履帶式挖掘機(jī)底盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與可靠性研究

0 引言

在現(xiàn)代工程機(jī)械領(lǐng)域，履帶式挖掘機(jī)已經(jīng)成為土木工程、礦山開采、水利建設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域不可或缺的重要設(shè)備[1]。而底盤作為履帶式挖掘機(jī)的重要組成部分，其性能直接關(guān)系到挖掘機(jī)的整體穩(wěn)定性和作業(yè)效率。因此，對(duì)履帶式挖掘機(jī)底盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與可靠性分析，有助于提升挖掘機(jī)的綜合性能，延長(zhǎng)挖掘機(jī)的使用壽命，降低其維護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益[2]。

隨著工程建設(shè)要求的提高，一些履帶式挖掘機(jī)的底盤設(shè)計(jì)已經(jīng)難以滿足高效、穩(wěn)定、耐用的要求。因此對(duì)底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升其可靠性、耐久性、承載能力、工作效率、行駛穩(wěn)定性和抗疲勞性能，成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)?；诖耍疚纳钊脒M(jìn)行履帶式挖掘機(jī)底盤的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與可靠性研究，為給履帶式挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供有益的參考。

1履帶式挖掘機(jī)底盤材料選取

履帶式挖掘機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)底盤材料的強(qiáng)度和耐磨性有著極高的要求[3]。為了提升底盤的耐用性和整體性能，應(yīng)科學(xué)選擇履帶式挖掘機(jī)底盤材料。在綜合考慮材料的強(qiáng)度、耐磨性、抗腐蝕性和密度等因素后，本文篩選出了幾種備選材料并對(duì)其性能進(jìn)行對(duì)比。履帶式挖掘機(jī)底盤材料性能對(duì)比如表1所示。

經(jīng)過(guò)深入分析和評(píng)估，本文最終選擇高強(qiáng)度合金鋼作為履帶式挖掘機(jī)底盤的主要材料。高強(qiáng)度合金鋼不僅具有較高的強(qiáng)度和耐磨性、能夠滿足挖掘機(jī)在惡劣工作環(huán)境下的需求，而且其適中的密度和抗腐蝕性也使其在綜合性能上表現(xiàn)出色[4]。同時(shí)，考慮到成本效益和實(shí)際應(yīng)用情況，選擇高強(qiáng)度合金鋼的性價(jià)比較高。通過(guò)科學(xué)選擇履帶式挖掘機(jī)底盤材料，為提升挖掘機(jī)底盤結(jié)構(gòu)的耐用性和整體性能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2履帶式挖掘機(jī)底盤設(shè)計(jì)

2.1底盤回轉(zhuǎn)中心的受力情況

履帶式挖掘機(jī)的底盤結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到其穩(wěn)定性和作業(yè)效率，為了設(shè)計(jì)出既符合力學(xué)原理又能提高作業(yè)效率的底盤結(jié)構(gòu)，本文分析工作裝置對(duì)底盤回轉(zhuǎn)中心的受力情況。履帶式挖掘機(jī)工作裝置對(duì)底盤回轉(zhuǎn)中心的作用力如圖1所示。

圖1展示了挖掘機(jī)在工作狀態(tài)下，其工作裝置對(duì)底盤回轉(zhuǎn)中心所產(chǎn)生的復(fù)雜的作用力和力矩[5]。這些作用力和力矩直接決定底盤的穩(wěn)定性和承載能力，是設(shè)計(jì)底盤結(jié)構(gòu)時(shí)必須予以充分考慮的關(guān)鍵因素。

2.2底盤主要結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.2.1主要結(jié)構(gòu)件

在深入理解了工作裝置受力特性的基礎(chǔ)上，本文精心設(shè)計(jì)了履帶式挖掘機(jī)底盤結(jié)構(gòu)。該底盤結(jié)構(gòu)巧妙集成了HST變速器、驅(qū)動(dòng)輪、支撐架、橡膠履帶、機(jī)架、張緊輪和支重輪等關(guān)鍵部件。履帶式挖掘機(jī)底盤主要結(jié)構(gòu)件如圖2所示。

2.2.2 變速器選擇

HST變速器作為底盤的核心部件之一，其作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上。該型變速器采用先進(jìn)的靜液壓無(wú)極變速技術(shù)，能夠根據(jù)作業(yè)需求實(shí)時(shí)調(diào)整變速比，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的平穩(wěn)加速、高效制動(dòng)和快速響應(yīng)。這種變速器憑借緊湊的結(jié)構(gòu)、輕量化的設(shè)計(jì)和高效的傳動(dòng)性能，為挖掘機(jī)提供了可靠的動(dòng)力保障。

2.2.3 驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)軸和軸承與HST變速器相連，其作用是將變速器的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)履帶前進(jìn)或后退。驅(qū)動(dòng)輪采用具有良好的耐磨性和抗沖擊性能的高強(qiáng)度合金材料，能夠承受挖掘機(jī)在復(fù)雜地形下產(chǎn)生的巨大扭矩和沖擊力[6]。

2.2.4支撐架設(shè)計(jì)

支撐架是底盤結(jié)構(gòu)的主體部分，連接著各個(gè)部件，確保整個(gè)底盤的穩(wěn)定性和剛性。其設(shè)計(jì)采用堅(jiān)固的箱型結(jié)構(gòu)，通過(guò)焊接和螺栓連接等方式將各個(gè)部件牢固地固定在支撐架上。同時(shí)，支撐架上還設(shè)置了多個(gè)加強(qiáng)筋和支撐點(diǎn)，以提高整體的承載能力和抗扭強(qiáng)度。

2.2.5 橡膠履帶設(shè)計(jì)

橡膠履帶作為底盤與地面之間的接觸部件，承受著挖掘機(jī)的全部質(zhì)量，同時(shí)傳遞驅(qū)動(dòng)力。橡膠履帶采用高強(qiáng)度、耐磨損的橡膠材料制成，具有良好的附著力和抗滑性能。橡膠履帶的內(nèi)側(cè)設(shè)置有驅(qū)動(dòng)齒和導(dǎo)向齒，能夠與驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪緊密配合，確保挖掘機(jī)行駛穩(wěn)定和可靠。

2.2.6機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架是底盤結(jié)構(gòu)的支撐基礎(chǔ)，承載著變速器、驅(qū)動(dòng)輪、支撐架和履帶等部件的質(zhì)量，其設(shè)計(jì)采用了高強(qiáng)度厚鋼板通過(guò)精密焊接技術(shù)制造，可確保其出色的剛度和承重性能[7]。同時(shí)，機(jī)架上還設(shè)置了多個(gè)安裝孔和連接點(diǎn)，以便于其他部件的安裝和固定。

2.2.7 張緊輪設(shè)計(jì)

張緊輪作為底盤的輔助部件，用于調(diào)整橡膠履帶的松緊度。其通過(guò)彈簧或液壓裝置與機(jī)架相連，能夠根據(jù)橡膠履帶的磨損情況實(shí)時(shí)調(diào)整張緊力，使橡膠履帶始終保持適宜的張緊狀態(tài)，確保挖掘機(jī)行駛的穩(wěn)定性、作業(yè)效率和使用壽命。

3優(yōu)化履帶式挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

3.1計(jì)算支重輪承受的垂直載荷

為了精確計(jì)算挖掘機(jī)支重輪承受的垂直載荷，提升底盤的耐用性和整體性能，在科學(xué)選擇底盤材料和精心設(shè)計(jì)底盤結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)精確的力學(xué)模型。該力學(xué)模型綜合考慮了挖掘機(jī)的整機(jī)質(zhì)量、質(zhì)心位置、履帶張緊度、行走機(jī)構(gòu)等多種因素，以及土壤等外部環(huán)境條件。支重輪承受垂直載荷的計(jì)算公式如下：

F_i=f（W，h，T，k，θ，σ，j，x）（nW+ΔF_{v，a，μ}）-R_g-R_h

式中： F_i 為第 i 個(gè)支重輪承受的垂直載荷，W為挖掘機(jī)整機(jī)質(zhì)量，h為挖掘機(jī)質(zhì)心位置， T 為履帶張緊度，k 為土壤硬度， θ 為土壤濕度， σ 為土壤壓實(shí)度， j 為行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)， x 為懸架形式， ΔF_{v，a，μ} 為由行駛速度v、加速度a和履帶與土壤的摩擦系數(shù) μ 引起的動(dòng)態(tài)垂直載荷變化量， R_g 為滾動(dòng)阻力， R_h 為滑動(dòng)阻力。

3.2驅(qū)動(dòng)輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化方面，本文基于上述理論分析，采取了將驅(qū)動(dòng)輪置于底盤后方的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這一改變能夠顯著降低了履帶下部拱起和轉(zhuǎn)向時(shí)履帶脫落的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)縮短履帶驅(qū)動(dòng)段的長(zhǎng)度，降低了履帶磨損程度，延長(zhǎng)了履帶使用壽命。通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪中心高度的精心配置，降低了挖掘機(jī)整體重心，增加了履帶的接地面積，提升了挖掘機(jī)穩(wěn)定性[8]。驅(qū)動(dòng)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)示意如圖3所示。

4挖掘機(jī)底盤結(jié)構(gòu)可靠性實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在進(jìn)行履帶式挖掘機(jī)底盤結(jié)構(gòu)可靠性實(shí)驗(yàn)之前，準(zhǔn)備了實(shí)驗(yàn)所需的主要設(shè)備。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要參數(shù)如表2所示。

在實(shí)驗(yàn)開始前，需要對(duì)履帶式挖掘機(jī)樣機(jī)進(jìn)行必要的檢查和調(diào)整，確保其底盤結(jié)構(gòu)處于正常狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，需要確保所有設(shè)備均處于良好工作狀態(tài)，傳感器經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)。同時(shí)，還需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，對(duì)加載裝置進(jìn)行調(diào)試，確保其能夠按照預(yù)定的加載方式和承載力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.2承載力設(shè)計(jì)

為了確保履帶式挖掘機(jī)底盤結(jié)構(gòu)可靠性分析的準(zhǔn)確性和有效性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮偷妆P結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計(jì)了6個(gè)不同的承載力，每個(gè)承載力設(shè)計(jì)了不同的最大應(yīng)變值，以全面評(píng)估底盤結(jié)構(gòu)在不同受力條件下的應(yīng)變情況。底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的承載力及其最大應(yīng)變值如表3所示。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的承載力及其最大應(yīng)變值，通過(guò)加載裝置對(duì)履帶式挖掘機(jī)樣機(jī)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，利用安裝在底盤結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)底盤結(jié)構(gòu)在受力過(guò)程中的應(yīng)變、應(yīng)力、位移和振動(dòng)等參數(shù)的變化情況。通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)定的最大應(yīng)變值標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估底盤結(jié)構(gòu)在不同承載力下的可靠性。

4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在完成了上述的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和承載力設(shè)計(jì)后，按照預(yù)定的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，采集底盤結(jié)構(gòu)在不同承載力下的實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)。底盤結(jié)構(gòu)不同承載力實(shí)測(cè)的最大應(yīng)變值如表4所示。由表4可知，在所有承載力場(chǎng)景下，底盤結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)最大應(yīng)變值均未超過(guò)設(shè)計(jì)最大應(yīng)變值標(biāo)準(zhǔn)。這表明底盤結(jié)構(gòu)在不同受力條件下均表現(xiàn)出良好的可靠性和承載能力，符合設(shè)計(jì)要求。

隨著承載力的增加，底盤結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)最大應(yīng)變值呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，這是因?yàn)槌休d力的增大必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)變的增加。在極限加載場(chǎng)景下，底盤結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)最大應(yīng)變值接近但未達(dá)到設(shè)計(jì)值。這進(jìn)一步證明了優(yōu)化設(shè)計(jì)后的底盤結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度儲(chǔ)備，能夠在極端工況下保持結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文深入研究了履帶式挖掘機(jī)底盤結(jié)構(gòu)，結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與可靠性評(píng)估技術(shù)，有針對(duì)性地提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，對(duì)底盤在不同工況下的可靠性展開了全面評(píng)估。研究結(jié)果表明，本文所述優(yōu)化設(shè)計(jì)方案顯著增強(qiáng)了底盤的承載能力和抗疲勞性能，有效降低了失效風(fēng)險(xiǎn)。

展望未來(lái)，我們將進(jìn)一步完善優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提升參數(shù)的準(zhǔn)確性和客觀性，以期獲得更為優(yōu)化的底盤結(jié)構(gòu)。同時(shí)，我們將擴(kuò)大可靠性分析的范圍與深度，納入更多可能影響底盤可靠性的因素，以提供更全面、準(zhǔn)確的可靠性評(píng)估結(jié)果，從而進(jìn)一步提升挖掘機(jī)底盤的可靠性。

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