一種新型掘進(jìn)機(jī)行走驅(qū)動輪設(shè)計方案

（三一重型裝備制造有限公司研究院，遼寧 沈陽 110027）

0 引言

掘進(jìn)機(jī)行走部在工作時，由液壓馬達(dá)提供驅(qū)動力，液壓馬達(dá)與驅(qū)動輪相連，通過驅(qū)動輪將動力傳遞至行走部，驅(qū)動輪是掘進(jìn)機(jī)的核心部件。驅(qū)動輪工作環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜，在使用過程中易發(fā)生齒面磨損變形甚至輪齒折斷等故障[1]。一旦發(fā)生故障，需要將履帶組件等相關(guān)部件分解拆卸，拆換維護(hù)難度較大。該文介紹了一種分體式驅(qū)動輪設(shè)計方案，并按實際工況對驅(qū)動輪進(jìn)行有限元分析，與一體式驅(qū)動輪進(jìn)行比對，從成本、拆換難度及使用強度等多角度論述了分體式驅(qū)動輪的優(yōu)點，為驅(qū)動輪的改進(jìn)設(shè)計提供了一種新的方案。

1 分體式驅(qū)動輪方案介紹

目前掘進(jìn)機(jī)行走部驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)為一體式，一體式驅(qū)動輪材質(zhì)多選擇42CrMo 鍛造件，該設(shè)計將驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)分解為1-齒塊、2-連接銷、3-螺栓組件和4-輪體4 個部分，結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示，分解圖如圖2 所示。分體式驅(qū)動輪齒塊數(shù)量沒有特殊要求，但分體后齒塊尺寸不宜過大，保證更換時有足夠的操作空間[2]，另外，因為驅(qū)動輪齒數(shù)一般為奇數(shù)，所以分體后的齒塊尺寸可能會有2 種。

該文設(shè)計的分體式驅(qū)動輪在使用過程中，如果輪齒發(fā)生損壞需要更換，可將對應(yīng)齒塊螺栓組件及連接銷拆下，更換新的齒塊，單個齒塊的成本比一體式的要低很多。更換齒塊時從驅(qū)動輪不掛履帶側(cè)進(jìn)行拆換，不需要將履帶組件拆分后再整體更換驅(qū)動輪，換件時占用空間小，操作簡單。分體式驅(qū)動輪在使用時，裝配機(jī)和備件對于左右行走部而言是通用的，可避免備件成本的增加。

2 驅(qū)動輪ANSYS靜力學(xué)分析

為便于比對一體式及分體式驅(qū)動輪的有限元分析結(jié)果，創(chuàng)建了一體式驅(qū)動輪及分體式驅(qū)動輪2 種模型，對兩者施加同樣的約束及載荷，再進(jìn)行結(jié)果比對。

2.1 模型簡化

由于Creo 建模功能豐富及強大，一體式驅(qū)動輪及分體式驅(qū)動輪模型將在Creo 中創(chuàng)建及裝配，為便于分析求解，在創(chuàng)建過程中對驅(qū)動輪的部分特征進(jìn)行了簡化。

設(shè)置一體式驅(qū)動輪材料為42CrMo，分體式驅(qū)動輪齒塊、輪體及連接銷子材料也是42CrMo，輸入材料密度、楊氏模量及泊松比。

其中一體式驅(qū)動輪導(dǎo)入模型后需要調(diào)整零件間的關(guān)系，選擇Frictional，將其定義為摩擦面，確保模型在受力分析時符合實際工作情況。

圖1 分體式驅(qū)動輪

圖2 分體式驅(qū)動輪分解圖

2.2 網(wǎng)格劃分

ANSYS 程序能夠便捷、高質(zhì)量地對CAD 模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主要有延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分4 種網(wǎng)格劃分方法。針對模型的特點，可選取自由劃分網(wǎng)格的模式，并對網(wǎng)格尺寸進(jìn)行控制，網(wǎng)格大小設(shè)置為20，2 種模型劃分所得節(jié)點及網(wǎng)格數(shù)量見表1。

表1 網(wǎng)格劃分情況

2.3 模型約束及加載

在實際工作中，驅(qū)動輪承受馬達(dá)減速機(jī)傳遞的驅(qū)動力，帶動履帶轉(zhuǎn)動，最惡劣的工作情況是由一個驅(qū)動輪齒單獨承受驅(qū)動力，該文中2 個模型均模擬了最惡劣的工作情況。

首先計算馬達(dá)減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T：

T=1.59×Vg×ΔP×η

=1.59×415×250×0.94=155064.75 N.m

式中：Vg—馬達(dá)工作排量，該文馬達(dá)排量為415 cm3。ΔP—壓差，該文中馬達(dá)壓差為250 bar。η—效率系數(shù)，該文取系數(shù)為0.94[3]。

由以上可計算出驅(qū)動輪工作時節(jié)圓受驅(qū)動力Ft：

Ft=T/r=155064.75/0.413=375.5 kN

式中：r—驅(qū)動輪節(jié)圓半徑，該文取0.413 m。

驅(qū)動輪工作時，輪體內(nèi)圈及內(nèi)側(cè)面與馬達(dá)減速機(jī)通過螺栓固定，所以對驅(qū)動輪內(nèi)圈及內(nèi)側(cè)面進(jìn)行約束，選擇“Fixed support”約束形式[4]。

加載點可通過創(chuàng)建坐標(biāo)系來確定，以模型坐標(biāo)原點為基準(zhǔn)，在Y 軸方向創(chuàng)建加載點坐標(biāo)系，在加載點坐標(biāo)系中沿X 軸方向施加驅(qū)動力375.5 kN。

2.4 結(jié)果分析

在求解模塊中選擇應(yīng)力和變形，可求得最大變形量和應(yīng)力云圖，一體式驅(qū)動輪與分體式驅(qū)動輪最大變形量、應(yīng)力及安全系數(shù)比對見表2。觀察應(yīng)力云圖可知最大應(yīng)力點位于驅(qū)動輪齒根部，二者最大應(yīng)力點位置基本相同。

表2 靜力學(xué)分析結(jié)果表

利用以上數(shù)據(jù)進(jìn)行靜強度分析可知，分體式驅(qū)動輪與一體式驅(qū)動輪性能接近，安全系數(shù)均可靠。

3 驅(qū)動輪模態(tài)分析

模態(tài)分析用于分析結(jié)構(gòu)的振動特性及固有頻率和振型，能有效預(yù)測并避免振動導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效破壞。模態(tài)分析與線下分析過程相近，依次是導(dǎo)入三維模型→網(wǎng)格劃分→添加約束→進(jìn)行求解，特別要注意的是在進(jìn)行模態(tài)分析時，一定要設(shè)置好材料的彈性模量和密度參數(shù)[5]。

在ANSYS 截面啟動Model 模塊，模型導(dǎo)入和邊界條件約束與靜力學(xué)分析相同，模態(tài)分析不需要添加載荷，完成以上步驟后就可以進(jìn)行計算求解了，在求解前要對模態(tài)階數(shù)進(jìn)行設(shè)置，一般求解六階即可。

完成一體式驅(qū)動輪和分體式驅(qū)動輪模型導(dǎo)入，按靜力學(xué)分析方案進(jìn)行網(wǎng)格劃分和約束、加載，求解后得到2 種結(jié)構(gòu)驅(qū)動輪的六階模態(tài)，六階模態(tài)對應(yīng)的頻率見表3。

表3 模態(tài)分析結(jié)果表

由模態(tài)圖可知，一體式和分體式驅(qū)動輪的六階模態(tài)振型相同，一階振型為沿X 軸的彎振，二階振型是沿Z 軸的彎振，三階振型是沿X 軸的彎振，四階振型是在YZ 平面內(nèi)的扭振，五階振型是XY 平面內(nèi)的扭振，六階振型是YZ 平面內(nèi)的扭振。由表3 可知，一體式和分體式驅(qū)動輪的6 階頻率接近，且分體式驅(qū)動輪各階頻率均低于一體式，而且兩者均低于減速器的轉(zhuǎn)動頻率，由此可排除工作中共振發(fā)生的可能性。

由以上模態(tài)分析結(jié)果可知，分體式驅(qū)動輪與一體式驅(qū)動輪性能接近，分體式驅(qū)動輪性能略優(yōu)于一體式驅(qū)動輪。

4 結(jié)論

該文對目前一體式驅(qū)動輪的缺點進(jìn)行了總結(jié)，提出了采用分體式驅(qū)動輪替代一體式驅(qū)動輪的方案。通過對相同外形尺寸的一體式和分體式驅(qū)動輪模型進(jìn)行研究，從靜力分析和模態(tài)分析的角度對比了一體式和分體式驅(qū)動輪的性能，發(fā)現(xiàn)二者接近，模態(tài)分析結(jié)果顯示分體式驅(qū)動輪略優(yōu)于一體式驅(qū)動輪，結(jié)合分體式驅(qū)動輪生產(chǎn)成本低、拆換維護(hù)難度小的特點，論證了分體式驅(qū)動輪替代一體式驅(qū)動輪方案的可行性，為今后掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動輪的改進(jìn)設(shè)計提供了一種新的思路和選擇。