1．故障现象
    1台在采石场作业的20t级挖掘机，当其铲斗装满石料正在提升动臂淮备装车时，动臂前端突然断裂。该挖掘机动臂主体用钢板焊接而成，动臂前端为焊接在动臂主体上的铸钢件，铸钢件的2个侧板与斗杆销连接，断裂部位为该铸钢件的侧板，且为脆性断裂，如图1所示。

    该挖掘机购置仅3个月，购机时为该机配装的是重型岩石铲斗，一直在该采石场从事挖掘岩石及装车作业，工作时间表显示该机已上作1200h。

    2 原因分析
    为了查明动臂断裂的原因，我们从该挖掘机动臂的设计、材质、铸造工艺、断裂韧性、焊接、使用等方面进行仔细分析。
   （1）设计
    按照国标GB/T9141-88《液压挖掘机结构强度试验方法》规定，挖掘机工作装置强度计算分为4种土况，我们对4种工况进行了分析，发现工况1动臂前端受力最大，即动臂缸全缩、斗杆缸作用力臂最大，且斗齿尖位于铲斗与斗杆的铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上，也就是斗齿尖、斗杆与动臂铰点、铲斗与斗杆铰点这3点成1条直线。我们运用Ansy、软件对此工况下动臂的受力情况进行分析，得到动臂等效应力云图，如图2所示。

    从等效应力云图可知，该动臂前端断裂位置应力值为212.43MPa。我们对该计算结果进行分析，发现该部位网格划分不够精细，故此对计算结果给予修正，修正后该部位的实际应力为170MPa。我们通过实测的方法对计算数据进行验证，实测表明修正后应力接近实际应力。
    设计挖掘机动臂时，该处选用材料屈服强度大于441 MPa，因此动臂断裂的原因不是设计不合理造成的。
   （2）材质
    该挖掘机动臂前端所用材料为铸钢件，热处理对于铸钢件金相组织和机械性能有很大影响。我们对动臂前端铸钢件断裂临近区域取样，进行化学成分和机械性能检测，检测结果如表1、表2所示。检测结果表明，该铸钢件端头的化学成分及机械性能满足设计要求。



   （3）铸造工艺
    动劈前端铸钢件的制造流程为：造型→浇铸→落砂→毛坯清理→外观检查→退火→调质→硬度检测→机加工→清整→涂装→发货。
    为了提高铸造时钢水在铸造模型内的流动性，在动臂前端铸造模型两侧板之间设置了横浇道。动臂前端完成铸造、冷却、开箱后，用火焰切割方法将横浇道切掉。动臂前端铸造模型及横浇道如图3。所示。
    查看断裂位置，刚好处于铸钢件铸造工艺横浇道位置。将断裂部位切开，发现横浇道处铸件内部有凹陷，并有铸造厂家对铸件补焊、磨平的痕迹，如图3b所示。

    分析认为，铸钢熔点高，铸造性能差，铸造时充入模型后冷却速度较快，保持液态的时间较短，故流动性差，容易氧化和产生夹渣。横浇道与两侧壁的交叉处横截面积最大，容易形成缩孔缺陷。铸钢件凝固时尤石墨析出，收缩量较大，容易产生收缩微裂纹。这些夹渣、缩孔、微裂纹以及后续进行的补焊，都容易给铸钢件带来质量隐患。
   （4）断裂韧度
    正常情况下，虽然该动臂前端铸钢件在应力作用下不会发生塑性变形和断裂。但是由于动臂前端铸钢件内部存在夹渣、缩孔、微裂纹等缺陷，破坏了铸钢件材质的连续性，使应力线中断。当铸钢件受到外力作用时，应力被迫绕过夹渣、缩孔、微裂纹尖端。如果材料的断裂韧度较差，裂纹尘端处的应力线就会急剧增多，局部应力将大大超过材料的允许应力值，在这些夹渣、缩孔、微裂纹的尖端附近便出现应力集中，如图4所示。

    应力集中使裂纹继续扩展，当其达到临界值时，裂纹突然失稳扩展，发生快速脆断，直到最终断裂。这一临界值称为材料的断裂韧度。这可能是动臂突然断裂的主要原因。
   （5）焊接
    该挖掘机动臂主体钢板与动臂前端铸钢件焊接在一起，动臂前端焊接了液压管夹（见图1）。测量动臂前端铸钢件断裂位置与液压管夹焊接处相距约95mm，管夹焊缝为8mm角焊缝。由于主焊缝距断裂位置较远，可以排除焊接缺陷导致应力集中的可能。
   （6）使用
    动臂前端铸钢件所受应力与工作装置结构、动臂缸规格和工作装置液压系统设定压力有关，液压系统压力不会因配装重型岩石铲斗而增大。由上述应力分析可知，由于液压系统有溢流阀进行压力限制，客户在正常使用情况下，动臂是不会突然断裂的。
    通过现场观察挖掘机现场工况恶劣，有大大小小的石头，因此，动臂前端断裂可能与冲击、碰撞、超载以及误操作有关。

    3．结论
    经过对该挖掘机动臂前端铸钢件突然断裂原因进行全面分析，我们认为其断裂原因主要有以下3点：一是铸钢件铸造时横浇道过宽，产生缩松、夹渣、缩孔。二是该铸钢件韧性较差，造成应力集中。三是现场工况恶劣，作业时存在冲击、碰撞以及误操作。我们分析出的这些原因，可对铸钢件设计人员、工艺人员，以及设备选型、采购及操作人员提供参考。