掘進機行走機構關鍵件應力分析及改進

摘要：現代重型掘進機擁有高效、高產的特點，在不同的礦山采掘作業中起到重要的作用。在實際應用中，掘進機履帶行走機構支撐著整個掘進機的運行，整機在改變方向或受瞬時沖擊時，各部件會受到很大的壓力和扭矩作用，容易發生變形或部件損壞的情況。文章以100 t重掘進機為研究對象，對履帶行走機構進行受力分析，結合行走機構在煤礦采煤作業過程中存在的實際問題，著重描述履帶導向架、履帶板、支重輪的破壞情況，進行建模和應力分析，提出改進方案，使履帶行走機構在承受巨大載荷時能始終保持穩定，從而提高整機的性能和可靠性，滿足不斷變化的工程需求。

關鍵詞：重型掘進機； 履帶行走機構； 應力分析

中圖分類號：TD421.5 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）05-0083-04

0 引言

現代重型掘進機作為一種重要的礦山采掘設備，廣泛應用于煤礦采煤作業、金屬礦山采礦作業、隧道掘進、煤礦煤層氣開采作業等場合，可以實現高效的采掘作業，迅速提高開采效率，降低勞動力成本和運行成本。重型掘進機具有噸位大、整機結構復雜、控制系統多樣化、截割功率大等特點。隨著機械制造技術的不斷進步，重型掘進機的應用領域不斷擴大。在實際應用中，掘進機履帶行走機構支撐著整個掘進機，整機在改變方向或受瞬時沖擊時，各部件會受到很大的壓力和扭矩作用，容易發生變形或部件遭受損害，機器故障率和不穩定性隨之增大，尤其是履帶行走機構所受的載荷和振動會對機器結構產生較大影響，進而影響機器性能和使用壽命［1］。基于此，需要改進重型掘進機的結構，以提高整機性能。本文以100 t重掘進機為研究對象，從履帶行走機構的受力分析入手，結合行走機構在煤礦采煤作業運行過程中存在的問題進行有限元分析，根據分析結果進行相應的調整和改進，使履帶行走機構在承受巨大載荷時能始終保持穩定，進而提高整機的性能和可靠性，延長設備的使用壽命。本研究可以為今后的產品開發提供理論和實踐參考。

1 履帶行走機構的工作原理與力學性能

1.1 履帶行走機構的工作原理

重型掘進機行走機構為履帶式，主要由機架、履帶鏈、輪軸、驅動輪、從動輪、輪軸承、馬達減速器、護板、導向張緊裝置、支重輪組等構成。其中，驅動輪和從動輪通過輪軸連接，輪軸承安裝在車體上，保證輪軸旋轉和承受重力。履帶通過壓在驅動輪和從動輪之間的橡膠墊片或金屬鏈條傳遞動力。

掘進機行駛時，發動機通過傳動系統將動力傳遞到驅動輪，驅動輪旋轉帶動履帶運動。從動輪在履帶的支持下運動，驅使車輛前進或轉彎。整個系統中的各個部件相互協作，使掘進機能夠在不同的地形和環境中行駛。

1.2 履帶行走機構的力學特性

履帶行走機構的力學特性主要包括載荷分布、應力分布、變形及振動等［2-3］。

（1）載荷分布。履帶行走機構所受載荷主要來自地面反作用力、負荷物重力、車身慣性力等。其中，地面反作用力是最主要的載荷來源，反作用力的大小與地形、地面黏度等因素有關。在實際應用中，由于地形變化和行駛狀態的不同，所以履帶行走機構所受載荷也會發生變化。

（2）應力。分布履帶行走機構的應力主要來自載荷作用，其分布形式與載荷分布有關。通常，履帶的應力分布呈現出“上凸下平”的形態，鏈輪和驅動輪的應力分布呈現出“上平下凸”的形態，托帶輪和支撐輪的應力分布呈現出“上平下凹”的形態。由于履帶行走機構的結構比較復雜，其應力分布也較為復雜，所以需要根據實際情況進行詳細分析。

（3）變形。由于履帶行走機構所受載荷不同，其結構會產生一定的變形。一般來說，履帶的變形主要包括橫向變形和縱向變形，鏈輪和驅動輪的變形主要包括徑向變形和周向變形。變形會影響履帶行走機構的性能和使用壽命。

（4）振動。在行駛過程中，履帶行走機構會產生一定的振動。造成振動的原因包括地面不平、載荷變化、結構松動等，振動會對履帶行走機構的性能和使用壽命產生影響。振動的要素包括頻率、振幅、加速度等，需要通過實驗或數值模擬進行測量和分析。

在實際運行過程中，重型掘進機整機前進和支撐主要依靠履帶行走機構完成，因此行走機構各部件受到很大的外力作用。機架與導向張緊裝置接觸處、履帶板、支重輪承受外界重載時會出現嚴重變形。因此，本文著重從履帶導向架、履帶板、支重輪的角度進行分析、改進。

2 履帶導向架的改進

2.1 履帶導向架破壞描述

重型掘進機履帶導向架的主要作用是支撐和導向，保證重型機械設備正常行駛。掘進機在運行過程中，受復雜環境的影響，履帶架會受到各種各樣的沖擊，如突然停車、履帶陷入泥坑、左右回轉等，使導向架受到很大的沖力，最終導致變形或者焊縫開裂等。為保證降低導向架連接板與履帶架上側板焊接處發生開裂的風險，現對該處零部件建模并進行應力分析。

2.2 履帶導向架建模及應力分析

進行應力分析首先需要確定履帶導向架的受力情況。在正常使用情況下、履帶導向架主要受到3個方向的載荷：向下的重力、向前的推進力和地形起伏產生的地形反力。確定受力情況后，對履帶導向架進行有限元分析，通過模擬計算出導向架在各個方向受力時的應力分布。分析時需要考慮導向架的材料特性、幾何形狀、載荷大小等因素，進而判斷導向架是否滿足強度要求。針對分析結果，需要進行相應的調整和改進，使導向架在承受巨大載荷時能始終保持穩定。同時，在實際使用過程中，需要對導向架進行定期檢查和維護，及時發現并修復其可能存在的故障和缺陷。

對履帶架建模時，由于履帶架整件裝配復雜，部分過度圓弧處倒角過小，無法進行網格劃分，因此需要簡化模型，取履帶架中導向架及部分履帶架進行網格劃分，具體建模過程如下［4-5］：①中間履帶架界面處整體施加約束力。②導向架上前端施加力約50 t，即490 kN。③選取研究對象的材料為Q345；網格劃分整體大小為1.3 mm。④進行應力應變仿真計算。最大受力點應力云圖如圖1所示。

通過受力分析得出最大受力點在箭頭所示部位，最大受力為845.7 MPa，超出了所用材料之間的焊接強度，故需要改進。

2.3 履帶導向架改進方案

為了降低圖1中最大受力點應力值，經過多方討論后形成3種方案。第一種是在導向架兩側上下各加1塊加強筋；第二種是在導向架立板內部加2塊加強筋；第三種是導向架上斜面與履帶架上中板形成一個整體。現就3種方案做出應力對比分析。

（1）第一種方案：將圖2箭頭所示的斜板由30 mm加厚到40 mm，建模過程可參照上述步驟進行。經應力分析得出，焊接處應力為618 MPa，應力值較大。

（2）第二種方案：將圖3箭頭所示的斜板由40 mm加厚到60 mm，經過受力分析，在應力云圖上可知，焊接處應力值為509 MPa，其值小于第一種方案。

（3）第三種方案：直接將上斜板腔體變為實體，如圖4箭頭所示。由圖4可知，焊接處應力值僅為89.9 MPa，說明第三種方案較前兩種方案更可靠，因此將其應用于實際中。實踐證明：此方案起到了很好的效果，焊縫開裂沒有再出現。

3 履帶板的改進

3.1 履帶板破壞描述

重型掘進機履帶板通常承受高強度和高壓力，因此要求具有高強度、高耐磨、高可靠性等特性，但在長期使用過程中，受各種因素的影響，可能會發生以下幾種破壞現象。

（1） 履帶板斷裂破壞。履帶板斷裂破壞是由于履帶板本身的缺陷或在運輸過程中受到沖擊導致。履帶板的缺陷包括板材過薄、材料質量不好和制造過程存在裂紋等。當履帶板受到超過其承載范圍的載荷時，就會出現斷裂現象。

（2）履帶板的拉伸破壞。破壞產生的原因是履帶板所受的拉力超過了承受范圍。當設備長時間運轉，特別是在重載狀態下，履帶板的拉伸強度逐漸下降，最終導致拉伸破壞。

（3）履帶板的疲勞破壞。此類破壞是由于履帶板在長期的使用過程中不斷承受重載和振動造成的。疲勞破壞是逐漸發生的，最終將導致履帶板報廢。

履帶板作為與地面直接接觸的部件，由于長時間與地面巖石摩擦并受到整機直接擠壓，容易磨損、變形，導致履帶鏈與鏈輪脫鏈而停機。

3.2 履帶板建模及應力分析

實際應用中，出現了履帶板銷軸脫出，履帶面不平整、彎曲等現象，因此對其進行應力分析對保證設備的穩定運行具有重要意義。為了找出履帶板變形的原因，需要建立虛擬模型分析其應力，建模過程如下：①應力分析過程中在右端銷軸孔內壁施加約束力。②履帶板材料選擇鑄造合金，材料的屈服強度為241.3 MPa。③在左端面中部施加的外力載荷為50 t；由于部件較小，網格劃分適當變小，為1.08 mm。

最后運行結果，得到應力云圖如圖5所示。在靜載荷的作用下，屈服應力為241.3 MPa，最大應力值為399.5 MPa。由此可知，設計強度不夠導致了履帶板變形或履帶鏈子拖鏈，需要進一步改進。

3.3 履帶板改進方法及驗證

為了更好地提高履帶板的耐用度，需要從材料和外形著手設計履帶板。經多方調研最終履帶板材料定為42CrMo，其屈服強度為930 MPa。由圖5可知，最大應力處出現在履帶板前端部，因此在重新設計時，考慮利用外加的履帶板粼刺把前后端部位互相牽引在一起，使兩個方向的受力分散在兩個端部。重新設計后的履帶板應力分析如圖6所示，新履帶板的最大應力值為610 MPa，材料的屈服值為930 MPa。因此，改進后的履帶板性能滿足強度設計要求，并在實際環境中得到了檢驗。

4 支重輪的改進

4.1 支重輪的破壞描述

支重輪在履帶架和履帶鏈之間起到橋梁作用，配合履帶使整機向前運動。在工作中，支重輪會承受較大的壓力、載荷和振動，因此使用過程容易發生破壞，破壞的類型有以下幾種：①輪罩裂紋。由于持續的振動和負荷，支重輪的輪罩產生裂紋，導致其失效。②異常磨損。支重輪偏心或結構不合理等可能導致支重輪異常磨損，影響運轉。③傳動裝置破壞。過度載荷可能導致傳動裝置破壞或失效，需更換設備或進行維修。

4.2 支重輪建模及應力分析

通常，支重輪體與軸之間的設計方式是軸較短而支重輪體較長，此種設計方式的缺陷是當支重輪兩側受到整機壓力時，軸端在輪體內容易產生應力集中的現象，進而發生軸變形，導致密封件瞬間損壞，造成潤滑不足而使整個支重輪報廢。通過分析發現，采用支重輪軸兩端直接受力，輪體以滾動力的形式，這種設計的特點是支重輪承受壓力大，密封圈不受軸或輪體干擾。現建立簡易模型進行應力分析：①應力分析時，由于左右端底部固定在支重輪座上，因此該部位可添加約束力。②支重輪材料選定為42CrMo，材料的屈服強度為930 MPa，與履帶板材料相同。③為更真實地接近實際接觸，支重輪與履帶板接觸面可切出適當寬度的平面，該平面寬度設定為2 mm；在此面上施加95/2 t的外載荷力；由于部件比較規則，可適當把網格增大，設定為1.44 mm，同時能節省PC機的內部運算存儲空間。

得到支重輪應力云圖如圖7所示。由圖7可知，支重輪最大應力處為407 MPa，在靜載荷作用下遠遠小于材料的屈服強度，符合設計要求。

5 結論

本文以100 t重掘進機為研究對象，采用有限元分析的方法，對履帶行走機構存在的實際問題進行分析，得到以下結論：①履帶導向架上斜面與履帶架上中板形成一個整體后，在受力點根部的最大受力僅為89.9 MPa，遠小于所用材料之間的焊接強度，可靠性大大提高。②將履帶板的材料為改變42CrMo，并利用外加的履帶板履刺把前后端部互相牽引在一起。經過應力分析，最大應力值為610 MPa，材料的屈服值為930 MPa，提高了履帶板的耐用度。③采用支重輪軸兩端直接受力的方式，通過應力分析，最大應力為407 MPa，在靜載荷作用下遠遠小于材料的屈服強度，提高了支重輪的可靠性。結合模擬分析后投產到實際應用工況當中，獲得良好的效果。

6 參考文獻

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*山西省自由探索青年基金資助項目“基于多源信息融合的掘錨一體經濟截割模型研究”（202103021223462）。

【作者簡介】楊莎莎，女，山西晉城人，碩士，任職于山西工程職業學院，工程師，研究方向：工程機械設計。

【引用本文】楊莎莎.掘進機行走機構關鍵件應力分析及改進［J］.企業科技與發展，2023（5）：83-86.