大型履帶支重輪接觸應力分析

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110142）

大型履帶支重輪接觸應力分析

張翼飛 刑 星

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110142）

本文結合產品設計研究了支重輪設計參數及上部結構載荷的分布情況，給出了支重輪的設計方法，根據支重輪與履帶節的外形情況及Hertz理論公式提出了支重輪與履帶接觸應力的簡化計算公式，并通過對支重輪整體三維模型的有限元接觸應力的計算分析，驗證了Hertz簡化公式的正確性。

支重輪；接觸應力；Hertz公式

露天礦大型排土機、斗輪挖掘機整機重量大， 整機重量通過支重輪以接觸方式傳至履帶板，其設計直接關系著設備的安全。接觸應力Hertz公式計算了最大接觸應力，但是其許用值很難確定，本文結合產品設計過程中遇到的問題，給出了支重輪的設計方法和簡化計算公式，并通過有限元接觸分析證實了其合理性和實用性。

1 支重輪與履帶節接觸Hertz應力

支重輪通過一個固定的支重輪軸安裝在兩輪平衡梁上，支重輪在滑動軸承上繞支重輪軸轉動，其結構見圖1。

支重輪和履帶節的接觸表面設計成弧面，相當于增大了接觸長度，假定履帶節與支重輪是線接觸，依據有效接觸長度來進行計算，依據Hertz公式，則接觸面軸線上的接觸應力為：

式中：Prmax=2Pr=562.5 kN；E-支重輪和履帶節材料彈性模量，206000Mpa；dr-支重輪直徑，560mm；br-支重輪輪緣有效寬度，100mm；（56mm跑和前接觸寬度）；σH-Hert應力，1136Mpa。

2 支重輪和軸套有限元接觸分析

支重輪有限元計算模型及各部件名稱如圖2所示，支重輪、軸和軸套采用實體單元SOLID95；支重輪平衡梁采用板單元SHELL63，車架與軸之間采用桿單元LINK10（只承受壓力不承受拉力），鋼材的彈性模量，泊松比；軸套鑄鋁青銅的彈性模量，泊松比。輪和履帶、軸和軸套均建立接觸單元對其進行進行分析，接觸單元對分別由目標單元TARGE170和接觸單元CONTA174組成。

圖1 支重輪結構簡圖

圖2 有限元計算模型

在垂直載荷Prmax=562.5kN作用下（力施加在平衡梁上），支重輪與履帶鏈接觸壓力和接觸區域如下圖3所示。接觸區域近似一個狹長的矩形，和原來支重輪與履帶鏈之間是線接觸的假設吻合，在支重輪和履帶節初期未跑和狀態下有小接觸寬度為br=56mm。接觸應力最大為1094MPa，Hertz應力為1136MPa，二者相差小于5%，證明了Hertz簡化公式的正確性。當支重輪和履帶節運行一段時間后經過跑和磨損后其有效接觸區寬度按照br=100mm來計算。

3 結論

1）露天礦作業工作溫度隨季節的變化較大。運行時支重輪承載整機重量，并與高錳鋼履帶節滾動摩擦，工作條件極其苛刻。并且由于結構限制很難更換。所以支重輪要求有良好的表面硬度和淬火深度，良好的基體強度、較好的綜合性能和良好的低溫韌性。由于鑄件的材料性質不穩定廢品率高，支重輪選擇34Cr2Ni2Mo鍛件材質。

2）提出了支重輪與履帶線性接觸的假設，并對經典Hertz公式進行了修正簡化，通過接觸分析驗證了本文所提公式的合理性和實用性。

圖3 支重輪與履帶節接觸區域

[1][德]W.Durst，W.Vogt. 斗輪挖掘機（斗輪挖掘機翻譯組譯）[M].天津：天津科技翻譯出版公司，1992：177-198.

[2]Normenausschuss Bergbau （FABERG）im DIN. DIN 22261-2. Excavators，spreaders and auxiliary equipment in opencast lignite mines-Part 2∶ Calculation principles. Berlin∶ Alleinerkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH，2006∶1-43.

S219 < class="emphasis_bold"> 文獻標識碼：A

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