掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)關(guān)鍵件應(yīng)力分析及改進(jìn)

摘要：現(xiàn)代重型掘進(jìn)機(jī)擁有高效、高產(chǎn)的特點，在不同的礦山采掘作業(yè)中起到重要的作用。在實際應(yīng)用中，掘進(jìn)機(jī)履帶行走機(jī)構(gòu)支撐著整個掘進(jìn)機(jī)的運行，整機(jī)在改變方向或受瞬時沖擊時，各部件會受到很大的壓力和扭矩作用，容易發(fā)生變形或部件損壞的情況。文章以100 t重掘進(jìn)機(jī)為研究對象，對履帶行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，結(jié)合行走機(jī)構(gòu)在煤礦采煤作業(yè)過程中存在的實際問題，著重描述履帶導(dǎo)向架、履帶板、支重輪的破壞情況，進(jìn)行建模和應(yīng)力分析，提出改進(jìn)方案，使履帶行走機(jī)構(gòu)在承受巨大載荷時能始終保持穩(wěn)定，從而提高整機(jī)的性能和可靠性，滿足不斷變化的工程需求。

關(guān)鍵詞：重型掘進(jìn)機(jī)； 履帶行走機(jī)構(gòu)； 應(yīng)力分析

中圖分類號：TD421.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）05-0083-04

0 引言

現(xiàn)代重型掘進(jìn)機(jī)作為一種重要的礦山采掘設(shè)備，廣泛應(yīng)用于煤礦采煤作業(yè)、金屬礦山采礦作業(yè)、隧道掘進(jìn)、煤礦煤層氣開采作業(yè)等場合，可以實現(xiàn)高效的采掘作業(yè)，迅速提高開采效率，降低勞動力成本和運行成本。重型掘進(jìn)機(jī)具有噸位大、整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制系統(tǒng)多樣化、截割功率大等特點。隨著機(jī)械制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，重型掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。在實際應(yīng)用中，掘進(jìn)機(jī)履帶行走機(jī)構(gòu)支撐著整個掘進(jìn)機(jī)，整機(jī)在改變方向或受瞬時沖擊時，各部件會受到很大的壓力和扭矩作用，容易發(fā)生變形或部件遭受損害，機(jī)器故障率和不穩(wěn)定性隨之增大，尤其是履帶行走機(jī)構(gòu)所受的載荷和振動會對機(jī)器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而影響機(jī)器性能和使用壽命［1］。基于此，需要改進(jìn)重型掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)，以提高整機(jī)性能。本文以100 t重掘進(jìn)機(jī)為研究對象，從履帶行走機(jī)構(gòu)的受力分析入手，結(jié)合行走機(jī)構(gòu)在煤礦采煤作業(yè)運行過程中存在的問題進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和改進(jìn)，使履帶行走機(jī)構(gòu)在承受巨大載荷時能始終保持穩(wěn)定，進(jìn)而提高整機(jī)的性能和可靠性，延長設(shè)備的使用壽命。本研究可以為今后的產(chǎn)品開發(fā)提供理論和實踐參考。

1 履帶行走機(jī)構(gòu)的工作原理與力學(xué)性能

1.1 履帶行走機(jī)構(gòu)的工作原理

重型掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)為履帶式，主要由機(jī)架、履帶鏈、輪軸、驅(qū)動輪、從動輪、輪軸承、馬達(dá)減速器、護(hù)板、導(dǎo)向張緊裝置、支重輪組等構(gòu)成。其中，驅(qū)動輪和從動輪通過輪軸連接，輪軸承安裝在車體上，保證輪軸旋轉(zhuǎn)和承受重力。履帶通過壓在驅(qū)動輪和從動輪之間的橡膠墊片或金屬鏈條傳遞動力。

掘進(jìn)機(jī)行駛時，發(fā)動機(jī)通過傳動系統(tǒng)將動力傳遞到驅(qū)動輪，驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)帶動履帶運動。從動輪在履帶的支持下運動，驅(qū)使車輛前進(jìn)或轉(zhuǎn)彎。整個系統(tǒng)中的各個部件相互協(xié)作，使掘進(jìn)機(jī)能夠在不同的地形和環(huán)境中行駛。

1.2 履帶行走機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性

履帶行走機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性主要包括載荷分布、應(yīng)力分布、變形及振動等［2-3］。

（1）載荷分布。履帶行走機(jī)構(gòu)所受載荷主要來自地面反作用力、負(fù)荷物重力、車身慣性力等。其中，地面反作用力是最主要的載荷來源，反作用力的大小與地形、地面黏度等因素有關(guān)。在實際應(yīng)用中，由于地形變化和行駛狀態(tài)的不同，所以履帶行走機(jī)構(gòu)所受載荷也會發(fā)生變化。

（2）應(yīng)力。分布履帶行走機(jī)構(gòu)的應(yīng)力主要來自載荷作用，其分布形式與載荷分布有關(guān)。通常，履帶的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出“上凸下平”的形態(tài)，鏈輪和驅(qū)動輪的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出“上平下凸”的形態(tài)，托帶輪和支撐輪的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出“上平下凹”的形態(tài)。由于履帶行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其應(yīng)力分布也較為復(fù)雜，所以需要根據(jù)實際情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

（3）變形。由于履帶行走機(jī)構(gòu)所受載荷不同，其結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的變形。一般來說，履帶的變形主要包括橫向變形和縱向變形，鏈輪和驅(qū)動輪的變形主要包括徑向變形和周向變形。變形會影響履帶行走機(jī)構(gòu)的性能和使用壽命。

（4）振動。在行駛過程中，履帶行走機(jī)構(gòu)會產(chǎn)生一定的振動。造成振動的原因包括地面不平、載荷變化、結(jié)構(gòu)松動等，振動會對履帶行走機(jī)構(gòu)的性能和使用壽命產(chǎn)生影響。振動的要素包括頻率、振幅、加速度等，需要通過實驗或數(shù)值模擬進(jìn)行測量和分析。

在實際運行過程中，重型掘進(jìn)機(jī)整機(jī)前進(jìn)和支撐主要依靠履帶行走機(jī)構(gòu)完成，因此行走機(jī)構(gòu)各部件受到很大的外力作用。機(jī)架與導(dǎo)向張緊裝置接觸處、履帶板、支重輪承受外界重載時會出現(xiàn)嚴(yán)重變形。因此，本文著重從履帶導(dǎo)向架、履帶板、支重輪的角度進(jìn)行分析、改進(jìn)。

2 履帶導(dǎo)向架的改進(jìn)

2.1 履帶導(dǎo)向架破壞描述

重型掘進(jìn)機(jī)履帶導(dǎo)向架的主要作用是支撐和導(dǎo)向，保證重型機(jī)械設(shè)備正常行駛。掘進(jìn)機(jī)在運行過程中，受復(fù)雜環(huán)境的影響，履帶架會受到各種各樣的沖擊，如突然停車、履帶陷入泥坑、左右回轉(zhuǎn)等，使導(dǎo)向架受到很大的沖力，最終導(dǎo)致變形或者焊縫開裂等。為保證降低導(dǎo)向架連接板與履帶架上側(cè)板焊接處發(fā)生開裂的風(fēng)險，現(xiàn)對該處零部件建模并進(jìn)行應(yīng)力分析。

2.2 履帶導(dǎo)向架建模及應(yīng)力分析

進(jìn)行應(yīng)力分析首先需要確定履帶導(dǎo)向架的受力情況。在正常使用情況下、履帶導(dǎo)向架主要受到3個方向的載荷：向下的重力、向前的推進(jìn)力和地形起伏產(chǎn)生的地形反力。確定受力情況后，對履帶導(dǎo)向架進(jìn)行有限元分析，通過模擬計算出導(dǎo)向架在各個方向受力時的應(yīng)力分布。分析時需要考慮導(dǎo)向架的材料特性、幾何形狀、載荷大小等因素，進(jìn)而判斷導(dǎo)向架是否滿足強(qiáng)度要求。針對分析結(jié)果，需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和改進(jìn)，使導(dǎo)向架在承受巨大載荷時能始終保持穩(wěn)定。同時，在實際使用過程中，需要對導(dǎo)向架進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)其可能存在的故障和缺陷。

對履帶架建模時，由于履帶架整件裝配復(fù)雜，部分過度圓弧處倒角過小，無法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因此需要簡化模型，取履帶架中導(dǎo)向架及部分履帶架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，具體建模過程如下［4-5］：①中間履帶架界面處整體施加約束力。②導(dǎo)向架上前端施加力約50 t，即490 kN。③選取研究對象的材料為Q345；網(wǎng)格劃分整體大小為1.3 mm。④進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變仿真計算。最大受力點應(yīng)力云圖如圖1所示。

通過受力分析得出最大受力點在箭頭所示部位，最大受力為845.7 MPa，超出了所用材料之間的焊接強(qiáng)度，故需要改進(jìn)。

2.3 履帶導(dǎo)向架改進(jìn)方案

為了降低圖1中最大受力點應(yīng)力值，經(jīng)過多方討論后形成3種方案。第一種是在導(dǎo)向架兩側(cè)上下各加1塊加強(qiáng)筋；第二種是在導(dǎo)向架立板內(nèi)部加2塊加強(qiáng)筋；第三種是導(dǎo)向架上斜面與履帶架上中板形成一個整體?，F(xiàn)就3種方案做出應(yīng)力對比分析。

（1）第一種方案：將圖2箭頭所示的斜板由30 mm加厚到40 mm，建模過程可參照上述步驟進(jìn)行。經(jīng)應(yīng)力分析得出，焊接處應(yīng)力為618 MPa，應(yīng)力值較大。

（2）第二種方案：將圖3箭頭所示的斜板由40 mm加厚到60 mm，經(jīng)過受力分析，在應(yīng)力云圖上可知，焊接處應(yīng)力值為509 MPa，其值小于第一種方案。

（3）第三種方案：直接將上斜板腔體變?yōu)閷嶓w，如圖4箭頭所示。由圖4可知，焊接處應(yīng)力值僅為89.9 MPa，說明第三種方案較前兩種方案更可靠，因此將其應(yīng)用于實際中。實踐證明：此方案起到了很好的效果，焊縫開裂沒有再出現(xiàn)。

3 履帶板的改進(jìn)

3.1 履帶板破壞描述

重型掘進(jìn)機(jī)履帶板通常承受高強(qiáng)度和高壓力，因此要求具有高強(qiáng)度、高耐磨、高可靠性等特性，但在長期使用過程中，受各種因素的影響，可能會發(fā)生以下幾種破壞現(xiàn)象。

（1） 履帶板斷裂破壞。履帶板斷裂破壞是由于履帶板本身的缺陷或在運輸過程中受到?jīng)_擊導(dǎo)致。履帶板的缺陷包括板材過薄、材料質(zhì)量不好和制造過程存在裂紋等。當(dāng)履帶板受到超過其承載范圍的載荷時，就會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

（2）履帶板的拉伸破壞。破壞產(chǎn)生的原因是履帶板所受的拉力超過了承受范圍。當(dāng)設(shè)備長時間運轉(zhuǎn)，特別是在重載狀態(tài)下，履帶板的拉伸強(qiáng)度逐漸下降，最終導(dǎo)致拉伸破壞。

（3）履帶板的疲勞破壞。此類破壞是由于履帶板在長期的使用過程中不斷承受重載和振動造成的。疲勞破壞是逐漸發(fā)生的，最終將導(dǎo)致履帶板報廢。

履帶板作為與地面直接接觸的部件，由于長時間與地面巖石摩擦并受到整機(jī)直接擠壓，容易磨損、變形，導(dǎo)致履帶鏈與鏈輪脫鏈而停機(jī)。

3.2 履帶板建模及應(yīng)力分析

實際應(yīng)用中，出現(xiàn)了履帶板銷軸脫出，履帶面不平整、彎曲等現(xiàn)象，因此對其進(jìn)行應(yīng)力分析對保證設(shè)備的穩(wěn)定運行具有重要意義。為了找出履帶板變形的原因，需要建立虛擬模型分析其應(yīng)力，建模過程如下：①應(yīng)力分析過程中在右端銷軸孔內(nèi)壁施加約束力。②履帶板材料選擇鑄造合金，材料的屈服強(qiáng)度為241.3 MPa。③在左端面中部施加的外力載荷為50 t；由于部件較小，網(wǎng)格劃分適當(dāng)變小，為1.08 mm。

最后運行結(jié)果，得到應(yīng)力云圖如圖5所示。在靜載荷的作用下，屈服應(yīng)力為241.3 MPa，最大應(yīng)力值為399.5 MPa。由此可知，設(shè)計強(qiáng)度不夠?qū)е铝寺膸О遄冃位蚵膸ф溩油湘?，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

3.3 履帶板改進(jìn)方法及驗證

為了更好地提高履帶板的耐用度，需要從材料和外形著手設(shè)計履帶板。經(jīng)多方調(diào)研最終履帶板材料定為42CrMo，其屈服強(qiáng)度為930 MPa。由圖5可知，最大應(yīng)力處出現(xiàn)在履帶板前端部，因此在重新設(shè)計時，考慮利用外加的履帶板粼刺把前后端部位互相牽引在一起，使兩個方向的受力分散在兩個端部。重新設(shè)計后的履帶板應(yīng)力分析如圖6所示，新履帶板的最大應(yīng)力值為610 MPa，材料的屈服值為930 MPa。因此，改進(jìn)后的履帶板性能滿足強(qiáng)度設(shè)計要求，并在實際環(huán)境中得到了檢驗。

4 支重輪的改進(jìn)

4.1 支重輪的破壞描述

支重輪在履帶架和履帶鏈之間起到橋梁作用，配合履帶使整機(jī)向前運動。在工作中，支重輪會承受較大的壓力、載荷和振動，因此使用過程容易發(fā)生破壞，破壞的類型有以下幾種：①輪罩裂紋。由于持續(xù)的振動和負(fù)荷，支重輪的輪罩產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致其失效。②異常磨損。支重輪偏心或結(jié)構(gòu)不合理等可能導(dǎo)致支重輪異常磨損，影響運轉(zhuǎn)。③傳動裝置破壞。過度載荷可能導(dǎo)致傳動裝置破壞或失效，需更換設(shè)備或進(jìn)行維修。

4.2 支重輪建模及應(yīng)力分析

通常，支重輪體與軸之間的設(shè)計方式是軸較短而支重輪體較長，此種設(shè)計方式的缺陷是當(dāng)支重輪兩側(cè)受到整機(jī)壓力時，軸端在輪體內(nèi)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)生軸變形，導(dǎo)致密封件瞬間損壞，造成潤滑不足而使整個支重輪報廢。通過分析發(fā)現(xiàn)，采用支重輪軸兩端直接受力，輪體以滾動力的形式，這種設(shè)計的特點是支重輪承受壓力大，密封圈不受軸或輪體干擾?，F(xiàn)建立簡易模型進(jìn)行應(yīng)力分析：①應(yīng)力分析時，由于左右端底部固定在支重輪座上，因此該部位可添加約束力。②支重輪材料選定為42CrMo，材料的屈服強(qiáng)度為930 MPa，與履帶板材料相同。③為更真實地接近實際接觸，支重輪與履帶板接觸面可切出適當(dāng)寬度的平面，該平面寬度設(shè)定為2 mm；在此面上施加95/2 t的外載荷力；由于部件比較規(guī)則，可適當(dāng)把網(wǎng)格增大，設(shè)定為1.44 mm，同時能節(jié)省PC機(jī)的內(nèi)部運算存儲空間。

得到支重輪應(yīng)力云圖如圖7所示。由圖7可知，支重輪最大應(yīng)力處為407 MPa，在靜載荷作用下遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，符合設(shè)計要求。

5 結(jié)論

本文以100 t重掘進(jìn)機(jī)為研究對象，采用有限元分析的方法，對履帶行走機(jī)構(gòu)存在的實際問題進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：①履帶導(dǎo)向架上斜面與履帶架上中板形成一個整體后，在受力點根部的最大受力僅為89.9 MPa，遠(yuǎn)小于所用材料之間的焊接強(qiáng)度，可靠性大大提高。②將履帶板的材料為改變42CrMo，并利用外加的履帶板履刺把前后端部互相牽引在一起。經(jīng)過應(yīng)力分析，最大應(yīng)力值為610 MPa，材料的屈服值為930 MPa，提高了履帶板的耐用度。③采用支重輪軸兩端直接受力的方式，通過應(yīng)力分析，最大應(yīng)力為407 MPa，在靜載荷作用下遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，提高了支重輪的可靠性。結(jié)合模擬分析后投產(chǎn)到實際應(yīng)用工況當(dāng)中，獲得良好的效果。

6 參考文獻(xiàn)

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*山西省自由探索青年基金資助項目“基于多源信息融合的掘錨一體經(jīng)濟(jì)截割模型研究”（202103021223462）。

【作者簡介】楊莎莎，女，山西晉城人，碩士，任職于山西工程職業(yè)學(xué)院，工程師，研究方向：工程機(jī)械設(shè)計。

【引用本文】楊莎莎.掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)關(guān)鍵件應(yīng)力分析及改進(jìn)［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2023（5）：83-86.