采煤机搬运车履带架结构的改进

金凯文

（华阳集团机电设备管理中心，山西 阳泉 045008)

引言

在矿井搬家倒面作业中，搬运车能够直接搬运采煤机等其他大型设备，而履带架是搬运机实现行走功能的主要机构[1-2]，应满足以下两方面的要求[3-4]：一方面应具有大的接地面积、足够灵活性和对复杂路面的适应能力，以提高搬运车的搬运效率和安全性；另一方面作为整个设备的支撑、连接和行走部件，履带架应具备足够的强度或刚度，以保证整体的稳定性。因此，对履带架结构的研究和优化是一个重要的研究课题。

1 履带架动力学仿真分析

本文通过UG 软件建立了搬运机的三维虚拟模型，并模拟了不同条件的路况，在RD 软件中分别考察了搬运车在水泥路面和松散土路的行驶，探究了平地行驶和原地转弯的动力学仿真的差异。

1.1 水泥路面上满载行驶工况

水泥路面满载行驶的路线为先水平行驶一段距离，然后原地转弯再直线行驶。通过RD 中STEP 函数设置行驶路线，确定水平行驶速度和转动角速度，确定仿真时间和仿真步数，图1 为仿真得到的左右履带行走机构前后链轮转矩，表1 为水泥路面仿真转矩值，由于转矩大小与履带架受力呈正相关，因此水泥路面行驶以左侧履带为研究对象。

表1 水泥路面仿真转矩值kN·m

图1 搬运车水泥路面上行走时左侧链轮转矩

进一步分析计算可得左侧履带与前后链轮和托链轮在X、Y、Z 三个方向的接触力。根据模拟结果，搬运车在水泥路面水平行驶时，左右两侧履带所受总转矩相等；而原地转向时，左侧履带受力大于右侧履带，同时可以判断出搬运车原地转向时驱动转矩主要由后链轮提供，而前链轮提供制动转矩；托链轮各向受力均匀，充分说明履带架上各个托链轮的位置分布是合理的。

1.2 松散土路上满载行驶工况

在RD 软件中修改路面状况参数，表2 为仿真得到的松散路面的转矩值，搬运车在松散土路上行驶时，其下陷量大于水泥路面；当水平行驶和原地转向时，左侧履带的平均转矩大于等于右侧履带，因此仍以左侧履带为研究对象，模拟计算左侧履带与前后链轮和托链轮在X、Y、Z 三个方向的接触力。与水泥路模拟结果相似，搬运车转向动力主要由外侧履带后链轮提供，制动转矩由内侧履带前链轮提供。对比搬运车在两种路况下的行驶时支重轮的各向载荷可知，在松散土路行驶时X、Y 向的载荷比水泥路面大1.126 N，搬运车受到的冲击较大，即搬运车履带架在松散土路原地转向时受到的力较大，为后面的有限元分析提供了数据支持。

表2 松散路面仿真转矩值kN·m

2 履带架有限元分析

基于履带架动力学仿真分析的结果，以UG 软件中的高级仿真模块NX7.5 为分析工具，对搬运车履带架在松散土路行驶进行有限元分析，主要判断结构中是否存在应力集中和强度不足部位。

2.1 松散土路上水平行驶

在NX7.5 高级仿真模块添加搬运车履带架模型，选择16Mn 低合金结构钢为模型属性，设置网格大小为30 mm，在车体连接处添加约束和载荷。根据得到的有限元位移图和应力云图，判断可知在履带钢板架钩板位置存在应力集中和强度不足，说明该处需进行结构优化。

2.2 松散土路上一侧水平制动

根据动力仿真学分析结果，搬运车履带架在松散土路原地转向时外侧履带架受力复杂，X、Y、Z 三个方向受力大，因此以搬运车在松散土路左向转弯的外侧履带为研究对象，为保证轮孔处的网格密度，故将网格大小设置为20 mm，其他参数与2.1 相同。根据有限元位移图和应力云图可知，履带架受到的最大应力为465.13 MPa，远远超出设置模型材料的应力极限，应力最大位置为履带架钩板，同时根据图2，在其他部位也存在强度不足的现象，如支重轮轴处、后驱动轮法兰与履带板立板连接处。

图2 最大应力（MPa）位置图

3 履带架结构优化

基于易于加工和节约成本的目的，本文对履带架结构进行了优化，消除结构中存在的应力集中和强度不足的现象。首先针对履带板钩板处应力值最大的问题，经过原因分析，履带架钩板和立板的组装位置偏高导致应力偏大，考虑到采煤机是在松散路况下行驶，其最小离地间隙不能过低，而一般矿井的实际路况搬运车最小离地间隙不得小于180 mm，因此将履带架的装配位置降低55 mm，即将最小离地间隙设置为180 mm，同时将钩板螺孔处厚度加大为至40 mm。此外，法兰的应力值也超过了极限，考虑到最大应力一般发生在最坏的工况条件下，且应力偏移量较小，因此对法兰进行热处理，选择淬火后进行室温实效11 h。

4 履带架结构优化后的仿真分析

分别对整体和局部改进后的履带架进行有限元分析，钩板应力值符合要求。

5 结论

1）通过比较搬运车在水泥路面和松散土路两种路况下水平行驶和原地转向时左右履带的受力，得到搬运车在松散土路上原地转向时履带架各向受力值最大的结论。

2）将计算得到载荷作为有限元分析的条件，根据UG 有限元分析结果，履带架的钩板和后驱动轮法兰处存在应力集中和强度不足现象，经过原因分析，法兰铸件采用淬火+室温实效11 h的方法进行热处理，降低钩板装配位置，增加钩板的厚度。

3）对改进后履带架再次进行仿真分析，优化后的履带架满足实验要求。