呂秀梅

（1.遼寧瀚石機械制造有限公司，遼寧 阜新 123000；2.阜新市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，遼寧 阜新 123000）

履帶式行走裝置是在工程機械中僅次于輪胎式廣泛采用的行走裝置。露天礦鉆機因其特殊的惡劣工作環(huán)境也采用履帶式行走底盤。履帶式行走底盤有著牽引力大、接地比壓小、穩(wěn)定性好、場地適應(yīng)能力強等特點。履帶式行走裝置是鉆機整機中非常重要的一個組成部分。它的作用是支撐機體及機械的全部重量，將發(fā)動機傳到驅(qū)動輪上的扭矩轉(zhuǎn)變成機械行駛和進行作業(yè)所需的牽引力，傳遞并承受各種力、力矩，緩和路面不平引起的沖擊、振動。

1 履帶式行走裝置的組成

履帶式行走裝置主要包括驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、支重輪、托鏈輪、履帶、行走架、漲緊裝置、減速機和驅(qū)動裝置等，履帶行走裝置的組成如圖1。

圖1 履帶行走裝置的組成

2 四輪一帶的設(shè)計

2.1 履帶

履帶是將鉆機整機的重力以及工作和行走時的載荷傳遞給地面的一種裝置。露天礦鉆機因工作環(huán)境惡劣、受力情況復(fù)雜故一般采用鋼制履帶。鋼履帶具有耐磨性好，維修方便，經(jīng)濟性好的特點。

1）履帶節(jié)距。履帶的節(jié)距指的是履帶串聯(lián)時2支相鄰軸的中心距。噸位不同的鉆機，選用的履帶節(jié)距也不同。履帶的節(jié)距通常隨整機質(zhì)量的增加而線型增大，通?？砂词剑?）計算履帶的節(jié)距[1]。因履帶的節(jié)距已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了，計算完的節(jié)距從JG/T 57—1999液壓挖掘機履帶中選相近的。市面上鉆機常用的節(jié)距一般為171、203、216 mm 3 種。

式中：t 為履帶節(jié)距，mm；m 為鉆機質(zhì)量，kg。

2）履帶板寬度。履帶板的寬度直接影響鉆機工作時的平均接地比壓，當(dāng)履帶的接地長度一定時，履帶板的寬度越大，平均接地比壓越小，可按式（2）選擇履帶板的寬度。因履帶板寬度b 已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，故計算完的履帶板寬度從JG/T 57—1999 液壓挖掘機履帶里選相近的。市面上鉆機用的履帶板寬度一般為500、600 mm，如果需要特殊寬度的履帶也可以和廠家特殊定制。在選擇履帶板時還應(yīng)注意履帶板的厚度，因露天礦工作環(huán)境惡劣，履帶經(jīng)常在泥水、凹凸地面、石質(zhì)土壤中工作，建議選擇相對厚實些的履帶板，可以保證長期工作不變形，節(jié)省維修成本，一般大型鉆機的履帶板厚度在11～16 mm。

式中：b 為履帶板寬度，mm。

3）履帶軌距。兩履帶中心之間的距離稱之為履帶軌距，一般近似的計算如式（3）：

式中：B 為履帶軌距，mm；b 為履帶板寬度，mm。

4）履帶接地長度。根據(jù)鉆機設(shè)計任務(wù)書中的平均接地比壓可以計算履帶的接地長度L，同時，履帶的接地長度還應(yīng)滿足轉(zhuǎn)彎條件[2]。

式中：L 為履帶接地長度，m；b 為履帶板寬度，m；P 為平均接地比壓，kPa，對于露天礦用的鉆機平均接地比壓約為0.1 kPa。

式中：L 為履帶接地長度，mm；B 為履帶軌距，mm；φ 為牽引附著系數(shù)；f 為行駛阻力系數(shù)；μ 為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)。

2.2 驅(qū)動輪

驅(qū)動輪是將鉆機傳動系統(tǒng)的動力傳遞給履帶，以產(chǎn)生使車輛運動的驅(qū)動力。在正常行駛時，要求驅(qū)動輪與履帶的嚙合性能要良好，同時要求在不同的行駛條件和履帶不同磨損程度嚙合應(yīng)平穩(wěn)，進入和退出嚙合要順利，不得發(fā)生沖擊、干涉和脫鏈現(xiàn)象。因行走中驅(qū)動輪和履帶不斷接觸摩擦，這就要求驅(qū)動輪要有良好的耐磨性。

1）驅(qū)動輪齒數(shù)。鉆機的驅(qū)動輪選擇和大部分工程機械產(chǎn)品一樣，鏈條在驅(qū)動輪上雙切齒嚙合，這樣自動清除泥土效果好，這種雙切齒嚙合的驅(qū)動齒，名義齒數(shù)Zk是實際齒數(shù)Z 的1/2。設(shè)計時，通常選取驅(qū)動輪的實際齒數(shù)為奇數(shù)，驅(qū)動輪每轉(zhuǎn)動2 圈，驅(qū)動輪的所有齒都嚙合1 次，可以延長驅(qū)動輪的使用壽命，同時還避免了像偶數(shù)齒驅(qū)動輪使用一段時間后，因磨損嚴(yán)重，需拆卸調(diào)整角度重裝的麻煩。市面上鉆機用的驅(qū)動輪一般為21～23 齒，21 齒居多。

2）驅(qū)動輪的齒形。驅(qū)動輪的齒形有很多形式，目前最常用的是凹形齒，它能保證使履帶節(jié)銷順利地進入和退出嚙合，減少接觸面的沖擊力和應(yīng)力，從而減少磨損；這樣即使履帶節(jié)距因履帶節(jié)銷發(fā)生磨損而增大時，履帶節(jié)銷和驅(qū)動輪齒仍能保持工作。雖然凹形齒有減小接觸應(yīng)力的優(yōu)點，但它也有修復(fù)困難的缺點。輪齒的分度圓直徑Dk計算[3]如式（6），

式中：t 為履帶節(jié)距，mm；Zk為圍繞驅(qū)動輪1 周的履帶板數(shù)目，Zk＝（1/2）Z；Z 為驅(qū)動輪實際齒數(shù)。

2.3 導(dǎo)向輪

導(dǎo)向輪可以引導(dǎo)履帶正確地卷繞，對履帶起導(dǎo)向和支撐的作用，防止履帶跑偏和越軌。同時導(dǎo)向輪又充當(dāng)張緊裝置中的張緊輪，通過張緊裝置的調(diào)整來實現(xiàn)履帶的張緊度調(diào)整。導(dǎo)向輪直徑與履帶節(jié)距的比值越大，卷繞履帶時沖擊越小，所以一般引導(dǎo)輪的直徑設(shè)計的比較大。但對于鉆機來說，因驅(qū)動輪后置，通常導(dǎo)向輪上履帶節(jié)銷中心的運動半徑不大于驅(qū)動輪半徑，利于履帶靠重力向前滑移。

2.4 支重輪

支重輪起到將鉆機的重力通過它傳遞給履帶，使鉆機沿履帶軌道滾動的作用，同時支重輪還起到夾持履帶，使其不橫向滑脫，迫使履帶在地面上滑移的作用。支重輪有單邊支重輪和雙邊支重輪2 種。雙邊支重輪因為比單邊支重輪多了1 個輪緣而更能夾持好履帶，但滾動阻力較大。為了減小阻力且能較好的夾持履帶，在設(shè)計時可以在每臺車上采用2 種型式的支重輪搭配使用，一般在兩端的支重輪采用雙邊支重輪，以防止履帶脫軌，其余中間的支重輪采用單邊支重輪。也可全部采用單邊支重輪，增加護鏈器也可以達到防止脫軌的目的。

支重輪的間距設(shè)計通常不取履帶節(jié)距的整數(shù)倍，這樣可以避免支重輪總壓于履帶的同一位置而加劇履帶磨損。支重輪在布局時，應(yīng)盡可能增大履帶的接地長度，各支重輪一般均勻分布，以保證接地比壓的平均分布。一般在設(shè)計時兩支重輪的間距不超過2 倍履帶節(jié)距，取1.4～1.7 倍為宜，鉆機上單側(cè)履帶的支重輪數(shù)量一般為6～10 個。

2.5 托鏈輪

托鏈輪用于拖起導(dǎo)向輪和驅(qū)動輪之間的上部履帶，防止過度下垂。鉆機上單側(cè)履帶的托鏈輪數(shù)量一般為1～2 個，不宜過多，過多會增加履帶滑移時的摩擦阻力。當(dāng)兩軸距在2 m 以內(nèi)一般采用1 個拖鏈輪，當(dāng)輪距超過2 m 時一般采用2 個托鏈輪[4]。因托鏈輪的結(jié)構(gòu)與支重輪類似，所以在一些鉆機上用支重輪來代替拖鏈輪，一方面可增加零件的通用性，另一方面對于噸位大的鉆機，支重輪的承載能力要比托鏈輪好。缺點是支重輪代替托鏈輪，增加了摩擦阻力，也增加了成本，在設(shè)計時可根據(jù)具體情況選擇。

3 張緊裝置

大中型鉆機的履帶張緊裝置一般采用液壓調(diào)整。當(dāng)履帶在行走中遇到障礙受到?jīng)_擊載荷時，允許導(dǎo)向輪稍向后移動，并通過油缸中油壓推動活塞而使彈簧拉桿壓縮彈簧，從而起到了緩沖作用。

1）張緊彈簧的張緊力。在調(diào)整履帶的張緊度時，要保證張緊彈簧的拉力和長度不能改變，這就要求張緊彈簧的預(yù)漲緊力遠大于履帶的漲緊力。張緊彈簧的預(yù)緊力是按試驗研究的結(jié)果確定的，對履帶式鉆機而言，一般按式（7）選取，緩沖彈簧最大行程時的漲緊力可按式（8）計算：

式中：PH1為張緊彈簧的預(yù)漲緊力，kN。

式中：PH2為張緊彈簧最大行程時的漲緊力，kN。

2）張緊彈簧的工作行程。張緊彈簧在工作時有一個行程范圍，可通過履帶遇到障礙物是的受力狀態(tài)來計算張緊彈簧的最大工作行程S。

式中：h 為障礙物高度、驅(qū)動輪齒高或?qū)蜉嗇喚壐叨?，? 者中的最大值，mm；l 為取值時考慮支重輪到導(dǎo)向輪，支重輪到驅(qū)動輪2 種情況，mm。

4 鉆機行走架

當(dāng)四輪一帶選型完成后，可以進行行走架的設(shè)計。行走架是履帶行走裝置的承重部分，一般由中間架和左右履帶架組成，通常由高強度的鋼板焊接而成。整體式行走架按結(jié)構(gòu)形式可分為H 型架和X 型架，H 型架與X 型架特點對比見表1。對于H 型架在設(shè)計時可采用前梁和后軸的形式，采用3 點支撐。這樣可以在鉆機轉(zhuǎn)彎或道路不平整時行走架和平臺之間能有個調(diào)整，減小振動和沖擊。

表1 H 型架與X 型架特點對比

5 履帶行走裝置

5.1 行走裝置牽引力

鉆機在行走時需要克服很多阻力，主要的阻力有：土壤變形阻力、慣性阻力、爬坡阻力、轉(zhuǎn)彎阻力以及運行的內(nèi)阻力和風(fēng)阻力等[5]。

1）土壤變形阻力。鉆機在行走過程中，履帶會對土壤進行擠壓變形，土壤對履帶行走產(chǎn)生1 個土壤變形阻力，計算公式如下：

式中：FJ為土壤變形阻力，kN；α 為鉆機行駛的路面坡度角，（°）。

2）慣性阻力。鉆機的履帶行走裝置啟動時還存在慣性阻力，計算公式如下：

式中：FG為慣性阻力，kN。

3）爬坡阻力。鉆機在斜坡上因自重所引起的分力稱之為爬坡阻力，計算公式為：

式中：Fp為爬坡阻力，kN。

4）轉(zhuǎn)彎阻力。履帶行走裝置在轉(zhuǎn)彎時所受阻力復(fù)雜，在履帶上的接地比壓分布也不均勻，鉆機設(shè)計上常用的轉(zhuǎn)彎阻力計算公式如下：

式中：FZ為轉(zhuǎn)彎阻力，kN；e 為履帶重心縱向的偏心距，mm。

5）內(nèi)阻力。內(nèi)阻力包含履帶內(nèi)部各零件之間的摩擦，支重輪、導(dǎo)向輪、驅(qū)動輪的滾動阻力和軸徑摩擦阻力等，通常按下式近似計算[6]：

式中：FN為內(nèi)阻力，kN。

6）風(fēng)阻力。鉆機在行走過程中受到迎風(fēng)阻力的影響，可按下式計算迎風(fēng)阻力大?。?/p>

式中：FF為風(fēng)阻力，kN；F 為鉆機承受風(fēng)壓的迎風(fēng)面積，m2；q 為風(fēng)壓，一般取250 N/m2（8 級風(fēng)）。

履帶行走的6 種阻力中，轉(zhuǎn)彎阻力和爬坡阻力最大，但司機可以通過自身操作避免轉(zhuǎn)彎和爬坡同時進行。因此，在進行鉆機的牽引力FQ計算時，只需考慮爬坡時或轉(zhuǎn)彎時兩者中的大值即可。即：

爬坡時：FQ＝FJ＋FG＋FP＋FN＋FF

轉(zhuǎn)彎時：FQ＝FJ＋FG＋FZ＋FN＋FF

為了考慮鉆機在坡道上履帶能正常運行還需要驗算其附著力。要求牽引力FQ小于附著力Tf[7]。

式中：FQ為爬坡時的牽引力，kN；Tf為鉆機的地面附著力，kN。

5.2 行走裝置驅(qū)動力矩和行走裝置所需功率

當(dāng)行走裝置的牽引力確定后，可以通過驅(qū)動輪的動力半徑來計算行走裝置的驅(qū)動扭矩[8]。

式中：M 為整機扭矩，kN·m；FQ為行走的牽引力，kN；R 為驅(qū)動輪的動力半徑，mm。

為了選擇驅(qū)動行走馬達系統(tǒng)的電機，需要進行行走裝置的功率計算[9]。

式中：P 為行走裝置所需功率，kW；FQ為行走裝置的牽引力，kN；V 為行走裝置的行走速度，km/h；η為行走機構(gòu)的傳動效率，一般取0.8。

6 結(jié)語

詳細介紹了鉆機行走機構(gòu)四輪一帶的計算與選擇，同時提供了驅(qū)動力的計算方法，為履帶的設(shè)計提供了依據(jù)。通過樣機試制并經(jīng)過露天煤礦現(xiàn)場的長時間使用，設(shè)備運行可靠，工作效率高，故障率低，反饋結(jié)果良好。