履帶維修裝配液壓夾緊裝置設(shè)計(jì)及有限元分析

宋 捷，呂紅瑞，鄧文星，牛帥帥

（1.山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046012；2.山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治046012）

0 引言

履帶作為履帶車輛整車的關(guān)鍵部件，是整車設(shè)備實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的保障組件，在整個(gè)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。履帶車輛的工作條件惡劣，特別是工作中行走過(guò)程中的履帶需要承受較大的拉力、沖擊力，隨著履帶車輛使用一段較長(zhǎng)時(shí)間后，常發(fā)生履帶斷鏈、松動(dòng)脫鏈、鏈磨損等故障，將使履帶車輛無(wú)法行走和作業(yè)，維修此類故障往往耗費(fèi)大量時(shí)間，對(duì)于整個(gè)工程按節(jié)點(diǎn)的完成有極大的影響。履帶行走裝置的維修效率成為目前影響履帶車輛出勤率的關(guān)鍵因素，有必要改進(jìn)現(xiàn)有裝配維修技術(shù)，提高裝配維修效率，從而實(shí)現(xiàn)履帶的快速可靠裝配，提高維修效率和安全性，減輕維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，解決目前履帶車輛裝配中存在的問(wèn)題。針對(duì)不同損壞工況維修全過(guò)程，提取共性裝配難點(diǎn)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出一套滿足不同履帶規(guī)格特點(diǎn)，具有可以快速更換的便攜式履帶維修裝配液壓夾緊裝置[1-2]。

1 履帶結(jié)構(gòu)

履帶結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要是由主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)、負(fù)重輪、誘導(dǎo)輪、履帶板、履帶銷、端部連接器等組成[3]。履帶銷及端部連接器等將各履帶板連接起來(lái)構(gòu)成履帶鏈環(huán)，履帶板的兩端有孔，與主動(dòng)輪嚙合，另一頭有誘導(dǎo)齒，用來(lái)規(guī)正履帶，并防止履帶車輛轉(zhuǎn)向或側(cè)傾行駛時(shí)履帶脫落，中間為負(fù)重輪，在與地面接觸的一面有加強(qiáng)防滑筋，以提高履帶板的堅(jiān)固性和履帶與地面的附著力[4]。

圖1 履帶結(jié)構(gòu)示意圖

2 現(xiàn)有裝維修裝配工藝分析

通過(guò)梳理兩種工況斷鏈裝配或換鏈維修的全流程，尋找制約維修的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題，如圖2、3所示。履帶車輛履帶維修中，常用的方法是依靠人力進(jìn)行機(jī)械牽引夾緊兩鏈板，對(duì)履帶進(jìn)行維修，實(shí)際維修過(guò)程中存在效率較低和安全隱患較大的問(wèn)題。針對(duì)維修裝配過(guò)程的問(wèn)題和難點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)技術(shù)要求的確定，工藝裝備設(shè)計(jì)方案的制定，關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)及校核等幾個(gè)方面，開(kāi)展?jié)M足不同履帶規(guī)格，可以快速更換的便攜式履帶維修裝配液壓夾緊裝置的技術(shù)研究。

圖2 履帶換鏈流程圖

圖3 履帶斷鏈流程圖

3 履帶維修裝配液壓夾緊裝置

3.1 確定設(shè)計(jì)技術(shù)要求

1）行走功能滿足不同地點(diǎn)履帶的安裝，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能拆卸便也攜帶運(yùn)輸；

2）適應(yīng)不同高度位置履帶板的安裝；

3）具有自動(dòng)夾緊功能，實(shí)現(xiàn)履帶銷的合攏，使要拆卸或安裝的履帶板之間預(yù)緊力為0 N，使端部連接器順利取出或安裝；

4）適應(yīng)不同規(guī)格型號(hào)履帶車輛的維修裝配。

3.2 制定工藝裝備設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)了柔性便攜式履帶維修裝配液壓夾緊工藝裝置，如圖4所示。該裝置主要由行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)，拆裝頭等組成。

圖4 總體結(jié)構(gòu)圖

為解決以人力進(jìn)行機(jī)械牽引夾緊兩履帶板，對(duì)斷鏈或換鏈進(jìn)行維修，致使勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了此種液壓升降、夾緊手推行走的方案：首先購(gòu)買(mǎi)市面成熟的液壓搬運(yùn)車作為行走機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，在液壓搬運(yùn)車上用螺釘安裝固定架，方便拆卸，作為升降機(jī)構(gòu)的基準(zhǔn)，升降機(jī)構(gòu)一端與固定支架連接，一端與升降油缸支耳連接，通過(guò)油缸升降實(shí)現(xiàn)升降機(jī)構(gòu)升降，夾緊機(jī)構(gòu)可以繞升降機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，滿足不同角度位置履帶的拆卸和裝配，操作夾緊油缸使拆裝頭的半圓柱對(duì)準(zhǔn)履帶銷，然后通過(guò)夾緊油缸收緊夾緊，使履帶板預(yù)緊為0，完成履帶銷端部連接件的安裝與拆卸。

3.3 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

1）行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖5所示，行走機(jī)構(gòu)由液壓搬運(yùn)車、固定支架、升降臂支耳、升降油缸支耳組成，行走機(jī)構(gòu)能為升降機(jī)構(gòu)提供基準(zhǔn)和行走功能，其中液壓搬運(yùn)車是液壓千斤頂來(lái)進(jìn)行升降的一種方便的小巧的運(yùn)輸工具，運(yùn)動(dòng)方便敏捷。選擇DF20液壓搬運(yùn)車，由手柄、兩叉子組成，可承載二噸左右的重物，參數(shù)如表1所示。行走機(jī)構(gòu)輪子帶剎車功能，能夠在任何位置停止；固定支架采用鋼管形式，滿足基準(zhǔn)剛度的要求。

表1 液壓搬運(yùn)車型號(hào)參數(shù)表

圖5 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2）升降機(jī)構(gòu)

如圖6所示，升降機(jī)構(gòu)由升降油缸、升降臂、轉(zhuǎn)接臂、萬(wàn)向臂等組成，升降油缸升降，帶動(dòng)升降臂繞行走機(jī)構(gòu)中升降臂連接支耳旋轉(zhuǎn)，從而使所有部件上升下降，從而實(shí)現(xiàn)夾緊機(jī)構(gòu)的升降，為了夾緊機(jī)構(gòu)能在空間適應(yīng)不同角度履帶板的安裝，特設(shè)計(jì)萬(wàn)向臂，萬(wàn)向臂自身能在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，下端有夾緊油缸旋轉(zhuǎn)支耳，能實(shí)現(xiàn)夾緊機(jī)構(gòu)豎直平面的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了夾緊機(jī)構(gòu)的空間不同位置的要求，為了減少加工難度，特設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接臂，連接升降臂和萬(wàn)向臂。此結(jié)構(gòu)為放大結(jié)構(gòu)，油缸每升降1 mm，夾緊油缸旋轉(zhuǎn)軸升降4.5 mm，能夠滿足快速移動(dòng)到合適位置的要求。

圖6 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3）夾緊機(jī)構(gòu)

如圖7所示，該機(jī)構(gòu)由夾緊油缸、油缸固定支架、拆卸頭連接座等組成。固定支架有三個(gè)功能，一是與萬(wàn)向臂連接，二是固定夾緊油缸外缸筒，三是為拆裝頭連接座移動(dòng)提供軌道。為了適應(yīng)不同規(guī)格履帶的維修和安裝，特設(shè)計(jì)安裝座，可以根據(jù)不同規(guī)格調(diào)換安裝座上的拆裝頭即可。為確保維修裝配過(guò)程的可控，采用夾緊油缸加拉力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)推力實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示，根據(jù)推力變化情況，及時(shí)反饋，一方面及時(shí)發(fā)現(xiàn)維修過(guò)程問(wèn)題并進(jìn)行調(diào)整[5]，另一方面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)夾緊力，確?？煽堪惭b與拆卸。

圖7 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

4）拆裝頭設(shè)計(jì)

為了能實(shí)現(xiàn)加緊油缸與履帶銷的快速連接，根據(jù)履帶銷結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)拆裝頭結(jié)構(gòu)，如圖8所示。半圓柱面用于履帶銷相連，下方孔與夾緊機(jī)構(gòu)的連接座相連?？梢愿鶕?jù)不同履帶規(guī)格更換此轉(zhuǎn)接頭，下方連接結(jié)構(gòu)不變，更改上方尺寸即可滿足不同規(guī)格履帶的安裝，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 拆裝頭結(jié)構(gòu)

3.4 關(guān)鍵零部件強(qiáng)度校核

升降部件升降臂和轉(zhuǎn)接臂因?yàn)閼冶圯^長(zhǎng)，承受前段所有的部件重量，拆卸頭承受著整個(gè)個(gè)履帶的拆卸力，都為關(guān)鍵受力件，因此對(duì)升降臂、轉(zhuǎn)接臂和轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行強(qiáng)度校核[5]。

對(duì)升降臂、轉(zhuǎn)接臂進(jìn)行有限元分析，如圖9所示為應(yīng)力結(jié)果，等效應(yīng)力最大為位于轉(zhuǎn)角處，其數(shù)值為153 MPa。其材料為Q345A，熱處理后屈服強(qiáng)度可達(dá)到345 MPa，安全系數(shù)為2.25，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 升降臂、轉(zhuǎn)接臂應(yīng)力云圖

查閱資料某規(guī)格履帶的平均張緊力為30 kN[6]，安裝拆卸時(shí)需對(duì)此規(guī)格拆卸頭進(jìn)行強(qiáng)度校核及對(duì)拆卸頭進(jìn)行有限元分析，如圖10所示為應(yīng)力結(jié)果，最大等效應(yīng)力最大位于螺紋連接孔處，其數(shù)值為310 MPa。拆卸頭材料為30CrMnSiA，熱處理后屈服強(qiáng)度可達(dá)到900 MPa，安全系數(shù)為2.9，滿足拆卸的設(shè)計(jì)要求。

圖10 拆卸頭應(yīng)力云圖

3.5 結(jié)構(gòu)方法特點(diǎn)

1）具有快速可更換夾緊拆裝頭功能，適用于不同履帶車輛的不同規(guī)格履帶的維修。

2）具有便攜式，可移動(dòng)的特點(diǎn)，有利于在各種極端惡劣維修環(huán)境的使用。

3）液壓傳動(dòng)裝置的重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性??；液壓元件可以實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，便于設(shè)計(jì)、制造和推廣使用。

3.6 使用方法

1）更換后履帶定好位置，根據(jù)不同履帶規(guī)格更換拆裝頭，將履帶維修裝配液壓夾緊裝置靠近要維修的履帶車輛。

2）根據(jù)履帶維修的位置啟動(dòng)升降油缸，使頭拆裝頭移動(dòng)到合適位置。

3）控制夾緊油缸伸縮，使拆裝頭處于張開(kāi)狀態(tài)。

4）晃動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)使兩端拆裝頭半圓柱面分別于履帶板上兩端履帶銷連接。

5）啟動(dòng)夾緊油缸使履帶銷合攏，使要維修的履帶板之間的預(yù)緊力為零。

6）安裝端部連接件。

7）安裝緊定螺釘。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有履帶裝配維修的特點(diǎn)及難點(diǎn)，通過(guò)確定履帶裝配工藝裝置的技術(shù)要求，制定工藝裝置的設(shè)計(jì)方案及對(duì)關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)開(kāi)展工藝裝置的研制，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了有限元分析校核，最終設(shè)計(jì)出功能和強(qiáng)度都滿足要求的維修裝配液壓夾緊裝置，并介紹了該裝置的特點(diǎn)及使用方法。履帶維修裝配液壓夾緊裝置的使用，使履帶夾緊不再靠人工機(jī)械裝配，工人可從笨重體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，有良好的應(yīng)用前景，達(dá)到了提高效率和解放勞動(dòng)力的目的。