掘进机履带导向架应力分析及结构优化

常运锋

（山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006）

煤矿井下条件比较恶劣，巷道底板经过掘进机反复碾压，破碎严重，再加上迎头积水等因素影响，底板整体承载能力相对较低，却对掘进机特别是重型掘进机的行走机构要求较高。起伏不平的巷道底板造成整个履带行走机构受到的冲击较大。履带导向架作为掘进机导向轮的重要承载部件，承受着来自地面的很大一部分反力。如果履带架发生损坏，一方面更换十分困难，不仅要拆解整条履带，还需拆除履带上部的全部零部件，极大地增加了维护成本；另一方面，也对设备生产厂家的产品质量造成极为恶劣的影响。因此，履带架作为整机质量的重要承力部件，在设计上必须有足够的安全系数，保障掘进机在整个使用周期内不能发生任何损坏情况。本文将从提高掘进机履带导向架可靠性着手，对其实际使用状况及结构特点进行分析和研究，提出多种合理的设计优化方法，既节省了材料，具有良好的生产性，又可保证其在使用周期内不出现损坏现象。

1 履带架导向架受力分析

履带整体结构如图1所示。

图1 履带式行走机构简图

图1所示为履带整体结构，履带架及所安装的导向轮主要为履带提供导向作用，同时，也与支重轮一同承担整机质量。在正常路面条件下，在设计初始导向轮与支重轮相比较地面要稍高一些，由于巷道底板不平整、掘进机施工工艺等问题，导致掘进机前部堆积物料较多，在掘进机前进时导向轮受力。在极个别情况下，导向轮抬起与最后一个支重轮对整机形成一个抬升状态。此时，导向轮受到的地面作用力处于最大值状态，同时，该作用力对导向架的反力也最大。因此，建立力学模型时，基于装导向轮处于完全伸出状态，以260掘进机为例，作用力离导向架根部距离为500 mm，前、后支点承受整机95 t的质量，分别计算后，按导向架支点作用力为250 kN进行力学分析。

2 履带导向架结构

履带导向架简图如图2所示。

图2 履带导向架简图

图3 导向架应力图（R8，小筋板）

履带设计中导向轮与张紧机构采用一体式结构，因此，导向架设计为外置式结构，以方便导向张紧轮的拆装，但该结构设计与普通工程机构两侧安装式导向架相比，安装及张紧较为简便，但作为中部式导向架要承受全部来自外界的反作用力，一般情况下，该处结构选用整体式锻件来满足使用要求。质量较小的机型选用35号钢锻件就可满足要求，但对于260等大型掘进机，整机质量将近100 t。此时，为了满足可靠性，需要选用焊接性尚可，但材料强度较高的合金结构钢材料，比如27SiMn等。

3 受力分析及结构优化

导向架应力图如图3所示。按设计图纸要求完成三维建模，按实际固定点定义相应的固定位置，在导向轮受力点加载相应的远程力250 kN，选择合金结构钢材料，并划分网格即可开始分析计算。由图3可以看出，原设计导向架根部圆角R8采用小加强筋，此时根部应力为344 MPa，原设计中选用27SiMn材料，调质硬度HB220～260，该材料抗拉强度为785 MPa，屈服强度为510 MPa，因此导向架选择27SiMn材料并进行合理的热处理，可以满足使用要求。

但煤机产品竞争越来越激烈，对大、笨、粗的煤机成本控制也越来越精细，不计成本的设计也将逐渐遭到淘汰。履带导向架选用27SiMn锻件虽然可以满足要求，但由于该处结构具有的特点，锻件利用率较低，导致该处选用锻件后的成本占到了履带架整体的很大一部分，生产厂家专门拿出导向架来进行成本核算也说明了这个问题。

因此，是否可以优化局部结构，去除应力集中点，降低最高应力来使用普通钢板替代27SiMn，可大大降低生产成本并保证可靠性。下面将通过多种方法进行结构优化及应力分析，最终找到一个合适的优化方法，完成材料替代方案。

3.1 优化方案一

导向架应力图（R20，小筋板）如图4所示。

图4 导向架应力图（R20，小筋板）

导向架根部圆角R8优化为R20，原设计小加强筋不变，此时，根部应力为317 MPa，相比原设计可降低应力7%，没有形成大幅降低，需要继续利用结构进行优化。

3.2 优化方案二

导向架应力图（R8，大筋板）如图5所示。此时，保证导向架根部仍为圆角R8，加强筋厚度由20 mm增加为90 mm，看似整体结构强化许多，但经计算得出R8根部应力为312 MPa，相比原设计只降低应力9%.

3.3 优化方案三

导向架应力图（R20，大筋板）如图6所示。

图5 导向架应力图（R8，大筋板）

图6 导向架应力图（R20，大筋板）

本方案采用同时加大圆角R8为R20同时加强筋厚度增加为90 mm，此时，应力结果显示原设计344 MPa降低为237 MPa，降低应力31%，可以看出优化效果明显，已经可以选用普通较高强度的板材进行材料替代。但应力还出现在R20根部，如果能将应力点分散或转移，则可对该处应力进一步降低。

3.4 优化方案四

图7 导向架结构优化及应力分析图（R8，大筋板，圆角前置）

导向架结构优化及应力分析图（R8，大筋板，圆角前置）如图7所示。该方案在第三种方案的条件下对根部圆角进行前置处理，充分利用导向轮结构，可将根部上圆角前置40 mm，此时也间接将下圆角厚度由160 mm增加到200 mm。使用该综合应力优化方法可将应力最终由344 MPa降低为182 MPa，且应力已由根部转移为一个面，说明使用综合多途径降低应力的方法可以有效降低局部应力，结构优化效果明显。此时，可完全选用普通钢板材料进行替代，大大降低材料成本及加工量。

4 结束语

通过以上分析可知，对于任何一种结构，在结构范围内有众多的优化方案可进行选择，通过有限元分析软件，可迅速得到分析零部件关键受力点的分析结果，并可根据结果数据重新对关键受力部位进行改进，大大增加了设计的安全性，优化了结构，从而最大限度地缩短设计周期，降低机器成本，提高了产品质量。