履帶式挖掘機底盤結構的優化設計與可靠性研究

0 引言

在現代工程機械領域，履帶式挖掘機已經成為土木工程、礦山開采、水利建設等多個領域不可或缺的重要設備[1]。而底盤作為履帶式挖掘機的重要組成部分，其性能直接關系到挖掘機的整體穩定性和作業效率。因此，對履帶式挖掘機底盤進行結構優化與可靠性分析，有助于提升挖掘機的綜合性能，延長挖掘機的使用壽命，降低其維護成本，提高經濟效益[2]。

隨著工程建設要求的提高，一些履帶式挖掘機的底盤設計已經難以滿足高效、穩定、耐用的要求。因此對底盤結構進行優化設計，提升其可靠性、耐久性、承載能力、工作效率、行駛穩定性和抗疲勞性能，成為了當前研究的熱點?；诖耍疚纳钊脒M行履帶式挖掘機底盤的結構優化與可靠性研究，為給履帶式挖掘機的設計和改進提供有益的參考。

1履帶式挖掘機底盤材料選取

履帶式挖掘機的工作環境復雜多變，對底盤材料的強度和耐磨性有著極高的要求[3]。為了提升底盤的耐用性和整體性能，應科學選擇履帶式挖掘機底盤材料。在綜合考慮材料的強度、耐磨性、抗腐蝕性和密度等因素后，本文篩選出了幾種備選材料并對其性能進行對比。履帶式挖掘機底盤材料性能對比如表1所示。

經過深入分析和評估，本文最終選擇高強度合金鋼作為履帶式挖掘機底盤的主要材料。高強度合金鋼不僅具有較高的強度和耐磨性、能夠滿足挖掘機在惡劣工作環境下的需求，而且其適中的密度和抗腐蝕性也使其在綜合性能上表現出色[4]。同時，考慮到成本效益和實際應用情況，選擇高強度合金鋼的性價比較高。通過科學選擇履帶式挖掘機底盤材料，為提升挖掘機底盤結構的耐用性和整體性能奠定了堅實的基礎。

2履帶式挖掘機底盤設計

2.1底盤回轉中心的受力情況

履帶式挖掘機的底盤結構直接關系到其穩定性和作業效率，為了設計出既符合力學原理又能提高作業效率的底盤結構，本文分析工作裝置對底盤回轉中心的受力情況。履帶式挖掘機工作裝置對底盤回轉中心的作用力如圖1所示。

圖1展示了挖掘機在工作狀態下，其工作裝置對底盤回轉中心所產生的復雜的作用力和力矩[5]。這些作用力和力矩直接決定底盤的穩定性和承載能力，是設計底盤結構時必須予以充分考慮的關鍵因素。

2.2底盤主要結構件設計

2.2.1主要結構件

在深入理解了工作裝置受力特性的基礎上，本文精心設計了履帶式挖掘機底盤結構。該底盤結構巧妙集成了HST變速器、驅動輪、支撐架、橡膠履帶、機架、張緊輪和支重輪等關鍵部件。履帶式挖掘機底盤主要結構件如圖2所示。

2.2.2 變速器選擇

HST變速器作為底盤的核心部件之一，其作用是將發動機的動力傳遞到驅動輪上。該型變速器采用先進的靜液壓無極變速技術，能夠根據作業需求實時調整變速比，實現挖掘機的平穩加速、高效制動和快速響應。這種變速器憑借緊湊的結構、輕量化的設計和高效的傳動性能，為挖掘機提供了可靠的動力保障。

2.2.3 驅動輪設計

驅動輪通過軸和軸承與HST變速器相連，其作用是將變速器的動力轉化為旋轉運動，從而驅動履帶前進或后退。驅動輪采用具有良好的耐磨性和抗沖擊性能的高強度合金材料，能夠承受挖掘機在復雜地形下產生的巨大扭矩和沖擊力[6]。

2.2.4支撐架設計

支撐架是底盤結構的主體部分，連接著各個部件，確保整個底盤的穩定性和剛性。其設計采用堅固的箱型結構，通過焊接和螺栓連接等方式將各個部件牢固地固定在支撐架上。同時，支撐架上還設置了多個加強筋和支撐點，以提高整體的承載能力和抗扭強度。

2.2.5 橡膠履帶設計

橡膠履帶作為底盤與地面之間的接觸部件，承受著挖掘機的全部質量，同時傳遞驅動力。橡膠履帶采用高強度、耐磨損的橡膠材料制成，具有良好的附著力和抗滑性能。橡膠履帶的內側設置有驅動齒和導向齒，能夠與驅動輪和導向輪緊密配合，確保挖掘機行駛穩定和可靠。

2.2.6機架設計

機架是底盤結構的支撐基礎，承載著變速器、驅動輪、支撐架和履帶等部件的質量，其設計采用了高強度厚鋼板通過精密焊接技術制造，可確保其出色的剛度和承重性能[7]。同時，機架上還設置了多個安裝孔和連接點，以便于其他部件的安裝和固定。

2.2.7 張緊輪設計

張緊輪作為底盤的輔助部件，用于調整橡膠履帶的松緊度。其通過彈簧或液壓裝置與機架相連，能夠根據橡膠履帶的磨損情況實時調整張緊力，使橡膠履帶始終保持適宜的張緊狀態，確保挖掘機行駛的穩定性、作業效率和使用壽命。

3優化履帶式挖掘機驅動系統

3.1計算支重輪承受的垂直載荷

為了精確計算挖掘機支重輪承受的垂直載荷，提升底盤的耐用性和整體性能，在科學選擇底盤材料和精心設計底盤結構的基礎上，構建了一個精確的力學模型。該力學模型綜合考慮了挖掘機的整機質量、質心位置、履帶張緊度、行走機構等多種因素，以及土壤等外部環境條件。支重輪承受垂直載荷的計算公式如下：

F_i=f（W，h，T，k，θ，σ，j，x）（nW+ΔF_v，a，μ）-R_g-R_h

式中： F_i 為第 i 個支重輪承受的垂直載荷，W為挖掘機整機質量，h為挖掘機質心位置， T 為履帶張緊度，k 為土壤硬度， θ 為土壤濕度， σ 為土壤壓實度， j 為行走機構的結構參數， x 為懸架形式， ΔF_{v，a，μ} 為由行駛速度v、加速度a和履帶與土壤的摩擦系數 μ 引起的動態垂直載荷變化量， R_g 為滾動阻力， R_h 為滑動阻力。

3.2驅動輪的優化設計

在驅動系統的優化方面，本文基于上述理論分析，采取了將驅動輪置于底盤后方的優化設計，這一改變能夠顯著降低了履帶下部拱起和轉向時履帶脫落的風險，同時縮短履帶驅動段的長度，降低了履帶磨損程度，延長了履帶使用壽命。通過對驅動輪中心高度的精心配置，降低了挖掘機整體重心，增加了履帶的接地面積，提升了挖掘機穩定性[8]。驅動輪優化設計示意如圖3所示。

4挖掘機底盤結構可靠性實驗

4.1 實驗準備

在進行履帶式挖掘機底盤結構可靠性實驗之前，準備了實驗所需的主要設備。實驗設備主要參數如表2所示。

在實驗開始前，需要對履帶式挖掘機樣機進行必要的檢查和調整，確保其底盤結構處于正常狀態。在實驗準備階段，需要確保所有設備均處于良好工作狀態，傳感器經過校準，數據采集系統能夠準確記錄數據。同時，還需要根據實驗需求，對加載裝置進行調試，確保其能夠按照預定的加載方式和承載力進行實驗。

4.2承載力設計

為了確保履帶式挖掘機底盤結構可靠性分析的準確性和有效性，根據實驗目的和底盤結構特性，設計了6個不同的承載力，每個承載力設計了不同的最大應變值，以全面評估底盤結構在不同受力條件下的應變情況。底盤結構設計的承載力及其最大應變值如表3所示。

在實驗過程中，嚴格按照設計的承載力及其最大應變值，通過加載裝置對履帶式挖掘機樣機進行加載實驗。同時，利用安裝在底盤結構關鍵部位的傳感器，實時監測底盤結構在受力過程中的應變、應力、位移和振動等參數的變化情況。通過對比實測數據與設定的最大應變值標準，評估底盤結構在不同承載力下的可靠性。

4.3實驗結果及分析

在完成了上述的實驗準備和承載力設計后，按照預定的實驗步驟進行加載實驗，采集底盤結構在不同承載力下的實測應變數據。底盤結構不同承載力實測的最大應變值如表4所示。由表4可知，在所有承載力場景下，底盤結構實測最大應變值均未超過設計最大應變值標準。這表明底盤結構在不同受力條件下均表現出良好的可靠性和承載能力，符合設計要求。

隨著承載力的增加，底盤結構實測最大應變值呈現逐漸增大趨勢，這是因為承載力的增大必然導致結構應變的增加。在極限加載場景下，底盤結構的實測最大應變值接近但未達到設計值。這進一步證明了優化設計后的底盤結構具有較高的強度儲備，能夠在極端工況下保持結構的可靠性和穩定性。

5 結束語

本文深入研究了履帶式挖掘機底盤結構，結合優化設計方法與可靠性評估技術，有針對性地提出了結構優化方案，對底盤在不同工況下的可靠性展開了全面評估。研究結果表明，本文所述優化設計方案顯著增強了底盤的承載能力和抗疲勞性能，有效降低了失效風險。

展望未來，我們將進一步完善優化設計方法，提升參數的準確性和客觀性，以期獲得更為優化的底盤結構。同時，我們將擴大可靠性分析的范圍與深度，納入更多可能影響底盤可靠性的因素，以提供更全面、準確的可靠性評估結果，從而進一步提升挖掘機底盤的可靠性。

參考文獻

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[8]劉貴珍，崔波波，姜海濤.履帶式液壓挖掘機穩定性計算研究[J].工程機械與維修，2022（1）：30-31.