大型履带行走装置履带架及门架多工况有限元分析

刘刚

摘 要：为了在设计阶段保证大型履带行走装置履带架强度，建立了大型履带行走装置履带架多工况有限元模型，并针对各工况探讨边界条件。基于ANSYS软件计算的各工况下履带架典型的应力分布。结果表明转向工况履带架应力最大，设计时需注意。本文研究结果有助于大型履带行走装置设计。

关键词：大型 履带架 有限元

中图分类号：TH212 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0119-01

矿山机械，如破碎站、斗轮挖掘机、堆取料机等，工作于矿山环境，设备巨大，自重可达千吨以上。这类设备连续开采，一旦因故障停机，将会造成巨大的经济损失。

这类矿山重型机械大多采用大型履带行走装置、多履带行走装置，实现设备的移动。履带行走装置的工作可靠性严重影响着矿山的工作效率，间接影响着矿山经济效益。因此，在设计阶段必须保证大型履带行走装置的强度。履带架为大型履带行走装置的核心零件，其强度决定着整个履带行走装置，以至于整个矿山机械的工作可靠性，因此，必须在设计阶段保证履带架的强度。

关于履带架的强度计算方法，公开发表的论文较多，这些论文大多针对小型履带架进行研究，而大型履带行走装置具有其自身独特工作工况，因此，有必要针对大型履带行走装置的核心零件——履带架进行研究，从而为履带架设计提供保证。本文应用ANSYS软件针对大型履带架建立了多工况有限元模型，研究其在不同工况下的应力分布特点。

1 建模

1.1 几何模型

本文所研究的承重1200 t大型履带行走装置履带架及门架三维模型如图1所示，应用三维建模软件solidworks建模。

1.2 有限元模型

由于履带架主要由板件焊接而成，应用板壳单元分析，计算效率和结果准确度均能保证。因此，将模型导入专业网格划分软件hypermesh中，抽取中面并进行网格划分。将网格模型但边界条件施加及提交计算，导入ansys软件后的网格模型如图2所示。该模型采用整体结构划分网格而成，单元类型shell63，线弹性材料弹性模量E=2.3e5（米制单位）、密度7.8e-3kg/mm3，共50万个单元。针对该模型进行个网格尺寸研究，最终确定50万个单元能保证工程上计算精度要求。

2 工况及边界条件

大型履带行走装置工况主要有直行工况、转向工况、空载爬坡工况，本文针对这些典型工况，应用履带架网格模型，施加不同的边界条件，模拟实际工作过程，研究履带架应力分布特点。

2.1 直行工况

直行工况履带架所受载荷及约束施加如图3所示，上部载荷通过节点力直接分布施加于履带架与上部结构连接处。通过梁单元模拟承重轮，承重轮处施加竖直方向位移约束，驱动轮处施加前后方向的位移约束，并在导向轮处施加行进阻力，以及将承重轮内摩擦阻力施加于相应位置节点处。

2.2 转向工况

转向工况约束载荷如图4所示，施加履带与地面之间的摩擦阻力矩，约束一侧的驱动轮处行进方向自由度及承重轮处竖直方向自由度。

2.3 空载爬坡工况

空载爬坡工况边界条件如图5所示，及将直行工况中物料质量去除（空载），并将整体迫性调整一爬坡角度。约束条件同直行工况。

3 结语

计算结果如图6所示，本文对各工况最大应力进行统计，如表1。

从表中可以看出：不同工况最大应力出现的位置也不同，其中应力最大值出现在转向工况下，因此在设计时，针对转向工况的强度计算要注意。

参考文献

[1] 高一平，王欣，高顺德，等.200吨履带起重机履带架结构设计与有限元分析[J].机械设计与制造，2004（5）：71-72.

[2] 成凯，王锌，赵二飞.履带起重机履带架的非线性有限元分析[J].中国工程机械学报，2009（3）：68-72.

[3] 胡方海，王智永.履带架三维结构拓扑优化及ANSYS实现[J].煤矿机械，2009（12）：74-77.endprint

摘 要：为了在设计阶段保证大型履带行走装置履带架强度，建立了大型履带行走装置履带架多工况有限元模型，并针对各工况探讨边界条件。基于ANSYS软件计算的各工况下履带架典型的应力分布。结果表明转向工况履带架应力最大，设计时需注意。本文研究结果有助于大型履带行走装置设计。

关键词：大型 履带架 有限元

中图分类号：TH212 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0119-01

矿山机械，如破碎站、斗轮挖掘机、堆取料机等，工作于矿山环境，设备巨大，自重可达千吨以上。这类设备连续开采，一旦因故障停机，将会造成巨大的经济损失。

这类矿山重型机械大多采用大型履带行走装置、多履带行走装置，实现设备的移动。履带行走装置的工作可靠性严重影响着矿山的工作效率，间接影响着矿山经济效益。因此，在设计阶段必须保证大型履带行走装置的强度。履带架为大型履带行走装置的核心零件，其强度决定着整个履带行走装置，以至于整个矿山机械的工作可靠性，因此，必须在设计阶段保证履带架的强度。

关于履带架的强度计算方法，公开发表的论文较多，这些论文大多针对小型履带架进行研究，而大型履带行走装置具有其自身独特工作工况，因此，有必要针对大型履带行走装置的核心零件——履带架进行研究，从而为履带架设计提供保证。本文应用ANSYS软件针对大型履带架建立了多工况有限元模型，研究其在不同工况下的应力分布特点。

1 建模

1.1 几何模型

本文所研究的承重1200 t大型履带行走装置履带架及门架三维模型如图1所示，应用三维建模软件solidworks建模。

1.2 有限元模型

由于履带架主要由板件焊接而成，应用板壳单元分析，计算效率和结果准确度均能保证。因此，将模型导入专业网格划分软件hypermesh中，抽取中面并进行网格划分。将网格模型但边界条件施加及提交计算，导入ansys软件后的网格模型如图2所示。该模型采用整体结构划分网格而成，单元类型shell63，线弹性材料弹性模量E=2.3e5（米制单位）、密度7.8e-3kg/mm3，共50万个单元。针对该模型进行个网格尺寸研究，最终确定50万个单元能保证工程上计算精度要求。

2 工况及边界条件

大型履带行走装置工况主要有直行工况、转向工况、空载爬坡工况，本文针对这些典型工况，应用履带架网格模型，施加不同的边界条件，模拟实际工作过程，研究履带架应力分布特点。

2.1 直行工况

直行工况履带架所受载荷及约束施加如图3所示，上部载荷通过节点力直接分布施加于履带架与上部结构连接处。通过梁单元模拟承重轮，承重轮处施加竖直方向位移约束，驱动轮处施加前后方向的位移约束，并在导向轮处施加行进阻力，以及将承重轮内摩擦阻力施加于相应位置节点处。

2.2 转向工况

转向工况约束载荷如图4所示，施加履带与地面之间的摩擦阻力矩，约束一侧的驱动轮处行进方向自由度及承重轮处竖直方向自由度。

2.3 空载爬坡工况

空载爬坡工况边界条件如图5所示，及将直行工况中物料质量去除（空载），并将整体迫性调整一爬坡角度。约束条件同直行工况。

3 结语

计算结果如图6所示，本文对各工况最大应力进行统计，如表1。

从表中可以看出：不同工况最大应力出现的位置也不同，其中应力最大值出现在转向工况下，因此在设计时，针对转向工况的强度计算要注意。

参考文献

[1] 高一平，王欣，高顺德，等.200吨履带起重机履带架结构设计与有限元分析[J].机械设计与制造，2004（5）：71-72.

[2] 成凯，王锌，赵二飞.履带起重机履带架的非线性有限元分析[J].中国工程机械学报，2009（3）：68-72.

[3] 胡方海，王智永.履带架三维结构拓扑优化及ANSYS实现[J].煤矿机械，2009（12）：74-77.endprint

摘 要：为了在设计阶段保证大型履带行走装置履带架强度，建立了大型履带行走装置履带架多工况有限元模型，并针对各工况探讨边界条件。基于ANSYS软件计算的各工况下履带架典型的应力分布。结果表明转向工况履带架应力最大，设计时需注意。本文研究结果有助于大型履带行走装置设计。

关键词：大型 履带架 有限元

中图分类号：TH212 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0119-01

矿山机械，如破碎站、斗轮挖掘机、堆取料机等，工作于矿山环境，设备巨大，自重可达千吨以上。这类设备连续开采，一旦因故障停机，将会造成巨大的经济损失。

这类矿山重型机械大多采用大型履带行走装置、多履带行走装置，实现设备的移动。履带行走装置的工作可靠性严重影响着矿山的工作效率，间接影响着矿山经济效益。因此，在设计阶段必须保证大型履带行走装置的强度。履带架为大型履带行走装置的核心零件，其强度决定着整个履带行走装置，以至于整个矿山机械的工作可靠性，因此，必须在设计阶段保证履带架的强度。

关于履带架的强度计算方法，公开发表的论文较多，这些论文大多针对小型履带架进行研究，而大型履带行走装置具有其自身独特工作工况，因此，有必要针对大型履带行走装置的核心零件——履带架进行研究，从而为履带架设计提供保证。本文应用ANSYS软件针对大型履带架建立了多工况有限元模型，研究其在不同工况下的应力分布特点。

1 建模

1.1 几何模型

本文所研究的承重1200 t大型履带行走装置履带架及门架三维模型如图1所示，应用三维建模软件solidworks建模。

1.2 有限元模型

由于履带架主要由板件焊接而成，应用板壳单元分析，计算效率和结果准确度均能保证。因此，将模型导入专业网格划分软件hypermesh中，抽取中面并进行网格划分。将网格模型但边界条件施加及提交计算，导入ansys软件后的网格模型如图2所示。该模型采用整体结构划分网格而成，单元类型shell63，线弹性材料弹性模量E=2.3e5（米制单位）、密度7.8e-3kg/mm3，共50万个单元。针对该模型进行个网格尺寸研究，最终确定50万个单元能保证工程上计算精度要求。

2 工况及边界条件

大型履带行走装置工况主要有直行工况、转向工况、空载爬坡工况，本文针对这些典型工况，应用履带架网格模型，施加不同的边界条件，模拟实际工作过程，研究履带架应力分布特点。

2.1 直行工况

直行工况履带架所受载荷及约束施加如图3所示，上部载荷通过节点力直接分布施加于履带架与上部结构连接处。通过梁单元模拟承重轮，承重轮处施加竖直方向位移约束，驱动轮处施加前后方向的位移约束，并在导向轮处施加行进阻力，以及将承重轮内摩擦阻力施加于相应位置节点处。

2.2 转向工况

转向工况约束载荷如图4所示，施加履带与地面之间的摩擦阻力矩，约束一侧的驱动轮处行进方向自由度及承重轮处竖直方向自由度。

2.3 空载爬坡工况

空载爬坡工况边界条件如图5所示，及将直行工况中物料质量去除（空载），并将整体迫性调整一爬坡角度。约束条件同直行工况。

3 结语

计算结果如图6所示，本文对各工况最大应力进行统计，如表1。

从表中可以看出：不同工况最大应力出现的位置也不同，其中应力最大值出现在转向工况下，因此在设计时，针对转向工况的强度计算要注意。

参考文献

[1] 高一平，王欣，高顺德，等.200吨履带起重机履带架结构设计与有限元分析[J].机械设计与制造，2004（5）：71-72.

[2] 成凯，王锌，赵二飞.履带起重机履带架的非线性有限元分析[J].中国工程机械学报，2009（3）：68-72.

[3] 胡方海，王智永.履带架三维结构拓扑优化及ANSYS实现[J].煤矿机械，2009（12）：74-77.endprint