基于ANSYS履帶式挖掘機履帶護罩關(guān)鍵裝配工藝優(yōu)化

武棟才，趙 鋒，譚志行，甘藍江

(廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545006)

0 前言

液壓挖掘機行走系統(tǒng)的形式多種多樣，最常見的有履帶式、輪式、步履式三種。三種行走系統(tǒng)中，履帶式行走系統(tǒng)具有牽引力大，接地比壓小，穩(wěn)定性好，爬坡能力強，且轉(zhuǎn)彎半徑小，機動靈活，越野性能好等優(yōu)點，是挖掘機最為普遍的一種應用形式[1,2]。履帶行走系統(tǒng)的主要功能是整機重量支撐、行走移動、短距離轉(zhuǎn)場、爬坡、牽引等,其主要結(jié)構(gòu)包括“四輪一帶”、張緊裝置、行走機構(gòu)、行走架和推土裝置(選配)和履帶護罩[3～5]。履帶式液壓挖掘機行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件的主要失效形式為履帶脫軌和“四輪一帶”的異常磨損，其中履帶脫軌約占到故障比例的30%，小型微型挖掘機的這一故障比例甚至更高[6,7]。

履帶護罩作為履帶式挖掘機行走系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，對于防止履帶行走系統(tǒng)、鏈軌銷、支重輪等挖掘機行走系統(tǒng)重要部件不被異常磨損起到積極作用。閆召君、郝淑敏等人[8]在研究挖掘機行走系統(tǒng)履帶脫軌原因時指出：未設置履帶護罩是導致履帶底盤脫軌的主要原因，同時合理設置履帶護罩安裝位置、護軌高度和寬度后，有效解決了履帶底盤的脫軌問題；韓偉平、白晶等人[6]在行走裝置脫軌故障分析中，通過增加履帶護罩數(shù)量，消除了挖掘機直線行走時的履帶脫軌現(xiàn)象，同時降低了行走轉(zhuǎn)彎時的故障次數(shù)；王冉冉、吳金峰等人[9]在分析挖掘機行走裝置部件異常磨損原因時指出：履帶護罩側(cè)面與鏈軌之間的間隙過大、履帶護罩底面與履帶板間距過大，是造成支重輪、鏈軌銷軸等行走系統(tǒng)主要部件異常磨損的重要原因。

目前對于履帶式液壓挖掘機履帶護罩的研究主要集中在履帶護罩的應用上，對于履帶護罩本體結(jié)構(gòu)及受力情況的研究卻很少，對于履帶護罩在焊接、裝配等工藝過程的研究更少。姚光華等人[10～13]對斗輪挖掘機的履帶護罩進行了數(shù)學分析，指出履帶護罩采用薄壁箱型結(jié)構(gòu)，可以提升其抗彎抗扭性能，同時本體重量更輕，在工程機械上具有很重要的現(xiàn)實推廣意義。

本文針對履帶護罩在裝配過程中的干涉現(xiàn)象，采用有限元法分析了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的應力水平；設計了單因子和雙因子對比試驗，對履帶護罩在裝配過程中存在的干涉結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化，確定了履帶護罩關(guān)鍵裝配工藝，采用“開U型槽+縮短懸臂”的優(yōu)化方案，避免了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的干涉問題，同時滿足應力要求。

1 改進前履帶護罩現(xiàn)狀及受力分析

1.1 改進前履帶護罩現(xiàn)狀

履帶護罩是履帶式挖掘機行走系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，對防止履帶行走系統(tǒng)跑偏、履帶脫軌起到修正和防護作用，對于保護鏈軌銷、支重輪等挖掘機行走系統(tǒng)重要部件不被異常磨損，起到積極作用。履帶護罩的形式分為半防護式和全防護式兩種，在實際應用中，可以根據(jù)實際工況進行選擇。一般情況下，土方工況選擇半防護式，如圖1所示；礦山工況選擇全防護式，如圖2所示。

圖1 半防護式履帶護罩

圖2 全防護式履帶護罩

圖3是某大型挖掘機使用的一款全防護履帶護罩，加強筋與螺栓安裝孔位置較近，在實際裝配過程中，扭矩扳手和螺栓套筒與履帶護罩加強筋存在干涉現(xiàn)象，導致裝配效率較低，出現(xiàn)螺栓扭矩不達標的情況。

圖3 履帶護罩

1.2 改進前履帶護罩應力分析

ANSYS軟件廣泛應用于機械工程、土木工程、材料工程、汽車制造、船舶制造、鐵路交通等諸多工業(yè)領(lǐng)域[14～16]。運用有限元法對履帶護罩進行受力分析及拓撲優(yōu)化，具有重要的現(xiàn)實意義[17～19]。圖4為履帶護罩在行走架上的安裝位置，將履帶護罩三維模型導入ANSYS軟件，并進行網(wǎng)格劃分，材料設置為Q345，泊松比為0.3，在半側(cè)履帶護罩內(nèi)側(cè)施加一半機重載荷，進行受力分析[20～22]，分析結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，當前狀態(tài)的履帶護罩受力較均勻，無明顯應力集中區(qū)域，但由于扭矩扳手和螺栓套筒與履帶護罩加強筋在裝配時存在干涉現(xiàn)象，因此必須對干涉區(qū)域進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖4 履帶護罩安裝位置圖

圖5 履帶護罩應力云圖(未開槽)

2 改進措施分析

2.1 單因子受力分析-開U型槽

為了避免扭矩扳手和螺栓套筒與履帶護罩加強筋在裝配時的干涉問題，對履帶護罩加強筋干涉區(qū)域開U型槽，槽深過大會對材料的強度產(chǎn)生負面影響[23～25]，考慮到實際裝配工藝的需要，U型槽深度最小為30 mm，開槽方式如圖6所示。

圖6 加強筋開U型槽

圖7a、圖7b分別是加強筋U型槽槽深30 mm、33 mm的應力圖，分析結(jié)果顯示，U型槽深度越大，應力集中越明顯，并且2種方案U型槽處的應力值分別為387 MPa、426 MPa，均大于材料最大屈服強度。分析結(jié)果表明：對履帶護罩加強筋干涉區(qū)域開U型槽的單因子方案，雖然解決了裝配過程中干涉的問題，但同時出現(xiàn)了應力集中問題，即開U型槽的單因子試驗，不能解決U型槽區(qū)域應力集中問題，需在開槽深度30 mm的基礎(chǔ)上，繼續(xù)疊加第二因子進行試驗[26～28]。

圖7 履帶護罩應力云圖

2.2 雙因子受力分析——開U型槽+增加高度

在U型槽深度30 mm的第一因子試驗基礎(chǔ)上，疊加“增加履帶護罩加強筋高度”的第二因子，如圖8所示，繼續(xù)進行受力分析。

圖8 U型槽深度30 mm+增加加強筋高度

圖9a、圖9b 是在U型槽深度30 mm的基礎(chǔ)上，加強筋高度分別增加10 mm、20 mm的應力圖，分析結(jié)果顯示，增加履帶護罩加強筋高度，并沒有明顯降低U型槽處的應力水平，即加強筋高度變化對U型槽處應力下降貢獻有限，該處應力水平分別為356 MPa、348 MPa，應力值依然在材料最大屈服值附近。分析結(jié)果表明：“開U型槽+增加加強筋高度”的雙因子試驗不能解決U型槽應力集中問題。即疊加的“增加履帶護罩加強筋高度”的第二因子不是改善應力問題的關(guān)鍵因子。

圖9 履帶護罩應力云圖

2.3 雙因子受力分析——開U型槽+縮短懸臂

在U型槽深度30 mm的第一因子試驗基礎(chǔ)上，疊加“縮短履帶護罩加強筋懸臂長度”的第二因子，如圖10所示。

圖10 U型槽深度30 mm+縮短懸臂長度

圖11是在U型槽深度30 mm的基礎(chǔ)上，縮短加強筋懸臂長度的應力圖。懸臂端面至少應防護支重輪80%長度，即加強筋懸臂端面距離支重輪中心由115 mm縮短至65 mm，再次進行應力分析。分析結(jié)果顯示：槽深處應力水平明顯下降，為167 MPa，與現(xiàn)狀(無U型槽)158 MPa基本相當。分析結(jié)果說明：“開U型槽+縮短懸臂”的雙因子試驗避免了扭矩扳手和螺栓套筒與履帶護罩加強筋在裝配過程中的干涉問題，同時解決了開槽處應力集中問題。即疊加的“縮短懸臂”的第二因子是改善應力問題的關(guān)鍵因子。

圖11 履帶護罩應力云圖(槽深30 mm+懸臂縮短)

3 改進措施分析

圖12所示為全防護履帶護罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案應力圖。由圖12可以看出改善前履帶護罩與不同優(yōu)化方案的應力水平，改善前履帶護罩無應力集中問題，但扭矩扳手和螺栓套筒與履帶護罩在裝配過程中的干涉問題必須改進；隨著履帶護罩干涉部位U型槽的槽深逐步加大，履帶護罩的應力集中問題越來越明顯；在開U型槽基礎(chǔ)上，逐步加厚履帶護罩加強筋，應力集中問題并沒有得到有效改善；在開U型槽基礎(chǔ)上，縮短履帶護罩懸臂長度，U型槽的應力水平快速降低，達到了與改善前基本相當?shù)臓顟B(tài)。

圖12 全防護履帶護罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案應力圖

4 結(jié)束語

本文針對履帶式液壓挖掘機全防護式履帶護罩在裝配過程中，扭矩扳手和螺栓套筒與履帶護罩的干涉問題，設計了單因子和雙因子對比試驗，并對多種優(yōu)化方案進行受力分析，分析結(jié)果表明：履帶護罩關(guān)鍵裝配工藝采用“開U型槽+縮短懸臂”的優(yōu)化方案，避免了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的干涉問題，同時滿足應力要求。