液压凿岩台车履带行走机构驱动链轮有限元分析

张其智，孙晓亮

（江西鑫通机械制造有限公司沈阳研发中心，辽宁 沈阳 110000）

履带式凿岩台车也称履带式钻孔台车，是隧道及地下工程采用钻爆法施工的凿岩设备，凿岩台车在每一钻孔及爆破工作循环，凿岩台车需驶近和驶离隧道及地下工程爆破工作面。履带行走机构是履带式凿岩台车的重要组成部分。由于工作空间狭小，维修固难，这就要求履带行走机构各零部有较高的可靠性。履带行走机构一般由，含有液压马达和减速器的液压驱动装置、驱动链轮、缓冲涨紧装置、引导轮、支重轮、托带轮、履带、履带架。 驱动链轮是履带行走机构的重要执行元件。

1 驱动链轮与履带的啮合

图1 履带行走机构组成及驱动链轮与履带的啮合示意图

驱动链轮与履带的啮合，从而驱动履带行走机构运转，进而使履带式凿岩台车运动。驱动轮与履带啮合属于非共轭啮合传动，在传动过程中，节距的积累偏差主要反应在啮合齿上，啮合的齿数越多，这个偏差的影响越大。在这钟情况下，整体式履带的驱动轮都采用特殊啮合方式设计，即履带节距比驱动轮节距小1%～5%，这时，只有最前面一个轮齿和即将脱出啮合的一个节销在啮合，其他节销都和各齿不接触。特殊啮合的优点是，履带节销退出啮合时，不发生冲击，以及当履带因磨损而节距加大时，就变成正常啮合。因此，驱动动链轮与履带啮合为单齿受力。履带行走机构组成及驱动链轮与履带的啮合如图1所示。

2 地面对履带行走机构阻力计算

以下DT-14型液压凿岩台车为实例来探讨。

从总体设方案得DT-14型液压凿岩台车总机重约8KG吨，约78480N。取履带与地面的当量阻力系数ue=0.7，重力加速度g=9.81，则履带与地面之间的滚动摩擦力：

F阻=m.g.f=8000x9.81x0.7=54936N。

由于液压凿岩台车采用左右两履带其同承载凿岩台车，所以单个履带所受的地面对履带的阻力：

F单阻=1/2. F阻=1/2x54936N=27468N。

3 驱动链轮强度有限元分析

以下以某型液压凿岩台车的驱动动链轮为实例，基于PRO/E三维计算软件中pro-mechanica分析模块，来探讨履带驱动动链轮有限元分析计算。对驱动链轮三维模型进行简化并进行网格画分如下图2。

图2 驱动链轮有限元网格划分示意图

4 以下是模拟对驱动链轮进行约束、加载、并进行强度有限元分析

4.1 确定驱动链轮位移约束

由于液压驱动装置，即液压马达和星形减速器联合体，驱动链轮安装在星形减速器联接法兰面上，液压驱动装置提供驱动扭矩，通过驱动链轮转换成驱动力，克服地面对履带阻力，因此可以驱动链轮上的安装面为位称约束面，如下图3所示。

图3 驱动链轮位移约束示意图

4.2 对驱动链轮模型设定普通碳钢的材料力学属性

对驱动链轮模型设定普通碳钢的材料力学属性，如下图4。

图4 钢的材料力学属性

4.3 确定驱动链轮载荷

按本文对驱动链轮与履带啮合的阐述，整体履带的驱动轮都采用特殊啮合方式设计，即履带节距比驱动轮节距小1%～5%。只有最前面一个轮齿和即将脱出啮合的一个节销在啮合，其他节销都和各齿不接触。因此驱动链轮所受的阻力矩F单阻=27468N应全部加载单个齿的啮合齿面。且沿驱动链轮分度圆的切线方向，如下图5所示。

图5 驱动链轮载荷示意图

4.4 运行有限元分析计算

4.5 应力云图如下所示，最大应力122.5MPa，如下图6

图6 驱动链轮应力云图

4.6 最大的弹性变型量0.008mm ，如下图7

图7 驱动链轮应变云图

4.7 小结

驱动链轮材料为35CrMo。35CrMo材料屈服极限σs≈510MPa。

驱动链轮在极限工况下的最大应力122.5 MPa小于其材料屈服极限（σs）510MPa。

5 结论

综上所述，材料为35CrMo驱动链轮的在本文所述极限工况下，该行驱动链轮强度设均满足要求。通过实际使用验证，该设备的行走驱动链轮结构安全可靠。上述对驱动链轮的强度有限元分析方法，可为其他履带行走设备的驱动链轮强度设计计算提供参照。