挖掘機(jī)行走履帶建模及模態(tài)分析*

王智森

（景德鎮(zhèn)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333400）

近年來(lái)，工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展迅猛。以液壓挖掘機(jī)的研發(fā)制造、投入使用及市場(chǎng)占有量為例，國(guó)內(nèi)發(fā)展規(guī)模越來(lái)越大的工程機(jī)械企業(yè)在世界工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)范圍內(nèi)擁有越來(lái)越多的話語(yǔ)權(quán)[1]。液壓挖掘機(jī)主要由三大部分組成，即行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置及工作裝置，其中行走裝置作為支撐整機(jī)質(zhì)量及作業(yè)載荷的關(guān)鍵零部件，主要分為行走履帶和輪式兩種類(lèi)型[2]。一般來(lái)說(shuō)，行走履帶具備爬坡性能強(qiáng)、接地比壓小及作業(yè)場(chǎng)地不受限制等優(yōu)勢(shì)，相比輪式在裝備液壓挖掘機(jī)的整體數(shù)量上占比更大[3]。行走履帶可實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)在土石方挖掘作業(yè)過(guò)程中所需的一切移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)等動(dòng)作，其工作狀態(tài)會(huì)直接影響液壓挖掘機(jī)的挖掘效能，為保證其正常工作，設(shè)計(jì)合理的行走履帶結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。本文以22t型液壓挖掘機(jī)行走履帶為例，針對(duì)行走履帶常見(jiàn)故障產(chǎn)生機(jī)理及振動(dòng)特性進(jìn)行行走履帶建模及模態(tài)分析，以期為后續(xù)研究行走履帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及故障診斷提供可行性參考，對(duì)于提高液壓挖掘機(jī)行走履帶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也有一定的借鑒意義。

1 行走履帶整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化建模

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析及建模

根據(jù)22t型液壓挖掘機(jī)行走履帶結(jié)構(gòu)分析，選取行走履帶部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。行走履帶主要結(jié)構(gòu)包括履帶板、引導(dǎo)輪、托鏈輪、履帶主鏈節(jié)、行走馬達(dá)及回轉(zhuǎn)平臺(tái)等零部件[4]。在液壓挖掘機(jī)土石方作業(yè)過(guò)程中，來(lái)自液壓馬達(dá)的動(dòng)力帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)輪齒與履帶的嚙合使得履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)的行走。通過(guò)控制兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的不同以及正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)轉(zhuǎn)向和倒退等運(yùn)動(dòng)[5]。為避免履帶直接與履帶架接觸產(chǎn)生過(guò)度磨損，同時(shí)保證履帶在垂直方向不產(chǎn)生較大的跳動(dòng)，通常在履帶架上安裝托帶輪或托帶板將履帶鏈托起，使得履帶鏈能夠平穩(wěn)滑動(dòng)，同時(shí)起到一定的導(dǎo)向作用。因此，行走履帶裝置具有4個(gè)典型特點(diǎn)：通過(guò)性好、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好及承載能力強(qiáng)[6]。

表1 22t型液壓挖掘機(jī)行走履帶部分結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過(guò)UG軟件完成行走履帶整體結(jié)構(gòu)的線框簡(jiǎn)化建模，如圖1所示。其中，中心框架采用X桁架，履帶框架為箱式截面結(jié)構(gòu)，履帶密封為自潤(rùn)滑式，高低調(diào)整采用黃油張緊，履帶板數(shù)每側(cè)49個(gè)，托鏈輪每側(cè)2個(gè)，支重輪每側(cè)8個(gè)。導(dǎo)向輪的作用是引導(dǎo)履帶繞轉(zhuǎn)，保持一定的張緊力，以防止跑偏或越軌，同時(shí)允許前后位移，帶動(dòng)履帶張緊或松弛，方便履帶的拆卸。支重輪在履帶板上做純滾動(dòng)，合理的結(jié)構(gòu)布置形式可以保證每個(gè)支重輪受力分布均勻，延長(zhǎng)支重輪的使用壽命。履帶板用銷(xiāo)軸連接在一起，形成一條封閉的履帶，將引導(dǎo)輪、支重輪、托鏈輪及行走馬達(dá)包裹起來(lái)，形成一個(gè)閉合的整體，為液壓挖掘機(jī)行走作業(yè)提供平穩(wěn)的支撐及強(qiáng)勁的牽引力。

圖1 行走履帶線框簡(jiǎn)化建模

1.2 載荷計(jì)算及失效機(jī)理分析

針對(duì)典型挖掘工況，在進(jìn)行液壓挖掘機(jī)的行走履帶載荷計(jì)算及失效機(jī)理分析時(shí)，應(yīng)考慮行走履帶簡(jiǎn)化建模階段5點(diǎn)理想化要求：1）在濕軟或低洼場(chǎng)所作業(yè)，應(yīng)有較大的驅(qū)動(dòng)力以保證行走履帶的越野、爬坡及轉(zhuǎn)彎性能；2）應(yīng)有較大的離地間隙，提高行走履帶在不平地面上的通過(guò)性能；3）應(yīng)有較大的接地面積或較小的接地比壓，提高液壓挖掘機(jī)的作業(yè)穩(wěn)定性；4）斜坡挖掘作業(yè)時(shí)不發(fā)生超速溜坡及下滑現(xiàn)象，保證液壓挖掘機(jī)的安全可靠性；5）行走履帶的外形尺寸應(yīng)符合道路運(yùn)輸規(guī)范要求[7]。

行走履帶相比較輪式最顯著的特征是爬坡能力大，一般來(lái)說(shuō)，爬坡效率能達(dá)到50%～80%。在初步確定爬坡能力后，通過(guò)理論分析進(jìn)行核算選定。液壓挖掘機(jī)行走履帶爬坡過(guò)程中主要需要克服3個(gè)部分阻力，分別為履帶自重、運(yùn)行阻力及履帶內(nèi)阻力[8]。

液壓挖掘機(jī)自重在斜坡方向的分力為：

式中，G為液壓挖掘機(jī)自重；θ為坡度角。

運(yùn)行阻力簡(jiǎn)化計(jì)算為：

履帶內(nèi)阻力簡(jiǎn)化計(jì)算為：

則最大牽引力F應(yīng)不小于3個(gè)部分阻力之和，即：

同時(shí)，還應(yīng)滿足液壓挖掘機(jī)行走履帶在爬坡過(guò)程中不打滑的簡(jiǎn)化計(jì)算條件，即：

式中，μ為行走履帶與工況地面的附著系數(shù)，常見(jiàn)值如表2所示[9]。

表2 行走履帶與地面的附著系數(shù)常見(jiàn)值

液壓挖掘機(jī)行走履帶的承載能力大小取決于挖掘作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性和爬坡行走時(shí)的通過(guò)性。為了方便載荷計(jì)算，簡(jiǎn)化處理行走履帶兩側(cè)履帶板與工況地面均視為理想化接觸，考慮液壓挖掘機(jī)的重心位置近似位于底架中心，簡(jiǎn)化計(jì)算得到：

式中，p為行走履帶平均接地比壓；l為行走履帶接地長(zhǎng)度；b為行走履帶寬度；h為行走履帶高度。

引起行走履帶沖擊振動(dòng)損壞失效的機(jī)理主要為關(guān)鍵零部件磨損失效、驅(qū)動(dòng)輪連接螺栓失效及支重輪密封失效，其中以驅(qū)動(dòng)輪連接螺栓失效最為突出[10]。在液壓挖掘機(jī)挖掘作業(yè)過(guò)程中，行走履帶受到的載荷主要包括整機(jī)重量、挖掘力及地面支撐力，其中挖掘力及地面支撐力隨著典型挖掘工況的變化不能維持恒定，嚴(yán)重影響行走履帶的運(yùn)行穩(wěn)定性。通過(guò)提高驅(qū)動(dòng)輪連接螺栓的可靠性，防止驅(qū)動(dòng)輪部位各個(gè)連接螺栓均受到?jīng)_擊振動(dòng)導(dǎo)致?lián)p壞失效，以保證行走履帶在挖掘作業(yè)時(shí)能夠正常工作。

2 行走履帶模態(tài)分析

2.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)22t型液壓挖掘機(jī)行走履帶結(jié)構(gòu)參數(shù)，建模完成了行走履帶線框簡(jiǎn)化模型。在UG軟件中對(duì)行走履帶線框簡(jiǎn)化模型進(jìn)行實(shí)體化處理，去除線條重合及切邊特征，得到行走履帶裝置的簡(jiǎn)化三維模型。接著在ANSYS Workbench軟件中建立ANSYS Workbench和UG行走履帶裝置的簡(jiǎn)化三維模型導(dǎo)入接口，選擇Static Structural進(jìn)行靜力學(xué)分析，利用Design Modeler對(duì)導(dǎo)入模型進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，放置Modal選項(xiàng)，將Modal模塊拖曳至Static Structural項(xiàng)目的Solution模塊中。查閱相關(guān)資料，參考得到行走履帶裝置的材料性能參數(shù)如表3所示。通過(guò)Geometry定義行走履帶裝置的材料屬性，對(duì)行走履帶中履帶板、引導(dǎo)輪、托鏈輪、履帶主鏈節(jié)、行走馬達(dá)及回轉(zhuǎn)平臺(tái)等各零部件材料進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，點(diǎn)擊Engineering Data設(shè)置材料為Structural Steel。

表3 行走履帶材料性能參數(shù)

模態(tài)分析網(wǎng)格劃分的精度和疏密程度是影響行走履帶振幅頻率分析結(jié)果的重要因素。在行走履帶裝置中，由于整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以在常用的網(wǎng)格劃分實(shí)際處理中難以采取六面體網(wǎng)格劃分。因此在行走履帶的重要位置處，如在履帶板、引導(dǎo)輪、托鏈輪和履帶主鏈節(jié)處選取四面體網(wǎng)格，在底架、行走馬達(dá)和回轉(zhuǎn)平臺(tái)處選取三面體網(wǎng)格。為了確保網(wǎng)格劃分效率和計(jì)算精度，采用三面體及四面體網(wǎng)格結(jié)合的形式劃分行走履帶裝置各零部件部分的單元格。在Mesh中設(shè)置Method命令為T(mén)etrahedrons，選擇Sizing方式對(duì)整體尺寸進(jìn)行劃分，將Element Size設(shè)置為40 mm。針對(duì)驅(qū)動(dòng)輪鉸點(diǎn)、履帶板處分別設(shè)置Sizing為10 mm、20 mm進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，Transition設(shè)置為Slow優(yōu)化不同網(wǎng)格精度過(guò)渡問(wèn)題。完成上述網(wǎng)格劃分設(shè)置步驟后，得到行走履帶裝置網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示，網(wǎng)格劃分的疏密程度反映出行走履帶簡(jiǎn)化三維模型的精度。

圖2 行走履帶裝置網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2 模態(tài)分析

通過(guò)ANSYS Workbench有限元工程仿真分析軟件對(duì)液壓挖掘機(jī)行走履帶進(jìn)行后處理，即開(kāi)展模態(tài)分析。通過(guò)模態(tài)分析流程，找出行走履帶在固定約束和自重載荷作用下每一階數(shù)的模態(tài)振型、阻尼比及固有頻率等模態(tài)參數(shù)，為后續(xù)研究行走履帶的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、零部件運(yùn)行常見(jiàn)故障預(yù)測(cè)診斷提供參考。分析行走履帶各零部件在易受影響的振幅頻率范圍內(nèi)的模態(tài)特性，預(yù)測(cè)行走履帶在液壓挖掘機(jī)典型挖掘工況的多種振動(dòng)源中產(chǎn)生的振幅響應(yīng)。模態(tài)分析結(jié)果主要用于確定行走履帶各零部件的振動(dòng)特性，因其不隨工作載荷發(fā)生變化，故操作可行性及可靠性較高。

在ANSYS Workbench界面的Mechanical窗格樹(shù)形目錄中單擊Static Structural分支，單擊Environment工具欄中Supports的Fixed Support命令添加到驅(qū)動(dòng)輪及引導(dǎo)輪的軸心線上作為固定約束，單擊左下角屬性窗格Scope分支下Geometry中的Apply按鈕確定。單擊Environment工具欄中Loads的Force命令，為行走履帶裝置施加自重。選中樹(shù)形目錄中Modal分支下的Solution分支，單擊工具欄內(nèi)Solve區(qū)域中的Solve按鈕，進(jìn)入求解模型，進(jìn)行求解，查看各階模態(tài)的云圖，其中1階、2階模態(tài)云圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 行走履帶裝置1階模態(tài)云圖

圖4 行走履帶裝置2階模態(tài)云圖

由行走履帶裝置1階、2階模態(tài)云圖及振型固有頻率值可知：1階頻率為6.041 Hz，行走履帶左側(cè)履帶板最大變形量為49.049 mm，向上產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形；2階頻率為6.144 Hz，行走履帶右側(cè)履帶板最大變形量為49.586 mm，向上產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。階數(shù)不同，發(fā)生最大振動(dòng)危險(xiǎn)的行走履帶裝置履帶板 的位置也不相同，每階狀態(tài)下產(chǎn)生的扭動(dòng)方向及形狀均不同。通過(guò)分析模態(tài)云圖可以看出行走履帶各零部件頻率發(fā)生的最大位置，這為工程分析中減少共振提供了可參考的指導(dǎo)方向。

3 結(jié)論

本文以液壓挖掘機(jī)行走履帶為實(shí)際工程背景，參考相關(guān)結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)值，借助UG軟件完成行走履帶整體結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化建模。針對(duì)典型挖掘工況，進(jìn)行行走履帶爬坡過(guò)程中克服阻力的載荷計(jì)算分析，得到行走履帶平均接地比壓的簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果。分析引起行走履帶沖擊振動(dòng)損壞失效常見(jiàn)故障的機(jī)理原因，發(fā)現(xiàn)以驅(qū)動(dòng)輪連接螺栓失效表現(xiàn)最為顯著。結(jié)合模態(tài)分析方法、理論及流程，運(yùn)用ANSYS Workbench軟件對(duì)行走履帶簡(jiǎn)化三維模型進(jìn)行模態(tài)分析，確定行走履帶各零部件的振動(dòng)特性。通過(guò)模態(tài)分析，求出行走履帶各零部件的1階和2階模態(tài)振型、固有頻率及最大變形量，為行走履帶預(yù)防共振提供了理論支持，同時(shí)為后續(xù)多階模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究提供了參考依據(jù)。