整体式履带行走机构驱动轮设计及CAE分析

1、整体式履带行走机构驱动轮轮齿设计及CAE分析郭赞、王宇（三一重型装备有限公司，沈阳110027）摘要:驱动轮作为煤矿机械行走机构的关键零件，其结构的优劣直接影响设备性能及行走机构的使用寿命。本文介绍两种驱动轮轮齿的结构设计方法，并且进行CAE分析，验证安全系数。关键字：驱动轮；结构设计；安全系数Abstract :It is a key part that the drive wheel is in traveling mechanism of coal mine machinery,suchconfiguration is well or not that will make a impac

2、t on equipment performance and life of travelingmechanism.The article introduce that there are two sorts of configuration and comparing with them, andmaking CAE analysis to validate safety factor.Key words: drive wheel; wheel-tooth configuration design; safety factor 0引言煤矿机械的主要工作场所是煤矿巷道，巷道工作面空间狭小，如果

3、机械零部件发生故 障，维修很不方便，这决定了机械零部件要有很高的可靠性。煤矿掘进机械全部采用履带行走机构，在掘进设备工作时，经常需要前后运动以及从此工作面移向另一工作面，并且在巷道有坡度时，掘进设备还需要上山或下山移动，这决定了行走机构要有很高的可靠性。行走部驱动轮作为煤矿机械行走机构的关键零件，其结构的优劣直接影响设备性能及行走机构的使用寿命。1行走机构简介大多数工程机械都采用履带行走机构，履带又分为组合式履带与整体式履带。地上路面工程机械大多数采用组合式履带行走机构，组合式履带由履带节、履带销、销套、履带板和履带螺栓等组成，各零件个单独更换，且泥沙不易进入销套内，但拆装困难。与组合式履带

4、啮合传递动力驱动轮可以参照GB/T 1243-1997制造。国内煤矿机械行走机构几乎都采用整体式履带板，履带板整体制造，制造拆装简单，成本低，低速行走功率损耗小。驱动轮与履带啮合属于非共轴啮合传动，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，节销退出啮合时不发生冲击，以及当履带因磨损而节距增大时，就变成正常啮合。2驱动轮轮齿结构设计行走机构的整体高度决定驱动轮分度圆的

5、大小，分度圆大小又与驱动轮齿数以及节距有关。驱动轮与履带板节距可以按照MT/T 579-1996悬臂式掘进机履带板及其销轴选取，也可以根据行走机构实际情况在此标准基础上进行调整。2.1两圆弧轮齿驱动轮设计所涉及的参数有：p 节距；Z一 驱动轮旋转一圈，参与啮合的工作齿数（一般选1015）;d0度圆直径；d一滚子直径（根据履带板结构确定）；da齿顶圆直径；出一齿底圆直径；b一齿宽计算公式有:df=d。d-（公式三）；bi= 0.4p-（公式四）；具体作图步骤如下（作图轨迹见图1）:1）、在分度圆上取任意一点为点A ,以点A为圆心，分别以p、（1+0.03 ） p为半径作弧, 交于分度圆点B、点C

6、;2）、以点A为圆心，d为半径作弧；以点C为圆心，p为半径作弧，两弧交于点D;3）、以点D为圆心，p为半径作弧，与经过点B的弧交于点E;4）、以点E为圆心，p-d/2为半径作弧；以点A为圆心，d为直径作弧，两圆弧相切， 即驱动轮一个轮齿齿廓的一半；5）、根据履带板结构，计算出相邻滚子圆心距e；6）、重复步骤1）6）,画处该轮齿齿廓的另一半，即两圆弧相切轮齿齿廓设计完成。2.2三圆弧-直线轮齿该结构来源于GB/T 1243-1997,主要不同之处在于， 驱动轮齿形半角T/2包含有一个 补偿角丫 。补偿角丫 越大，分度圆齿厚越小，所以在确定补偿角 丫 时，要根据履带板 结构，以及强度校核公式进行调

7、整。需要有补偿角丫的计算公式有：1）、齿顶圆弧中心03的坐标：. 180八W =1.3*d cos（ -y）-（公式五）;z1 80,V=1.3XdXsinL-T）-（公式六）；z2）、齿形半角Y/2 :.一64Y /2=17 -+丁- （公式七）；zd。P.180 sinzda=do(0.81.0)d（公式一） ；（公式二） ；图1其余公式与GB/T 1243-1997所提供的公式相同，这里不再赘述。3、强度校核校核驱动轮轮齿的弯曲强度和挤压强度。弯曲疲劳强度：S =W V Flim-（公式八）；接触疲劳强度：BH=0.418 |! x（ 1） V bHlim-（公式九）；2b d/2 R式

8、中T -驱动轮圆周力h -齿高W -抗弯截面系数E -材料的弹性模量R -接触点处齿形的曲率半径bl -链轮齿宽-滚子直径以p=150mm , z=10 , d =60mm为例，取分度圆齿宽42mm，查手册cF lim= 300MPa ;bHlim=750MPa绘制上述两中驱动轮轮齿，测量两种齿形的齿高分别为h1=28.1mm ; h2=28.6mm，计算抗弯截面系数W,并根据公式八、公式九计算得出FI=144.37MPa ;。2=142.46MPa ;HI=bH2=128.64MPa ;安 全系数SFI=。响/FI=2.07 ;SF2=bFlim/bF1=2.11 ； SH1=SH2=bHl

9、im/1=5.83。4、利用ANSYS workbench软件进行CAE分析通过ANSYS workbench软件进行CAE分析，验证驱动轮轮齿的安全系数。如图二 两圆弧轮齿所示，最大等效应力是132.36MPa,链轮材料的弯曲极限应力是930MPa，所以最大等效安全系数是Se = 930/132.36 = 7.03。如图三 三圆弧-直线轮齿所示，最大等效应力是134MPa,链轮材料的弯曲极限应力是930MPa，所以最大等效安全系数是Se = 930/134 = 6.94。EMTO图二两圆弧轮齿图三 三圆弧-直线轮齿5、结论大节距且特殊啮合的整体式履带板驱动链轮轮齿，在结构设计上有很大的灵活性，本文介绍了两种典型的驱动轮轮齿结构，三圆弧-直线齿形与两圆弧齿形相比，该齿形包括齿沟圆弧、工作段圆弧、齿顶圆弧，以及与工作段圆弧、齿顶圆弧都相切的直线段，轮齿表面 过渡平滑，在与履带板啮合转动过程中冲击小，所以三圆弧-直线轮齿齿形为优选齿形，合理选取齿宽、齿厚，提高驱动轮的可靠性。参考文献：1成大先 主编.机械设计手册M.北京：化学工业出版社，20032吉林工业大学拖拉机教研室.拖拉机设计下册M.吉林：吉林工业大学，19773