矿用挖掘机履带架螺栓联结特性及强度研究

摘要：机械式矿用挖掘机广泛应用于露天采矿作业中，是露天矿场的主要挖掘和装载设备。随着社会经济的快速发展，矿山规模的不断扩大，国内市场对机械式矿用挖掘机的需求越来越大，对整机性能的要求也越来越高。履带架与底架之间通过螺栓联结，以传递载荷并保证整机的稳定性;履带架是挖掘机的重要支承部分，它承受底架传递的作用力，然后经支重轮和履带板传递到地面上，因此螺栓联结以及履带架自身性能的可靠性都直接关系着整机的性能。

关键词：矿用挖掘机; 履带架螺栓; 联结特性; 螺栓强度

中图分类号：TU621文献标识码： A

前言：

机械式矿用挖掘机(俗称电铲)在露天采矿作业中被广泛应用，其生产能力强、抗疲劳、耐冲击、工作稳定性好、生产效率高、易于维护，是露天矿场的主要挖掘和装载设备，在现场作业中有明显的优势。

一、机械式矿用挖掘机的国内外发展现状

世界上第一台单斗挖掘机诞生于19世纪30年代，经过近200年的发展，机械式矿用挖掘机的驱动形式和结构形式都发生了很大的变化，目前国外比较先进的大型生产企业主要有美国的哈尼施菲格(P&H)和卡特彼勒(Caterpillar)公司，这两家公司的产品系列全、性能优异、可靠性高，几乎垄断了国际市场[f9l。哈尼施菲格公司于2012年了其最新的矿用挖掘机P&H 4800XPC，比其经典的产品P&H 4100XPC略大，可以3斗装满400短吨级的卡车。卡特彼勒公司在收购比塞洛斯(Bucyrus )之后成为了矿用挖掘机行业的巨头，除了命名和涂装有变化外，其产品基本保留了比塞洛斯原有产品的特色和优势。图1所示为卡特彼勒目前在产的最大型号矿用挖掘机7495系列，可以3斗装满360短吨级的卡车。

图1卡特彼勒7495型矿用挖掘机

国内，太原重工的产品系列最全，占有的市场份额最大。目前己经能自主生产出标准斗容量55 m3, 75 m3的WK-55型、WK-75型矿用挖掘机，其中WK-75型(图2所示)的斗容量是当前世界在产的矿用挖掘机中最大的，可以满足3000万吨级露天矿的开采需求，其交流变频驱动技术达到了国际先进水平。

图2太重WK-75型矿用挖掘机

二、履带行走装置

履带行走装置是机械式矿用挖掘机的重要组成部分，其性能的稳定性直接关系着挖掘机整机性能发挥。履带行走装置诞生于一百多年前，随着挖掘机性能的提高，履带行走装置的结构、加工工艺以及驱动方式等也在不断变化。

履带支承方式有两种:多支点和少支点，两种方式的履带行走装置结构不同。多支点方式的支重轮数量较多，直径较小，履带架支重轮孔距地面较近，易受泥沙磨损，履带对地面的比压均匀，最大比压力较小;少支点方式的支重轮数量较少，直径较大，在低级别土壤上履带对地面的最大比压较大，履带架支重轮孔离地面较高，易于维护，寿命较高。目前，国内外大型矿用挖掘机由于自身重量以及斗容量较大，因而多采用多支点形式。

图3WK-4挖掘机行走传动系统图

图412m3挖掘机行走传动系统图

三、履带行走装置的结构形式

由于工作要求和应用的工作环境不同，履带行走装置有很多不同的结构形式。挖掘机的履带行走装置一般由履带架、履带链、底架和行走传动机构等组成，图5所示为12m3机械式矿用挖掘机履带行走装置三维图，可以看出其结构为双履带双电机驱动形式，图6为履带行走装置的实物图。

图5履带行走装置三维图

图6履带行走装置实物图

矿用挖掘机的底架多为封闭箱型结构，由高强度钢板和铸件焊接而成。底架内部焊接成“井”字形结构，隔板和筋板均采用高强度的HQ60钢板，保证了底架高的承载能力

履带架是挖掘机的重要支承部分，它承受底架传递的作用力，然后经支重轮和履带板传递到地面上，因此履带架需要保证足够的强度，来起到传递力作用。履带架的结构多为箱型，整体铸造或者由高强度的钢板焊接而成，内部分布有筋板以提高强度。履带架主体材料为HQ60，且针对不同位置的受力情况，采用了不同厚度的钢板。

履带架不仅有传递力的作用，其上还安装有导向轮组件、支重轮组件、驱动轮组件，并且与部分履带板相接触。本文所研究的12m3机械式矿用挖掘机履带结构的示意图如图7所示。履带架的前端安装有导向轮轴，连接导向轮，起导向作用，并且有调整垫片，可以调整导向轮的前后位置，进而起到调节履带链张紧的作用。履带架的下部安装有7个支重轮，为多支点结构，刚性连接，在挖掘机静止、正常行走以及转向时，支重轮承受整机的工作重量并带动履带板转动。履带架的后端安装有驱动轮组件，驱动轮与履带紧密啮合，驱动整机运动。该履带架的上部是托带板结构，不同于托带轮，托带板与履带架焊接成一体，直接与履带接触，与运动的履带板之间是滑动摩擦作用。履带是一个封闭的环，由履带销连接履带板构成，一侧履带有44块履带板，其中有17块履带板与地面接触。

图7履带结构示意图

矿用挖掘机的履带架与底架之间通过螺栓刚性联结，并且采用凸缘定位约束。每一侧履带架与底架之间有12个M85的螺栓，每一侧履带架连接箱处与底架之间有5个M30的高强度螺栓，起定位作用，也一定程度上限制了履带架驱动轮安装位置的变形。螺栓联结的示意图如图8所示。

履带架与底架之间的螺栓联结方式不会对履带架和底架造成损伤，且结构紧凑，易于拆装，便于互换。这种联结方式对被联结件产生了多余的约束，形成了超静定结构。当履带行走装置处于高低不平的地面上时，会有部分履带与地面脱离接触，整机易于产生点头震动，三点接触可能会形成于整机与地面之间，引起履带架部分位置承受的载荷发生剧烈的变化，影响履带架的强度。

图8履带架与底架之间螺栓联结示意图

四、螺栓预紧力的确定

履带架与底架通过多个螺栓联结在一起，在实际的生产作业中，挖掘机所处的工作环境比较恶劣，履带架与底架承受的载荷复杂而多变，因此这些螺栓在装配时需要施加预紧力拧紧，以增强联结的紧密性和可靠性。

履带架与底架之间主要通过底架凸缘和联结螺栓来实现载荷的传递。底架凸缘与履带架直接接触，传递垂直地面方向的载荷。联结螺栓传递载荷的方式有两种:一种方式是通过夹压履带架和底架，在履带架与底架接触面之间产生足够的压力，以保证摩擦来传递载荷;另一种方式是通过螺母与履带架和底架的直接接触，联结螺栓自身承受载荷，并传递载荷。

五、履带架强度

工况单边制动转向工况履带架强度和刚度分析：

图9工况一模型整体应力云图

由图9可以看出，不同预紧力下模型的整体应力分布情况大致相同，最大应力值随预紧力的增大而增大，因此下文以预紧力600KN为例并结合预紧力为500KN 清况下受力较危险位置的应力分布，对模型的应力云图进行详细分析。分别提取该预紧力下驱动侧和制动侧履带架的应力分布情况，其应力云图如图10和图11所示。

图10工况一驱动侧履带架应力云图

图11工况一制动侧履带架应力云图

由图10和图11可以看出，两侧履带架应力最大位置均在螺栓孔边缘，其中制动侧最大应力值较大为291.67MPa，此区域是应力集中非真实的区域，可以忽略。比较两图可以发现，驱动侧履带架导向孔轮处外筋板的应力相对制动侧该位置处的应力较大，这是由于驱动侧履带张力较大，导向轮承受的履带张力作用在该位置。由于该处材料为Q235，其屈服极限较小，因此可能是受力危险位置。驱动侧履带架该位置的局部应力云图如图12所示，局部最大应力小于50MPa，则安全系数大于4.7，Q235许用安全系数按表1取1.8，因此该处满足强度要求。

表1塑性材料静应力下的许用安全系数

图12驱动侧导向轮孔处筋板局部应力云图

结语：

保证螺栓联结的可靠性最重要的就是确定螺栓预紧力的大小，预紧力的不同也会对被联结件接触面的接触状态造成影响。好的履带架的结构设计需要满足各项性能要求指标，又要尽量减少成本。目前国外有限元方法己经应用到了履带架的设计中，通过对模型进行强度分析、模态分析等，得到履带架各部分的承载能力和振动特性，并根据结果修改履带架的设计，如调整内部筋板的布局、重新选择各部分的材料、调整结构尺寸等，使履带架的整体性能满足要求并节约成本。

参考文献：

[1]程来，宋言明，李贺.基于等效接触区域的螺栓连接结构模态分析[J].机械设计与研究，2012,28(2):44-47.

[2]郑宝乾.螺栓联接结合面动态特性研究[D].山西:中北大学，2011.

作者简介：云刚，1985-12，男，蒙古族，内蒙古呼和浩特市，内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司，专业：数控技术。