液壓鑿巖臺(tái)車履帶行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)鏈輪有限元分析

張其智，孫曉亮

（江西鑫通機(jī)械制造有限公司沈陽(yáng)研發(fā)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

履帶式鑿巖臺(tái)車也稱履帶式鉆孔臺(tái)車，是隧道及地下工程采用鉆爆法施工的鑿巖設(shè)備，鑿巖臺(tái)車在每一鉆孔及爆破工作循環(huán)，鑿巖臺(tái)車需駛近和駛離隧道及地下工程爆破工作面。履帶行走機(jī)構(gòu)是履帶式鑿巖臺(tái)車的重要組成部分。由于工作空間狹小，維修固難，這就要求履帶行走機(jī)構(gòu)各零部有較高的可靠性。履帶行走機(jī)構(gòu)一般由，含有液壓馬達(dá)和減速器的液壓驅(qū)動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)鏈輪、緩沖漲緊裝置、引導(dǎo)輪、支重輪、托帶輪、履帶、履帶架。 驅(qū)動(dòng)鏈輪是履帶行走機(jī)構(gòu)的重要執(zhí)行元件。

1 驅(qū)動(dòng)鏈輪與履帶的嚙合

圖1 履帶行走機(jī)構(gòu)組成及驅(qū)動(dòng)鏈輪與履帶的嚙合示意圖

驅(qū)動(dòng)鏈輪與履帶的嚙合，從而驅(qū)動(dòng)履帶行走機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而使履帶式鑿巖臺(tái)車運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)輪與履帶嚙合屬于非共軛嚙合傳動(dòng)，在傳動(dòng)過(guò)程中，節(jié)距的積累偏差主要反應(yīng)在嚙合齒上，嚙合的齒數(shù)越多，這個(gè)偏差的影響越大。在這鐘情況下，整體式履帶的驅(qū)動(dòng)輪都采用特殊嚙合方式設(shè)計(jì)，即履帶節(jié)距比驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距小1%～5%，這時(shí)，只有最前面一個(gè)輪齒和即將脫出嚙合的一個(gè)節(jié)銷在嚙合，其他節(jié)銷都和各齒不接觸。特殊嚙合的優(yōu)點(diǎn)是，履帶節(jié)銷退出嚙合時(shí)，不發(fā)生沖擊，以及當(dāng)履帶因磨損而節(jié)距加大時(shí)，就變成正常嚙合。因此，驅(qū)動(dòng)動(dòng)鏈輪與履帶嚙合為單齒受力。履帶行走機(jī)構(gòu)組成及驅(qū)動(dòng)鏈輪與履帶的嚙合如圖1所示。

2 地面對(duì)履帶行走機(jī)構(gòu)阻力計(jì)算

以下DT-14型液壓鑿巖臺(tái)車為實(shí)例來(lái)探討。

從總體設(shè)方案得DT-14型液壓鑿巖臺(tái)車總機(jī)重約8KG噸，約78480N。取履帶與地面的當(dāng)量阻力系數(shù)ue=0.7，重力加速度g=9.81，則履帶與地面之間的滾動(dòng)摩擦力：

F阻=m.g.f=8000x9.81x0.7=54936N。

由于液壓鑿巖臺(tái)車采用左右兩履帶其同承載鑿巖臺(tái)車，所以單個(gè)履帶所受的地面對(duì)履帶的阻力：

F單阻=1/2. F阻=1/2x54936N=27468N。

3 驅(qū)動(dòng)鏈輪強(qiáng)度有限元分析

以下以某型液壓鑿巖臺(tái)車的驅(qū)動(dòng)動(dòng)鏈輪為實(shí)例，基于PRO/E三維計(jì)算軟件中pro-mechanica分析模塊，來(lái)探討履帶驅(qū)動(dòng)動(dòng)鏈輪有限元分析計(jì)算。對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并進(jìn)行網(wǎng)格畫分如下圖2。

圖2 驅(qū)動(dòng)鏈輪有限元網(wǎng)格劃分示意圖

4 以下是模擬對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪進(jìn)行約束、加載、并進(jìn)行強(qiáng)度有限元分析

4.1 確定驅(qū)動(dòng)鏈輪位移約束

由于液壓驅(qū)動(dòng)裝置，即液壓馬達(dá)和星形減速器聯(lián)合體，驅(qū)動(dòng)鏈輪安裝在星形減速器聯(lián)接法蘭面上，液壓驅(qū)動(dòng)裝置提供驅(qū)動(dòng)扭矩，通過(guò)驅(qū)動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)力，克服地面對(duì)履帶阻力，因此可以驅(qū)動(dòng)鏈輪上的安裝面為位稱約束面，如下圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)鏈輪位移約束示意圖

4.2 對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪模型設(shè)定普通碳鋼的材料力學(xué)屬性

對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪模型設(shè)定普通碳鋼的材料力學(xué)屬性，如下圖4。

圖4 鋼的材料力學(xué)屬性

4.3 確定驅(qū)動(dòng)鏈輪載荷

按本文對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪與履帶嚙合的闡述，整體履帶的驅(qū)動(dòng)輪都采用特殊嚙合方式設(shè)計(jì)，即履帶節(jié)距比驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距小1%～5%。只有最前面一個(gè)輪齒和即將脫出嚙合的一個(gè)節(jié)銷在嚙合，其他節(jié)銷都和各齒不接觸。因此驅(qū)動(dòng)鏈輪所受的阻力矩F單阻=27468N應(yīng)全部加載單個(gè)齒的嚙合齒面。且沿驅(qū)動(dòng)鏈輪分度圓的切線方向，如下圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)鏈輪載荷示意圖

4.4 運(yùn)行有限元分析計(jì)算

4.5 應(yīng)力云圖如下所示，最大應(yīng)力122.5MPa，如下圖6

圖6 驅(qū)動(dòng)鏈輪應(yīng)力云圖

4.6 最大的彈性變型量0.008mm ，如下圖7

圖7 驅(qū)動(dòng)鏈輪應(yīng)變?cè)茍D

4.7 小結(jié)

驅(qū)動(dòng)鏈輪材料為35CrMo。35CrMo材料屈服極限σs≈510MPa。

驅(qū)動(dòng)鏈輪在極限工況下的最大應(yīng)力122.5 MPa小于其材料屈服極限（σs）510MPa。

5 結(jié)論

綜上所述，材料為35CrMo驅(qū)動(dòng)鏈輪的在本文所述極限工況下，該行驅(qū)動(dòng)鏈輪強(qiáng)度設(shè)均滿足要求。通過(guò)實(shí)際使用驗(yàn)證，該設(shè)備的行走驅(qū)動(dòng)鏈輪結(jié)構(gòu)安全可靠。上述對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪的強(qiáng)度有限元分析方法，可為其他履帶行走設(shè)備的驅(qū)動(dòng)鏈輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算提供參照。