金凱文

（華陽(yáng)集團(tuán)機(jī)電設(shè)備管理中心，山西 陽(yáng)泉 045008)

引言

在礦井搬家倒面作業(yè)中，搬運(yùn)車能夠直接搬運(yùn)采煤機(jī)等其他大型設(shè)備，而履帶架是搬運(yùn)機(jī)實(shí)現(xiàn)行走功能的主要機(jī)構(gòu)[1-2]，應(yīng)滿足以下兩方面的要求[3-4]：一方面應(yīng)具有大的接地面積、足夠靈活性和對(duì)復(fù)雜路面的適應(yīng)能力，以提高搬運(yùn)車的搬運(yùn)效率和安全性；另一方面作為整個(gè)設(shè)備的支撐、連接和行走部件，履帶架應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度或剛度，以保證整體的穩(wěn)定性。因此，對(duì)履帶架結(jié)構(gòu)的研究和優(yōu)化是一個(gè)重要的研究課題。

1 履帶架動(dòng)力學(xué)仿真分析

本文通過(guò)UG 軟件建立了搬運(yùn)機(jī)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(yùn)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(zhuǎn)彎的動(dòng)力學(xué)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(zhuǎn)彎再直線行駛。通過(guò)RD 中STEP 函數(shù)設(shè)置行駛路線，確定水平行駛速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，確定仿真時(shí)間和仿真步數(shù)，圖1 為仿真得到的左右履帶行走機(jī)構(gòu)前后鏈輪轉(zhuǎn)矩，表1 為水泥路面仿真轉(zhuǎn)矩值，由于轉(zhuǎn)矩大小與履帶架受力呈正相關(guān)，因此水泥路面行駛以左側(cè)履帶為研究對(duì)象。

表1 水泥路面仿真轉(zhuǎn)矩值kN·m

圖1 搬運(yùn)車水泥路面上行走時(shí)左側(cè)鏈輪轉(zhuǎn)矩

進(jìn)一步分析計(jì)算可得左側(cè)履帶與前后鏈輪和托鏈輪在X、Y、Z 三個(gè)方向的接觸力。根據(jù)模擬結(jié)果，搬運(yùn)車在水泥路面水平行駛時(shí)，左右兩側(cè)履帶所受總轉(zhuǎn)矩相等；而原地轉(zhuǎn)向時(shí)，左側(cè)履帶受力大于右側(cè)履帶，同時(shí)可以判斷出搬運(yùn)車原地轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩主要由后鏈輪提供，而前鏈輪提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；托鏈輪各向受力均勻，充分說(shuō)明履帶架上各個(gè)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(shù)，表2 為仿真得到的松散路面的轉(zhuǎn)矩值，搬運(yùn)車在松散土路上行駛時(shí)，其下陷量大于水泥路面；當(dāng)水平行駛和原地轉(zhuǎn)向時(shí)，左側(cè)履帶的平均轉(zhuǎn)矩大于等于右側(cè)履帶，因此仍以左側(cè)履帶為研究對(duì)象，模擬計(jì)算左側(cè)履帶與前后鏈輪和托鏈輪在X、Y、Z 三個(gè)方向的接觸力。與水泥路模擬結(jié)果相似，搬運(yùn)車轉(zhuǎn)向動(dòng)力主要由外側(cè)履帶后鏈輪提供，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩由內(nèi)側(cè)履帶前鏈輪提供。對(duì)比搬運(yùn)車在兩種路況下的行駛時(shí)支重輪的各向載荷可知，在松散土路行駛時(shí)X、Y 向的載荷比水泥路面大1.126 N，搬運(yùn)車受到的沖擊較大，即搬運(yùn)車履帶架在松散土路原地轉(zhuǎn)向時(shí)受到的力較大，為后面的有限元分析提供了數(shù)據(jù)支持。

表2 松散路面仿真轉(zhuǎn)矩值kN·m

2 履帶架有限元分析

基于履帶架動(dòng)力學(xué)仿真分析的結(jié)果，以UG 軟件中的高級(jí)仿真模塊NX7.5 為分析工具，對(duì)搬運(yùn)車履帶架在松散土路行駛進(jìn)行有限元分析，主要判斷結(jié)構(gòu)中是否存在應(yīng)力集中和強(qiáng)度不足部位。

2.1 松散土路上水平行駛

在NX7.5 高級(jí)仿真模塊添加搬運(yùn)車履帶架模型，選擇16Mn 低合金結(jié)構(gòu)鋼為模型屬性，設(shè)置網(wǎng)格大小為30 mm，在車體連接處添加約束和載荷。根據(jù)得到的有限元位移圖和應(yīng)力云圖，判斷可知在履帶鋼板架鉤板位置存在應(yīng)力集中和強(qiáng)度不足，說(shuō)明該處需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.2 松散土路上一側(cè)水平制動(dòng)

根據(jù)動(dòng)力仿真學(xué)分析結(jié)果，搬運(yùn)車履帶架在松散土路原地轉(zhuǎn)向時(shí)外側(cè)履帶架受力復(fù)雜，X、Y、Z 三個(gè)方向受力大，因此以搬運(yùn)車在松散土路左向轉(zhuǎn)彎的外側(cè)履帶為研究對(duì)象，為保證輪孔處的網(wǎng)格密度，故將網(wǎng)格大小設(shè)置為20 mm，其他參數(shù)與2.1 相同。根據(jù)有限元位移圖和應(yīng)力云圖可知，履帶架受到的最大應(yīng)力為465.13 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)置模型材料的應(yīng)力極限，應(yīng)力最大位置為履帶架鉤板，同時(shí)根據(jù)圖2，在其他部位也存在強(qiáng)度不足的現(xiàn)象，如支重輪軸處、后驅(qū)動(dòng)輪法蘭與履帶板立板連接處。

圖2 最大應(yīng)力（MPa）位置圖

3 履帶架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于易于加工和節(jié)約成本的目的，本文對(duì)履帶架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，消除結(jié)構(gòu)中存在的應(yīng)力集中和強(qiáng)度不足的現(xiàn)象。首先針對(duì)履帶板鉤板處應(yīng)力值最大的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)原因分析，履帶架鉤板和立板的組裝位置偏高導(dǎo)致應(yīng)力偏大，考慮到采煤機(jī)是在松散路況下行駛，其最小離地間隙不能過(guò)低，而一般礦井的實(shí)際路況搬運(yùn)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(shè)置為180 mm，同時(shí)將鉤板螺孔處厚度加大為至40 mm。此外，法蘭的應(yīng)力值也超過(guò)了極限，考慮到最大應(yīng)力一般發(fā)生在最壞的工況條件下，且應(yīng)力偏移量較小，因此對(duì)法蘭進(jìn)行熱處理，選擇淬火后進(jìn)行室溫實(shí)效11 h。

4 履帶架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的仿真分析

分別對(duì)整體和局部改進(jìn)后的履帶架進(jìn)行有限元分析，鉤板應(yīng)力值符合要求。

5 結(jié)論

1）通過(guò)比較搬運(yùn)車在水泥路面和松散土路兩種路況下水平行駛和原地轉(zhuǎn)向時(shí)左右履帶的受力，得到搬運(yùn)車在松散土路上原地轉(zhuǎn)向時(shí)履帶架各向受力值最大的結(jié)論。

2）將計(jì)算得到載荷作為有限元分析的條件，根據(jù)UG 有限元分析結(jié)果，履帶架的鉤板和后驅(qū)動(dòng)輪法蘭處存在應(yīng)力集中和強(qiáng)度不足現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)原因分析，法蘭鑄件采用淬火+室溫實(shí)效11 h的方法進(jìn)行熱處理，降低鉤板裝配位置，增加鉤板的厚度。

3）對(duì)改進(jìn)后履帶架再次進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化后的履帶架滿足實(shí)驗(yàn)要求。