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        挖掘機行走履帶建模及模態(tài)分析*

        2023-11-03 08:49:14王智森
        南方農(nóng)機 2023年22期
        關(guān)鍵詞:驅(qū)動輪爬坡履帶

        王智森

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

        近年來,工程機械行業(yè)發(fā)展迅猛。以液壓挖掘機的研發(fā)制造、投入使用及市場占有量為例,國內(nèi)發(fā)展規(guī)模越來越大的工程機械企業(yè)在世界工程機械產(chǎn)業(yè)范圍內(nèi)擁有越來越多的話語權(quán)[1]。液壓挖掘機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型[2]。一般來說,行走履帶具備爬坡性能強、接地比壓小及作業(yè)場地不受限制等優(yōu)勢,相比輪式在裝備液壓挖掘機的整體數(shù)量上占比更大[3]。行走履帶可實現(xiàn)液壓挖掘機在土石方挖掘作業(yè)過程中所需的一切移動及轉(zhuǎn)動等動作,其工作狀態(tài)會直接影響液壓挖掘機的挖掘效能,為保證其正常工作,設(shè)計合理的行走履帶結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。本文以22t型液壓挖掘機行走履帶為例,針對行走履帶常見故障產(chǎn)生機理及振動特性進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)計及故障診斷提供可行性參考,對于提高液壓挖掘機行走履帶的結(jié)構(gòu)強度也有一定的借鑒意義。

        1 行走履帶整體結(jié)構(gòu)簡化建模

        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)、行走馬達及回轉(zhuǎn)平臺等零部件[4]。在液壓挖掘機土石方作業(yè)過程中,來自液壓馬達的動力帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動,通過輪齒與履帶的嚙合使得履帶轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)液壓挖掘機的行走。通過控制兩側(cè)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速的不同以及正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn),實現(xiàn)液壓挖掘機轉(zhuǎn)向和倒退等運動[5]。為避免履帶直接與履帶架接觸產(chǎn)生過度磨損,同時保證履帶在垂直方向不產(chǎn)生較大的跳動,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,同時起到一定的導(dǎo)向作用。因此,行走履帶裝置具有4個典型特點:通過性好、機動性強、穩(wěn)定性好及承載能力強[6]。

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

        通過UG軟件完成行走履帶整體結(jié)構(gòu)的線框簡化建模,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),履帶密封為自潤滑式,高低調(diào)整采用黃油張緊,履帶板數(shù)每側(cè)49個,托鏈輪每側(cè)2個,支重輪每側(cè)8個。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,同時允許前后位移,帶動履帶張緊或松弛,方便履帶的拆卸。支重輪在履帶板上做純滾動,合理的結(jié)構(gòu)布置形式可以保證每個支重輪受力分布均勻,延長支重輪的使用壽命。履帶板用銷軸連接在一起,形成一條封閉的履帶,將引導(dǎo)輪、支重輪、托鏈輪及行走馬達包裹起來,形成一個閉合的整體,為液壓挖掘機行走作業(yè)提供平穩(wěn)的支撐及強勁的牽引力。

        圖1 行走履帶線框簡化建模

        1.2 載荷計算及失效機理分析

        針對典型挖掘工況,在進行液壓挖掘機的行走履帶載荷計算及失效機理分析時,應(yīng)考慮行走履帶簡化建模階段5點理想化要求:1)在濕軟或低洼場所作業(yè),應(yīng)有較大的驅(qū)動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,提高液壓挖掘機的作業(yè)穩(wěn)定性;4)斜坡挖掘作業(yè)時不發(fā)生超速溜坡及下滑現(xiàn)象,保證液壓挖掘機的安全可靠性;5)行走履帶的外形尺寸應(yīng)符合道路運輸規(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,一般來說,爬坡效率能達到50%~80%。在初步確定爬坡能力后,通過理論分析進行核算選定。液壓挖掘機行走履帶爬坡過程中主要需要克服3個部分阻力,分別為履帶自重、運行阻力及履帶內(nèi)阻力[8]。

        液壓挖掘機自重在斜坡方向的分力為:

        式中,G為液壓挖掘機自重;θ為坡度角。

        運行阻力簡化計算為:

        履帶內(nèi)阻力簡化計算為:

        則最大牽引力F應(yīng)不小于3個部分阻力之和,即:

        同時,還應(yīng)滿足液壓挖掘機行走履帶在爬坡過程中不打滑的簡化計算條件,即:

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

        表2 行走履帶與地面的附著系數(shù)常見值

        液壓挖掘機行走履帶的承載能力大小取決于挖掘作業(yè)時的穩(wěn)定性和爬坡行走時的通過性。為了方便載荷計算,簡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,考慮液壓挖掘機的重心位置近似位于底架中心,簡化計算得到:

        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損壞失效的機理主要為關(guān)鍵零部件磨損失效、驅(qū)動輪連接螺栓失效及支重輪密封失效,其中以驅(qū)動輪連接螺栓失效最為突出[10]。在液壓挖掘機挖掘作業(yè)過程中,行走履帶受到的載荷主要包括整機重量、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,嚴重影響行走履帶的運行穩(wěn)定性。通過提高驅(qū)動輪連接螺栓的可靠性,防止驅(qū)動輪部位各個連接螺栓均受到?jīng)_擊振動導(dǎo)致?lián)p壞失效,以保證行走履帶在挖掘作業(yè)時能夠正常工作。

        2 行走履帶模態(tài)分析

        2.1 網(wǎng)格劃分

        根據(jù)22t型液壓挖掘機行走履帶結(jié)構(gòu)參數(shù),建模完成了行走履帶線框簡化模型。在UG軟件中對行走履帶線框簡化模型進行實體化處理,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行走履帶裝置的簡化三維模型導(dǎo)入接口,選擇Static Structural進行靜力學(xué)分析,利用Design Modeler對導(dǎo)入模型進行細節(jié)處理,放置Modal選項,將Modal模塊拖曳至Static Structural項目的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Geometry定義行走履帶裝置的材料屬性,對行走履帶中履帶板、引導(dǎo)輪、托鏈輪、履帶主鏈節(jié)、行走馬達及回轉(zhuǎn)平臺等各零部件材料進行簡化處理,點擊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、行走馬達和回轉(zhuǎn)平臺處選取三面體網(wǎng)格。為了確保網(wǎng)格劃分效率和計算精度,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Tetrahedrons,選擇Sizing方式對整體尺寸進行劃分,將Element Size設(shè)置為40 mm。針對驅(qū)動輪鉸點、履帶板處分別設(shè)置Sizing為10 mm、20 mm進行網(wǎng)格細化處理,Transition設(shè)置為Slow優(yōu)化不同網(wǎng)格精度過渡問題。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ANSYS Workbench有限元工程仿真分析軟件對液壓挖掘機行走履帶進行后處理,即開展模態(tài)分析。通過模態(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)研究行走履帶的動態(tài)設(shè)計、零部件運行常見故障預(yù)測診斷提供參考。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)測行走履帶在液壓挖掘機典型挖掘工況的多種振動源中產(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,進入求解模型,進行求解,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)生最大振動危險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)生的扭動方向及形狀均不同。通過分析模態(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

        本文以液壓挖掘機行走履帶為實際工程背景,參考相關(guān)結(jié)構(gòu)指標參數(shù)值,借助UG軟件完成行走履帶整體結(jié)構(gòu)的簡化建模。針對典型挖掘工況,進行行走履帶爬坡過程中克服阻力的載荷計算分析,得到行走履帶平均接地比壓的簡化計算結(jié)果。分析引起行走履帶沖擊振動損壞失效常見故障的機理原因,發(fā)現(xiàn)以驅(qū)動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,運用ANSYS Workbench軟件對行走履帶簡化三維模型進行模態(tài)分析,確定行走履帶各零部件的振動特性。通過模態(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,同時為后續(xù)多階模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)強度研究提供了參考依據(jù)。

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