威克诺森机械设备（中国）有限公司
摘要：某批量生产的小型挖掘机发生几起推土铲焊接结构开裂失效问题。通过对其结构设计合理性分析及受力分析，结果表明：推土铲在结构设计时，对承载安全系数的预留量不够，同时载荷力的传导路径也不是很合理；经过有限元分析，局部区域的最大应力值超过了材料强度许用应力，导致推土铲在较大受力工况时焊缝开裂失效。对于优化改进方案，本文从载荷力的传导路径方向出发，优化改进耳板尺寸，并通过有限元分析改善推土铲的后封板厚度，增大承载安全系数，从而减小失效风险，并且为后续新产品研发积累了经验。
小型挖掘机以其良好的整机通过性和操作的便捷性，广泛应用于地下车库工程作业、地铁建设维修、商品房室内装修拆除等。通常情况下，小型挖掘机一般都会配置推土铲，为了适应各种工况，以及提高机器的稳定性和操作安全性。
近期接客户反馈，公司批量推向市场的一款小型挖掘机中出现几起推土铲焊接结构开裂失效的情况。如下图所示：
一、失效形式：
开裂位置位于耳板与折弯板连接处的周圈焊缝处，机器工作时间为369.2h
二、结构设计的合理性：
1、短推土铲受力状态分析：
推土铲在工作时的主要载荷为推土铲油缸施加的油缸力，边界约束条件为推土铲变幅铰点约束以及地面的平面支撑约束，如下图所示。
2、对推土铲采用有限元法建模，并仿真分析后，运算结果的应力云图如下图所示。局部最大应力约为435MPa。而推土铲的焊接材料采用的是Q355结构钢，其屈服应力为355MPa，安全系数仅为0.8。虽然计算结果会存在一定的应力集中现象，造成应力值偏高；但是可以推断，最大应力超过许用应力的可能性非常大，因此推土铲的结构设计的合理性需要进一步优化和提升。
三、优化改进方案：
1、根据受力简图，考虑到力的最短距离传递原则，主要改进方向有两个：
（1）增加后封板的板厚；
（2）延伸耳板尺寸，使根部焊接位置位于力的传递线路以内。
2、综合考虑改进制造成本及可实施性，共制定4种改进方案。分别对各改进方案进行有限元仿真计算，结果对比分析如下：
3、应力云图
①改进方案1：折弯板厚度8mm
②改进方案2：折弯板厚度10mm
③改进方案3：耳板延伸到折弯板下部
④改进方案4：折弯板厚度8mm+耳板延伸到折弯板下部
4、改进方案实施
经以上对比分析，采用方案4折弯板厚度由5mm增加到8mm，同时耳板延伸到折弯角下部的方案较为合理。改进后，最大应力减小到172Mpa，安全系数提升至2.1。
如下图所示：
四、结论：
本文通过对某小型挖掘机推土铲焊接结构开裂失效问题的分析，从受力分析及结构设计的合理性方向出发，提出了不同的优化改进方案，并通过有限元仿真得出最优解；使推土铲结构应力安全系数提升到2倍以上，大幅提高了产品的安全性，并且为后续新产品的研发积累了经验。
参考文献：
1、基于ANSYS的液压挖掘机推土装置轻量化设计《机械工程师》 庄攀
2、小型挖掘机工作装置仿真分析及轻量化设计 《机械管理开发》 高伟
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