履帶式挖掘機(jī)行走裝置驅(qū)動(dòng)輪在整機(jī)移動(dòng),、轉(zhuǎn)場,、爬坡,、牽引等工作中發(fā)揮著重要作用。其驅(qū)動(dòng)輪損壞后不但維修困難,、影響挖掘機(jī)正常使用,，還會(huì)影響履帶、支重輪,、履帶架等結(jié)構(gòu)件的使用壽命,。本文通過對(duì)中聯(lián)早期 ZE360E 型履帶式挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)輪掉塊,、斷齒故障進(jìn)行分析,、檢測(cè)、排查,，為中大型挖掘機(jī)履帶行走裝置驅(qū)動(dòng)輪合理設(shè)計(jì),、故障排查提供幫助。

1  故障現(xiàn)象

我公司早期生產(chǎn)的 ZE360E 型履帶式挖掘機(jī)工作 1000h 后,，其驅(qū)動(dòng)輪不同程度出現(xiàn)掉塊,、斷齒故障，斷齒部位主要集中在齒根圓弧位置,，如圖 1所示,。

2  故障原因

初步分析該型挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)輪掉塊和斷齒可能有以下 4 種原因：一是驅(qū)動(dòng)輪鑄造、熱處理存在缺陷,；二是驅(qū)動(dòng)輪材質(zhì)強(qiáng)度不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),；三是驅(qū)動(dòng)輪過軟或過硬,，造成變形掉塊或脆硬掉塊；四是驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,，造成局部應(yīng)力集中,。

3  故障排查

3.1 檢測(cè)分析

為排查故障原因，我們隨機(jī)抽取了損壞后返廠的驅(qū)動(dòng)輪,，進(jìn)行檢測(cè),、分析（引用數(shù)據(jù)為其中 1 件的檢測(cè)結(jié)果）。

3.1.1  檢測(cè)化學(xué)成分和金相組織

該型挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)輪使用 SCSiMn2H型高淬透性硅錳鑄鋼鑄造,，檢測(cè)隨機(jī)抽取的驅(qū)動(dòng)輪的化學(xué)成分,，其結(jié)果如表 1所示。檢測(cè)結(jié)果表明,，化學(xué)成分符合SCSiMn2H 高淬透性硅錳鑄鋼標(biāo)準(zhǔn),。

3.1.2  檢測(cè)熱處理質(zhì)量

驅(qū)動(dòng)輪鑄造后，其熱處理工藝為正火→表面中頻淬火→回火,。如果輪體在鑄造時(shí)冷卻過快,，會(huì)出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷,；如果熱處理過程溫度,、時(shí)間不合理，無法取得符合要求的金相組織,，會(huì)影響驅(qū)動(dòng)輪整體強(qiáng)度,，使用中會(huì)發(fā)生斷裂。用超聲波探傷檢測(cè)隨機(jī)抽取的驅(qū)動(dòng)輪,，檢測(cè)結(jié)果均未顯示有裂紋,、氣孔、夾雜,、組織松散等鑄造,、熱處理質(zhì)量問題。進(jìn)行金相檢測(cè)表明,，有效淬硬層深度金相組織為回火馬氏體 + 奧氏體 4 級(jí),，晶粒度 7.0～ 7.5 級(jí)，金相組織符合熱處理后的技術(shù)要求,。

3.1.3  檢驗(yàn)硬度

驅(qū)動(dòng)輪熱處理正火后,，要求芯部硬度≥ 170HB；表面中頻淬火后,，硬度要求為 HRC48 ～ 55,，齒頂 12mm 及齒根 4mm 深處硬度≥ HRC45，驅(qū)動(dòng)輪各層硬度設(shè)計(jì)要求如圖 2a 所示,。

如果熱處理后表面硬度過高,，會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂,。我們將驅(qū)動(dòng)輪輪齒逐層拋開檢測(cè)硬度，檢測(cè)結(jié)果如圖 2b 所示,。檢測(cè)結(jié)果表明,，驅(qū)動(dòng)輪各深度的硬度符合設(shè)計(jì)要求。

由檢測(cè)結(jié)果可知,，驅(qū)動(dòng)輪材質(zhì),、熱處理、硬度均符合設(shè)計(jì)要求,，不是出現(xiàn)該故障的主要原因,。

3.2  受力分析

我們分析履帶式挖掘機(jī)行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪的受力狀況，該型挖掘機(jī)履帶行走系統(tǒng)主要由履帶架,、行走馬達(dá),、驅(qū)動(dòng)輪、支重輪,、引導(dǎo)漲緊輪,、托輪、履帶總成,、夾軌器等組成,，如圖 3a 所示。挖掘機(jī)行走時(shí)各輪體沿履帶軌道滾動(dòng),，行走馬達(dá)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪,、驅(qū)動(dòng)輪撥動(dòng)履帶銷軸實(shí)現(xiàn)行走，如圖 3b 所示,。從以上挖掘機(jī)行走系統(tǒng)原理和驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)可以看出：在極端工況下,，履帶銷以挖掘機(jī)最大牽引力 F 擠壓驅(qū)動(dòng)輪齒根部位，我們以此處受力狀況對(duì)驅(qū)動(dòng)輪強(qiáng)度進(jìn)行校核,。

SCSiMn2H 型高淬透性硅錳鑄鋼的屈服強(qiáng)度 σ 屈為 490MPa,。考慮到驅(qū)動(dòng)輪沖擊載荷頻繁,，轉(zhuǎn)彎靠單側(cè)履帶驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)差速,，所以轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)輪輪齒根部受力最大,，故安全系數(shù) K 取 2.0,。驅(qū)動(dòng)輪輪齒根部的許用應(yīng)力 σ 許應(yīng)按下式計(jì)算：

σ _許 =σ _屈 /K=245 MPa

式中：σ _許——許用應(yīng)力，MPa ,；

σ _屈——屈服強(qiáng)度,，取 490 MPa ；

K——安全系數(shù),，取 2,。

為了精確分析驅(qū)動(dòng)輪受力狀況,，我 們 使 用 ANSYS 軟 件 給 ZE360E 型挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)輪建立三維模型，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析,，使用 ANSYS 軟件分析結(jié)果如圖 4 所示,，分析結(jié)果表明，該型挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)輪齒根部位的應(yīng)力值為 318MPa,，該應(yīng)力大于設(shè)計(jì)要求的245MPa 許用應(yīng)力值,。

3.3 對(duì)比分析

為了找出應(yīng)力過大的原因，我們采用相同的方法又對(duì)未出現(xiàn)開裂,、斷齒的ZE230E 型挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行了分析,。

該機(jī)驅(qū)動(dòng)輪輪齒根部進(jìn)行了加強(qiáng)，邊沿設(shè)計(jì)了過渡圓弧,，如圖 5b 所示,。分析結(jié)果表明，ZE230E 型挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)輪輪齒根部位的應(yīng)力為 207MPa,，小于設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力 245MPa,。

ZE360E 型 挖 掘 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 輪 齒 邊 過渡設(shè)計(jì)為直角過渡，如圖 5a 所示,，與ZE230E 驅(qū)動(dòng)輪圓弧過渡相比,，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

通過檢測(cè)分析,、受力分析和對(duì)比分析可以看出,，ZE360E 驅(qū)動(dòng)輪掉塊、開裂的主要原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,，齒根位置受擠壓時(shí)應(yīng)力過于集中,，最大應(yīng)力超出了材料許用應(yīng)力。

4   改進(jìn)方法

根 據(jù) 以 上 計(jì) 算 結(jié) 果,， 我 們 對(duì)ZE360E 型挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn),。改進(jìn)后輪齒的齒邊由直角過渡改為圓弧過渡，齒根部進(jìn)行了加強(qiáng),。改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)如圖 6 所示,。

我們使用 ANSYS 軟件對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)后驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行了應(yīng)力分析，其最大應(yīng)力值為 219MPa,，該應(yīng)力值小于設(shè)計(jì)要求的 245MPa 應(yīng)力值,，符合設(shè)計(jì)要求。我們按照改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)制作了新的驅(qū)動(dòng)輪,，安裝在該型挖掘機(jī)上,，經(jīng)過長期的市場驗(yàn)證，改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)輪再未出現(xiàn)掉塊、斷齒故障,。該項(xiàng)改進(jìn)方法表明在大型挖掘機(jī)設(shè)計(jì)中,，用于關(guān)鍵受力的鍛件或鑄件，應(yīng)盡量避免使用直角過渡結(jié)構(gòu),，以免造成應(yīng)力集中,，影響零部件設(shè)計(jì)壽命。

作者：韓偉平 王穩(wěn)穩(wěn) 秦勇

來源：《工程機(jī)械與維修》2018年第4期