金凱文

（華陽集團機電設(shè)備管理中心，山西 陽泉 045008)

引言

在礦井搬家倒面作業(yè)中，搬運車能夠直接搬運采煤機等其他大型設(shè)備，而履帶架是搬運機實現(xiàn)行走功能的主要機構(gòu)[1-2]，應(yīng)滿足以下兩方面的要求[3-4]：一方面應(yīng)具有大的接地面積、足夠靈活性和對復(fù)雜路面的適應(yīng)能力，以提高搬運車的搬運效率和安全性；另一方面作為整個設(shè)備的支撐、連接和行走部件，履帶架應(yīng)具備足夠的強度或剛度，以保證整體的穩(wěn)定性。因此，對履帶架結(jié)構(gòu)的研究和優(yōu)化是一個重要的研究課題。

1 履帶架動力學(xué)仿真分析

本文通過UG 軟件建立了搬運機的三維虛擬模型，并模擬了不同條件的路況，在RD 軟件中分別考察了搬運車在水泥路面和松散土路的行駛，探究了平地行駛和原地轉(zhuǎn)彎的動力學(xué)仿真的差異。

1.1 水泥路面上滿載行駛工況

水泥路面滿載行駛的路線為先水平行駛一段距離，然后原地轉(zhuǎn)彎再直線行駛。通過RD 中STEP 函數(shù)設(shè)置行駛路線，確定水平行駛速度和轉(zhuǎn)動角速度，確定仿真時間和仿真步數(shù)，圖1 為仿真得到的左右履帶行走機構(gòu)前后鏈輪轉(zhuǎn)矩，表1 為水泥路面仿真轉(zhuǎn)矩值，由于轉(zhuǎn)矩大小與履帶架受力呈正相關(guān)，因此水泥路面行駛以左側(cè)履帶為研究對象。

表1 水泥路面仿真轉(zhuǎn)矩值kN·m

圖1 搬運車水泥路面上行走時左側(cè)鏈輪轉(zhuǎn)矩

進一步分析計算可得左側(cè)履帶與前后鏈輪和托鏈輪在X、Y、Z 三個方向的接觸力。根據(jù)模擬結(jié)果，搬運車在水泥路面水平行駛時，左右兩側(cè)履帶所受總轉(zhuǎn)矩相等；而原地轉(zhuǎn)向時，左側(cè)履帶受力大于右側(cè)履帶，同時可以判斷出搬運車原地轉(zhuǎn)向時驅(qū)動轉(zhuǎn)矩主要由后鏈輪提供，而前鏈輪提供制動轉(zhuǎn)矩；托鏈輪各向受力均勻，充分說明履帶架上各個托鏈輪的位置分布是合理的。

1.2 松散土路上滿載行駛工況

在RD 軟件中修改路面狀況參數(shù)，表2 為仿真得到的松散路面的轉(zhuǎn)矩值，搬運車在松散土路上行駛時，其下陷量大于水泥路面；當(dāng)水平行駛和原地轉(zhuǎn)向時，左側(cè)履帶的平均轉(zhuǎn)矩大于等于右側(cè)履帶，因此仍以左側(cè)履帶為研究對象，模擬計算左側(cè)履帶與前后鏈輪和托鏈輪在X、Y、Z 三個方向的接觸力。與水泥路模擬結(jié)果相似，搬運車轉(zhuǎn)向動力主要由外側(cè)履帶后鏈輪提供，制動轉(zhuǎn)矩由內(nèi)側(cè)履帶前鏈輪提供。對比搬運車在兩種路況下的行駛時支重輪的各向載荷可知，在松散土路行駛時X、Y 向的載荷比水泥路面大1.126 N，搬運車受到的沖擊較大，即搬運車履帶架在松散土路原地轉(zhuǎn)向時受到的力較大，為后面的有限元分析提供了數(shù)據(jù)支持。

表2 松散路面仿真轉(zhuǎn)矩值kN·m

2 履帶架有限元分析

基于履帶架動力學(xué)仿真分析的結(jié)果，以UG 軟件中的高級仿真模塊NX7.5 為分析工具，對搬運車履帶架在松散土路行駛進行有限元分析，主要判斷結(jié)構(gòu)中是否存在應(yīng)力集中和強度不足部位。

2.1 松散土路上水平行駛

在NX7.5 高級仿真模塊添加搬運車履帶架模型，選擇16Mn 低合金結(jié)構(gòu)鋼為模型屬性，設(shè)置網(wǎng)格大小為30 mm，在車體連接處添加約束和載荷。根據(jù)得到的有限元位移圖和應(yīng)力云圖，判斷可知在履帶鋼板架鉤板位置存在應(yīng)力集中和強度不足，說明該處需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.2 松散土路上一側(cè)水平制動

根據(jù)動力仿真學(xué)分析結(jié)果，搬運車履帶架在松散土路原地轉(zhuǎn)向時外側(cè)履帶架受力復(fù)雜，X、Y、Z 三個方向受力大，因此以搬運車在松散土路左向轉(zhuǎn)彎的外側(cè)履帶為研究對象，為保證輪孔處的網(wǎng)格密度，故將網(wǎng)格大小設(shè)置為20 mm，其他參數(shù)與2.1 相同。根據(jù)有限元位移圖和應(yīng)力云圖可知，履帶架受到的最大應(yīng)力為465.13 MPa，遠遠超出設(shè)置模型材料的應(yīng)力極限，應(yīng)力最大位置為履帶架鉤板，同時根據(jù)圖2，在其他部位也存在強度不足的現(xiàn)象，如支重輪軸處、后驅(qū)動輪法蘭與履帶板立板連接處。

圖2 最大應(yīng)力（MPa）位置圖

3 履帶架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于易于加工和節(jié)約成本的目的，本文對履帶架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，消除結(jié)構(gòu)中存在的應(yīng)力集中和強度不足的現(xiàn)象。首先針對履帶板鉤板處應(yīng)力值最大的問題，經(jīng)過原因分析，履帶架鉤板和立板的組裝位置偏高導(dǎo)致應(yīng)力偏大，考慮到采煤機是在松散路況下行駛，其最小離地間隙不能過低，而一般礦井的實際路況搬運車最小離地間隙不得小于180 mm，因此將履帶架的裝配位置降低55 mm，即將最小離地間隙設(shè)置為180 mm，同時將鉤板螺孔處厚度加大為至40 mm。此外，法蘭的應(yīng)力值也超過了極限，考慮到最大應(yīng)力一般發(fā)生在最壞的工況條件下，且應(yīng)力偏移量較小，因此對法蘭進行熱處理，選擇淬火后進行室溫實效11 h。

4 履帶架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的仿真分析

分別對整體和局部改進后的履帶架進行有限元分析，鉤板應(yīng)力值符合要求。

5 結(jié)論

1）通過比較搬運車在水泥路面和松散土路兩種路況下水平行駛和原地轉(zhuǎn)向時左右履帶的受力，得到搬運車在松散土路上原地轉(zhuǎn)向時履帶架各向受力值最大的結(jié)論。

2）將計算得到載荷作為有限元分析的條件，根據(jù)UG 有限元分析結(jié)果，履帶架的鉤板和后驅(qū)動輪法蘭處存在應(yīng)力集中和強度不足現(xiàn)象，經(jīng)過原因分析，法蘭鑄件采用淬火+室溫實效11 h的方法進行熱處理，降低鉤板裝配位置，增加鉤板的厚度。

3）對改進后履帶架再次進行仿真分析，優(yōu)化后的履帶架滿足實驗要求。