液壓鑿巖臺車履帶行走機構驅動鏈輪有限元分析

張其智，孫曉亮

（江西鑫通機械制造有限公司沈陽研發(fā)中心，遼寧 沈陽 110000）

履帶式鑿巖臺車也稱履帶式鉆孔臺車，是隧道及地下工程采用鉆爆法施工的鑿巖設備，鑿巖臺車在每一鉆孔及爆破工作循環(huán)，鑿巖臺車需駛近和駛離隧道及地下工程爆破工作面。履帶行走機構是履帶式鑿巖臺車的重要組成部分。由于工作空間狹小，維修固難，這就要求履帶行走機構各零部有較高的可靠性。履帶行走機構一般由，含有液壓馬達和減速器的液壓驅動裝置、驅動鏈輪、緩沖漲緊裝置、引導輪、支重輪、托帶輪、履帶、履帶架。 驅動鏈輪是履帶行走機構的重要執(zhí)行元件。

1 驅動鏈輪與履帶的嚙合

圖1 履帶行走機構組成及驅動鏈輪與履帶的嚙合示意圖

驅動鏈輪與履帶的嚙合，從而驅動履帶行走機構運轉，進而使履帶式鑿巖臺車運動。驅動輪與履帶嚙合屬于非共軛嚙合傳動，在傳動過程中，節(jié)距的積累偏差主要反應在嚙合齒上，嚙合的齒數(shù)越多，這個偏差的影響越大。在這鐘情況下，整體式履帶的驅動輪都采用特殊嚙合方式設計，即履帶節(jié)距比驅動輪節(jié)距小1%～5%，這時，只有最前面一個輪齒和即將脫出嚙合的一個節(jié)銷在嚙合，其他節(jié)銷都和各齒不接觸。特殊嚙合的優(yōu)點是，履帶節(jié)銷退出嚙合時，不發(fā)生沖擊，以及當履帶因磨損而節(jié)距加大時，就變成正常嚙合。因此，驅動動鏈輪與履帶嚙合為單齒受力。履帶行走機構組成及驅動鏈輪與履帶的嚙合如圖1所示。

2 地面對履帶行走機構阻力計算

以下DT-14型液壓鑿巖臺車為實例來探討。

從總體設方案得DT-14型液壓鑿巖臺車總機重約8KG噸，約78480N。取履帶與地面的當量阻力系數(shù)ue=0.7，重力加速度g=9.81，則履帶與地面之間的滾動摩擦力：

F阻=m.g.f=8000x9.81x0.7=54936N。

由于液壓鑿巖臺車采用左右兩履帶其同承載鑿巖臺車，所以單個履帶所受的地面對履帶的阻力：

F單阻=1/2. F阻=1/2x54936N=27468N。

3 驅動鏈輪強度有限元分析

以下以某型液壓鑿巖臺車的驅動動鏈輪為實例，基于PRO/E三維計算軟件中pro-mechanica分析模塊，來探討履帶驅動動鏈輪有限元分析計算。對驅動鏈輪三維模型進行簡化并進行網格畫分如下圖2。

圖2 驅動鏈輪有限元網格劃分示意圖

4 以下是模擬對驅動鏈輪進行約束、加載、并進行強度有限元分析

4.1 確定驅動鏈輪位移約束

由于液壓驅動裝置，即液壓馬達和星形減速器聯(lián)合體，驅動鏈輪安裝在星形減速器聯(lián)接法蘭面上，液壓驅動裝置提供驅動扭矩，通過驅動鏈輪轉換成驅動力，克服地面對履帶阻力，因此可以驅動鏈輪上的安裝面為位稱約束面，如下圖3所示。

圖3 驅動鏈輪位移約束示意圖

4.2 對驅動鏈輪模型設定普通碳鋼的材料力學屬性

對驅動鏈輪模型設定普通碳鋼的材料力學屬性，如下圖4。

圖4 鋼的材料力學屬性

4.3 確定驅動鏈輪載荷

按本文對驅動鏈輪與履帶嚙合的闡述，整體履帶的驅動輪都采用特殊嚙合方式設計，即履帶節(jié)距比驅動輪節(jié)距小1%～5%。只有最前面一個輪齒和即將脫出嚙合的一個節(jié)銷在嚙合，其他節(jié)銷都和各齒不接觸。因此驅動鏈輪所受的阻力矩F單阻=27468N應全部加載單個齒的嚙合齒面。且沿驅動鏈輪分度圓的切線方向，如下圖5所示。

圖5 驅動鏈輪載荷示意圖

4.4 運行有限元分析計算

4.5 應力云圖如下所示，最大應力122.5MPa，如下圖6

圖6 驅動鏈輪應力云圖

4.6 最大的彈性變型量0.008mm ，如下圖7

圖7 驅動鏈輪應變云圖

4.7 小結

驅動鏈輪材料為35CrMo。35CrMo材料屈服極限σs≈510MPa。

驅動鏈輪在極限工況下的最大應力122.5 MPa小于其材料屈服極限（σs）510MPa。

5 結論

綜上所述，材料為35CrMo驅動鏈輪的在本文所述極限工況下，該行驅動鏈輪強度設均滿足要求。通過實際使用驗證，該設備的行走驅動鏈輪結構安全可靠。上述對驅動鏈輪的強度有限元分析方法，可為其他履帶行走設備的驅動鏈輪強度設計計算提供參照。