提高礦用大型挖掘機中履帶銷軸的使用壽命

梁嫣麗， 趙騰云

（1.太原重工股份有限公司技術中心， 山西 太原 030024； 2.礦山采掘裝備及智能制造國家實驗室， 山西 太原 030024）

0 引言

履帶行走裝置是由底架梁、履帶架、履帶及行走傳動機構組成。 履帶是由履帶板用連接銷軸連接起來構成的一個封閉環，用來支承整機，并傳遞壓力及傳遞牽引力使整機運行。 對于礦用大型挖掘機，多用整體鑄造履帶板，通過合金銷軸將各個履帶板連接在一起，由于銷子孔長，滾動阻力大，間隙大，混入沙土，磨損較快。

在礦用挖掘機使用過程中， 挖掘機在使用2 個月左右， 履帶銷斷裂的比例達到了80%以上。 為有效提高礦用大型挖掘機中履帶銷軸的使用壽命， 成立 “履帶銷攻關”QC 小組，利用PDCA 循環技術，旨在有效解決履帶銷在挖掘機現場的合理使用。

1 現狀調查及可行性分析

小組成員對履帶銷軸的更換影響大型礦用挖掘機正常工作時間的現狀進行調查， 通過對大型礦用挖掘機在兩個不同用戶的使用情況分析， 發現由于履帶銷軸斷裂等原因造成履帶銷軸更換并影響到大型礦用挖掘機的正常工作時間的比例達82%，因此，確定履帶銷軸的斷裂是造成履帶銷軸更換的主要原因。

為了詳細掌握大型礦用挖掘機在兩個不同的工況用戶的使用情況，小組成員深入礦用挖掘機使用現場，跟蹤履帶銷軸的使用情況， 并對兩個工況下的履帶銷軸更換情況進行分析對比。

通過對大型礦用挖掘機在兩種工況下使用中， 履帶銷軸的更換情況分析， 認為履帶銷軸頻繁更換是由于履帶銷軸使用過程中受力不均勻、材料、人員操作等方面原因造成的，從這幾方面入手，以提高大型礦用挖掘機履帶銷軸的使用壽命。

2 原因分析

小組人員經過現場調研分析， 運用頭腦風暴法繪制了關聯圖，并確定了6 項末端影響因素，并制定了要因確認表，見表1。

表1 要因確認表Tab.1 Main cause confirmation form

3 要因確認

確認因素一：挖掘機行走時兩側受力不均衡

經過現場跟蹤觀察， 兩個工況下大型礦用挖掘機行走轉彎，均有不同程度的單邊機構操作情況，這樣就會造成履帶板及銷軸的過度使用。

挖掘機行走轉彎時兩側受力不均衡是造成履帶銷軸頻繁更換的要因之一。

確認因素二：履帶銷軸磨損嚴重

大型礦用挖掘機兩側履帶鏈分別由多個履帶銷軸將履帶板串聯而成， 盡管履帶銷軸是礦用挖掘機的易損零件，但履帶銷在使用過程的過早過度磨損，會影響到挖掘機的行走。

經過現場觀察，挖掘機在行走時的驅動力變化、履帶板所受壓力的變化以及地面支撐力的變化均對履帶銷軸的磨損情況有嚴重的影響。

履帶銷軸使用中磨損嚴重是造成履帶銷軸使用壽命低的要因之一。

確認因素三：履帶銷軸斷裂發生頻繁

當履帶銷軸在使用過程中，銷軸磨損到一定程度，會引起銷軸直徑的減少；當銷軸直徑減少到一定程度，履帶銷軸就沒有能力承受挖掘機行走的牽引力， 這時就會發生履帶銷軸的斷裂。

履帶銷軸使用中斷裂發生頻繁是造成履帶銷軸使用壽命低的要因之一。

確認因素四：維護人員未及時更換履帶板

現場確認，小組人員跟蹤挖掘機運行情況，履帶板更換的頻率對于履帶銷軸的使用壽命并未產生影響。

維護人員未及時更換履帶板為非要因。

確認因素五：操作司機技術水平不高

現場確認，小組人員核實，操作司機均通過了職業技能鑒定考核，理論考試成績與現場操作成績均達到90 分以上，司機持證上崗率100%。

操作司機技術水平不高為非要因。

確認因素六：挖掘機使用工況惡劣

現場確認，挖掘機使用工況惡劣為非要因。

經過小組全體成員對以上6 個末端因素的逐一確認， 最終確定以下3 個因素為造成履帶銷軸壽命降低的主要原因：挖掘機行走時兩側受力不均衡、履帶銷軸磨損嚴重、履帶銷軸斷裂發生頻繁。

4 制定對策

針對要因1，挖掘機行走時兩側受力不均衡。 小組采取了改進礦用挖掘機行走操作規范的對策，操作規范中規定司機在轉彎時必須雙端驅動，避免單端履帶板及其銷子過度使用，以延長履帶板及其履帶板銷子的使用壽命。

針對要因2、3，履帶銷軸磨損嚴重、履帶銷軸斷裂發生頻繁。 小組采取的對策是對履帶銷軸受力進行理論分析，對履帶銷進行加載，進一步進行有限元分析，并對理論分析結果進行校核與驗證； 對履帶銷軸進行材料金相組織分析和力學性能分析， 確定履帶銷軸的設計優化及制造工藝優化方案。

結合以上對策的實施，在使用現場進行驗證。

5 對策實施

實施一：改進礦用挖掘機行走操作規范

從挖掘機電氣行走控制入手，司機單端操作時，另一端制動器未打開，限制其行走速度，使其不能移動；另一端制動器打開，速度給定值為零時，限制其電機的最大力矩為正常值的60%；只有在雙端制動器全部打開，雙側速度給定值均超過10%，力矩限制、速度限制恢復正常值，電鏟在雙端履帶共同作用下完成轉彎與行走。 改進控制之后，履帶銷軸在使用過程中的磨損程度大大減少。

實施二：對履帶銷軸進行理論及有限元分析、金相組織分析、優化設計

根據履帶裝置受力原理，通過行走電機最大轉矩和行走驅動輪直徑計算出履帶銷承受的最大拉力。 根據力學原理，履帶銷可能受到的力包含剪應力、擠壓應力和彎曲應力[1，3]。再用有限元的方法對履帶銷受力進行分析和校核。

通過上述分析計算， 說明履帶銷軸的結構設計和材料選擇完全滿足用戶要求。從現場取回斷裂的履帶銷，進行化學成分化驗、 表面硬度檢測分析以及力學性能分析，結果表明，材料的成分、硬度要求和力學性能均滿足設計要求。

通過金相檢驗試驗，履帶銷芯部為回火索氏體，切面圖能看出由于表面微裂紋導致整個履帶銷的脆斷； 從履帶銷斷口也能看出， 履帶銷基本沒有經過表面的磨損直接造成了本體的斷裂，基本可以判斷是熱處理的問題。

從優化履帶銷軸加工工藝入手， 履帶銷熱處理方式是調質然后表面淬火，現場和實驗表現為表面出現微裂紋，導致履帶銷在設備工作過程中， 由于受到沖擊導致履帶銷首先從表面裂紋處進行開裂延伸，導致履帶銷出現快速斷裂。因此找到相似工況，相似材料的履帶銷進行了實驗分析。根據實驗結果，合理匹配了調質硬度和表面淬火硬度的關系。

6 結束語

通過改進礦用挖掘機行走操作規范、 優化設計及優化加工工藝后的履帶銷，經過現場實驗驗證效果良好，解決了現場的履帶銷的過度磨損及斷裂問題。

通過本次QC 小組活動，小組成員應用質量工具，采用PDCA 循環技術，進一步提升了設計質量意識，科學地應用了QC 方法以及解決問題的思路， 有效地解決了履帶銷軸的過度磨損、斷裂問題，經過現場試驗驗證，改進后的履帶銷軸使用效果良好， 從而提高了礦用大型挖掘機中履帶銷軸的使用壽命。