履帶維修裝配液壓夾緊裝置設計及有限元分析

宋 捷，呂紅瑞，鄧文星，牛帥帥

（1.山西機電職業技術學院，山西 長治 046012；2.山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治046012）

0 引言

履帶作為履帶車輛整車的關鍵部件，是整車設備實現快速、穩定、可靠運行的保障組件，在整個系統中起著至關重要的作用。履帶車輛的工作條件惡劣，特別是工作中行走過程中的履帶需要承受較大的拉力、沖擊力，隨著履帶車輛使用一段較長時間后，常發生履帶斷鏈、松動脫鏈、鏈磨損等故障，將使履帶車輛無法行走和作業，維修此類故障往往耗費大量時間，對于整個工程按節點的完成有極大的影響。履帶行走裝置的維修效率成為目前影響履帶車輛出勤率的關鍵因素，有必要改進現有裝配維修技術，提高裝配維修效率，從而實現履帶的快速可靠裝配，提高維修效率和安全性，減輕維修人員的勞動強度，解決目前履帶車輛裝配中存在的問題。針對不同損壞工況維修全過程，提取共性裝配難點進行分析，設計出一套滿足不同履帶規格特點，具有可以快速更換的便攜式履帶維修裝配液壓夾緊裝置[1-2]。

1 履帶結構

履帶結構如圖1所示，主要是由主動輪驅動、負重輪、誘導輪、履帶板、履帶銷、端部連接器等組成[3]。履帶銷及端部連接器等將各履帶板連接起來構成履帶鏈環，履帶板的兩端有孔，與主動輪嚙合，另一頭有誘導齒，用來規正履帶，并防止履帶車輛轉向或側傾行駛時履帶脫落，中間為負重輪，在與地面接觸的一面有加強防滑筋，以提高履帶板的堅固性和履帶與地面的附著力[4]。

圖1 履帶結構示意圖

2 現有裝維修裝配工藝分析

通過梳理兩種工況斷鏈裝配或換鏈維修的全流程，尋找制約維修的關鍵瓶頸問題，如圖2、3所示。履帶車輛履帶維修中，常用的方法是依靠人力進行機械牽引夾緊兩鏈板，對履帶進行維修，實際維修過程中存在效率較低和安全隱患較大的問題。針對維修裝配過程的問題和難點，通過設計技術要求的確定，工藝裝備設計方案的制定，關鍵零部件設計及校核等幾個方面，開展滿足不同履帶規格，可以快速更換的便攜式履帶維修裝配液壓夾緊裝置的技術研究。

圖2 履帶換鏈流程圖

圖3 履帶斷鏈流程圖

3 履帶維修裝配液壓夾緊裝置

3.1 確定設計技術要求

1）行走功能滿足不同地點履帶的安裝，且結構簡單，能拆卸便也攜帶運輸；

2）適應不同高度位置履帶板的安裝；

3）具有自動夾緊功能，實現履帶銷的合攏，使要拆卸或安裝的履帶板之間預緊力為0 N，使端部連接器順利取出或安裝；

4）適應不同規格型號履帶車輛的維修裝配。

3.2 制定工藝裝備設計方案

設計了柔性便攜式履帶維修裝配液壓夾緊工藝裝置，如圖4所示。該裝置主要由行走機構、升降機構、夾緊機構，拆裝頭等組成。

圖4 總體結構圖

為解決以人力進行機械牽引夾緊兩履帶板，對斷鏈或換鏈進行維修，致使勞動強度大的問題，設計了此種液壓升降、夾緊手推行走的方案：首先購買市面成熟的液壓搬運車作為行走機構的基礎，在液壓搬運車上用螺釘安裝固定架，方便拆卸，作為升降機構的基準，升降機構一端與固定支架連接，一端與升降油缸支耳連接，通過油缸升降實現升降機構升降，夾緊機構可以繞升降機構旋轉，滿足不同角度位置履帶的拆卸和裝配，操作夾緊油缸使拆裝頭的半圓柱對準履帶銷，然后通過夾緊油缸收緊夾緊，使履帶板預緊為0，完成履帶銷端部連接件的安裝與拆卸。

3.3 關鍵零部件設計

1）行走機構設計

如圖5所示，行走機構由液壓搬運車、固定支架、升降臂支耳、升降油缸支耳組成，行走機構能為升降機構提供基準和行走功能，其中液壓搬運車是液壓千斤頂來進行升降的一種方便的小巧的運輸工具，運動方便敏捷。選擇DF20液壓搬運車，由手柄、兩叉子組成，可承載二噸左右的重物，參數如表1所示。行走機構輪子帶剎車功能，能夠在任何位置停止；固定支架采用鋼管形式，滿足基準剛度的要求。

表1 液壓搬運車型號參數表

圖5 行走機構結構圖

2）升降機構

如圖6所示，升降機構由升降油缸、升降臂、轉接臂、萬向臂等組成，升降油缸升降，帶動升降臂繞行走機構中升降臂連接支耳旋轉，從而使所有部件上升下降，從而實現夾緊機構的升降，為了夾緊機構能在空間適應不同角度履帶板的安裝，特設計萬向臂，萬向臂自身能在水平面內旋轉，下端有夾緊油缸旋轉支耳，能實現夾緊機構豎直平面的旋轉，進而實現了夾緊機構的空間不同位置的要求，為了減少加工難度，特設計轉接臂，連接升降臂和萬向臂。此結構為放大結構，油缸每升降1 mm，夾緊油缸旋轉軸升降4.5 mm，能夠滿足快速移動到合適位置的要求。

圖6 升降機構結構圖

3）夾緊機構

如圖7所示，該機構由夾緊油缸、油缸固定支架、拆卸頭連接座等組成。固定支架有三個功能，一是與萬向臂連接，二是固定夾緊油缸外缸筒，三是為拆裝頭連接座移動提供軌道。為了適應不同規格履帶的維修和安裝，特設計安裝座，可以根據不同規格調換安裝座上的拆裝頭即可。為確保維修裝配過程的可控，采用夾緊油缸加拉力傳感器來實現對推力實時檢測并顯示，根據推力變化情況，及時反饋，一方面及時發現維修過程問題并進行調整[5]，另一方面實時監測夾緊力，確保可靠安裝與拆卸。

圖7 行走機構結構圖

4）拆裝頭設計

為了能實現加緊油缸與履帶銷的快速連接，根據履帶銷結構特點，設計拆裝頭結構，如圖8所示。半圓柱面用于履帶銷相連，下方孔與夾緊機構的連接座相連。可以根據不同履帶規格更換此轉接頭，下方連接結構不變，更改上方尺寸即可滿足不同規格履帶的安裝，其結構如圖8所示。

圖8 拆裝頭結構

3.4 關鍵零部件強度校核

升降部件升降臂和轉接臂因為懸臂較長，承受前段所有的部件重量，拆卸頭承受著整個個履帶的拆卸力，都為關鍵受力件，因此對升降臂、轉接臂和轉接頭進行強度校核[5]。

對升降臂、轉接臂進行有限元分析，如圖9所示為應力結果，等效應力最大為位于轉角處，其數值為153 MPa。其材料為Q345A，熱處理后屈服強度可達到345 MPa，安全系數為2.25，滿足設計要求。

圖9 升降臂、轉接臂應力云圖

查閱資料某規格履帶的平均張緊力為30 kN[6]，安裝拆卸時需對此規格拆卸頭進行強度校核及對拆卸頭進行有限元分析，如圖10所示為應力結果，最大等效應力最大位于螺紋連接孔處，其數值為310 MPa。拆卸頭材料為30CrMnSiA，熱處理后屈服強度可達到900 MPa，安全系數為2.9，滿足拆卸的設計要求。

圖10 拆卸頭應力云圖

3.5 結構方法特點

1）具有快速可更換夾緊拆裝頭功能，適用于不同履帶車輛的不同規格履帶的維修。

2）具有便攜式，可移動的特點，有利于在各種極端惡劣維修環境的使用。

3）液壓傳動裝置的重量輕、結構緊湊、慣性小；液壓元件可以實現了標準化、系列化和通用化，便于設計、制造和推廣使用。

3.6 使用方法

1）更換后履帶定好位置，根據不同履帶規格更換拆裝頭，將履帶維修裝配液壓夾緊裝置靠近要維修的履帶車輛。

2）根據履帶維修的位置啟動升降油缸，使頭拆裝頭移動到合適位置。

3）控制夾緊油缸伸縮，使拆裝頭處于張開狀態。

4）晃動夾緊機構使兩端拆裝頭半圓柱面分別于履帶板上兩端履帶銷連接。

5）啟動夾緊油缸使履帶銷合攏，使要維修的履帶板之間的預緊力為零。

6）安裝端部連接件。

7）安裝緊定螺釘。

4 結束語

針對現有履帶裝配維修的特點及難點，通過確定履帶裝配工藝裝置的技術要求，制定工藝裝置的設計方案及對關鍵零部件設計開展工藝裝置的研制，并對關鍵部件進行了有限元分析校核，最終設計出功能和強度都滿足要求的維修裝配液壓夾緊裝置，并介紹了該裝置的特點及使用方法。履帶維修裝配液壓夾緊裝置的使用，使履帶夾緊不再靠人工機械裝配，工人可從笨重體力勞動中解放出來，有良好的應用前景，達到了提高效率和解放勞動力的目的。