基于ANSYS的礦用挖掘機履帶板結構分析

摘要：以某大型礦用挖掘機寬履帶板為研究對象，研究了履帶板在兩種極限工況下的受力狀況，采用有限元分析方法建立有限元模型，分析了兩種結構履帶板在兩種極限工況下的應力分布，驗證履帶板強度是否滿足礦用挖掘機復雜工況使用要求。有限元分析結果表明，現有履帶板在極限工況下應力超過材料許用應力，有斷裂風險；改進結構履帶板在極限工況下應力降低40%以上，且小于材料許用應力，滿足極限工況使用要求；同時該分析方式對其他履帶板強度設計具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：履帶板；有限元分析；強度；結構優化

中圖分類號：TD422.2" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）16-0050-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.16.014

0" " 引言

大型礦用挖掘機廣泛用于煤礦、鐵礦等露天礦場作業，隨著近年來礦業經濟的不斷發展，其需求量持續增加。大型礦用挖掘機作業條件惡劣，作業工況復雜多變，對行走裝置要求較高。履帶總成是行走裝置中的關鍵部件，主要功能是承受整機質量及工作負載，并通過與驅動輪嚙合將牽引力傳到地面，借助地面反作用力驅動主機行駛。履帶板為履帶總成與地面直接接觸的零件，當路面起伏不平，承受擠壓、彎曲等應力作用時，容易出現斷裂的失效情況[1-2]。

本文以某大型礦用挖掘機寬履帶板為研究對象，利用有限元分析軟件（ANSYS Workbench）對極限工況下履帶板強度進行分析，找到履帶板強度薄弱區，對履帶板結構進行優化設計，以提升履帶板工況適應性。

1" " 履帶板結構與主要參數

1.1" " 履帶板結構

現有履帶板為三齒履帶板，板寬1 000 mm，如圖1所示。履帶板前后端分別有翹起角，使履帶板在安裝后可繞引導輪和支重輪靈活轉動，避免履帶卷繞時互相干涉[3]。履帶板采用框架結構，左右兩端及中間部分均設有減重槽，通過內置加強筋提高履帶板承載能力。為滿足裝配需要，履帶板4個螺栓安裝孔上方均設置避讓槽，受限于安裝孔位置尺寸，履帶板中間齒的部分齒寬度變小，降低了履帶板結構強度。

根據以上分析，改進結構的履帶板為雙齒板，其中一個履齒呈直線延伸，另一個履齒呈曲線延伸，如圖2所示。

1.2" " 履帶板的主要參數

履帶板采用鑄造成型，材質為SCMnMoH，主要參數如下：密度ρ=7 800 kg/m3，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.276。經過調質處理后，履帶板屈服強度σs不小于750 MPa。考慮挖掘機履帶總成的極限工況，選取履帶板安全系數為ns=1.25，則許用應力為：

[σ]===600 MPa" " " " " " " " "（1）

2" nbsp; 履帶板受力分析

在不同工作狀態下，履帶板受力不同。本文研究兩種工況下履帶板強度。

工況一：挖掘機在起伏路面行駛時出現部分履帶板懸空，僅有幾個履帶板承載的情況，極限情況下會出現一條履帶僅有一個履帶板承載，分析此工況下履帶板的受力和強度。

工況二：在礦山路面上出現履帶板壓到石塊的情況，極限情況下存在單塊履帶板端部壓到石塊，其他履帶板懸空的狀況，研究此時履帶板受力及強度。

3" " 現有履帶板有限元分析

首先在Creo中裝配單個履帶合件，并對三維結構做一些簡化處理，去除標識、小的倒角和圓角，然后使用專用接口把處理后的模型導入ANSYS Workbench中。在ANSYS Workbench中編輯需要使用的材料屬性，并將材料屬性賦予對應的履帶零部件。使用默認設置自動生成接觸，對生成的接觸對進行檢查，去除多余的接觸對，合理設置接觸對的接觸方式以及接觸面和目標面，并使用接觸工具檢查初始的接觸信息，避免出現接觸不合理的情況。

由于履帶板模型復雜，所以使用二階四面體單元網格劃分模型，添加網格劃分控制選項，對重點關注區域的網格進行合理細化，非重點區域網格尺寸可以相對粗獷，在保證計算精度的情況下減少網格數量，既不耽誤求解速度，還可以得到相對較優解[4]。

3.1" " 現有履帶板工況一計算載荷與分析結果

工況一單側履帶單塊履帶板齒面著地，在左、右鏈軌節踏面上施加約束，在履帶螺栓上施加預緊力，在履帶板齒面上施加一半整機重量的載荷，如圖3（a）所示。

由圖3（b）可得出，現有履帶板最大應力出現在履帶板中間齒部與螺栓安裝避讓槽孔相交處，最大應力值為239.41 MPa，小于履帶板的許用應力。

3.2" " 現有履帶板工況二計算載荷與分析結果

工況二單側履帶單塊履帶板端部邊緣著地，在左、右鏈軌節踏面上施加約束，在履帶螺栓上施加預緊力，在履帶板端部邊緣倒角上施加25%整機重量的載荷，如圖4（a）所示。

由圖4（b）可得出，現有履帶板最大應力出現在履帶板中間齒部與螺栓安裝避讓槽孔相交處，其最大應力值為929.66 MPa，大于履帶板的許用應力。

4" " 改進結構履帶板有限元分析

4.1" " 改進結構履帶板工況一計算載荷與分析結果

在Creo中使用改進結構履帶板裝配單個履帶合件，三維模型簡化處理后導入ANSYS Workbench。設置與現有履帶板相同的單元類型和單元尺寸，進行網格劃分，并設置與現有履帶板有限元分析相同的接觸方式。

對改進結構履帶板進行有限元仿真，分析結果如圖5所示，最大應力出現在履帶板齒部上，最大應力值為136.21 MPa，小于履帶板的許用應力。

4.2" " 改進結構履帶板工況二計算載荷與分析結果

改進結構履帶板工況二條件下載荷大小和加載方式與現有履帶板工況二相同，有限元仿真分析結果如圖6所示，最大應力出現在履帶板齒部上，最大應力值為547.91 MPa，小于履帶板的許用應力。

5" " 分析結果對比

表1分別列出了現有履帶板與改進結構履帶板的最大應力情況。從表1可以看出，工況一條件下，兩種履帶板最大應力均小于許用應力，工況二條件下現有履帶板最大應力大于許用應力，改進結構履帶板最大應力小于許用應力，且相同工況下改進結構履帶板最大應力均小于現有履帶板。

6" " 結論

通過使用ANSYS Workbench軟件對現有履帶板和改進結構履帶板進行靜強度仿真得到如下結論：在工況一條件下，現有履帶板和改進結構履帶板最大應力均小于許用應力；在工況二條件下，現有履帶板最大應力大于許用應力，有斷裂風險，相比于現有履帶板，改進結構履帶板在工況二條件下應力降低40%以上，且應力小于許用應力，滿足極限工況使用要求。

本文使用的有限元分析方式對同類型履帶板的設計和改進具有一定的借鑒意義。

[參考文獻]

[1] 謝國進.CLG908D型挖掘機履帶板及驅動鏈輪有限元分析[J].礦山機械，2022，50（2）：16-20.

[2] 王珂晟，劉躍進.重型裝備的履帶板強度分析[J].起重運輸機械，2009（9）：85-87.

[3] 季有昌，金丹.基于有限元的巖石型推土機履帶板優化設計[J].機械制造與自動化，2015，44（1）：118-123.

[4] 杜平安.有限元網格劃分的基本原則[J].機械設計與制造，2000（1）：34-36.

收稿日期：2024-04-16

作者簡介：徐軻（1985—），男，河南太康人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：履帶底盤產品研發。