露天礦用鉆機(jī)履帶行走裝置的設(shè)計(jì)

呂秀梅

（1.遼寧瀚石機(jī)械制造有限公司，遼寧 阜新 123000；2.阜新市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，遼寧 阜新 123000）

履帶式行走裝置是在工程機(jī)械中僅次于輪胎式廣泛采用的行走裝置。露天礦鉆機(jī)因其特殊的惡劣工作環(huán)境也采用履帶式行走底盤。履帶式行走底盤有著牽引力大、接地比壓小、穩(wěn)定性好、場(chǎng)地適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。履帶式行走裝置是鉆機(jī)整機(jī)中非常重要的一個(gè)組成部分。它的作用是支撐機(jī)體及機(jī)械的全部重量，將發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的扭矩轉(zhuǎn)變成機(jī)械行駛和進(jìn)行作業(yè)所需的牽引力，傳遞并承受各種力、力矩，緩和路面不平引起的沖擊、振動(dòng)。

1 履帶式行走裝置的組成

履帶式行走裝置主要包括驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支重輪、托鏈輪、履帶、行走架、漲緊裝置、減速機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置等，履帶行走裝置的組成如圖1。

圖1 履帶行走裝置的組成

2 四輪一帶的設(shè)計(jì)

2.1 履帶

履帶是將鉆機(jī)整機(jī)的重力以及工作和行走時(shí)的載荷傳遞給地面的一種裝置。露天礦鉆機(jī)因工作環(huán)境惡劣、受力情況復(fù)雜故一般采用鋼制履帶。鋼履帶具有耐磨性好，維修方便，經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。

1）履帶節(jié)距。履帶的節(jié)距指的是履帶串聯(lián)時(shí)2支相鄰軸的中心距。噸位不同的鉆機(jī)，選用的履帶節(jié)距也不同。履帶的節(jié)距通常隨整機(jī)質(zhì)量的增加而線型增大，通?？砂词剑?）計(jì)算履帶的節(jié)距[1]。因履帶的節(jié)距已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了，計(jì)算完的節(jié)距從JG/T 57—1999液壓挖掘機(jī)履帶中選相近的。市面上鉆機(jī)常用的節(jié)距一般為171、203、216 mm 3 種。

式中：t 為履帶節(jié)距，mm；m 為鉆機(jī)質(zhì)量，kg。

2）履帶板寬度。履帶板的寬度直接影響鉆機(jī)工作時(shí)的平均接地比壓，當(dāng)履帶的接地長(zhǎng)度一定時(shí)，履帶板的寬度越大，平均接地比壓越小，可按式（2）選擇履帶板的寬度。因履帶板寬度b 已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，故計(jì)算完的履帶板寬度從JG/T 57—1999 液壓挖掘機(jī)履帶里選相近的。市面上鉆機(jī)用的履帶板寬度一般為500、600 mm，如果需要特殊寬度的履帶也可以和廠家特殊定制。在選擇履帶板時(shí)還應(yīng)注意履帶板的厚度，因露天礦工作環(huán)境惡劣，履帶經(jīng)常在泥水、凹凸地面、石質(zhì)土壤中工作，建議選擇相對(duì)厚實(shí)些的履帶板，可以保證長(zhǎng)期工作不變形，節(jié)省維修成本，一般大型鉆機(jī)的履帶板厚度在11～16 mm。

式中：b 為履帶板寬度，mm。

3）履帶軌距。兩履帶中心之間的距離稱之為履帶軌距，一般近似的計(jì)算如式（3）：

式中：B 為履帶軌距，mm；b 為履帶板寬度，mm。

4）履帶接地長(zhǎng)度。根據(jù)鉆機(jī)設(shè)計(jì)任務(wù)書中的平均接地比壓可以計(jì)算履帶的接地長(zhǎng)度L，同時(shí)，履帶的接地長(zhǎng)度還應(yīng)滿足轉(zhuǎn)彎條件[2]。

式中：L 為履帶接地長(zhǎng)度，m；b 為履帶板寬度，m；P 為平均接地比壓，kPa，對(duì)于露天礦用的鉆機(jī)平均接地比壓約為0.1 kPa。

式中：L 為履帶接地長(zhǎng)度，mm；B 為履帶軌距，mm；φ 為牽引附著系數(shù)；f 為行駛阻力系數(shù)；μ 為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)。

2.2 驅(qū)動(dòng)輪

驅(qū)動(dòng)輪是將鉆機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞給履帶，以產(chǎn)生使車輛運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。在正常行駛時(shí)，要求驅(qū)動(dòng)輪與履帶的嚙合性能要良好，同時(shí)要求在不同的行駛條件和履帶不同磨損程度嚙合應(yīng)平穩(wěn)，進(jìn)入和退出嚙合要順利，不得發(fā)生沖擊、干涉和脫鏈現(xiàn)象。因行走中驅(qū)動(dòng)輪和履帶不斷接觸摩擦，這就要求驅(qū)動(dòng)輪要有良好的耐磨性。

1）驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)。鉆機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪選擇和大部分工程機(jī)械產(chǎn)品一樣，鏈條在驅(qū)動(dòng)輪上雙切齒嚙合，這樣自動(dòng)清除泥土效果好，這種雙切齒嚙合的驅(qū)動(dòng)齒，名義齒數(shù)Zk是實(shí)際齒數(shù)Z 的1/2。設(shè)計(jì)時(shí)，通常選取驅(qū)動(dòng)輪的實(shí)際齒數(shù)為奇數(shù)，驅(qū)動(dòng)輪每轉(zhuǎn)動(dòng)2 圈，驅(qū)動(dòng)輪的所有齒都嚙合1 次，可以延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)輪的使用壽命，同時(shí)還避免了像偶數(shù)齒驅(qū)動(dòng)輪使用一段時(shí)間后，因磨損嚴(yán)重，需拆卸調(diào)整角度重裝的麻煩。市面上鉆機(jī)用的驅(qū)動(dòng)輪一般為21～23 齒，21 齒居多。

2）驅(qū)動(dòng)輪的齒形。驅(qū)動(dòng)輪的齒形有很多形式，目前最常用的是凹形齒，它能保證使履帶節(jié)銷順利地進(jìn)入和退出嚙合，減少接觸面的沖擊力和應(yīng)力，從而減少磨損；這樣即使履帶節(jié)距因履帶節(jié)銷發(fā)生磨損而增大時(shí)，履帶節(jié)銷和驅(qū)動(dòng)輪齒仍能保持工作。雖然凹形齒有減小接觸應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)，但它也有修復(fù)困難的缺點(diǎn)。輪齒的分度圓直徑Dk計(jì)算[3]如式（6），

式中：t 為履帶節(jié)距，mm；Zk為圍繞驅(qū)動(dòng)輪1 周的履帶板數(shù)目，Zk＝（1/2）Z；Z 為驅(qū)動(dòng)輪實(shí)際齒數(shù)。

2.3 導(dǎo)向輪

導(dǎo)向輪可以引導(dǎo)履帶正確地卷繞，對(duì)履帶起導(dǎo)向和支撐的作用，防止履帶跑偏和越軌。同時(shí)導(dǎo)向輪又充當(dāng)張緊裝置中的張緊輪，通過張緊裝置的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)履帶的張緊度調(diào)整。導(dǎo)向輪直徑與履帶節(jié)距的比值越大，卷繞履帶時(shí)沖擊越小，所以一般引導(dǎo)輪的直徑設(shè)計(jì)的比較大。但對(duì)于鉆機(jī)來說，因驅(qū)動(dòng)輪后置，通常導(dǎo)向輪上履帶節(jié)銷中心的運(yùn)動(dòng)半徑不大于驅(qū)動(dòng)輪半徑，利于履帶靠重力向前滑移。

2.4 支重輪

支重輪起到將鉆機(jī)的重力通過它傳遞給履帶，使鉆機(jī)沿履帶軌道滾動(dòng)的作用，同時(shí)支重輪還起到夾持履帶，使其不橫向滑脫，迫使履帶在地面上滑移的作用。支重輪有單邊支重輪和雙邊支重輪2 種。雙邊支重輪因?yàn)楸葐芜呏е剌喍嗔? 個(gè)輪緣而更能夾持好履帶，但滾動(dòng)阻力較大。為了減小阻力且能較好的夾持履帶，在設(shè)計(jì)時(shí)可以在每臺(tái)車上采用2 種型式的支重輪搭配使用，一般在兩端的支重輪采用雙邊支重輪，以防止履帶脫軌，其余中間的支重輪采用單邊支重輪。也可全部采用單邊支重輪，增加護(hù)鏈器也可以達(dá)到防止脫軌的目的。

支重輪的間距設(shè)計(jì)通常不取履帶節(jié)距的整數(shù)倍，這樣可以避免支重輪總壓于履帶的同一位置而加劇履帶磨損。支重輪在布局時(shí)，應(yīng)盡可能增大履帶的接地長(zhǎng)度，各支重輪一般均勻分布，以保證接地比壓的平均分布。一般在設(shè)計(jì)時(shí)兩支重輪的間距不超過2 倍履帶節(jié)距，取1.4～1.7 倍為宜，鉆機(jī)上單側(cè)履帶的支重輪數(shù)量一般為6～10 個(gè)。

2.5 托鏈輪

托鏈輪用于拖起導(dǎo)向輪和驅(qū)動(dòng)輪之間的上部履帶，防止過度下垂。鉆機(jī)上單側(cè)履帶的托鏈輪數(shù)量一般為1～2 個(gè)，不宜過多，過多會(huì)增加履帶滑移時(shí)的摩擦阻力。當(dāng)兩軸距在2 m 以內(nèi)一般采用1 個(gè)拖鏈輪，當(dāng)輪距超過2 m 時(shí)一般采用2 個(gè)托鏈輪[4]。因托鏈輪的結(jié)構(gòu)與支重輪類似，所以在一些鉆機(jī)上用支重輪來代替拖鏈輪，一方面可增加零件的通用性，另一方面對(duì)于噸位大的鉆機(jī)，支重輪的承載能力要比托鏈輪好。缺點(diǎn)是支重輪代替托鏈輪，增加了摩擦阻力，也增加了成本，在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)具體情況選擇。

3 張緊裝置

大中型鉆機(jī)的履帶張緊裝置一般采用液壓調(diào)整。當(dāng)履帶在行走中遇到障礙受到?jīng)_擊載荷時(shí)，允許導(dǎo)向輪稍向后移動(dòng)，并通過油缸中油壓推動(dòng)活塞而使彈簧拉桿壓縮彈簧，從而起到了緩沖作用。

1）張緊彈簧的張緊力。在調(diào)整履帶的張緊度時(shí)，要保證張緊彈簧的拉力和長(zhǎng)度不能改變，這就要求張緊彈簧的預(yù)漲緊力遠(yuǎn)大于履帶的漲緊力。張緊彈簧的預(yù)緊力是按試驗(yàn)研究的結(jié)果確定的，對(duì)履帶式鉆機(jī)而言，一般按式（7）選取，緩沖彈簧最大行程時(shí)的漲緊力可按式（8）計(jì)算：

式中：PH1為張緊彈簧的預(yù)漲緊力，kN。

式中：PH2為張緊彈簧最大行程時(shí)的漲緊力，kN。

2）張緊彈簧的工作行程。張緊彈簧在工作時(shí)有一個(gè)行程范圍，可通過履帶遇到障礙物是的受力狀態(tài)來計(jì)算張緊彈簧的最大工作行程S。

式中：h 為障礙物高度、驅(qū)動(dòng)輪齒高或?qū)蜉嗇喚壐叨?，? 者中的最大值，mm；l 為取值時(shí)考慮支重輪到導(dǎo)向輪，支重輪到驅(qū)動(dòng)輪2 種情況，mm。

4 鉆機(jī)行走架

當(dāng)四輪一帶選型完成后，可以進(jìn)行行走架的設(shè)計(jì)。行走架是履帶行走裝置的承重部分，一般由中間架和左右履帶架組成，通常由高強(qiáng)度的鋼板焊接而成。整體式行走架按結(jié)構(gòu)形式可分為H 型架和X 型架，H 型架與X 型架特點(diǎn)對(duì)比見表1。對(duì)于H 型架在設(shè)計(jì)時(shí)可采用前梁和后軸的形式，采用3 點(diǎn)支撐。這樣可以在鉆機(jī)轉(zhuǎn)彎或道路不平整時(shí)行走架和平臺(tái)之間能有個(gè)調(diào)整，減小振動(dòng)和沖擊。

表1 H 型架與X 型架特點(diǎn)對(duì)比

5 履帶行走裝置

5.1 行走裝置牽引力

鉆機(jī)在行走時(shí)需要克服很多阻力，主要的阻力有：土壤變形阻力、慣性阻力、爬坡阻力、轉(zhuǎn)彎阻力以及運(yùn)行的內(nèi)阻力和風(fēng)阻力等[5]。

1）土壤變形阻力。鉆機(jī)在行走過程中，履帶會(huì)對(duì)土壤進(jìn)行擠壓變形，土壤對(duì)履帶行走產(chǎn)生1 個(gè)土壤變形阻力，計(jì)算公式如下：

式中：FJ為土壤變形阻力，kN；α 為鉆機(jī)行駛的路面坡度角，（°）。

2）慣性阻力。鉆機(jī)的履帶行走裝置啟動(dòng)時(shí)還存在慣性阻力，計(jì)算公式如下：

式中：FG為慣性阻力，kN。

3）爬坡阻力。鉆機(jī)在斜坡上因自重所引起的分力稱之為爬坡阻力，計(jì)算公式為：

式中：Fp為爬坡阻力，kN。

4）轉(zhuǎn)彎阻力。履帶行走裝置在轉(zhuǎn)彎時(shí)所受阻力復(fù)雜，在履帶上的接地比壓分布也不均勻，鉆機(jī)設(shè)計(jì)上常用的轉(zhuǎn)彎阻力計(jì)算公式如下：

式中：FZ為轉(zhuǎn)彎阻力，kN；e 為履帶重心縱向的偏心距，mm。

5）內(nèi)阻力。內(nèi)阻力包含履帶內(nèi)部各零件之間的摩擦，支重輪、導(dǎo)向輪、驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)阻力和軸徑摩擦阻力等，通常按下式近似計(jì)算[6]：

式中：FN為內(nèi)阻力，kN。

6）風(fēng)阻力。鉆機(jī)在行走過程中受到迎風(fēng)阻力的影響，可按下式計(jì)算迎風(fēng)阻力大?。?/p>

式中：FF為風(fēng)阻力，kN；F 為鉆機(jī)承受風(fēng)壓的迎風(fēng)面積，m2；q 為風(fēng)壓，一般取250 N/m2（8 級(jí)風(fēng)）。

履帶行走的6 種阻力中，轉(zhuǎn)彎阻力和爬坡阻力最大，但司機(jī)可以通過自身操作避免轉(zhuǎn)彎和爬坡同時(shí)進(jìn)行。因此，在進(jìn)行鉆機(jī)的牽引力FQ計(jì)算時(shí)，只需考慮爬坡時(shí)或轉(zhuǎn)彎時(shí)兩者中的大值即可。即：

爬坡時(shí)：FQ＝FJ＋FG＋FP＋FN＋FF

轉(zhuǎn)彎時(shí)：FQ＝FJ＋FG＋FZ＋FN＋FF

為了考慮鉆機(jī)在坡道上履帶能正常運(yùn)行還需要驗(yàn)算其附著力。要求牽引力FQ小于附著力Tf[7]。

式中：FQ為爬坡時(shí)的牽引力，kN；Tf為鉆機(jī)的地面附著力，kN。

5.2 行走裝置驅(qū)動(dòng)力矩和行走裝置所需功率

當(dāng)行走裝置的牽引力確定后，可以通過驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)力半徑來計(jì)算行走裝置的驅(qū)動(dòng)扭矩[8]。

式中：M 為整機(jī)扭矩，kN·m；FQ為行走的牽引力，kN；R 為驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)力半徑，mm。

為了選擇驅(qū)動(dòng)行走馬達(dá)系統(tǒng)的電機(jī)，需要進(jìn)行行走裝置的功率計(jì)算[9]。

式中：P 為行走裝置所需功率，kW；FQ為行走裝置的牽引力，kN；V 為行走裝置的行走速度，km/h；η為行走機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，一般取0.8。

6 結(jié)語

詳細(xì)介紹了鉆機(jī)行走機(jī)構(gòu)四輪一帶的計(jì)算與選擇，同時(shí)提供了驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算方法，為履帶的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。通過樣機(jī)試制并經(jīng)過露天煤礦現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)時(shí)間使用，設(shè)備運(yùn)行可靠，工作效率高，故障率低，反饋結(jié)果良好。