武棟才，趙 鋒，譚志行，甘藍(lán)江

(廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545006)

0 前言

液壓挖掘機(jī)行走系統(tǒng)的形式多種多樣，最常見的有履帶式、輪式、步履式三種。三種行走系統(tǒng)中，履帶式行走系統(tǒng)具有牽引力大，接地比壓小，穩(wěn)定性好，爬坡能力強(qiáng)，且轉(zhuǎn)彎半徑小，機(jī)動(dòng)靈活，越野性能好等優(yōu)點(diǎn)，是挖掘機(jī)最為普遍的一種應(yīng)用形式[1,2]。履帶行走系統(tǒng)的主要功能是整機(jī)重量支撐、行走移動(dòng)、短距離轉(zhuǎn)場(chǎng)、爬坡、牽引等,其主要結(jié)構(gòu)包括“四輪一帶”、張緊裝置、行走機(jī)構(gòu)、行走架和推土裝置(選配)和履帶護(hù)罩[3～5]。履帶式液壓挖掘機(jī)行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件的主要失效形式為履帶脫軌和“四輪一帶”的異常磨損，其中履帶脫軌約占到故障比例的30%，小型微型挖掘機(jī)的這一故障比例甚至更高[6,7]。

履帶護(hù)罩作為履帶式挖掘機(jī)行走系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，對(duì)于防止履帶行走系統(tǒng)、鏈軌銷、支重輪等挖掘機(jī)行走系統(tǒng)重要部件不被異常磨損起到積極作用。閆召君、郝淑敏等人[8]在研究挖掘機(jī)行走系統(tǒng)履帶脫軌原因時(shí)指出：未設(shè)置履帶護(hù)罩是導(dǎo)致履帶底盤脫軌的主要原因，同時(shí)合理設(shè)置履帶護(hù)罩安裝位置、護(hù)軌高度和寬度后，有效解決了履帶底盤的脫軌問題；韓偉平、白晶等人[6]在行走裝置脫軌故障分析中，通過增加履帶護(hù)罩?jǐn)?shù)量，消除了挖掘機(jī)直線行走時(shí)的履帶脫軌現(xiàn)象，同時(shí)降低了行走轉(zhuǎn)彎時(shí)的故障次數(shù)；王冉冉、吳金峰等人[9]在分析挖掘機(jī)行走裝置部件異常磨損原因時(shí)指出：履帶護(hù)罩側(cè)面與鏈軌之間的間隙過大、履帶護(hù)罩底面與履帶板間距過大，是造成支重輪、鏈軌銷軸等行走系統(tǒng)主要部件異常磨損的重要原因。

目前對(duì)于履帶式液壓挖掘機(jī)履帶護(hù)罩的研究主要集中在履帶護(hù)罩的應(yīng)用上，對(duì)于履帶護(hù)罩本體結(jié)構(gòu)及受力情況的研究卻很少，對(duì)于履帶護(hù)罩在焊接、裝配等工藝過程的研究更少。姚光華等人[10～13]對(duì)斗輪挖掘機(jī)的履帶護(hù)罩進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，指出履帶護(hù)罩采用薄壁箱型結(jié)構(gòu)，可以提升其抗彎抗扭性能，同時(shí)本體重量更輕，在工程機(jī)械上具有很重要的現(xiàn)實(shí)推廣意義。

本文針對(duì)履帶護(hù)罩在裝配過程中的干涉現(xiàn)象，采用有限元法分析了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平；設(shè)計(jì)了單因子和雙因子對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)履帶護(hù)罩在裝配過程中存在的干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，確定了履帶護(hù)罩關(guān)鍵裝配工藝，采用“開U型槽+縮短懸臂”的優(yōu)化方案，避免了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的干涉問題，同時(shí)滿足應(yīng)力要求。

1 改進(jìn)前履帶護(hù)罩現(xiàn)狀及受力分析

1.1 改進(jìn)前履帶護(hù)罩現(xiàn)狀

履帶護(hù)罩是履帶式挖掘機(jī)行走系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，對(duì)防止履帶行走系統(tǒng)跑偏、履帶脫軌起到修正和防護(hù)作用，對(duì)于保護(hù)鏈軌銷、支重輪等挖掘機(jī)行走系統(tǒng)重要部件不被異常磨損，起到積極作用。履帶護(hù)罩的形式分為半防護(hù)式和全防護(hù)式兩種，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行選擇。一般情況下，土方工況選擇半防護(hù)式，如圖1所示；礦山工況選擇全防護(hù)式，如圖2所示。

圖1 半防護(hù)式履帶護(hù)罩

圖2 全防護(hù)式履帶護(hù)罩

圖3是某大型挖掘機(jī)使用的一款全防護(hù)履帶護(hù)罩，加強(qiáng)筋與螺栓安裝孔位置較近，在實(shí)際裝配過程中，扭矩扳手和螺栓套筒與履帶護(hù)罩加強(qiáng)筋存在干涉現(xiàn)象，導(dǎo)致裝配效率較低，出現(xiàn)螺栓扭矩不達(dá)標(biāo)的情況。

圖3 履帶護(hù)罩

1.2 改進(jìn)前履帶護(hù)罩應(yīng)力分析

ANSYS軟件廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、土木工程、材料工程、汽車制造、船舶制造、鐵路交通等諸多工業(yè)領(lǐng)域[14～16]。運(yùn)用有限元法對(duì)履帶護(hù)罩進(jìn)行受力分析及拓?fù)鋬?yōu)化，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[17～19]。圖4為履帶護(hù)罩在行走架上的安裝位置，將履帶護(hù)罩三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，材料設(shè)置為Q345，泊松比為0.3，在半側(cè)履帶護(hù)罩內(nèi)側(cè)施加一半機(jī)重載荷，進(jìn)行受力分析[20～22]，分析結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，當(dāng)前狀態(tài)的履帶護(hù)罩受力較均勻，無明顯應(yīng)力集中區(qū)域，但由于扭矩扳手和螺栓套筒與履帶護(hù)罩加強(qiáng)筋在裝配時(shí)存在干涉現(xiàn)象，因此必須對(duì)干涉區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖4 履帶護(hù)罩安裝位置圖

圖5 履帶護(hù)罩應(yīng)力云圖(未開槽)

2 改進(jìn)措施分析

2.1 單因子受力分析-開U型槽

為了避免扭矩扳手和螺栓套筒與履帶護(hù)罩加強(qiáng)筋在裝配時(shí)的干涉問題，對(duì)履帶護(hù)罩加強(qiáng)筋干涉區(qū)域開U型槽，槽深過大會(huì)對(duì)材料的強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響[23～25]，考慮到實(shí)際裝配工藝的需要，U型槽深度最小為30 mm，開槽方式如圖6所示。

圖6 加強(qiáng)筋開U型槽

圖7a、圖7b分別是加強(qiáng)筋U型槽槽深30 mm、33 mm的應(yīng)力圖，分析結(jié)果顯示，U型槽深度越大，應(yīng)力集中越明顯，并且2種方案U型槽處的應(yīng)力值分別為387 MPa、426 MPa，均大于材料最大屈服強(qiáng)度。分析結(jié)果表明：對(duì)履帶護(hù)罩加強(qiáng)筋干涉區(qū)域開U型槽的單因子方案，雖然解決了裝配過程中干涉的問題，但同時(shí)出現(xiàn)了應(yīng)力集中問題，即開U型槽的單因子試驗(yàn)，不能解決U型槽區(qū)域應(yīng)力集中問題，需在開槽深度30 mm的基礎(chǔ)上，繼續(xù)疊加第二因子進(jìn)行試驗(yàn)[26～28]。

圖7 履帶護(hù)罩應(yīng)力云圖

2.2 雙因子受力分析——開U型槽+增加高度

在U型槽深度30 mm的第一因子試驗(yàn)基礎(chǔ)上，疊加“增加履帶護(hù)罩加強(qiáng)筋高度”的第二因子，如圖8所示，繼續(xù)進(jìn)行受力分析。

圖8 U型槽深度30 mm+增加加強(qiáng)筋高度

圖9a、圖9b 是在U型槽深度30 mm的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)筋高度分別增加10 mm、20 mm的應(yīng)力圖，分析結(jié)果顯示，增加履帶護(hù)罩加強(qiáng)筋高度，并沒有明顯降低U型槽處的應(yīng)力水平，即加強(qiáng)筋高度變化對(duì)U型槽處應(yīng)力下降貢獻(xiàn)有限，該處應(yīng)力水平分別為356 MPa、348 MPa，應(yīng)力值依然在材料最大屈服值附近。分析結(jié)果表明：“開U型槽+增加加強(qiáng)筋高度”的雙因子試驗(yàn)不能解決U型槽應(yīng)力集中問題。即疊加的“增加履帶護(hù)罩加強(qiáng)筋高度”的第二因子不是改善應(yīng)力問題的關(guān)鍵因子。

圖9 履帶護(hù)罩應(yīng)力云圖

2.3 雙因子受力分析——開U型槽+縮短懸臂

在U型槽深度30 mm的第一因子試驗(yàn)基礎(chǔ)上，疊加“縮短履帶護(hù)罩加強(qiáng)筋懸臂長(zhǎng)度”的第二因子，如圖10所示。

圖10 U型槽深度30 mm+縮短懸臂長(zhǎng)度

圖11是在U型槽深度30 mm的基礎(chǔ)上，縮短加強(qiáng)筋懸臂長(zhǎng)度的應(yīng)力圖。懸臂端面至少應(yīng)防護(hù)支重輪80%長(zhǎng)度，即加強(qiáng)筋懸臂端面距離支重輪中心由115 mm縮短至65 mm，再次進(jìn)行應(yīng)力分析。分析結(jié)果顯示：槽深處應(yīng)力水平明顯下降，為167 MPa，與現(xiàn)狀(無U型槽)158 MPa基本相當(dāng)。分析結(jié)果說明：“開U型槽+縮短懸臂”的雙因子試驗(yàn)避免了扭矩扳手和螺栓套筒與履帶護(hù)罩加強(qiáng)筋在裝配過程中的干涉問題，同時(shí)解決了開槽處應(yīng)力集中問題。即疊加的“縮短懸臂”的第二因子是改善應(yīng)力問題的關(guān)鍵因子。

圖11 履帶護(hù)罩應(yīng)力云圖(槽深30 mm+懸臂縮短)

3 改進(jìn)措施分析

圖12所示為全防護(hù)履帶護(hù)罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案應(yīng)力圖。由圖12可以看出改善前履帶護(hù)罩與不同優(yōu)化方案的應(yīng)力水平，改善前履帶護(hù)罩無應(yīng)力集中問題，但扭矩扳手和螺栓套筒與履帶護(hù)罩在裝配過程中的干涉問題必須改進(jìn)；隨著履帶護(hù)罩干涉部位U型槽的槽深逐步加大，履帶護(hù)罩的應(yīng)力集中問題越來越明顯；在開U型槽基礎(chǔ)上，逐步加厚履帶護(hù)罩加強(qiáng)筋，應(yīng)力集中問題并沒有得到有效改善；在開U型槽基礎(chǔ)上，縮短履帶護(hù)罩懸臂長(zhǎng)度，U型槽的應(yīng)力水平快速降低，達(dá)到了與改善前基本相當(dāng)?shù)臓顟B(tài)。

圖12 全防護(hù)履帶護(hù)罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案應(yīng)力圖

4 結(jié)束語

本文針對(duì)履帶式液壓挖掘機(jī)全防護(hù)式履帶護(hù)罩在裝配過程中，扭矩扳手和螺栓套筒與履帶護(hù)罩的干涉問題，設(shè)計(jì)了單因子和雙因子對(duì)比試驗(yàn)，并對(duì)多種優(yōu)化方案進(jìn)行受力分析，分析結(jié)果表明：履帶護(hù)罩關(guān)鍵裝配工藝采用“開U型槽+縮短懸臂”的優(yōu)化方案，避免了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的干涉問題，同時(shí)滿足應(yīng)力要求。