基于ANSYS的礦用挖掘機(jī)履帶板結(jié)構(gòu)分析

摘要：以某大型礦用挖掘機(jī)寬履帶板為研究對象，研究了履帶板在兩種極限工況下的受力狀況，采用有限元分析方法建立有限元模型，分析了兩種結(jié)構(gòu)履帶板在兩種極限工況下的應(yīng)力分布，驗(yàn)證履帶板強(qiáng)度是否滿足礦用挖掘機(jī)復(fù)雜工況使用要求。有限元分析結(jié)果表明，現(xiàn)有履帶板在極限工況下應(yīng)力超過材料許用應(yīng)力，有斷裂風(fēng)險(xiǎn)；改進(jìn)結(jié)構(gòu)履帶板在極限工況下應(yīng)力降低40%以上，且小于材料許用應(yīng)力，滿足極限工況使用要求；同時該分析方式對其他履帶板強(qiáng)度設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：履帶板；有限元分析；強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：TD422.2" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）16-0050-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.16.014

0" " 引言

大型礦用挖掘機(jī)廣泛用于煤礦、鐵礦等露天礦場作業(yè)，隨著近年來礦業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，其需求量持續(xù)增加。大型礦用挖掘機(jī)作業(yè)條件惡劣，作業(yè)工況復(fù)雜多變，對行走裝置要求較高。履帶總成是行走裝置中的關(guān)鍵部件，主要功能是承受整機(jī)質(zhì)量及工作負(fù)載，并通過與驅(qū)動輪嚙合將牽引力傳到地面，借助地面反作用力驅(qū)動主機(jī)行駛。履帶板為履帶總成與地面直接接觸的零件，當(dāng)路面起伏不平，承受擠壓、彎曲等應(yīng)力作用時，容易出現(xiàn)斷裂的失效情況[1-2]。

本文以某大型礦用挖掘機(jī)寬履帶板為研究對象，利用有限元分析軟件（ANSYS Workbench）對極限工況下履帶板強(qiáng)度進(jìn)行分析，找到履帶板強(qiáng)度薄弱區(qū)，對履帶板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提升履帶板工況適應(yīng)性。

1" " 履帶板結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)

1.1" " 履帶板結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有履帶板為三齒履帶板，板寬1 000 mm，如圖1所示。履帶板前后端分別有翹起角，使履帶板在安裝后可繞引導(dǎo)輪和支重輪靈活轉(zhuǎn)動，避免履帶卷繞時互相干涉[3]。履帶板采用框架結(jié)構(gòu)，左右兩端及中間部分均設(shè)有減重槽，通過內(nèi)置加強(qiáng)筋提高履帶板承載能力。為滿足裝配需要，履帶板4個螺栓安裝孔上方均設(shè)置避讓槽，受限于安裝孔位置尺寸，履帶板中間齒的部分齒寬度變小，降低了履帶板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

根據(jù)以上分析，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的履帶板為雙齒板，其中一個履齒呈直線延伸，另一個履齒呈曲線延伸，如圖2所示。

1.2" " 履帶板的主要參數(shù)

履帶板采用鑄造成型，材質(zhì)為SCMnMoH，主要參數(shù)如下：密度ρ=7 800 kg/m3，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.276。經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，履帶板屈服強(qiáng)度σs不小于750 MPa。考慮挖掘機(jī)履帶總成的極限工況，選取履帶板安全系數(shù)為ns=1.25，則許用應(yīng)力為：

[σ]===600 MPa" " " " " " " " "（1）

2" nbsp; 履帶板受力分析

在不同工作狀態(tài)下，履帶板受力不同。本文研究兩種工況下履帶板強(qiáng)度。

工況一：挖掘機(jī)在起伏路面行駛時出現(xiàn)部分履帶板懸空，僅有幾個履帶板承載的情況，極限情況下會出現(xiàn)一條履帶僅有一個履帶板承載，分析此工況下履帶板的受力和強(qiáng)度。

工況二：在礦山路面上出現(xiàn)履帶板壓到石塊的情況，極限情況下存在單塊履帶板端部壓到石塊，其他履帶板懸空的狀況，研究此時履帶板受力及強(qiáng)度。

3" " 現(xiàn)有履帶板有限元分析

首先在Creo中裝配單個履帶合件，并對三維結(jié)構(gòu)做一些簡化處理，去除標(biāo)識、小的倒角和圓角，然后使用專用接口把處理后的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中。在ANSYS Workbench中編輯需要使用的材料屬性，并將材料屬性賦予對應(yīng)的履帶零部件。使用默認(rèn)設(shè)置自動生成接觸，對生成的接觸對進(jìn)行檢查，去除多余的接觸對，合理設(shè)置接觸對的接觸方式以及接觸面和目標(biāo)面，并使用接觸工具檢查初始的接觸信息，避免出現(xiàn)接觸不合理的情況。

由于履帶板模型復(fù)雜，所以使用二階四面體單元網(wǎng)格劃分模型，添加網(wǎng)格劃分控制選項(xiàng)，對重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行合理細(xì)化，非重點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)格尺寸可以相對粗獷，在保證計(jì)算精度的情況下減少網(wǎng)格數(shù)量，既不耽誤求解速度，還可以得到相對較優(yōu)解[4]。

3.1" " 現(xiàn)有履帶板工況一計(jì)算載荷與分析結(jié)果

工況一單側(cè)履帶單塊履帶板齒面著地，在左、右鏈軌節(jié)踏面上施加約束，在履帶螺栓上施加預(yù)緊力，在履帶板齒面上施加一半整機(jī)重量的載荷，如圖3（a）所示。

由圖3（b）可得出，現(xiàn)有履帶板最大應(yīng)力出現(xiàn)在履帶板中間齒部與螺栓安裝避讓槽孔相交處，最大應(yīng)力值為239.41 MPa，小于履帶板的許用應(yīng)力。

3.2" " 現(xiàn)有履帶板工況二計(jì)算載荷與分析結(jié)果

工況二單側(cè)履帶單塊履帶板端部邊緣著地，在左、右鏈軌節(jié)踏面上施加約束，在履帶螺栓上施加預(yù)緊力，在履帶板端部邊緣倒角上施加25%整機(jī)重量的載荷，如圖4（a）所示。

由圖4（b）可得出，現(xiàn)有履帶板最大應(yīng)力出現(xiàn)在履帶板中間齒部與螺栓安裝避讓槽孔相交處，其最大應(yīng)力值為929.66 MPa，大于履帶板的許用應(yīng)力。

4" " 改進(jìn)結(jié)構(gòu)履帶板有限元分析

4.1" " 改進(jìn)結(jié)構(gòu)履帶板工況一計(jì)算載荷與分析結(jié)果

在Creo中使用改進(jìn)結(jié)構(gòu)履帶板裝配單個履帶合件，三維模型簡化處理后導(dǎo)入ANSYS Workbench。設(shè)置與現(xiàn)有履帶板相同的單元類型和單元尺寸，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置與現(xiàn)有履帶板有限元分析相同的接觸方式。

對改進(jìn)結(jié)構(gòu)履帶板進(jìn)行有限元仿真，分析結(jié)果如圖5所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在履帶板齒部上，最大應(yīng)力值為136.21 MPa，小于履帶板的許用應(yīng)力。

4.2" " 改進(jìn)結(jié)構(gòu)履帶板工況二計(jì)算載荷與分析結(jié)果

改進(jìn)結(jié)構(gòu)履帶板工況二條件下載荷大小和加載方式與現(xiàn)有履帶板工況二相同，有限元仿真分析結(jié)果如圖6所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在履帶板齒部上，最大應(yīng)力值為547.91 MPa，小于履帶板的許用應(yīng)力。

5" " 分析結(jié)果對比

表1分別列出了現(xiàn)有履帶板與改進(jìn)結(jié)構(gòu)履帶板的最大應(yīng)力情況。從表1可以看出，工況一條件下，兩種履帶板最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，工況二條件下現(xiàn)有履帶板最大應(yīng)力大于許用應(yīng)力，改進(jìn)結(jié)構(gòu)履帶板最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，且相同工況下改進(jìn)結(jié)構(gòu)履帶板最大應(yīng)力均小于現(xiàn)有履帶板。

6" " 結(jié)論

通過使用ANSYS Workbench軟件對現(xiàn)有履帶板和改進(jìn)結(jié)構(gòu)履帶板進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真得到如下結(jié)論：在工況一條件下，現(xiàn)有履帶板和改進(jìn)結(jié)構(gòu)履帶板最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力；在工況二條件下，現(xiàn)有履帶板最大應(yīng)力大于許用應(yīng)力，有斷裂風(fēng)險(xiǎn)，相比于現(xiàn)有履帶板，改進(jìn)結(jié)構(gòu)履帶板在工況二條件下應(yīng)力降低40%以上，且應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足極限工況使用要求。

本文使用的有限元分析方式對同類型履帶板的設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有一定的借鑒意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 謝國進(jìn).CLG908D型挖掘機(jī)履帶板及驅(qū)動鏈輪有限元分析[J].礦山機(jī)械，2022，50（2）：16-20.

[2] 王珂晟，劉躍進(jìn).重型裝備的履帶板強(qiáng)度分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2009（9）：85-87.

[3] 季有昌，金丹.基于有限元的巖石型推土機(jī)履帶板優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動化，2015，44（1）：118-123.

[4] 杜平安.有限元網(wǎng)格劃分的基本原則[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2000（1）：34-36.

收稿日期：2024-04-16

作者簡介：徐軻（1985—），男，河南太康人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：履帶底盤產(chǎn)品研發(fā)。