挖掘机行走履带建模及模态分析*

王智森

（景德镇学院机械电子工程学院，江西 景德镇 333400）

近年来，工程机械行业发展迅猛。以液压挖掘机的研发制造、投入使用及市场占有量为例，国内发展规模越来越大的工程机械企业在世界工程机械产业范围内拥有越来越多的话语权[1]。液压挖掘机主要由三大部分组成，即行走装置、回转装置及工作装置，其中行走装置作为支撑整机质量及作业载荷的关键零部件，主要分为行走履带和轮式两种类型[2]。一般来说，行走履带具备爬坡性能强、接地比压小及作业场地不受限制等优势，相比轮式在装备液压挖掘机的整体数量上占比更大[3]。行走履带可实现液压挖掘机在土石方挖掘作业过程中所需的一切移动及转动等动作，其工作状态会直接影响液压挖掘机的挖掘效能，为保证其正常工作，设计合理的行走履带结构至关重要。本文以22t型液压挖掘机行走履带为例，针对行走履带常见故障产生机理及振动特性进行行走履带建模及模态分析，以期为后续研究行走履带的结构设计及故障诊断提供可行性参考，对于提高液压挖掘机行走履带的结构强度也有一定的借鉴意义。

1 行走履带整体结构简化建模

1.1 结构参数分析及建模

根据22t型液压挖掘机行走履带结构分析，选取行走履带部分结构参数如表1所示。行走履带主要结构包括履带板、引导轮、托链轮、履带主链节、行走马达及回转平台等零部件[4]。在液压挖掘机土石方作业过程中，来自液压马达的动力带动驱动轮转动，通过轮齿与履带的啮合使得履带转动，从而实现液压挖掘机的行走。通过控制两侧驱动轮转速的不同以及正转、反转，实现液压挖掘机转向和倒退等运动[5]。为避免履带直接与履带架接触产生过度磨损，同时保证履带在垂直方向不产生较大的跳动，通常在履带架上安装托带轮或托带板将履带链托起，使得履带链能够平稳滑动，同时起到一定的导向作用。因此，行走履带装置具有4个典型特点：通过性好、机动性强、稳定性好及承载能力强[6]。

表1 22t型液压挖掘机行走履带部分结构参数

通过UG软件完成行走履带整体结构的线框简化建模，如图1所示。其中，中心框架采用X桁架，履带框架为箱式截面结构，履带密封为自润滑式，高低调整采用黄油张紧，履带板数每侧49个，托链轮每侧2个，支重轮每侧8个。导向轮的作用是引导履带绕转，保持一定的张紧力，以防止跑偏或越轨，同时允许前后位移，带动履带张紧或松弛，方便履带的拆卸。支重轮在履带板上做纯滚动，合理的结构布置形式可以保证每个支重轮受力分布均匀，延长支重轮的使用寿命。履带板用销轴连接在一起，形成一条封闭的履带，将引导轮、支重轮、托链轮及行走马达包裹起来，形成一个闭合的整体，为液压挖掘机行走作业提供平稳的支撑及强劲的牵引力。

图1 行走履带线框简化建模

1.2 载荷计算及失效机理分析

针对典型挖掘工况，在进行液压挖掘机的行走履带载荷计算及失效机理分析时，应考虑行走履带简化建模阶段5点理想化要求：1）在湿软或低洼场所作业，应有较大的驱动力以保证行走履带的越野、爬坡及转弯性能；2）应有较大的离地间隙，提高行走履带在不平地面上的通过性能；3）应有较大的接地面积或较小的接地比压，提高液压挖掘机的作业稳定性；4）斜坡挖掘作业时不发生超速溜坡及下滑现象，保证液压挖掘机的安全可靠性；5）行走履带的外形尺寸应符合道路运输规范要求[7]。

行走履带相比较轮式最显著的特征是爬坡能力大，一般来说，爬坡效率能达到50%～80%。在初步确定爬坡能力后，通过理论分析进行核算选定。液压挖掘机行走履带爬坡过程中主要需要克服3个部分阻力，分别为履带自重、运行阻力及履带内阻力[8]。

液压挖掘机自重在斜坡方向的分力为：

式中，G为液压挖掘机自重；θ为坡度角。

运行阻力简化计算为：

履带内阻力简化计算为：

则最大牵引力F应不小于3个部分阻力之和，即：

同时，还应满足液压挖掘机行走履带在爬坡过程中不打滑的简化计算条件，即：

式中，μ为行走履带与工况地面的附着系数，常见值如表2所示[9]。

表2 行走履带与地面的附着系数常见值

液压挖掘机行走履带的承载能力大小取决于挖掘作业时的稳定性和爬坡行走时的通过性。为了方便载荷计算，简化处理行走履带两侧履带板与工况地面均视为理想化接触，考虑液压挖掘机的重心位置近似位于底架中心，简化计算得到：

式中，p为行走履带平均接地比压；l为行走履带接地长度；b为行走履带宽度；h为行走履带高度。

引起行走履带冲击振动损坏失效的机理主要为关键零部件磨损失效、驱动轮连接螺栓失效及支重轮密封失效，其中以驱动轮连接螺栓失效最为突出[10]。在液压挖掘机挖掘作业过程中，行走履带受到的载荷主要包括整机重量、挖掘力及地面支撑力，其中挖掘力及地面支撑力随着典型挖掘工况的变化不能维持恒定，严重影响行走履带的运行稳定性。通过提高驱动轮连接螺栓的可靠性，防止驱动轮部位各个连接螺栓均受到冲击振动导致损坏失效，以保证行走履带在挖掘作业时能够正常工作。

2 行走履带模态分析

2.1 网格划分

根据22t型液压挖掘机行走履带结构参数，建模完成了行走履带线框简化模型。在UG软件中对行走履带线框简化模型进行实体化处理，去除线条重合及切边特征，得到行走履带装置的简化三维模型。接着在ANSYS Workbench软件中建立ANSYS Workbench和UG行走履带装置的简化三维模型导入接口，选择Static Structural进行静力学分析，利用Design Modeler对导入模型进行细节处理，放置Modal选项，将Modal模块拖曳至Static Structural项目的Solution模块中。查阅相关资料，参考得到行走履带装置的材料性能参数如表3所示。通过Geometry定义行走履带装置的材料属性，对行走履带中履带板、引导轮、托链轮、履带主链节、行走马达及回转平台等各零部件材料进行简化处理，点击Engineering Data设置材料为Structural Steel。

表3 行走履带材料性能参数

模态分析网格划分的精度和疏密程度是影响行走履带振幅频率分析结果的重要因素。在行走履带装置中，由于整体结构复杂，所以在常用的网格划分实际处理中难以采取六面体网格划分。因此在行走履带的重要位置处，如在履带板、引导轮、托链轮和履带主链节处选取四面体网格，在底架、行走马达和回转平台处选取三面体网格。为了确保网格划分效率和计算精度，采用三面体及四面体网格结合的形式划分行走履带装置各零部件部分的单元格。在Mesh中设置Method命令为Tetrahedrons，选择Sizing方式对整体尺寸进行划分，将Element Size设置为40 mm。针对驱动轮铰点、履带板处分别设置Sizing为10 mm、20 mm进行网格细化处理，Transition设置为Slow优化不同网格精度过渡问题。完成上述网格划分设置步骤后，得到行走履带装置网格划分结果如图2所示，网格划分的疏密程度反映出行走履带简化三维模型的精度。

图2 行走履带装置网格划分结果

2.2 模态分析

通过ANSYS Workbench有限元工程仿真分析软件对液压挖掘机行走履带进行后处理，即开展模态分析。通过模态分析流程，找出行走履带在固定约束和自重载荷作用下每一阶数的模态振型、阻尼比及固有频率等模态参数，为后续研究行走履带的动态设计、零部件运行常见故障预测诊断提供参考。分析行走履带各零部件在易受影响的振幅频率范围内的模态特性，预测行走履带在液压挖掘机典型挖掘工况的多种振动源中产生的振幅响应。模态分析结果主要用于确定行走履带各零部件的振动特性，因其不随工作载荷发生变化，故操作可行性及可靠性较高。

在ANSYS Workbench界面的Mechanical窗格树形目录中单击Static Structural分支，单击Environment工具栏中Supports的Fixed Support命令添加到驱动轮及引导轮的轴心线上作为固定约束，单击左下角属性窗格Scope分支下Geometry中的Apply按钮确定。单击Environment工具栏中Loads的Force命令，为行走履带装置施加自重。选中树形目录中Modal分支下的Solution分支，单击工具栏内Solve区域中的Solve按钮，进入求解模型，进行求解，查看各阶模态的云图，其中1阶、2阶模态云图分别如图3、图4所示。

图3 行走履带装置1阶模态云图

图4 行走履带装置2阶模态云图

由行走履带装置1阶、2阶模态云图及振型固有频率值可知：1阶频率为6.041 Hz，行走履带左侧履带板最大变形量为49.049 mm，向上产生扭转变形；2阶频率为6.144 Hz，行走履带右侧履带板最大变形量为49.586 mm，向上产生扭转变形。阶数不同，发生最大振动危险的行走履带装置履带板 的位置也不相同，每阶状态下产生的扭动方向及形状均不同。通过分析模态云图可以看出行走履带各零部件频率发生的最大位置，这为工程分析中减少共振提供了可参考的指导方向。

3 结论

本文以液压挖掘机行走履带为实际工程背景，参考相关结构指标参数值，借助UG软件完成行走履带整体结构的简化建模。针对典型挖掘工况，进行行走履带爬坡过程中克服阻力的载荷计算分析，得到行走履带平均接地比压的简化计算结果。分析引起行走履带冲击振动损坏失效常见故障的机理原因，发现以驱动轮连接螺栓失效表现最为显著。结合模态分析方法、理论及流程，运用ANSYS Workbench软件对行走履带简化三维模型进行模态分析，确定行走履带各零部件的振动特性。通过模态分析，求出行走履带各零部件的1阶和2阶模态振型、固有频率及最大变形量，为行走履带预防共振提供了理论支持，同时为后续多阶模态分析及结构强度研究提供了参考依据。