大型矿用挖掘机履带板疲劳寿命分析.pdf

第5期（总第2 40 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O MA T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 413(2 0 2 3)0 5-0 0 9 8-0 2大型矿用挖掘机履带板疲劳寿命分析赵腾云，韩鹏（太原重工股份有限公司技术中心智能采矿装备技术全国重点实验室，山西太原0摘要：大型矿用挖掘机履带装置承载整个上部机体的自重和作业载荷，其中履带板是履带装置的重要零件，其寿命长短是设备性能优劣的核心指标。通过动力学仿真提取工作循环中典型工况的载荷谱；通过有限元分析确定结构在单位力作用下的应力分布；结合有限元分析、载荷谱以及材料的S一N曲线，得出了履带板的疲劳寿命，为产品设计和现场使用提供了理论依据。关键词：矿用挖掘机；履带板；疲劳寿命分析中图分类号：TD422.2：T P3 91.7030024)文献标识码：A0引言矿用机械正铲式挖掘机为太原重工股份有限公司研制的大型露天矿山采装设备，适用于大型露天煤矿、铁矿及有色金属矿山的剥离和采装作业。履带装置是矿用挖掘机的重要部分，其中履带板是履带装置最核心的零件，履带板的寿命长短不但影响履带装置的整体性能，同时对于矿山客户库存管理也具有重要意义。因此，本文对大型矿用挖掘机履带板进行疲劳寿命分析。1疲劳寿命分析概述本文利用ADAMS、NXNa s t r a n、NC o d e 等软件对机械式矿用挖掘机的履带板进行疲劳寿命的计算，疲劳寿命分析流程如图1所示。动力学分析（挖掘工况/行走工况）ADAMS有限元分析（单位载荷）NX Nastran图1疲劳寿命分析流程挖掘机工作过程中包括行走工况和挖掘工况，结构载荷谱的编制共计3 6 0 0 s，其中6 0 0 s为行走时间，3000s为挖掘时间。行走与挖掘时间各等分为5段，其载荷谱分别由动力学分析结果中提取。2材料分析机械式矿用挖掘机中履带板的材料为高锰钢，其材料性能如表1所示。材料的S一N曲线如图2 所示。表1高锰钢材料性能材料弹性模量(GPa)高锰钢2063载荷谱分析计算收稿日期：2 0 2 3-0 1-10；修订日期：2 0 2 3-0 6-2 0作者简介：赵腾云（198 3-），男，山西运城人，高级工程师，工学硕士，从事矿山采掘装备现代理论设计与研究。挖掘机行走工况的仿真模型如图3 所示，其中上车的质量为12 0 0 t；驱动轴转速为17.2 2 45s；仿真时间为150 s。载荷谱编制中，行走分为5段，每段时长12 0 s，故随机选择5个履带板之间的旋转副进行载荷提取。1300120011001000900800力700600500400300200提取约束反力，100编制结构的载荷谱结构的应力分布泊松比0.2881102疲劳寿命图2 高锰钢S-N曲线分析NCodel密度(kg/m3)7829104循环次数图3 行走工况仿真模型如图4所示，挖掘工况的仿真模型与行走工况类似，其中挖掘力的传递提取自工作装置挖掘作业仿真时回转平台处的反力；驱动轴转速为0；仿真时间为18 s。载荷谱编制中挖掘分为5段，每段时长6 0 0 s，故随机选择40 个履带板之间旋转副进行载荷提取，每个截取15s的仿真结果。在一对履带板中，规定销轴的轴向为乙轴，重力方向为Y轴方向（图5为履带板在上侧的示意方向，重力方向始终向下），水平方向为X轴，如图5所示，以下所有的坐标系均以此为准。与另外两个方向的力、力矩相10610810102023年第5期比，Z方向的力和力矩数值非常小，因此编制载荷谱时不考虑Z方向的力，仅考虑X方向、Y方向的力。除此之外，履带板还承受主动驱动轮的驱动力和挖掘机整体的压力等。编制完成的载荷谱如图6 图9所示。赵腾云，等：大型矿用挖掘机履带板疲劳寿命分析10图13 所示。99力分布。其中双耳侧施加简支约束，单耳侧施加单位载荷3。履带板在单位载荷作用下的应力分布如图图4挖掘工况仿真模型4有限元分析有限元分析是为了确定结构在单位力作用下的应2000000-200.000-400 000600000-800000L0100020003000时间/ms图6X方向受力变化曲线800000600000400000力2200000-200.000L0100020003.000时间/ms图9压力变化曲线Ivdaiban_siml:FX-LDB结果SubcaseStatic,Loads1,静态步长1应力单元的，VonMises最小值：1.50 3 E-008，最大值：4.56 5E-005，单位=N/mm2(MPa)4.565E-0054.185E-0053.804E-0053.424E-0053.04E-0052.663E-0052.283E-0051.903E-0051.523E-0051.142E-0057.620E-0063.818E-006ZAX50E-008单位-N/m20MPa)ANALYSISL工作Tvdaiban siml:FX-LDB结果StbeaseStaticLoads1,静态步长1应力单元的，VonMises最小值：7.6 6 1E-008,最大值：1.2 46 E-004,单位-N/mm20MPa）1.246E-0041.142E:0041.038E-0049.343E-0058.306E:0057.289E-0056.231E-0055.194E-0054.157E-0053.120E-0052.082E-0051.945E-005X40E-008单位-Nm20Pa)ANALYSIS1工作图11履带板Y方向单位应力5疲劳寿命分析疲劳分析流程如图14所示。导人有限元分析结果与载荷谱，同时设定材料的S一N曲线进行疲劳寿图5坐标系示意图15000008000001000000600000500.0004000000力200000-5000000-1 000 000-200000L400001000200030004000时间/ms图7Y方向受力变化曲线命分析。分析结果如图15所示，从图15中可以看出，该履带板的设计寿命为2 7 2 40 h。Ivdaibansiml:FX-LDB结果Subcase StaticLoadsl,静态步长1应力单元的，VonMises最小值：1.418 E-008，最大值：6.7 49E-005,单位-N/m20MPa）6.749E-0056.187E00540005.625E-0056.062E-0054.500E-0053.938E0053.375E0052.813E-0052.251E-0051.688E-0051.126E-0055.537E-006t8E-008单位-Nm20Pa)ANALYSIS.L作图12 月履带板驱动力单位应力Ivdaibansiml:FX-LDB结果SubcaseStaticLoadsi,静态步长1应力单元的，VonMises最尔值：1.418 E-008，最大值：6.7 49E-005，单位-N/m20MPa)6.749E-0056.187E-0055.625E-0055.062E-0054.500E-005图10履带板X方向单位应力10002000030004000时间/ms图：驱动力变化曲线3.938E-0053.375E-0052.813E-0052.251E-0051.688E-0051.126E-0055.637E-0064t8E-008单位=N/m20PaANALYSISLT作6结论（1）本文对履带板疲劳寿命进行分析，通过动力学仿真提取工作循环中典型工况的载荷谱；通过有限元分析确定结构在单位力作用下的应力分布；结合有限元分析结果、载荷谱以及材料的S一N曲线，得出履带板的疲劳寿命为2 7 2 40 h。（2）本文也给出了一套理论计算方法，为今后分析解决现场问题提供了思路和理论依据。(下转第10 3 页）图13 月履带板压力单位应力2023年第5期9郭永昌.综采工作面设备尺寸自动配套系统研究D.太Intelligent and Innovative Design of Inlaid Porcelain(School of Advanced Manufacturing,Guangdong University of Technology,Jieyang 515231,China)Abstract:In view of the low degree of innovation of traditional techniques such as inlaid porcelain,which is difficult to meet themainstream demand of modern times,inlaid porcelain has been faced with the state of being marginalized by the society,taking theinnovative work of“Dabai inlaid porcelain of Bingdundun as an example,the intelligent innovative design of inlaid porcelain based onSolidWorks is discussed,which organically combines traditional inlaid porcelain elements with modern trend elements to make inlaidporcelain shine again.Keywords:SolidWorks;inlaid porcelain;intelligent design(上接第 97 页)参考文献：1杨帆.基于Flexsim的生产线仿真优化J.物流工程与管理,2 0 17,3 9(12)：12 5-12 7.2王曼玥.基于Flexsim的生产线仿真与精益优化J.信息技术，2 0 18(3)：153-154.Application of FlexSim Simulation Software in ProductionAbstract:In this paper,FlexSim simulation software is used to optimize the existing process of a product and realize the reasonableconfiguration of the process.Firstly,FlexSim software is used to model and analyze the existing processes to find out theunreasonable processes.After modifying the original model and optimizing,the processes are reordered.After the change of facilitylayout,the invalid operation time is reduced,so as to improve the productivity.Keywords:production;simulation software;FlexSim;logistics(上接第99页）参考文献：1闫书文.机械式挖掘机设计M.北京：机械工业出版社，1996.2闫振华，王国强，姚宗伟，等大型履带行走装置支重轮Fatigue Life Analysis of Crawler Shoe for Large Mining Excavators(Technology Center,Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd.,National Key Laboratory of Intelligent Mining Equipment Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:The crawler shoe for large mining excavator bears the whole upper weight and working load,the crawler shoe is animportant part of the crawler device,and its life is the core index of the equipment performance.In this paper,the load spectrum oftypical working conditions in the working cycle is extracted by the dynamics simulation.The stress distribution of the structure underthe action of unit force was determined by finite element analysis.Based on the finite element analysis,load spectrum and S-Ncurve of the material,the fatigue life of the crawler shoe is obtained,which provides theoretical basis for product design and fielduse.Keywords:mining excavator;crawler shoe;fatigue life analysis机械工程与自动化原：太原理工大学，2 0 0 9：2 5-2 8.Based on SolidWorksWANG Chun-peng,CHEN Jun-xiangand Logistics OperationQI Shan-peng(Guidaojiaotong Polytechnic Institute,Shenyangl10023,China)图14疲劳分析流程ZHAO Teng-yun,HAN Peng1033张国辉，张凌杰.基于Flexsim仿真技术的混合装配线平衡优化J.组合机床与自动化加工技术，2 0 16（6）：13 1-133.4彭军.基于Flexsim的混流生产线平衡优化J.组合机床与自动化加工技术，2 0 14（9）：140-143.BeyondCutott6.4410-0054.5320-0053.1890-0052.2440005.5790-0051e0067.8180-0045.501e-0043.8710-0042.724e-004MaxeBeyond.CutoffAtNode.81927Min-2.72AEAAtNode69908图15履带板疲劳寿命和履带板接触分析J农业工程学报，2 0 12（17）：51-56.3杜平安，于亚婷，刘建涛.有限元法：原理、建模及应用M.第2 版.北京：国防工业出版社，2 0 11.