【摘 要】为了深入了解牙轮钻机履带架在各种工况下的受力情况，本文对牙轮钻机履带架机构典型工况下的应力及变形进行了有限元分析。用Pro/E5.0建模，导入ANSYS软件进行分析。通过有限元分析，得到各种典型工况下履带架的等效应力和总位移的变化趋势图，在一定程度上反映出了载荷—应力、载荷—位移的关系。
【关键词】牙轮钻机；履带架；建模；有限元分析；工况；结构强度
0 概述
近年来随着经济的迅猛发展，我国对各种能源的需求大幅增长，牙轮钻机作为大型露天矿山的一种开采设备，对其性能进行研发和改进具有十分重要的意义。总的来看，由于国内的技术及生产能力限制，我国牙轮钻机技术的发展较为缓慢，与世界先进水平还有较大差距。履带架是牙轮钻机的重要支撑部件，本文通过有限元软件（ANSYS）对牙轮钻机履带架进行建模、计算和分析，有利于提高履带架综合设计水平、精简生产试验环节、缩短研发设计周期、节约生产成本、有利于推出新产品及改进旧产品性能。
1 履带架3D实体建模
利用3D设计软件Pro/EGINEER 5.0得到的牙轮钻机履带架结构，如图1所示。将建好的模型导入ANSYS后对导入模型进行Boolean运算，从而等到一个单一的实体。
图1 履带架3D模型
将ANSYS模型中的各机轮孔标识如下图2，以便分析说明：
图2 有限元模型及履带架机轮孔标识
2 问题分析
履带架是牙轮钻机行走机构的重要受力部件，履带内的机轮就是通过它连接在一起组成一个整体，牙轮钻机在钻架不工作时所有的载荷都会在履带架上有所反应。
通过长期的牙轮钻机研制经验可知，履带架一共有8种工况，它们分别是：工况1：钻架直立时，钻机不工作；工况2：钻架放倒时，钻机不行走；工况3：斜坡上钻机不工作，钻架直立时；工况4：斜坡上钻机不行走，钻架放倒时；工况5：钻机平路直行，钻架直立；工况6：钻机平路直行，钻架放倒；工况7：钻机转弯，钻架直立；工况8：钻机转弯，钻架放倒。
本文以工况2为例，对牙轮钻机履带架的结构强度进行分析。
已知履带重为94435.7N，通过分析计算可得一、二、三、四孔受力为履带架重量的一半，因为其为双侧孔，故每个孔承受的力为5902.234N。
工况2条件下，履带架上各机轮受力情况如下表1所示：
表1 钻架放倒，钻机不行走时履带各轮受力情况
3 前处理
在ANSYS中定义单元类型和材料参数，对其进行网格划分，并定义约束，最后施加均布载荷。在本课题中，约束为位移约束，约束面为与固定钻头支架接触的孔面。
研究之初，已经确定使用材料为Q235-A；其主要力学性能为：屈服强度σs=216～235MPa，断裂强度σb=273～461MPa，泊松比为0.3。故有σs /σb=0.86～0.47，取σs/σb=0.8。
表2 许用安全系数的取值
图3 工况2加载情况
由表2可取ns=2。因此有许用应力为[σ]= σs/ns =216/2=108MPa。
工况2加载情况如图3所示。在完成3D模型网格划分、材料定义、属性定义、载荷及约束定义后，有限元模型的定义就全部完成了，接着就可以提交计算进行求解，并到后处理模块中取出想要的计算结果。
4 有限元计算结果分析
4.1 等效应力分析
经计算得工况2履带架有限元应力云图，如图4所示：
图4 履带架应力云图
由履带架应力云图可知模型最大应力为73.184MPa，相对整体应力分布，履带架“四”轮侧的支重孔部位应力较大，如图5所示：
图5 履带架最大应力处详情
（a）履带架x向应力云图
（b）履带架y向应力云图
（c）履带架z向应力云图
图6
在工况2条件下选择结构静力学分析，其中最小等效应力为0.001913 MPa，最大等效应力为73.184 MPa。由x、y、z各向应力云图可以看出在工况2条件下，x向最大应力最小，而y向应力量大。由此可以看出在y向加载力的同时x、z向均受到一定的力，由于x向受力面积大于z向，故z向面受到的力要比x向力大。总体最大应力为73.184 MPa。此处钢板材料为碳钢（Q235），而此处最大应力为73.184<108MPa，可知此处选材是合理的。
4.2 位移分析
履带架模型在工况2下的位移云图如下图7所示：
图7 履带架位移云图
（a）履带架x向位移云图
（b）履带架y向位移云图
（c）履带架z向位移云图
图8
由图7可以得出在工况2条件下选择结构静力学分析，其中最小位移量为0，最大位移量为0.318875mm。由x、y、z各向位移云图可以看出在工况2条件下，z向最大位移量最小且相对集中，主要体现在轮四处。而y向最大位移量最大。由此可以看出在y向加载力的同时x、z向均有一定的位移，总体最大位移量为0.318875mm。此处钢板材料为碳钢（Q235），最大位移量小于1mm，可知此处选材是合理的。
根据分析结果，工况2情况下的最大应力为73.184MPa，低于Q235钢板的许用应力，最大变形为0.318875mm，说明履带架具有足够的强度和抗弯性能。
采用同样的分析对另外7种载荷工况进行分析和计算，可得到对应工况的分析结果，应用对应的强度准则进行判断，可得出履带架的强度计算结果，从而判断履带架是否满足设计要求，并可根据计算结果给出材料规格。
5 总结
本文研究对象为牙轮钻机的履带架部分，相对于其他部件，履带架设计属于创新设计，是牙轮钻机设计的关键部分。本文基于有限元方法，结合牙轮钻机的行走、工作时的典型工况，对履带架的受力、变形进行分析。这种计算方法计算结果可视，自动化程度高，并且节省了大量的人力物力，出错概率较小。
本文结合有限元理论及ANSYS软件，对履带架应力和位移分析所用的理论、模型建立方法、履带架受力特点、外载荷计算方法、网格划分、载荷施加和结果分析处理进行了简要的分析和阐述。本文的分析有利于进一步了解履带架应力分布和变形情况，对履带架的设计生产有很大改善。本文研究的方法和思想有助于牙轮钻机新产品的设计和已有产品的结构改进和性能提升，有利于提高我国牙轮钻机设计水平、掌握牙轮钻机设计的核心技术、促进牙轮钻机行业的自主创新和改进。
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[责任编辑：杨扬]