履带板销耳断裂故障分析及改进对策

盖巍巍，席亚兵

三一重型装备有限公司 辽宁沈阳 110027

掘进机履带板传递驱动力并承受设备机身重力，其工作环境恶劣，载荷变化剧烈。目前履带板主要采用合金材料制造，制造方法主要有锻造和铸造，但是锻造履带板比铸造的成本高 10 余倍，故铸造履带板的使用更为广泛。

现有某型号掘进机履带板在使用过程中发生了销耳断裂故障，该履带板采用的是铸造工艺，使用环境为硬岩工况，岩石硬度为F8～F9，掘进机在进尺至245 m 时发现履带板销耳断裂，为准确地找出故障原因，在履带板返厂后对其进行了化学成分和机械性能检验，从设计参数、产品质量及使用工况 3 个方面进行了分析，根据分析结果找出故障原因，并制定改进对策，为履带板的设计、制造及故障分析提供了借鉴和帮助。

1 设计参数

履带板轮廓尺寸为 720 mm×275 mm×120 mm，铸件主体壁厚为 90 mm，最小壁厚为 15 mm，销耳厚度为 17 mm，履带板左右两侧各有一个销孔，考虑浇注过程中的流动性，尽量将履带板的壁厚做到均匀过渡[1]，履带板材料为 ZG30CrMnSi。

1.1 履带板受力状况

履带板工作过程中受到拉力F1、掘进机重力G1以及地面摩擦力F23 种力的作用[2]。

掘进机重力G=1 200 000 N，行走部输出转矩T=220 000 N·m，驱动轮节圆直径D=965 mm，掘进机行走部单侧支重轮数量b=10 个。驱动轮的拉力F1、履带板承受掘进机重力G1以及地面摩擦力F2的计算公式如下：

驱动轮的拉力

F1=2T/D=2×220 000/0.965=4.56×105N，履带板承受掘进机重力

G1=G/2b=1 200 000/2×10=6×104N，地面摩擦力

F2=0.1G/2=6×104N。

1.2 履带板有限元分析

在Creo 中创建履带板三维模型，将模型简化并导入 ANSYS 软件中。设置履带板材料为 ZG30CrMnSi，泊松比为 0.3，弹性模量为 206 GPa，密度为 7 850 kg/m3，屈服强度为 490 MPa。模型采用自由网格划分，设置网格大小为 25 mm，得到 35 557 个节点和20 791 个单元。为保证销耳应力分析结果更准确，将销耳处网格进行加密。

按履带板实际受力进行加载，给履带板施加驱动力F1、掘进机重力G1和地面摩擦力F2，选择销耳及履带板底面进行全自由度约束，加载结果如图 1～3所示。

图1 履带板加载云图

图2 履带板应力云图

图3 履带板变形云图

由图 2、3 可知，履带板在该加载条件下的最大应力值为 133.77 MPa，位于履带销耳根部。履带板最大变形量为 0.151 95 mm，位于履带板中间销耳处。履带板材料 ZG30 CrMnSi 的屈服强度为 490 MPa，由此得出履带板设计安全系数

n=490/133.77=3.66，

由此可知产品安全系数足够。

2 产品质量

2.1 化学成分分析

分析故障履带板的化学成分[3]，分析结果如表 1所列，符合设计要求。

表1 故障履带板检验化学成分 %

2.2 力学性能检验

故障履带板取样如图 4 所示，对该样件进行硬度及机械性能检验，结果如表 2 所列，检验结果符合设计要求。

图4 故障履带板样件

表2 故障履带板硬度及机械性能检测

2.3 宏观端口分析

将故障履带板清洗后，发现断口处金属液融合不理想，断面光滑，边缘呈圆角，符合铸造冷隔缺陷的特征，如图 5 所示。

图5 故障履带板销耳断口

2.4 金相分析

在断口处取样进行金相观察，金相组织为 4 级回火索氏体，少量条状、块状铁素体，金相组织合格。夹杂物按 TB/T 2451—1993 评定为Ⅲ型 (点状)夹杂物(粗系)1 级，夹杂物合格。

3 使用工况

现场底板状况良好，截割断面宽为 5.2 m，高为5.8 m，岩石硬度为F8～F9，进尺数为 245 m，岩石硬度及巷道尺寸在设备允许使用参数范围内，且设备进尺数较少，排除工况原因。

结合设计参数、产品质量及使用工况 3 种因素，分析可知，此次故障是铸造冷隔缺陷导致。

结合铸造厂家铸造工艺、浇注模具等因素，分析冷隔缺陷产生的原因，并给出改进方案。

4 冷隔缺陷产生原因

金属液充型后，金属液的交接处融合不理想，在铸件中产生穿透或不穿透的缝隙，称之为冷隔。冷隔多出现在远离流道的铸件表面和薄壁处，形状为金属液初流动时的形状，表面光滑，边缘呈圆角。冷隔产生的原因包括金属液化学成分不合理、出炉与浇注温度低、浇注模具设计不合理、内浇道位置不当、断面面积过小等[4]，与铸造厂家沟通后，总结本次铸造缺陷产生的原因如下：

(1)铸造过程中保温效果较差，特别是北方冬季温度低，容易导致冷隔缺陷产生；

(2)金属液流动速度慢；

(3)排气孔位置不合理。

5 改进方案

根据目前设计参数及铸造厂家现有生产条件，给出如下铸造改进意见：

(1)增加保温层，提升保温效果；

(2)改变钢液中碳含量，增加钢液流动性；

(3)提高型砂透气性，合理设置出气冒口，保证气体及时顺利排出；

(4)提升浇注温度，合理设定钢液静定时间。

6 结语

针对履带板销耳断裂故障，从设计参数、产品质量及使用工况 3 个方面进行了分析，通过有限元分析、材料化学成分分析、机械性能试验等手段，最终确定本次故障是由铸造冷隔缺陷导致。笔者分析查找了导致冷隔缺陷产生的原因，并给出了改进对策。按此方案改进后履带板使用状况良好，故障率大大降低，为今后履带板故障分析及改进提供了参考和借鉴。