基于ANSYS的矿用挖掘机履带板结构分析

摘要：以某大型矿用挖掘机宽履带板为研究对象，研究了履带板在两种极限工况下的受力状况，采用有限元分析方法建立有限元模型，分析了两种结构履带板在两种极限工况下的应力分布，验证履带板强度是否满足矿用挖掘机复杂工况使用要求。有限元分析结果表明，现有履带板在极限工况下应力超过材料许用应力，有断裂风险；改进结构履带板在极限工况下应力降低40%以上，且小于材料许用应力，满足极限工况使用要求；同时该分析方式对其他履带板强度设计具有一定的借鉴意义。

关键词：履带板；有限元分析；强度；结构优化

中图分类号：TD422.2" " 文献标志码：A" " 文章编号：1671-0797（2024）16-0050-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.16.014

0" " 引言

大型矿用挖掘机广泛用于煤矿、铁矿等露天矿场作业，随着近年来矿业经济的不断发展，其需求量持续增加。大型矿用挖掘机作业条件恶劣，作业工况复杂多变，对行走装置要求较高。履带总成是行走装置中的关键部件，主要功能是承受整机质量及工作负载，并通过与驱动轮啮合将牵引力传到地面，借助地面反作用力驱动主机行驶。履带板为履带总成与地面直接接触的零件，当路面起伏不平，承受挤压、弯曲等应力作用时，容易出现断裂的失效情况[1-2]。

本文以某大型矿用挖掘机宽履带板为研究对象，利用有限元分析软件（ANSYS Workbench）对极限工况下履带板强度进行分析，找到履带板强度薄弱区，对履带板结构进行优化设计，以提升履带板工况适应性。

1" " 履带板结构与主要参数

1.1" " 履带板结构

现有履带板为三齿履带板，板宽1 000 mm，如图1所示。履带板前后端分别有翘起角，使履带板在安装后可绕引导轮和支重轮灵活转动，避免履带卷绕时互相干涉[3]。履带板采用框架结构，左右两端及中间部分均设有减重槽，通过内置加强筋提高履带板承载能力。为满足装配需要，履带板4个螺栓安装孔上方均设置避让槽，受限于安装孔位置尺寸，履带板中间齿的部分齿宽度变小，降低了履带板结构强度。

根据以上分析，改进结构的履带板为双齿板，其中一个履齿呈直线延伸，另一个履齿呈曲线延伸，如图2所示。

1.2" " 履带板的主要参数

履带板采用铸造成型，材质为SCMnMoH，主要参数如下：密度ρ=7 800 kg/m3，弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.276。经过调质处理后，履带板屈服强度σs不小于750 MPa。考虑挖掘机履带总成的极限工况，选取履带板安全系数为ns=1.25，则许用应力为：

[σ]===600 MPa" " " " " " " " "（1）

2" nbsp; 履带板受力分析

在不同工作状态下，履带板受力不同。本文研究两种工况下履带板强度。

工况一：挖掘机在起伏路面行驶时出现部分履带板悬空，仅有几个履带板承载的情况，极限情况下会出现一条履带仅有一个履带板承载，分析此工况下履带板的受力和强度。

工况二：在矿山路面上出现履带板压到石块的情况，极限情况下存在单块履带板端部压到石块，其他履带板悬空的状况，研究此时履带板受力及强度。

3" " 现有履带板有限元分析

首先在Creo中装配单个履带合件，并对三维结构做一些简化处理，去除标识、小的倒角和圆角，然后使用专用接口把处理后的模型导入ANSYS Workbench中。在ANSYS Workbench中编辑需要使用的材料属性，并将材料属性赋予对应的履带零部件。使用默认设置自动生成接触，对生成的接触对进行检查，去除多余的接触对，合理设置接触对的接触方式以及接触面和目标面，并使用接触工具检查初始的接触信息，避免出现接触不合理的情况。

由于履带板模型复杂，所以使用二阶四面体单元网格划分模型，添加网格划分控制选项，对重点关注区域的网格进行合理细化，非重点区域网格尺寸可以相对粗犷，在保证计算精度的情况下减少网格数量，既不耽误求解速度，还可以得到相对较优解[4]。

3.1" " 现有履带板工况一计算载荷与分析结果

工况一单侧履带单块履带板齿面着地，在左、右链轨节踏面上施加约束，在履带螺栓上施加预紧力，在履带板齿面上施加一半整机重量的载荷，如图3（a）所示。

由图3（b）可得出，现有履带板最大应力出现在履带板中间齿部与螺栓安装避让槽孔相交处，最大应力值为239.41 MPa，小于履带板的许用应力。

3.2" " 现有履带板工况二计算载荷与分析结果

工况二单侧履带单块履带板端部边缘着地，在左、右链轨节踏面上施加约束，在履带螺栓上施加预紧力，在履带板端部边缘倒角上施加25%整机重量的载荷，如图4（a）所示。

由图4（b）可得出，现有履带板最大应力出现在履带板中间齿部与螺栓安装避让槽孔相交处，其最大应力值为929.66 MPa，大于履带板的许用应力。

4" " 改进结构履带板有限元分析

4.1" " 改进结构履带板工况一计算载荷与分析结果

在Creo中使用改进结构履带板装配单个履带合件，三维模型简化处理后导入ANSYS Workbench。设置与现有履带板相同的单元类型和单元尺寸，进行网格划分，并设置与现有履带板有限元分析相同的接触方式。

对改进结构履带板进行有限元仿真，分析结果如图5所示，最大应力出现在履带板齿部上，最大应力值为136.21 MPa，小于履带板的许用应力。

4.2" " 改进结构履带板工况二计算载荷与分析结果

改进结构履带板工况二条件下载荷大小和加载方式与现有履带板工况二相同，有限元仿真分析结果如图6所示，最大应力出现在履带板齿部上，最大应力值为547.91 MPa，小于履带板的许用应力。

5" " 分析结果对比

表1分别列出了现有履带板与改进结构履带板的最大应力情况。从表1可以看出，工况一条件下，两种履带板最大应力均小于许用应力，工况二条件下现有履带板最大应力大于许用应力，改进结构履带板最大应力小于许用应力，且相同工况下改进结构履带板最大应力均小于现有履带板。

6" " 结论

通过使用ANSYS Workbench软件对现有履带板和改进结构履带板进行静强度仿真得到如下结论：在工况一条件下，现有履带板和改进结构履带板最大应力均小于许用应力；在工况二条件下，现有履带板最大应力大于许用应力，有断裂风险，相比于现有履带板，改进结构履带板在工况二条件下应力降低40%以上，且应力小于许用应力，满足极限工况使用要求。

本文使用的有限元分析方式对同类型履带板的设计和改进具有一定的借鉴意义。

[参考文献]

[1] 谢国进.CLG908D型挖掘机履带板及驱动链轮有限元分析[J].矿山机械，2022，50（2）：16-20.

[2] 王珂晟，刘跃进.重型装备的履带板强度分析[J].起重运输机械，2009（9）：85-87.

[3] 季有昌，金丹.基于有限元的岩石型推土机履带板优化设计[J].机械制造与自动化，2015，44（1）：118-123.

[4] 杜平安.有限元网格划分的基本原则[J].机械设计与制造，2000（1）：34-36.

收稿日期：2024-04-16

作者简介：徐轲（1985—），男，河南太康人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：履带底盘产品研发。