混凝土泵送機械的發展提供了良好的市場環境。混凝土泵車移動靈活，使用方便，布料臂架具有變幅、曲折和回轉三個功能，輸送管道沿著臂架鋪設，在臂架活動范圍內可以任意改變混凝土澆注位置，不需在現場臨時鋪設管道；節省輔助時間，提高功效，泵送量大，澆注質量高，正越來越受到施工單位和租賃公司的青睞。但由于混凝土泵車獨特的結構、追求施工效率等原因，泵車的零部件時有損壞。下面針對我公司為某客戶修理的一臺從國外購買的37m進口混凝土泵車，對其損壞原因分析和修復方案實施，一是將此臺泵車修好繼續投入使用，二是給我們的設計和制造提供一些經驗和借鑒，避免產生類似損壞，達到提高產品質量、延長使用壽命、使用安全和可靠性的目的。

　　1　斷裂的具體部位和外貌特征
　　根據對整車和斷裂的部位的現場查看，斷裂（開裂）具有以下特點：
　　(1)二節臂尾部鉸點之一側耳板完全斷裂，絕大部分的斷裂痕跡顯示為老裂紋（臂節尾部—各節臂與上一節臂頭部的連接端，臂節頭部—各節臂與下一節臂尾部的連接端。下同）；
　　(2)二節臂尾部的另一側耳板完全扭曲，大彎連桿、小彎連桿及因二節臂尾部耳板斷裂而造成的一節臂頭部耳板局部擠壓變形。除一節臂頭部變形外，其余均為新裂紋，是由于二節臂尾部一側耳板斷裂引起；
　　(3)由于二節臂根部一側耳板斷裂引起肉眼難于明顯發現的、需要測量的缺陷，如臂架的變形及油缸、連桿的損壞等。
　　2　斷裂的形成和擴展分析
　　二節臂尾部一側耳板斷裂部位和形狀如圖1，（a）、（b）、（c）是斷裂耳板拆下后從各個不同的側面拍下的照片。根據斷裂產生的部位和形狀，斷裂處的裂紋大部分為陳舊性裂紋。可以推斷首先為微裂紋，微裂紋經過一定時期交變應力的循環后擴散產生宏觀裂紋，最后由于裂紋擴展、延伸引起母材突然斷裂。至于裂紋的形成，有以下幾方面原因引起：
　　(1)焊縫與母材未熔合，這種缺陷在焊接缺陷中出現較多，特別是泵車的板材采用高強鋼板，從斷裂面可以明顯看出有一段焊縫熔合不好；
　　(2)從國外和國內的設計來看，泵車臂架，特別是與轉臺相連的前幾節臂的板材一般采用高強鋼板，高強鋼板在保證屈服強度時，有些指標如塑性、延展性、可焊性有所下降，特別在焊接時形成的熱應力影響區，引起焊縫及周邊區域的強度降低；
　　(3)泵車施工及結構的特殊性引起的。混凝土泵車在施工作用時，布料臂展開，各節布料臂架、支腿液壓缸鎖死，整個布料臂系統形成一個懸臂梁結構。且該混凝土泵車臂架采用R形結構，二節臂后還有三、四節臂，其中三節臂還采用折彎結構，二節臂還要承受一定的扭轉載荷。同時混凝土泵車在工作時，兩個泵送液壓油缸交替循環動作，從而不斷地將混凝土壓送至澆注位置。由于兩個泵送油缸交替動作，混凝土泵車承受一個具有一定頻率的強迫沖擊。在泵送油缸的沖擊作用下，布料臂的振動有放大作用，所以布料臂承受交變載荷作用，引起疲勞破壞。
　　(4)銷軸、銅套磨損引起布料臂尾部的沖擊力，檢測時發現有三根銷軸、六個銅套已磨損，并且同一組的二個銷軸、銅套磨損程度不一致；
　　(5)二節臂根部軸套處有應力集中。根據以往的37米相似泵車對此臂的根部作定性分析，其受力圖及I-Deas有限元分析結果如圖2，可以看出軸套的下側有明顯的應力集中（蘭色顯示部分）。 而作為臂架板材的高強板具有良好的韌性和塑性，初始裂紋尖端在高應力集中區和殘余力的作用下局部小范圍屈服。在這種情況下，交變載荷的作用使微小裂紋逐漸擴展；
　　(6)泵車基本上是在露天的環境中作業，由于雨水和空氣中硫化氫等腐蝕介質的長期侵蝕而引起氧化腐蝕，局部強度下降；
　　(7)施工環境。我們國家的混凝土施工機械施工任務繁重，工作環境惡劣；不重視設備保養；機手培訓不足，素質不高。如我們國家的混凝土泵車租賃公司，一個月泵送8千至1萬多方很正常，1年的泵送方量為10至13萬方。相應的，國外8小時一天,不隨便加班加點，使用人員培訓得好，素質高，懂得怎樣使用、維護、保養，國外一臺泵車3至5年泵送10萬方。基本上是在我國使用一年相當于國外使用三年多，在這樣大的施工強度下，機手和維修保養人員的維護保養工作就差得很多。該泵車為歐洲進口泵車，在設計時，按歐美工況考慮在在中國的施工強度、條件。這樣，這臺混凝土泵車出廠3年多（標牌顯示為2002年6月出廠交付客戶使用）即相當于國外使用十多年后出現局部疲勞開裂也不足為奇了；
　　(8)未能及早發現并采取措施。由于泵車這種高度綜合性設備，局部裂紋和疲勞裂紋是不能完全避免的，歐洲把500小時要維修保養作為一種制度，而我國的這方面做得不好，有時連起碼的保養，如銷軸和銅套之間的注油都未進行，更何況整體保養。有時出一點裂紋并不可怕，經過小小修理或者加強就可了，如未發現，或者發現了不及時采取措施，將會使裂紋擴大，最后有可能導致結構破壞，甚至釀成事故。此泵車的損壞就說明了這個問題。
　　3　臂架的修理步驟
　　(1)折分。將臂架的一、二、三、四節（從上轉臺處往上）吊下；
　　(2)檢查。檢測各部件，重點檢查一、二節臂的損壞和二節臂油缸有無損壞。經檢查，結果如下：
　　a.轉臺、底架、三、四節臂、各節臂油缸完好；
　　b.一、二節臂連接銷軸、銅套，三、四節臂連接銷軸、銅套，大臂、上轉臺連接銅套已損壞，需測量制造；
　　c.一節臂的頭部除有一小處被二節臂擠曲變形處，其它變形很小，不影響裝配性能和使用；
　　d.二節臂根部一側耳板已完全被拉裂，另一側也因其對側耳板開裂而嚴重扭曲變形；
　　e.連接一、二節臂的大彎連桿和大直連桿也因二節臂耳板斷裂而嚴重扭曲變形。
　　(3) 測量。由于此泵車非國產泵車，沒有圖紙和測量數據，所以在修理前，需要進行以下測量：
　　a.一、二節臂連接銷軸、銅套尺寸，三、四節臂連接銷軸、銅套尺寸，大臂、上轉臺連接銅套尺寸；
　　b.對大彎連桿和大直連桿進行修割、復原后測量部分尺寸，其余尺寸如與一、二節臂的連接尺寸和鉸點間的尺寸需要從與其連接的部件推算得出；
　　c.一節臂的頭部尺寸（到二節臂油缸支座位）；
　　d.二節臂油缸的收回尺寸、行程和耳環厚度；
　　e.對二節臂根部耳板進行修割、焊接復原后測量部分尺寸，其余尺寸如與一節臂的連接尺寸需要從與其連接的一節臂推算得出；
　　f. 一、三節臂，二、三節臂的限位尺寸，用于驗算修理后的臂架能否合理限位。
　　(4)連桿機構分析，確定形狀尺寸。由于二節臂的耳板斷裂后引起二節臂根部、大彎連桿和大直連桿嚴重扭曲變形及一節臂的頭部的輕微變形，測量尺寸由于部件變形而與原有實物不一致，所以要用作圖法微調已測量的大彎連桿、大直連桿和二節臂根部的形狀尺寸，以確保張開和收回均能到位，不發生干涉。
　　(5)出圖。繪制以下圖紙：
　　a.大彎連桿、大直連桿及需要更換的銷軸、銅套圖；
　　b.一節臂頭部加強。校正擠曲變形處后，工程師現場指導具體加強方案；
　　c.修理二節臂尾部，由于二節臂的尾部已完全破壞，但其余部分保持完好，整個臂架重新測繪加工對客戶來說，一是不經濟；二是重做整個臂架的設計、制造工作量大，會由于整個臂架的重做而拉長修理的時間；三是不重做整個臂架而采用對接拼焊并局部加強也能保證性能要求；況且客戶正處在施工高峰期，所以采用將根部重做與完好部分對接拼焊后加工的辦法進行修理，同時在原有結構的基礎上進行局部加強：一是將二耳板處的二塊內端腹板由10mm改為12mm，二是在端腹板的外圍包一塊15mm的加強板。修理前后的對照圖如圖3：
　　(6)工藝規范。
　　a.在焊接前，應將油漆和污漬打磨干凈，焊前預熱，加熱時要求火焰前后左右移動，使金屬均勻加熱，防止局部過熱；
　　b.所有焊接均采用高強焊條，或者采用二氧化碳氣體保護焊,用高強焊絲，如采用高強焊條，焊前應將焊條干燥；
　　c.所有焊縫在焊后均應詳細檢驗，應無裂紋、咬邊、氣孔等焊接缺陷；
　　d.焊接工藝由焊接工程師提供；
　　e.建議派有高強板焊接經驗的焊工施焊。
　　(7)調試。經調試后滿足客戶要求。
　　(8)交付客戶。