采煤機搬運車履帶架結構的改進

金凱文

（華陽集團機電設備管理中心，山西 陽泉 045008)

引言

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

1 履帶架動力學仿真分析

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彎的動力學仿真的差異。

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，然后原地轉彎再直線行駛。通過RD 中STEP 函數設置行駛路線，確定水平行駛速度和轉動角速度，確定仿真時間和仿真步數，圖1 為仿真得到的左右履帶行走機構前后鏈輪轉矩，表1 為水泥路面仿真轉矩值，由于轉矩大小與履帶架受力呈正相關，因此水泥路面行駛以左側履帶為研究對象。

表1 水泥路面仿真轉矩值kN·m

圖1 搬運車水泥路面上行走時左側鏈輪轉矩

進一步分析計算可得左側履帶與前后鏈輪和托鏈輪在X、Y、Z 三個方向的接觸力。根據模擬結果，搬運車在水泥路面水平行駛時，左右兩側履帶所受總轉矩相等；而原地轉向時，左側履帶受力大于右側履帶，同時可以判斷出搬運車原地轉向時驅動轉矩主要由后鏈輪提供，而前鏈輪提供制動轉矩；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，表2 為仿真得到的松散路面的轉矩值，搬運車在松散土路上行駛時，其下陷量大于水泥路面；當水平行駛和原地轉向時，左側履帶的平均轉矩大于等于右側履帶，因此仍以左側履帶為研究對象，模擬計算左側履帶與前后鏈輪和托鏈輪在X、Y、Z 三個方向的接觸力。與水泥路模擬結果相似，搬運車轉向動力主要由外側履帶后鏈輪提供，制動轉矩由內側履帶前鏈輪提供。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向時受到的力較大，為后面的有限元分析提供了數據支持。

表2 松散路面仿真轉矩值kN·m

2 履帶架有限元分析

基于履帶架動力學仿真分析的結果，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，主要判斷結構中是否存在應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 低合金結構鋼為模型屬性，設置網格大小為30 mm，在車體連接處添加約束和載荷。根據得到的有限元位移圖和應力云圖，判斷可知在履帶鋼板架鉤板位置存在應力集中和強度不足，說明該處需進行結構優化。

2.2 松散土路上一側水平制動

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

圖2 最大應力（MPa）位置圖

3 履帶架結構優化

基于易于加工和節約成本的目的，本文對履帶架結構進行了優化，消除結構中存在的應力集中和強度不足的現象。首先針對履帶板鉤板處應力值最大的問題，經過原因分析，履帶架鉤板和立板的組裝位置偏高導致應力偏大，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，法蘭的應力值也超過了極限，考慮到最大應力一般發生在最壞的工況條件下，且應力偏移量較小，因此對法蘭進行熱處理，選擇淬火后進行室溫實效11 h。

4 履帶架結構優化后的仿真分析

分別對整體和局部改進后的履帶架進行有限元分析，鉤板應力值符合要求。

5 結論

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向時左右履帶的受力，得到搬運車在松散土路上原地轉向時履帶架各向受力值最大的結論。

2）將計算得到載荷作為有限元分析的條件，根據UG 有限元分析結果，履帶架的鉤板和后驅動輪法蘭處存在應力集中和強度不足現象，經過原因分析，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，優化后的履帶架滿足實驗要求。