底盤驅(qū)動(dòng)輪技術(shù)研究與應(yīng)用

劉順當(dāng)

(西山煤電(集團(tuán))有限公司 屯蘭選煤廠， 山西 古交 030206)

0 引言

驅(qū)動(dòng)輪是井下采煤機(jī)、輸送機(jī)、錨桿機(jī)、掘錨機(jī)等采掘設(shè)備，運(yùn)輸設(shè)備的重要組成部分，驅(qū)動(dòng)輪也是連采機(jī)重要的驅(qū)動(dòng)零件, 其可靠的運(yùn)行是保證煤礦高效生產(chǎn)的前提。驅(qū)動(dòng)輪采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，穩(wěn)定性好、靈活性高、抓地力強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)性能好、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，故得到了廣泛應(yīng)用。但連采機(jī)運(yùn)行過程中,驅(qū)動(dòng)輪受履帶交變應(yīng)力的作用,應(yīng)力和變形較大,故有必要對(duì)驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)以及嚙合狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

傳統(tǒng)的履帶底盤包含支重輪、拖鏈輪的結(jié)構(gòu)，使得機(jī)體活動(dòng)不靈活，整機(jī)質(zhì)量加大，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率。新型履帶底盤去除了支重輪、拖鏈輪等結(jié)構(gòu)，在采煤機(jī)向前運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力要大于履帶架和履帶鏈之間的摩擦阻力，利用驅(qū)動(dòng)輪與履帶鏈的嚙合，克服阻力后由驅(qū)動(dòng)輪傳遞能量帶動(dòng)履帶向前運(yùn)行。履帶架與履帶鏈間摩擦力較大，充分足夠的能量才能供應(yīng)消耗，其耗能較大，但在運(yùn)行穩(wěn)定性上也展現(xiàn)了良好的性能優(yōu)勢(shì)。因此，有必要對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的類型和設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和探討，并且分析其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

1 驅(qū)動(dòng)輪型式分類

1.1 按與履帶板嚙合工況分類

1) 等節(jié)距嚙合。根據(jù)機(jī)械動(dòng)力學(xué)，當(dāng)履帶板每一個(gè)銷孔中心連接起來組合成的軌跡線恰好與驅(qū)動(dòng)輪的外周形狀一樣即為圓形，同時(shí)二者半徑大小一致。此時(shí)，在驅(qū)動(dòng)輪與履帶鏈整個(gè)嚙合過程中，嚙合緊密穩(wěn)定，且履帶鏈?zhǔn)芰ψ钚。恃娱L(zhǎng)了整機(jī)的使用壽命，這是一種理想嚙合狀態(tài)，要求驅(qū)動(dòng)輪和履帶鏈二者節(jié)距相等，即等節(jié)距嚙合。

2) 亞節(jié)距嚙合。亞節(jié)距嚙合指的是驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距大于履帶鏈節(jié)距，采煤機(jī)履帶底盤的靈活度與工作方式與驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距與履帶鏈節(jié)距的比值有關(guān)。借助于其他設(shè)備履帶靈活系數(shù)發(fā)現(xiàn)，該比值系數(shù)1.02是一個(gè)分界點(diǎn)。當(dāng)比值小于1.02時(shí)，履帶機(jī)在初始運(yùn)行期間動(dòng)作不靈活，驅(qū)動(dòng)輪與底板咬合過緊，摩擦過大，運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)彎不連續(xù)，碰撞猛烈等現(xiàn)象。當(dāng)使用較長(zhǎng)時(shí)間后，驅(qū)動(dòng)輪不斷地驅(qū)使履帶鏈，使得履帶鏈上銷孔變大，但驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距基本沒發(fā)生變化，所以二者比值減小，當(dāng)比值為1時(shí)又恢復(fù)為等節(jié)距嚙合；當(dāng)使用時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，比值又在不斷增大，當(dāng)比值大于1.02時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪與履帶鏈嚙合松動(dòng)，嚙合不緊密，出現(xiàn)鏈子松動(dòng)、吊鏈、卡鏈問題，導(dǎo)致履帶機(jī)不能繼續(xù)運(yùn)行，即這個(gè)比值是隨著使用時(shí)間的變化而變化，相應(yīng)地會(huì)影響到整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

3) 超節(jié)距嚙合。超節(jié)距嚙合即驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距小于履帶鏈節(jié)距，將履帶鏈節(jié)距與驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距比值記為γ，當(dāng)γ不超過1.03時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪與履帶鏈嚙合狀態(tài)與亞節(jié)距嚙合相似，履帶機(jī)在初始運(yùn)行期間動(dòng)作不靈活，驅(qū)動(dòng)輪與底板咬合過緊，摩擦過大，有刮蹭現(xiàn)象。與亞節(jié)距不同的是，這個(gè)履帶板銷孔中心連起來的軌跡線不是圓，無規(guī)律可循。當(dāng)γ超過1.03時(shí)，同樣也會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪與履帶鏈嚙合松動(dòng)，咬合不緊密，產(chǎn)生鏈子松動(dòng)、吊鏈、卡鏈問題，導(dǎo)致履帶機(jī)不能繼續(xù)運(yùn)行。

1.2 按齒形分類

常見的驅(qū)動(dòng)輪齒面形狀有3類:如圖1所示。

(a) 凸形(b) 直線形(c) 凹形

1) 向上凸起，節(jié)銷尖銳的凸形。

2) 向上凸起，節(jié)銷平緩的直線形。

3) 向下凹的凹形。

這3種驅(qū)動(dòng)輪齒面各有千秋，但齒面形狀為凹形的使用較多。主要是直線形和凸形經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的使用，會(huì)使得嚙合松動(dòng)，履帶鏈節(jié)銷磨損嚴(yán)重，吊鏈現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,導(dǎo)致履帶機(jī)不能繼續(xù)運(yùn)行。而凹形齒面剛好能克服這個(gè)問題，即使長(zhǎng)時(shí)間的磨損使得履帶鏈節(jié)銷磨損嚴(yán)重，節(jié)銷間距擴(kuò)大，節(jié)銷會(huì)沿著齒面向上爬，使得嚙合繼續(xù)保持緊密，增大接觸面積，減小齒面的承受應(yīng)力。但凹形齒面不易修理,一旦發(fā)生故障，修理成本較高。

1.3 按布置方式分類

根據(jù)驅(qū)動(dòng)輪的具體位置，可分為前置、后置驅(qū)動(dòng)輪。在煤礦作業(yè)等工程機(jī)械, 從功率消耗角度出發(fā)，一般選取后置驅(qū)動(dòng)輪。主要原因是，前置驅(qū)動(dòng)輪的周期長(zhǎng)、損耗高、效率低，而后置驅(qū)動(dòng)輪的周期短、牽引力小、損耗低、效率高。但當(dāng)運(yùn)行速度過高時(shí)，采用后置驅(qū)動(dòng)輪會(huì)使底盤振動(dòng)過大，從而功率受到損耗。通常速度>20 km/h時(shí)，應(yīng)采用前置驅(qū)動(dòng)輪。實(shí)際上設(shè)計(jì)速度一般為0～0.6 km/h,故多采用后置驅(qū)動(dòng)式驅(qū)動(dòng)輪。

1.4 其他分類

驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)各異，如工程場(chǎng)地小，則需屈伸臂長(zhǎng)，這種情況下一般需要驅(qū)動(dòng)輪為整體式結(jié)構(gòu)的裝備，如圖2(a)所示的整體式；另外一種驅(qū)動(dòng)輪對(duì)生產(chǎn)和組裝要求過高，拆卸組裝要方便、快捷，驅(qū)動(dòng)輪外周為齒牙狀，常應(yīng)用于推土機(jī)裝備(見圖2(b))，等節(jié)距輪齒常見于短壁開采裝備中的錨桿鉆車、履帶式轉(zhuǎn)載破碎機(jī)、履帶式液壓行走支架等驅(qū)動(dòng)輪為齒圈式結(jié)構(gòu)(見圖2(c))。圖2(d)是某挖掘機(jī)用的不等節(jié)距驅(qū)動(dòng)輪, 它的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)輪輪齒轉(zhuǎn)動(dòng)2圈嚙合1次，對(duì)加工與裝配要求不高、齒數(shù)不多、精度低。

(a) 整體式(b) 齒塊組合式(c) 齒圈式(d) 不等節(jié)距式

2 驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)中的問題

2.1 驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距

驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距指的是履帶鏈鏈條滾子之間的中心距離，一般而言，173 mm、203 mm、216 mm、228.5 mm是工程機(jī)械領(lǐng)域常見的驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距，目前已有計(jì)算其具體數(shù)值的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。參照《MT/T 579—1996懸臂式掘進(jìn)機(jī)履帶板及其銷軸》標(biāo)準(zhǔn)，可確定煤礦掘進(jìn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距數(shù)值。對(duì)于錨桿機(jī)，相應(yīng)節(jié)距為120 mm；而運(yùn)錨機(jī)為150 mm。國產(chǎn)履帶式行走機(jī)械履帶板節(jié)距如表1所示。

2.2 材料選擇

設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，諸多因素應(yīng)考慮在內(nèi)，包括成本價(jià)格、市場(chǎng)需要、采購難易度、零件機(jī)械性能，以及硬度、彎度、耐磨、耐壓等。在力學(xué)性能設(shè)計(jì)上，由于當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)受到一系列的擠壓應(yīng)力、彎曲形變、磨損，故要注意鋼材符合強(qiáng)度高、耐磨性好、淬透性好的要求。驅(qū)動(dòng)輪常用材料及處理工藝如表2所示。

表1 國產(chǎn)履帶式行走機(jī)械履帶節(jié)距

3 驅(qū)動(dòng)輪在煤礦機(jī)械上的典型應(yīng)用

圖3是錨桿機(jī)履帶底盤的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可看出，驅(qū)動(dòng)輪位于底盤中緊密位置，外圍與履帶鏈嚙合，內(nèi)側(cè)與行走減速器聯(lián)接，把動(dòng)力傳接給履帶，從而促使底盤前進(jìn)。具體裝配上，通過螺釘或螺栓與行走減速機(jī)間隙配合相連；在防松設(shè)施上，采用10.9級(jí)細(xì)牙螺栓(或螺釘)，減小螺旋角，從而增加摩擦阻力；另外，使用串聯(lián)金屬絲加強(qiáng)自鎖性能，利用螺紋緊固膠加固螺紋副。在實(shí)際應(yīng)用上，驅(qū)動(dòng)輪常遭發(fā)生受齒面磨粒磨損、凹坑、形變等，如遇此情況，可借助堆焊-修磨再制造工藝對(duì)其修復(fù)。總體而言，此底盤整體布局緊湊合理。

表2 驅(qū)動(dòng)輪常用材料及處理工藝

1-履帶鏈;2-履帶架;3-驅(qū)動(dòng)輪;4-行走馬達(dá);5-行走減速器。

4 結(jié)論

驅(qū)動(dòng)輪是履帶式底盤傳送動(dòng)力的承接部件，是履帶式底盤不可或缺的一部分，必須綜合衡量各方面因素進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足工程機(jī)械、煤礦安全等領(lǐng)域的具體需求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)依據(jù)實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀、強(qiáng)度剛度等，以確定驅(qū)動(dòng)輪的整體型式及材料的選擇。