履带式工程机械行走系介绍.ppt

第二篇工程机械行走系 第八章履带式工程机械行走系 履带式行走系是在工程机械中仅次于轮胎式广泛采用的行走系 常见的履带式工程机械有 拖拉机 推土机 装载机 铺管机 单斗多斗挖掘机 钻孔机 凿岩台车等 第一节铲土运输机械的履带式行走系 一 组成与特点 如右图8 1所示 履带式拖拉机的行走系由驱动轮1 履带2 支重轮3 履带张紧装置和导向轮5 托链轮7以及连接支重轮和机体的悬架等组成 主要功能 1 将由发动机传到驱动轮上的驱动扭矩变为拖拉机在地面上的行走移动 扭矩变成驱动力 转速变成车辆移动速度 2 支承拖拉机的全部重量 特点 1 履带拖拉机的驱动轮只卷绕履带而不在地面上滚动 机器全部重量经支重轮压在多片履带板上 履带式机器的牵引附着性能要好得多 2 与同马力的轮式机器相比 由于履带支承面大 接地压力小 一般小于0 1MPa 所以在松软土壤上的下陷深度小 因而滚动阻力小 有利于发挥较大的牵引力 3 履带销子 销套等运动副使用中要磨损 要有张紧装置调节履带张紧度 它兼起一定的缓冲作用 导向轮既是张紧装置的一部分 也引导履带正确卷绕 但不能引导机器转向 4 履带式行走系重量大 运动惯性大 缓冲减振作用小 结构中最好有某些弹性元件 5 履带式行走系结构复杂 金属消耗多 磨损严重 维修量大 运动速度受到限制 特点 二 车架 型式 全梁式 半梁式两种 全梁架式车架是一完整的框架 如东方红75拖拉机 Caterpillar后置发动机式装载机等采用这种全梁式车架 半梁架式车架一部分是梁架 而另一部分则利用传动系的壳体 这种车架广泛用于工程机械履带拖拉机中 如图7 1为两根箱形纵梁和后桥桥体焊成一体 其前部用横梁相连 由于铲土运输机械特别是履带式推土机的作业环境恶劣 上述结构车架的纵梁容易变形 因此国内外很重视加强此类机械车架的强度与刚度 故多采用箱形断面的纵梁以增强其抗弯抗扭强度 断面高度也适当增加 三 悬架 悬架或悬挂 在工程机械中 机架 车架 与行走系之间的连接装置 弹性悬架 机架的全部重量经过弹性元件传递给履带架的悬架 三种悬挂 刚性悬架 半刚性悬架和弹性悬架 弹性元件可以是弹性橡胶块 弹簧装置或油气悬架 半刚性悬架 机架的重量一部分经过弹性元件 另一部分经过刚性元件传递给履带架的悬架 如工业用履带拖拉机之悬架 刚性悬架 机架上的重量全部不经弹性元件传递到履带的悬架 如单斗挖掘机其底架与履带架之间的悬架 刚性悬架结构简单 适合于行走速度低 不经常行走的工程机械 履带架的传统形式 八字架式 如下图8 2所示 半刚性悬架较刚性悬架能更好地适应地面的高低不平 在松软不平地面接地压力较均匀 附着性能好 半刚性悬架中的弹性元件能部分地缓和行驶时的冲击 但其非弹性支承部分重量很大 高速行驶时冲击大 故其行驶速度一般不超过15km h 设计履带架时 要妥善确定履带架摆动轴线 驱动轮轴线 导向轮轴线间的距离 图8 3为TY150推土机行走系布置图 其履带架铰接中心线与驱动轮轴线重合 右图8 4为D10推土机行走系布置图 其履带架铰接中心线与驱动轮轴线不重合 现代结构的半刚性悬架履带拖拉机中 广泛采用平衡梁 如右图8 5所示 半刚性悬架中的履带架 图8 2 是行走系中一个很重要的骨架 支重轮 张紧装置等都要安装在这个骨架上 它本身的刚度对履带行走系的使用可靠性和寿命有很大影响 刚度不足 作业时容易变形 引起四轮 驱动轮 支重轮 导向轮 托链轮 中心点不在同一垂直面内或各轴线不能保证平行度和垂直度的要求等 最终导致跑偏 啃轨或脱轨等多种使用故障 国外的履带式推土机很重视加强履带架的结构 使之坚固耐用 尤其注意加强后托架 一般称作八字架的斜撑 增加其尺寸与壁厚并加以热处理 以承受不良作业面引起的扭矩和振动 一 悬架受力分析 与履带架有关的元件受力情况复杂 如半刚性悬架的履带架受以下力和力矩作用 1 机架经弹性元件作用到履带架上的重量G1 每一侧为0 5G1 2 机架经铰接轴刚性作用到悬架上的重力G2 每一侧为0 5G2 显然机架以上的重量为G G1 G2 3 地面的重力反力 它在各轮上的分配 随地面情况而变 4 履带作用于引导轮的拉力 如设P为每边履带的张力 引导轮受力可视为2P 则 式中q 履带单位长度的重力 l 引导轮和第一个托链轮间的履带长度 f 引导轮和第一个托轮间履带的垂度 在倒档行驶时 履带作用于引导轮的拉力最大 这时 一侧履带引导轮上作用的P力为倒档时最大牵引力的一半 5 转向时 地面对于履带机械作用有转向阻力矩Mz 一侧履带的转向阻力矩M为 式中L 履带接地长度 二 履带架的计算 要求 履带架应有足够的强度和刚度 使不易损坏或因变形发生啃轨和脱轨 履带架的纵梁在以下三种工况时受力最严重 1 履带式机械倒档越过沟渠 其全部重量支承在最前或最后的一对支重轮上 2 履带式机械倒档越过沟渠 其全部重量支承在引导轮和驱动轮上 3 履带式机械倒档越过一突起的障碍物 其全部重量支承在两边各一个支重轮上 此支重轮是重心附近的支重轮 计算步骤 由这三种工况计算出各危险断面垂直面内的弯矩 再考虑在这些位置上同时又在转弯 从而将水平面内的弯矩叠加进来 在分别计算应力值后 再计算其应力之和 另外由于履带式工程机械速度不高 计算考虑的是其最不利的情况 同时又忽略了斜撑的加强作用 故强度计算只考虑了静载就可以了 但最好再校核其刚度 三 平衡梁的计算 将平衡梁视为简支梁作强度计算 平衡梁到驱动轮轴的纵向水平距离 一般为 0 65 0 72 L L为引导轮轴到驱动轴的水平距离 四 履带架摆动轴的计算 1 遇障碍以最大牵引力推土时 计算摆动轴的受力和不利断面的应力 2 遇障碍以全部功率驱动一侧履带强行转弯时 计算摆动轴的受力和不利断面的应力 四 履带 作用 履带用来将工程机械的重力传给地面并保证机械发出足够的驱动力 工作环境 经常在泥水中 凹凸不平地面 石质土壤中工作 条件恶劣 受力情况不良 极易磨损 要求 具有良好的附着性能 足够的强度 刚度和耐磨性 重量尽可能轻 每条履带都由几十块履带板组成 如右图8 6所示 履带板由具有履齿的支承板和两根导轨组成 履带销与前一块履带板的后铰链孔采用压配合 压入力均为500 750kN 销和销套之间具有间隙 可使两块履带板自由相对转动 销套同时也是驱动轮驱动履带运转的节销 工程机械用的履带一律采用轧制 以利于节省材料 提高质量和批量生产 图8 6之结构对履带防尘未考虑 这是其不足之处 在D80A推土机轨链节的凹槽中各放置了一个防尘圈 这样以来对于防止灰尘砂砾的进入很有效 使履带销和销子套间的磨损大为减小 如下图8 7所示 另一种密封式履带其结构见右图8 8所示 由于履带密封技术在实践中卓有成效 国内外又研制成功另一种密封润滑履带 其结构见右图8 9所示 润滑密封履带特点 底盘的维修工作和费用减少 它使履带销和销套间的接触表面形成一油膜层 从而可减少二者的磨损 使寿命延长 履带销中心有储油孔 故可保持长期润滑 此外 采用密封润滑履带还使履带噪音减小 上面所讲的履带板均由几种零件组合而成 通常将这种由几种零件组合而成的履带称为组合式履带 组合式履带的优点 链轨节和支承板可以分别用不同的材料制造 链轨节 履带节 常用易加工的中碳钢或中碳低合金钢 因而容易将铰链作成封闭式使尘土不易进入 延长履带的使用寿命 支承板用耐磨的特种合金钢轧制成型 然后切断而成 此外当履带磨损后 只需根据具体情况单独更换支承板或链轨节 不必一起更换 换用不同型式的支承板 还可以使拖拉机进行不同的作业 缺点 重量大 拆卸不便 此外 履带螺栓名义上是可分式连接 其实修理时很难拆卸下来 履带板上履齿的形状 对拖拉机的牵引附着性能和其它一些使用性能有很大影响 各种变形履带板如右图8 10所示 一般用履带板 其上有一条较高的抓土齿 单齿式 保证拖拉机在干燥的1 2级土壤 砂土 粘砂土等 上作业时有较好的牵引附着性能和防侧滑性能 但不能抓住冰或冻土 只会将其表面刮破 多石土壤用履带板 有两条或三条低而宽的抓土齿 如图所示三齿式 与前者相比 其强度和耐磨性均有所提高 因为履带板的磨损主要是抓土齿磨损最快 在抓土齿不能深入土层深处的情况下 例如在坚实的多石土壤上作业时 这种履带板保证了抓土齿的支承面与土壤有较大的接触面积 但在粘质土壤 这种履带板的附着系数比单齿式约小10 左右 这种履带板适用于履带式装载机 寒冷地带冬季用履带板 其抓土齿的支承面上开有缺口 中间开一个缺口为双刃式 两侧开两个缺口为单刃式 由于支承面面积减少 保证履齿陷入冰雪内 从而提高了拖拉机的牵引附着性能 缺口只在抓土爪的上端 因此它在粘砂土或砂粘土等土壤上作业时 和一般用途的履带板几乎没有区别 为了使履带板能够自净化 其支承面留有方孔 表8 1为美国公司装在DH 7G拖拉机上的各种不同用途的履带板主要参数 平面式履带板 对于主要不是提供牵引力而是携带负荷运行的机器 又怕抓土齿将地面破坏时 采用平面式履带板 特点 这种履带板有时在拖拉机 装载机上采用 但不能提供足够的牵引力 侧滑的可能性也比较大 橡胶衬垫式履带板 在建筑物内或铺好的路面上作业履带拖拉机上采用 它在路面上的牵引力比平面式履带板好 对路面的破坏最小 可换装式履带板 例如为了保护道路 可在一般的履带板上用螺栓装上金属的或橡胶的衬垫 或者在平面或多石土壤用履带板上用螺栓装上抓土齿 整体式履带板 其履带板由高锰钢整块铸造而成 东方红75拖拉机就采用这种局长带板 其结构见右图8 11 特点 整体式履带板结构简单 制造方便 拆装容易 重量较组合式履带板轻 但由于履带销与销孔间的间隙较大 没有办法采用密封措施 泥砂很容易进入 使履带销和销孔的磨损较快 且磨损后履带板只能整块更换 不适用于重载的履带式工程机械和工业用拖拉机 履带的计算载荷 按机械在横坡上作业时 机重的75 由下方履带承受 发动机提供给驱动轮以足够的扭矩 传到此侧履带的最大驱动力Pmax为附着条件所限 即 Pmax 0 75Gt 式中 附着系数 履带式机械初算时可取 1 Gt 推土机总重 组合式履带由履带板 轨链节 履带销 销套 螺栓等零件组成 一般来讲 销子的剪切 销与销套间的挤压 销子的抗弯强度都不成问题 因为履带的主要破坏形式是磨损 右图8 12所示轨链节1 1 2 2 3 3断面处常出现断裂 断裂原因 有设计因素 如圆角半径过小 有应力集中等 更重要的是热处理工艺不佳 没有消除应力集中或者经热处理后反而产生微细裂纹 验算轨链节的抗拉强度如下 式中B 轨链节高度 D 销子套外径 轨链节最小厚度 轨链节的主要破坏形式仍为踏面磨损 履带板宽度b由设计规定的机械平均单位接地压力Pp确定 应处理好参数b和履带接地长度L的关系 窄而长的履带 滚动阻力小 因土壤变形阻力较小 牵引附着性能较好 但转向阻力较大 b L之值一般为 对于通用式机械 0 18 0 22对于湿地用机械 0 24 0 28 五 驱动轮 作用 用来卷绕履带 以保证车辆行驶 位置 安装在最终传动的从动轴或从动轮毂上 材料 中碳钢铸成 如40号铸钢 硬度 热处理后齿面硬度HB300 400或者更高 热处理后不加工 与履带的啮合方式 1 节销式啮合 驱动轮轮齿与履带板的节销进行啮合 这种啮合方式履带销所在的圆周近似地等于驱动轮的节圆 驱动轮轮齿作用在节销上的压力通过履带销的中心 如图8 6和8 7所示 1 节销式啮合 驱动轮轮齿与履带板的节销进行啮合 2 节齿式啮合 驱动轮轮齿与履带板上的节圆啮合 如图8 13所示 受力特征 履带销所在的圆周比驱动轮的节圆大 轮齿给节齿的作用力不通过履带销中心 使履带销上作用有一个附加扭矩 增加其负荷 特点 履带板具有较大刚度 因此过去挖掘起重机所用履带板多数采用这种节齿啮合式整体履带板 由于它同样存在与东方红75履带板相同的缺点 有人建议在挖掘起重机上也改用组合式节销履带板 驱动轮的分类 A 按齿圈结构分为整体式 齿圈式 齿块式 B 按驱动轮轮毂与最终传动输出轴的联接方式分为锥形渐开线花键联接如红旗100 锥形六平键联接如TY150 螺栓联接如移山180 按驱动轮轮齿节距t分为173 203 216mm三种 齿圈结构以齿圈式比整体式为好 而齿块式拼合轮圈 图8 14 使用更加方便 驱动轮轮齿磨损超限即可在工地拆装更换 不必解开履带 更无需拉出驱动轮 但在工艺上要保证安装精度 一般认为车速小于15 20km h 驱动轮后置有利 车速大于20km h时 驱动轮前置有利 驱动轮的计算载荷与履带相同 即驱动链轮所传递的最大驱动力Pmax 0 75Gt 并假设扭矩只由一个齿传递 计算驱动轮轮齿抗弯强度 式中h 齿高 假设力作用在齿顶 许用弯曲应力 400 500MPa 计算驱动轮轮齿齿面抗挤压强度 式中b 轮齿宽度 cm d 履带销套外径 cm Gt 推土机重力 KN j 许用挤压应力 j 500 1000MPa 六 支重轮与托链轮 作用 支重轮用来支承车辆的重量并在履带的导轨 链轨节 面上移动 此外它还用来夹持履带 不使履带横向滑脱 并在车辆转向时迫使履带在地面上滑动 工作环境 支重轮经常在泥水中工作 且受到强烈冲击 工作条件很差 要求 密封可靠 轮圈耐磨 一 支重轮 支重轮分类 1 按支重轮轴的型式可分为 中间凸肩式轴如TY150 中间无凸肩式直轴如宣化T 120 2 按轴承型式可分为 双金属套如TY150 尼龙轴套如移山180 铜套如移山80 非标准滚柱轴承如红旗100 3 按密封型式可分为 浮动油封式如TY150 油封式如红旗100 皮碗式如移山80 在我国为数不多的履带式铲土运输机械中 先后出现了近二十种支重轮 单边支重轮和双边支重轮的基本结构型式如右图8 15所示 二 托链轮 作用 用来托住履带的上方部分 防止履带下垂过大 以减少履带运动时的振跳现象并防止履带侧向滑落 托链轮的个数一般是每边两个 托轮与支重轮相比 它受力较小 工作时少受污物侵蚀 工作条件较好 故其结构较简单 尺寸较小 对材质的要求也低 曾规定托链轮采用锥柱轴承及浮动油封 如图8 16所示 三 支重轮及托链轮的设计 为了使接地压力均匀 支重轮数目最好等于履带支承区段的履带板数 即支重轮间距t1 履带节距td 支重轮太小 滚动阻力增加 如支重轮数目为履带支承区段履带板数的一半即t1 2td 则将使支重轮下履带板的接地压力很不均匀 导致在松软地面下陷深度增加 运行阻力加大 一般取td200mm 而一侧支重轮数目一般为5 7个 支重轮有双边支重轮和单边支重轮之分 轮缘高度为20 25mm 顶部厚度为6 10mm 为减少支重轮轮面摩擦 支重轮轮缘靠踏面一侧常做成倾斜的 200 300 为减少支重轮轮面磨损 支重轮与轨链节间的接触应力在许用范围内 可按下式计算 式中Gt 推土机总重 kN b 支重轮轮面与轨链节的接触宽度 mm r 支重轮半径 mm n 支重轮总数 j 许用接触应力 MPa j 230MPa 当推土机越过突起的障碍物时 整机重量有可能由每边各一个支重轮承受 即一个支重轮上的最大径向载荷是推土机整机重量的一半 当推土机在越过突起的障碍物转弯 此支重轮还将受到最大的轴向力A Gt 2 为履带沿地面横向滑动摩擦系数 一般取 0 7 因此推土机支重轮轴应具有中间凸肩以承受此轴向力 凸肩大小可根据此力之值予以确定 按照上述最大径向载荷由轴的抗弯强度确定支重轮轴的尺寸 支重轮轴承宜采用滑动轴承 轴承载荷按经常载荷计算 不应按偶而受到的最大载荷计算 经常载荷是按压力中心偏移 受力最大的一个支重轮进行计算 按滑动轴承一般计算方法计算其单位压力P及发热 pv值 当履带接地长度L2m时 每侧用两个托链轮 托链轮上侧应与引导轮及驱动轮上侧在一条直线上 有的机械将托链轮适当抬高以减小履带振跳 七 张紧缓冲装置与引导轮 作用 使履带保持一定的张紧度 从而可以减少履带在运动中的振跳现象 振跳的危害 引起冲击载荷和额外地消耗功率 加快履带销和销套的磨损 履带张紧后 还可防止在工作过程中脱落 太紧也不好 也会加快履带销和销套的磨损 所以要调整合适 在一般的履带式拖拉机上由于驱动轮都在拖拉机的后部 所以张紧轮都布置在前部 导向轮直径一般较大 以使履带的卷绕较为均匀 减少冲击 当今工程机械常见的张紧装置为润滑脂调整滑块式 见图8 17 引导轮的结构和支承轮托轮一样也有多种结构 轴承结构有滚柱轴承如红旗100 双金属套如TY150等 油封结构也有浮动油封 TY150 弹簧胶碗密封如红旗100等 双金属套和浮动油封结构见右图8 18所示 引导轮尺寸较大 一般仅略小于驱动轮 目的是为了减少履带卷绕时的功率损失 其上方位置比驱动轮轮缘低30 80mm 以使这一段履带运动时顺势前滑 引导轮轮轴设计 按机械倒档行驶 履带上作用有最大轮周牵引力进行设计计算 此值为附着条件所限 即 P 0 5 G 0 5G 近似取引导轮上下边履带平行 则引导轮轴的计算载荷2P G 引导轮的许用弯曲应力 250 300MPa 当引导轮兼起支重轮作用时 应计入地面反力 动载荷的影响 这时动载荷系数可取为2 现代工程机械将引导轮再串到一弹簧装置上 使它在运行遇到障碍物时能再后移 从而起到一定的弹性缓冲作用 以保护履带不致损坏 如右图8 19所示 张紧装置的调整量应超过履带节距td的一半 这样当履带销与套因磨损使履带节距拉长很多时 张紧装置调到头 可以取去一块履带板 并将引导轮往驱动轮移近半个节距 重新将履带接上 从而延长履带的使用寿命 引导轮的弹性缓冲行程S 不是引导轮张紧装置可调行程 由履带遇障碍时有足够的垂直变形量h确定 见图8 19 缓冲弹簧的预紧力一般为 0 6 0 9 Gt 式中l 引导轮和前支重轮间的距离 缓冲弹簧在最大压缩量时的张力约为 1 2 2 0 Gt 对于履带式拖拉机 引导轮和驱动轮底部均略高于支重轮底部 形成履带前方区段和地面的夹角 1 驱动段和地面的夹角 2 见图8 3所示 为了改善通过性 应加大 1和 2 为了提高整机作业时的平稳性 增加接地长度 应减少 1和 2 为此 有些履带拖拉机取 1 10 30 2 20 50 第二节挖掘机械的履带行走系 无论单斗还是多斗挖掘机 大多有回转支承装置 其上为转台 其下为行走装置 对行走机构的要求 接地比压力低 一般40 150kPa 稳定性好 并有较大的牵引力和良好的越野性能及爬坡能力 这样履带式行走装置在挖掘机械上用得多 下图8 20为挖掘机履带行走装置的一般形式 一 行走架 右图8 21为WY100液压挖掘机行走架 它由底架 横梁和履带架组成 转台以上部分的动静载荷经底架 横梁传给履带架 行走架多半采用16Mn钢板焊成 而WY100挖掘机行走架结构采用铸焊组合而成 铸焊的优点 重量轻 刚度好 回转滚盘的支承座部分采用铸钢件 再与底座焊成一体 这样既具备焊接件工艺性好的优点 又保证了滚盘的刚度要求 右图8 22为一组合式行走架 将底架用高强度螺栓直接紧固在左右履带架上 不用横梁 这样制造方便 但要专用胎具保证装配质量 二 履带与驱动轮 履带节距系列 173mm 203mm 216mm 228 5mm 履带板则根据不同机型 推土机用单齿式 装载机用双齿式 挖掘机用三齿式 其轨链则统成一种 左图8 23为挖掘机用的节距为203mm的履带总成 可图8 24为单齿式和三齿式履带板 两相邻履带板搭接唇间隙 当履带平放时为4 6mm 履带节距小 履带运转的均匀性就好 磨损也低 行走效率就高 履带板材料大都用40Mn2Si代替45钢 调质处理后中频淬火 板体硬度这HRC38 45 履齿硬度为HRC53 55 图8 25为WY60挖掘机用的两种履带板 板宽松500mm和800mm 接地比压分别为54kPa和35kPa 驱动轮的作用 将动力传给履带 故应啮合平稳 并在履带因销套磨损而伸长时 仍能很好啮合 驱动轮的受力 轮齿受弯 轮齿与销套之间存在磨料磨损 节圆处磨损后引起跳齿和冲击性磨损 材料 选用高淬透性和较低热敏性材料制成 目前已用50Mn和45SiMn代替35钢和45钢 热处理 轮齿采用中频淬火 低温回火 硬度为HRC55 58 驱动轮结构与最终传动结构和驱动方式 高速或低速马达 有关 标准化统图困难 但由于履带统一为组合式履带 节销式啮合 即一般推土机常用的型式 也就使驱动轮种类简化了很多 三 支重轮 作用 将挖掘机的载