附录：译文及原文矿山装载机动臂开裂的计算与实验分析 Rusiski，J. Czmochowski，P. Moczko 弗罗茨瓦夫理工大学机械设计和操作研究院，Lukasiewicza 6/7 51-370 弗罗茨瓦夫，波兰 通讯作者邮件地址：eugeniusz.rusinskipwr.wroc.pl收录时间 15.03.2006，接受修订的时间为 2006 年 4 月 30 日。 分析和建模摘要： 目的：本文的主要目的是考论挖机在井下工作设计的问题与研究地下矿机在工作时的开裂原因 设计/方法/方式：主要采用了数值模拟和实验的方法。采用有限元法用于数值模拟。对材料的评价 运用了断口微观评价，化学分析，硬度实验的方法。其实现的方法是通过破解装载机动臂，标本材 料的评价和两者共同对比的结果的数值模拟分析得出。结果是主要通过数值实验、离散起重臂和预 定义边界条件的模型来确定的。对于起重臂的有限元分析对应力分布的极端负载条件提供了信息。 这项研究包括采用显微镜做宏观和断口检查，起重臂材料的硬度试验。然后从两种方法得出结论。 调查结果：发现地下铜矿用装载机起重臂损坏的原因。 实践意义：本研究为理论设计和制造工艺之间的过程中，在设计到对象的过程提供了广泛的观点方 法。 独创性/价值：本文用评估和测试结果的信息，解释说明的动臂断裂的原因的关系。实验和数值分析 显示设计和机器的制造过程的关系。这可以为设计师和研究员在调查过程或如何防止同类机器的故 障时提供有力的帮助。关键字：CAD/CAM;材料；金属学； 介绍地下采矿机械包括以下：井架，屋顶，抽苔机，装载机，运输车辆以及其它一般用于矿石开采，装 载和运输的设备（即最为基本挖掘任务的设备）1。在生产实践中探索与试验证明地下工作的设备 以及作为其子组件的要求与地表运行的机器不同。通常情况下开采条件更为苛刻。由于他们的特点 的使用过程，他们所受到差的工作条件，和多变的操作条件，同时经常受到载荷冲击。（图 1）图 1自走式屋顶翻录车在地下矿井期间的工作。 矿山机械的设计需要使用快速构造函数，准确的计算方法。此设计还应该有可靠的结构，能承受要求的负荷，同时还应具有经济性2。利用现代集成的 CAD / FEM 系统的方式可以实现此要求。 在设计目标和取得负载运行条件的过程中也可以采用其他的方法3,4。尽管现代设计方法已被使 用，但我们我们仍然观察到机器的承载元件的损坏。其原因包括以下：1、 设计错误-缺乏精确的计算方法（采用旧的设计），设计师忽略了一些因素，犯负载低 估的简单错误，如多余应力，平均应力，类似的影响。在一些时候可以彻底改变结 构的工作压力。这种情况中观察到的焊接，锻造，铸造件结构。2、技术错误-在设计或制造阶段：不正确的技术，错误的配合连接，焊接不良 差质量的焊接技术，材料缺陷如不正确的钢种，材料在张拉层压的连接。3、开采错误-开采过程中过载所造成的或不可预知的环境下出现的机械故障。 通过精确的分析可以更好的了解开采过程中损坏故障的情况与原因，从而改善未来设计的对象。 在广大的地下操作机器中，我们着重考虑装载机。这种类型的机器常见的故障是铲斗和切割刀片损 坏。还有就是构架和载臂相关的损坏。在地下采铜矿机械中，起重臂常常受到损坏，图 2 所示。里 面包括起重臂的截面断裂，导致完全从机器的前部与余部分的悬臂的分离。此故障常发生在铲斗的 过载运行。图 2 损坏的载铲在本设计中为了以确定的吊杆损伤，判断其原因，采用 CAD / FEM 对起重臂的数值应力进行评估。 此外，还进行详细的材料分析，以检查可能的物质和技术故障，这也可能是造成这种损伤的原因。数值试验起重臂的几何模型是用来创建一个离散模型。采用有限元法 6，7 和 8 进行数字假设： 1、使用shell元素的钣金建模2、使用连接器，执行器，车轴和螺栓/引脚建模修改横梁的元素，3、使用 RBE3 类型的元素承载节点建模4、铲斗模型采用硬类型元素 起重臂的数字建模如图 3 所示。图 3起重机的吊臂的离散模型根据装载机的技术参数的分析设定了起重臂的四个位置。其中一个假设如图 4 所示。采用了 18 种方法进行分析。每个这些假定的铲斗的一个固定位置，承受致动器所产生的应力负荷。作为简化， 假设铲斗有一个非常坚固的结构，以同样的假设作为它的自己旋转轴9。图 4副臂的位置图和负荷图对于起重臂的应力计算采用了 I -DEAS 10系统的有限元分析。样品的应力计算如图 5 所示图 5 根据胡伯-米塞斯理论采用等高线表示臂的应力水平 计算出来的三维图显示了起重臂应力的压力大小和形变，主要取决于上的载荷的大小和几何结构。这实例的具有代表性。在这种情况下最大组合应力压力主要集中在造成铲斗结构缺口处的驱动器的接点上。在这个接点上，同时也有一个改变起重臂 的侧带材的刚性引起的衬套的致动机构的安装螺栓上。这也是那里的起重臂开裂发起点。3.材料评估 损坏的起重臂和它是由材料使用以下方法评估11:1、肉眼目视检查，以及体视显微镜检查使用放大倍数可达 30 倍。2、采用扫描电子显微镜，进行断口评价。3、化学分析4、微观评价5、硬度测试3.1 宏观的断口评价 对骨折运行起重臂的整个横截面进行臂的测试（图 6）根据断口的分析可以得出该骨折是脆性断裂，如图（6）所标记的 A 和 B 点所位于 S1 焊缝熔合 材料的杆。分析该断裂点的表面形貌 A 和 B 用扫描电子显微镜显示出平滑的表面，其特征是对骨折 始发点。在点 A 和 B 的断裂可能起源已在或焊后不久，最终导致立即脆性吊臂断裂。它也可能焊接 骨折导致小区域的疲劳。在 A 点所观察到表面形态如图 7 所示。执行了焊接接头的宏观评价的 S2 角焊缝交叉显微如图 8 所示。焊缝表面可用阿德勒的蚀刻液（ Ma11Fe ）蚀刻。图 6断裂带形态图 7为图 6 中 A 点表面形态的 SEM 图像观察证明不完整的角焊缝在焊接熔深的底部。这两种焊接以及焊缝熔合线中还存在着许多焊接 错误而产生的气泡。焊缝的宏观检查关节也透露，在扁棒，起重臂各种结构和 焊接接头材料以及焊接热影响区（热影响区）内。焊缝关节的宏观检查透漏出扁棒，起重臂各种结 构和焊接接头材料以及焊接在热影响区（热影响区）内。图 8扁钢和起重臂之间的焊接接头3.2 微观评价 对于焊接接头的连接点微观评测优于宏观评价。在 Mi1Fe 蚀刻后得出结论为起重臂焊接接头的外部材料的微观结构是的 ferriticperlite 结构， 存在轻微的 Widmannsttten 特性结构（图 9）。在这种类型材料的化学成的结构导致了削弱力学参 数的，并且还引起焊接的不均匀。焊缝区的贝氏体的地方出现珍珠岩状（伪共）结构。该焊接点的 伪共结构表明，焊接是使用中碳钢焊条进行焊接的。热影响区表现出中小板珍珠岩结构以及马氏体结构，其中热影响区是区硬化的，从而导致形成 脆性裂纹。当比较起重臂材料和热影响区时在起重臂 HAZ 和焊接接头的铁素体 - 珠光体结构之间的 的珍珠岩结构存在明显差异。这种快速变化的结构导致焊接材料和焊接接头的连接的参数在显著变 化。这也表明，这是使用不当焊条进行焊接时，具有与本焊接材料显著不同的组合物。焊缝，热影 响区的微观结构和焊接误差如图 10 所示。9起重臂材料的微观结构图 10焊缝的显微组织 - 热影响区和焊缝3.3 硬度测试根据波兰标准 PN- EN 1043-1 采用维氏的方法检测硬度。该测试显示，热影响区在焊接接头显 著硬化与起重臂材料与材料的局部淬火，从而导致发生脆性断裂。4 结论 本文的主要目的是讨论设计地下采矿用机械的问题，并在其基础上分析了挖掘机杆的断裂问题的原因，和它表面遭受损害如图 2 所示。数值和实验方法的使用，是从更广泛的角度 看发生在这种类型的机器的这样的事故。基于所执行的热潮材料测试，分析了与润滑槽的扁钢之间的断裂，焊接接头以及起重臂侧的片， 以及在 MES 应力分析，发现了：1、使用 Mi1Fe 片段的显微镜评价蚀刻，证明了焊缝的外起重臂的材料已经呈现出轻微的证据铁 素体 - 珠光体结构出现了 Widmannsttten 结构特征。这种结构由于热处理不当和锻造，意味着， 用于起重臂的金属是不充分轧并具有较低的机械强度。2、根据波兰 PN-86/H-84018 的标准，碳当量计算，基于该钢在测试过程中确定的化学组成，在0.453 和接近到 0.46 的容许值之间。然而，评价表明吊臂景气钢可焊性较差，应考虑到进行 任意的焊接修理前的说明。3、为各种各样负载的进行了有限元分析证明了脆性断裂发生在一个结构缺口，造成应力集中在 一点。在起重臂经受例合并应力达到最大，扭转力为4、可以得出结论，没有直接的焊接信息进行（这只能是通过实验室材料分析获得）确定： Widmannsttten 结构的存在CE 边缘碳当量值 造成额外引入的残余和局部应力改变材料特性（材料硬化）。这反过来加速脆性断裂的发生。5、因为材料的缺陷与结构不合理所造成起重臂断裂是不可避免的，装载机起重臂 负荷运行，限制了其使用期。参考文献1 K. Pieczonka: Scoop Loaders (in Polish), Wroclaw University of Technology Publishing House, Wroclaw 1988.2 T. Smolnicki, E. Rusinski, J. Czmochowski: Some aspects of load carying structures of mining machines, Mechanical Review, 1/2004 p. 32.3 G. Wszolek: Vibration analysis of the excavator model in GRAFSIM program on the basis of a block diagrammethod. Journal of Materials Processing Technology 157/158 (2004) 268-2734 A. Buchacz, A. Machura, M. Pasek, Hypergraphsinmodelling and analysis of complex mechanical systems,Systems Analysis Modelling Simulation, (2003), Taylor & Francis, New York.5 A. Krukowski, J. Tutaj: Deformational connections. National Scientific publications, 1987.6 E. Rusinski, J. Czmochowski, T. Smolnicki: Advanced Finite Element Method for Load-carrying Structures ofMachines (in Polish), Wroclaw University of Technology Publishing House, Wroclaw 2000. 7 E. Rusinski: Finite Element Method; System COSMOS/M”(in Polish), WKL, W