挖掘機行走履帶建模及模態分析*

王智森

（景德鎮學院機械電子工程學院，江西 景德鎮 333400）

近年來，工程機械行業發展迅猛。以液壓挖掘機的研發制造、投入使用及市場占有量為例，國內發展規模越來越大的工程機械企業在世界工程機械產業范圍內擁有越來越多的話語權[1]。液壓挖掘機主要由三大部分組成，即行走裝置、回轉裝置及工作裝置，其中行走裝置作為支撐整機質量及作業載荷的關鍵零部件，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、接地比壓小及作業場地不受限制等優勢，相比輪式在裝備液壓挖掘機的整體數量上占比更大[3]。行走履帶可實現液壓挖掘機在土石方挖掘作業過程中所需的一切移動及轉動等動作，其工作狀態會直接影響液壓挖掘機的挖掘效能，為保證其正常工作，設計合理的行走履帶結構至關重要。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生機理及振動特性進行行走履帶建模及模態分析，以期為后續研究行走履帶的結構設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構強度也有一定的借鑒意義。

1 行走履帶整體結構簡化建模

1.1 結構參數分析及建模

根據22t型液壓挖掘機行走履帶結構分析，選取行走履帶部分結構參數如表1所示。行走履帶主要結構包括履帶板、引導輪、托鏈輪、履帶主鏈節、行走馬達及回轉平臺等零部件[4]。在液壓挖掘機土石方作業過程中，來自液壓馬達的動力帶動驅動輪轉動，通過輪齒與履帶的嚙合使得履帶轉動，從而實現液壓挖掘機的行走。通過控制兩側驅動輪轉速的不同以及正轉、反轉，實現液壓挖掘機轉向和倒退等運動[5]。為避免履帶直接與履帶架接觸產生過度磨損，同時保證履帶在垂直方向不產生較大的跳動，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滑動，同時起到一定的導向作用。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構參數

通過UG軟件完成行走履帶整體結構的線框簡化建模，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構，履帶密封為自潤滑式，高低調整采用黃油張緊，履帶板數每側49個，托鏈輪每側2個，支重輪每側8個。導向輪的作用是引導履帶繞轉，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，合理的結構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提供平穩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，應有較大的驅動力以保證行走履帶的越野、爬坡及轉彎性能；2）應有較大的離地間隙，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穩定性；4）斜坡挖掘作業時不發生超速溜坡及下滑現象，保證液壓挖掘機的安全可靠性；5）行走履帶的外形尺寸應符合道路運輸規范要求[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：

履帶內阻力簡化計算為：

則最大牽引力F應不小于3個部分阻力之和，即：

同時，還應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，常見值如表2所示[9]。

表2 行走履帶與地面的附著系數常見值

液壓挖掘機行走履帶的承載能力大小取決于挖掘作業時的穩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鍵零部件磨損失效、驅動輪連接螺栓失效及支重輪密封失效，其中以驅動輪連接螺栓失效最為突出[10]。在液壓挖掘機挖掘作業過程中，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定性。通過提高驅動輪連接螺栓的可靠性，防止驅動輪部位各個連接螺栓均受到沖擊振動導致損壞失效，以保證行走履帶在挖掘作業時能夠正常工作。

2 行走履帶模態分析

2.1 網格劃分

根據22t型液壓挖掘機行走履帶結構參數，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入接口，選擇Static Structural進行靜力學分析，利用Design Modeler對導入模型進行細節處理，放置Modal選項，將Modal模塊拖曳至Static Structural項目的Solution模塊中。查閱相關資料，參考得到行走履帶裝置的材料性能參數如表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、引導輪、托鏈輪、履帶主鏈節、行走馬達及回轉平臺等各零部件材料進行簡化處理，點擊Engineering Data設置材料為Structural Steel。

表3 行走履帶材料性能參數

模態分析網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果的重要因素。在行走履帶裝置中，由于整體結構復雜，所以在常用的網格劃分實際處理中難以采取六面體網格劃分。因此在行走履帶的重要位置處，如在履帶板、引導輪、托鏈輪和履帶主鏈節處選取四面體網格，在底架、行走馬達和回轉平臺處選取三面體網格。為了確保網格劃分效率和計算精度，采用三面體及四面體網格結合的形式劃分行走履帶裝置各零部件部分的單元格。在Mesh中設置Method命令為Tetrahedrons，選擇Sizing方式對整體尺寸進行劃分，將Element Size設置為40 mm。針對驅動輪鉸點、履帶板處分別設置Sizing為10 mm、20 mm進行網格細化處理，Transition設置為Slow優化不同網格精度過渡問題。完成上述網格劃分設置步驟后，得到行走履帶裝置網格劃分結果如圖2所示，網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 行走履帶裝置網格劃分結果

2.2 模態分析

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，即開展模態分析。通過模態分析流程，找出行走履帶在固定約束和自重載荷作用下每一階數的模態振型、阻尼比及固有頻率等模態參數，為后續研究行走履帶的動態設計、零部件運行常見故障預測診斷提供參考。分析行走履帶各零部件在易受影響的振幅頻率范圍內的模態特性，預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生的振幅響應。模態分析結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命令添加到驅動輪及引導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Solve區域中的Solve按鈕，進入求解模型，進行求解，查看各階模態的云圖，其中1階、2階模態云圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 行走履帶裝置1階模態云圖

圖4 行走履帶裝置2階模態云圖

由行走履帶裝置1階、2階模態云圖及振型固有頻率值可知：1階頻率為6.041 Hz，行走履帶左側履帶板最大變形量為49.049 mm，向上產生扭轉變形；2階頻率為6.144 Hz，行走履帶右側履帶板最大變形量為49.586 mm，向上產生扭轉變形。階數不同，發生最大振動危險的行走履帶裝置履帶板 的位置也不相同，每階狀態下產生的扭動方向及形狀均不同。通過分析模態云圖可以看出行走履帶各零部件頻率發生的最大位置，這為工程分析中減少共振提供了可參考的指導方向。

3 結論

本文以液壓挖掘機行走履帶為實際工程背景，參考相關結構指標參數值，借助UG軟件完成行走履帶整體結構的簡化建模。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，發現以驅動輪連接螺栓失效表現最為顯著。結合模態分析方法、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分析，確定行走履帶各零部件的振動特性。通過模態分析，求出行走履帶各零部件的1階和2階模態振型、固有頻率及最大變形量，為行走履帶預防共振提供了理論支持，同時為后續多階模態分析及結構強度研究提供了參考依據。