大型履帶行走裝置履帶架及門架多工況有限元分析

劉剛

摘 要：為了在設(shè)計(jì)階段保證大型履帶行走裝置履帶架強(qiáng)度，建立了大型履帶行走裝置履帶架多工況有限元模型，并針對(duì)各工況探討邊界條件。基于ANSYS軟件計(jì)算的各工況下履帶架典型的應(yīng)力分布。結(jié)果表明轉(zhuǎn)向工況履帶架應(yīng)力最大，設(shè)計(jì)時(shí)需注意。本文研究結(jié)果有助于大型履帶行走裝置設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：大型 履帶架 有限元

中圖分類號(hào)：TH212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）02（a）-0119-01

礦山機(jī)械，如破碎站、斗輪挖掘機(jī)、堆取料機(jī)等，工作于礦山環(huán)境，設(shè)備巨大，自重可達(dá)千噸以上。這類設(shè)備連續(xù)開采，一旦因故障停機(jī)，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

這類礦山重型機(jī)械大多采用大型履帶行走裝置、多履帶行走裝置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的移動(dòng)。履帶行走裝置的工作可靠性嚴(yán)重影響著礦山的工作效率，間接影響著礦山經(jīng)濟(jì)效益。因此，在設(shè)計(jì)階段必須保證大型履帶行走裝置的強(qiáng)度。履帶架為大型履帶行走裝置的核心零件，其強(qiáng)度決定著整個(gè)履帶行走裝置，以至于整個(gè)礦山機(jī)械的工作可靠性，因此，必須在設(shè)計(jì)階段保證履帶架的強(qiáng)度。

關(guān)于履帶架的強(qiáng)度計(jì)算方法，公開發(fā)表的論文較多，這些論文大多針對(duì)小型履帶架進(jìn)行研究，而大型履帶行走裝置具有其自身獨(dú)特工作工況，因此，有必要針對(duì)大型履帶行走裝置的核心零件——履帶架進(jìn)行研究，從而為履帶架設(shè)計(jì)提供保證。本文應(yīng)用ANSYS軟件針對(duì)大型履帶架建立了多工況有限元模型，研究其在不同工況下的應(yīng)力分布特點(diǎn)。

1 建模

1.1 幾何模型

本文所研究的承重1200 t大型履帶行走裝置履帶架及門架三維模型如圖1所示，應(yīng)用三維建模軟件solidworks建模。

1.2 有限元模型

由于履帶架主要由板件焊接而成，應(yīng)用板殼單元分析，計(jì)算效率和結(jié)果準(zhǔn)確度均能保證。因此，將模型導(dǎo)入專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件hypermesh中，抽取中面并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將網(wǎng)格模型但邊界條件施加及提交計(jì)算，導(dǎo)入ansys軟件后的網(wǎng)格模型如圖2所示。該模型采用整體結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格而成，單元類型shell63，線彈性材料彈性模量E=2.3e5（米制單位）、密度7.8e-3kg/mm3，共50萬(wàn)個(gè)單元。針對(duì)該模型進(jìn)行個(gè)網(wǎng)格尺寸研究，最終確定50萬(wàn)個(gè)單元能保證工程上計(jì)算精度要求。

2 工況及邊界條件

大型履帶行走裝置工況主要有直行工況、轉(zhuǎn)向工況、空載爬坡工況，本文針對(duì)這些典型工況，應(yīng)用履帶架網(wǎng)格模型，施加不同的邊界條件，模擬實(shí)際工作過(guò)程，研究履帶架應(yīng)力分布特點(diǎn)。

2.1 直行工況

直行工況履帶架所受載荷及約束施加如圖3所示，上部載荷通過(guò)節(jié)點(diǎn)力直接分布施加于履帶架與上部結(jié)構(gòu)連接處。通過(guò)梁?jiǎn)卧M承重輪，承重輪處施加豎直方向位移約束，驅(qū)動(dòng)輪處施加前后方向的位移約束，并在導(dǎo)向輪處施加行進(jìn)阻力，以及將承重輪內(nèi)摩擦阻力施加于相應(yīng)位置節(jié)點(diǎn)處。

2.2 轉(zhuǎn)向工況

轉(zhuǎn)向工況約束載荷如圖4所示，施加履帶與地面之間的摩擦阻力矩，約束一側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪處行進(jìn)方向自由度及承重輪處豎直方向自由度。

2.3 空載爬坡工況

空載爬坡工況邊界條件如圖5所示，及將直行工況中物料質(zhì)量去除（空載），并將整體迫性調(diào)整一爬坡角度。約束條件同直行工況。

3 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算結(jié)果如圖6所示，本文對(duì)各工況最大應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1。

從表中可以看出：不同工況最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置也不同，其中應(yīng)力最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向工況下，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)轉(zhuǎn)向工況的強(qiáng)度計(jì)算要注意。

參考文獻(xiàn)

[1] 高一平，王欣，高順德，等.200噸履帶起重機(jī)履帶架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2004（5）：71-72.

[2] 成凱，王鋅，趙二飛.履帶起重機(jī)履帶架的非線性有限元分析[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2009（3）：68-72.

[3] 胡方海，王智永.履帶架三維結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及ANSYS實(shí)現(xiàn)[J].煤礦機(jī)械，2009（12）：74-77.endprint

摘 要：為了在設(shè)計(jì)階段保證大型履帶行走裝置履帶架強(qiáng)度，建立了大型履帶行走裝置履帶架多工況有限元模型，并針對(duì)各工況探討邊界條件。基于ANSYS軟件計(jì)算的各工況下履帶架典型的應(yīng)力分布。結(jié)果表明轉(zhuǎn)向工況履帶架應(yīng)力最大，設(shè)計(jì)時(shí)需注意。本文研究結(jié)果有助于大型履帶行走裝置設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：大型 履帶架 有限元

中圖分類號(hào)：TH212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）02（a）-0119-01

礦山機(jī)械，如破碎站、斗輪挖掘機(jī)、堆取料機(jī)等，工作于礦山環(huán)境，設(shè)備巨大，自重可達(dá)千噸以上。這類設(shè)備連續(xù)開采，一旦因故障停機(jī)，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

這類礦山重型機(jī)械大多采用大型履帶行走裝置、多履帶行走裝置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的移動(dòng)。履帶行走裝置的工作可靠性嚴(yán)重影響著礦山的工作效率，間接影響著礦山經(jīng)濟(jì)效益。因此，在設(shè)計(jì)階段必須保證大型履帶行走裝置的強(qiáng)度。履帶架為大型履帶行走裝置的核心零件，其強(qiáng)度決定著整個(gè)履帶行走裝置，以至于整個(gè)礦山機(jī)械的工作可靠性，因此，必須在設(shè)計(jì)階段保證履帶架的強(qiáng)度。

關(guān)于履帶架的強(qiáng)度計(jì)算方法，公開發(fā)表的論文較多，這些論文大多針對(duì)小型履帶架進(jìn)行研究，而大型履帶行走裝置具有其自身獨(dú)特工作工況，因此，有必要針對(duì)大型履帶行走裝置的核心零件——履帶架進(jìn)行研究，從而為履帶架設(shè)計(jì)提供保證。本文應(yīng)用ANSYS軟件針對(duì)大型履帶架建立了多工況有限元模型，研究其在不同工況下的應(yīng)力分布特點(diǎn)。

1 建模

1.1 幾何模型

本文所研究的承重1200 t大型履帶行走裝置履帶架及門架三維模型如圖1所示，應(yīng)用三維建模軟件solidworks建模。

1.2 有限元模型

由于履帶架主要由板件焊接而成，應(yīng)用板殼單元分析，計(jì)算效率和結(jié)果準(zhǔn)確度均能保證。因此，將模型導(dǎo)入專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件hypermesh中，抽取中面并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將網(wǎng)格模型但邊界條件施加及提交計(jì)算，導(dǎo)入ansys軟件后的網(wǎng)格模型如圖2所示。該模型采用整體結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格而成，單元類型shell63，線彈性材料彈性模量E=2.3e5（米制單位）、密度7.8e-3kg/mm3，共50萬(wàn)個(gè)單元。針對(duì)該模型進(jìn)行個(gè)網(wǎng)格尺寸研究，最終確定50萬(wàn)個(gè)單元能保證工程上計(jì)算精度要求。

2 工況及邊界條件

大型履帶行走裝置工況主要有直行工況、轉(zhuǎn)向工況、空載爬坡工況，本文針對(duì)這些典型工況，應(yīng)用履帶架網(wǎng)格模型，施加不同的邊界條件，模擬實(shí)際工作過(guò)程，研究履帶架應(yīng)力分布特點(diǎn)。

2.1 直行工況

直行工況履帶架所受載荷及約束施加如圖3所示，上部載荷通過(guò)節(jié)點(diǎn)力直接分布施加于履帶架與上部結(jié)構(gòu)連接處。通過(guò)梁?jiǎn)卧M承重輪，承重輪處施加豎直方向位移約束，驅(qū)動(dòng)輪處施加前后方向的位移約束，并在導(dǎo)向輪處施加行進(jìn)阻力，以及將承重輪內(nèi)摩擦阻力施加于相應(yīng)位置節(jié)點(diǎn)處。

2.2 轉(zhuǎn)向工況

轉(zhuǎn)向工況約束載荷如圖4所示，施加履帶與地面之間的摩擦阻力矩，約束一側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪處行進(jìn)方向自由度及承重輪處豎直方向自由度。

2.3 空載爬坡工況

空載爬坡工況邊界條件如圖5所示，及將直行工況中物料質(zhì)量去除（空載），并將整體迫性調(diào)整一爬坡角度。約束條件同直行工況。

3 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算結(jié)果如圖6所示，本文對(duì)各工況最大應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1。

從表中可以看出：不同工況最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置也不同，其中應(yīng)力最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向工況下，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)轉(zhuǎn)向工況的強(qiáng)度計(jì)算要注意。

參考文獻(xiàn)

[1] 高一平，王欣，高順德，等.200噸履帶起重機(jī)履帶架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2004（5）：71-72.

[2] 成凱，王鋅，趙二飛.履帶起重機(jī)履帶架的非線性有限元分析[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2009（3）：68-72.

[3] 胡方海，王智永.履帶架三維結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及ANSYS實(shí)現(xiàn)[J].煤礦機(jī)械，2009（12）：74-77.endprint

摘 要：為了在設(shè)計(jì)階段保證大型履帶行走裝置履帶架強(qiáng)度，建立了大型履帶行走裝置履帶架多工況有限元模型，并針對(duì)各工況探討邊界條件。基于ANSYS軟件計(jì)算的各工況下履帶架典型的應(yīng)力分布。結(jié)果表明轉(zhuǎn)向工況履帶架應(yīng)力最大，設(shè)計(jì)時(shí)需注意。本文研究結(jié)果有助于大型履帶行走裝置設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：大型 履帶架 有限元

中圖分類號(hào)：TH212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）02（a）-0119-01

礦山機(jī)械，如破碎站、斗輪挖掘機(jī)、堆取料機(jī)等，工作于礦山環(huán)境，設(shè)備巨大，自重可達(dá)千噸以上。這類設(shè)備連續(xù)開采，一旦因故障停機(jī)，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

這類礦山重型機(jī)械大多采用大型履帶行走裝置、多履帶行走裝置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的移動(dòng)。履帶行走裝置的工作可靠性嚴(yán)重影響著礦山的工作效率，間接影響著礦山經(jīng)濟(jì)效益。因此，在設(shè)計(jì)階段必須保證大型履帶行走裝置的強(qiáng)度。履帶架為大型履帶行走裝置的核心零件，其強(qiáng)度決定著整個(gè)履帶行走裝置，以至于整個(gè)礦山機(jī)械的工作可靠性，因此，必須在設(shè)計(jì)階段保證履帶架的強(qiáng)度。

關(guān)于履帶架的強(qiáng)度計(jì)算方法，公開發(fā)表的論文較多，這些論文大多針對(duì)小型履帶架進(jìn)行研究，而大型履帶行走裝置具有其自身獨(dú)特工作工況，因此，有必要針對(duì)大型履帶行走裝置的核心零件——履帶架進(jìn)行研究，從而為履帶架設(shè)計(jì)提供保證。本文應(yīng)用ANSYS軟件針對(duì)大型履帶架建立了多工況有限元模型，研究其在不同工況下的應(yīng)力分布特點(diǎn)。

1 建模

1.1 幾何模型

本文所研究的承重1200 t大型履帶行走裝置履帶架及門架三維模型如圖1所示，應(yīng)用三維建模軟件solidworks建模。

1.2 有限元模型

由于履帶架主要由板件焊接而成，應(yīng)用板殼單元分析，計(jì)算效率和結(jié)果準(zhǔn)確度均能保證。因此，將模型導(dǎo)入專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件hypermesh中，抽取中面并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將網(wǎng)格模型但邊界條件施加及提交計(jì)算，導(dǎo)入ansys軟件后的網(wǎng)格模型如圖2所示。該模型采用整體結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格而成，單元類型shell63，線彈性材料彈性模量E=2.3e5（米制單位）、密度7.8e-3kg/mm3，共50萬(wàn)個(gè)單元。針對(duì)該模型進(jìn)行個(gè)網(wǎng)格尺寸研究，最終確定50萬(wàn)個(gè)單元能保證工程上計(jì)算精度要求。

2 工況及邊界條件

大型履帶行走裝置工況主要有直行工況、轉(zhuǎn)向工況、空載爬坡工況，本文針對(duì)這些典型工況，應(yīng)用履帶架網(wǎng)格模型，施加不同的邊界條件，模擬實(shí)際工作過(guò)程，研究履帶架應(yīng)力分布特點(diǎn)。

2.1 直行工況

直行工況履帶架所受載荷及約束施加如圖3所示，上部載荷通過(guò)節(jié)點(diǎn)力直接分布施加于履帶架與上部結(jié)構(gòu)連接處。通過(guò)梁?jiǎn)卧M承重輪，承重輪處施加豎直方向位移約束，驅(qū)動(dòng)輪處施加前后方向的位移約束，并在導(dǎo)向輪處施加行進(jìn)阻力，以及將承重輪內(nèi)摩擦阻力施加于相應(yīng)位置節(jié)點(diǎn)處。

2.2 轉(zhuǎn)向工況

轉(zhuǎn)向工況約束載荷如圖4所示，施加履帶與地面之間的摩擦阻力矩，約束一側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪處行進(jìn)方向自由度及承重輪處豎直方向自由度。

2.3 空載爬坡工況

空載爬坡工況邊界條件如圖5所示，及將直行工況中物料質(zhì)量去除（空載），并將整體迫性調(diào)整一爬坡角度。約束條件同直行工況。

3 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算結(jié)果如圖6所示，本文對(duì)各工況最大應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1。

從表中可以看出：不同工況最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置也不同，其中應(yīng)力最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向工況下，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)轉(zhuǎn)向工況的強(qiáng)度計(jì)算要注意。

參考文獻(xiàn)

[1] 高一平，王欣，高順德，等.200噸履帶起重機(jī)履帶架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2004（5）：71-72.

[2] 成凱，王鋅，趙二飛.履帶起重機(jī)履帶架的非線性有限元分析[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2009（3）：68-72.

[3] 胡方海，王智永.履帶架三維結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及ANSYS實(shí)現(xiàn)[J].煤礦機(jī)械，2009（12）：74-77.endprint