提高矿用大型挖掘机中履带销轴的使用寿命

梁嫣丽， 赵腾云

（1.太原重工股份有限公司技术中心， 山西 太原 030024； 2.矿山采掘装备及智能制造国家实验室， 山西 太原 030024）

0 引言

履带行走装置是由底架梁、履带架、履带及行走传动机构组成。 履带是由履带板用连接销轴连接起来构成的一个封闭环，用来支承整机，并传递压力及传递牵引力使整机运行。 对于矿用大型挖掘机，多用整体铸造履带板，通过合金销轴将各个履带板连接在一起，由于销子孔长，滚动阻力大，间隙大，混入沙土，磨损较快。

在矿用挖掘机使用过程中， 挖掘机在使用2 个月左右， 履带销断裂的比例达到了80%以上。 为有效提高矿用大型挖掘机中履带销轴的使用寿命， 成立 “履带销攻关”QC 小组，利用PDCA 循环技术，旨在有效解决履带销在挖掘机现场的合理使用。

1 现状调查及可行性分析

小组成员对履带销轴的更换影响大型矿用挖掘机正常工作时间的现状进行调查， 通过对大型矿用挖掘机在两个不同用户的使用情况分析， 发现由于履带销轴断裂等原因造成履带销轴更换并影响到大型矿用挖掘机的正常工作时间的比例达82%，因此，确定履带销轴的断裂是造成履带销轴更换的主要原因。

为了详细掌握大型矿用挖掘机在两个不同的工况用户的使用情况，小组成员深入矿用挖掘机使用现场，跟踪履带销轴的使用情况， 并对两个工况下的履带销轴更换情况进行分析对比。

通过对大型矿用挖掘机在两种工况下使用中， 履带销轴的更换情况分析， 认为履带销轴频繁更换是由于履带销轴使用过程中受力不均匀、材料、人员操作等方面原因造成的，从这几方面入手，以提高大型矿用挖掘机履带销轴的使用寿命。

2 原因分析

小组人员经过现场调研分析， 运用头脑风暴法绘制了关联图，并确定了6 项末端影响因素，并制定了要因确认表，见表1。

表1 要因确认表Tab.1 Main cause confirmation form

3 要因确认

确认因素一：挖掘机行走时两侧受力不均衡

经过现场跟踪观察， 两个工况下大型矿用挖掘机行走转弯，均有不同程度的单边机构操作情况，这样就会造成履带板及销轴的过度使用。

挖掘机行走转弯时两侧受力不均衡是造成履带销轴频繁更换的要因之一。

确认因素二：履带销轴磨损严重

大型矿用挖掘机两侧履带链分别由多个履带销轴将履带板串联而成， 尽管履带销轴是矿用挖掘机的易损零件，但履带销在使用过程的过早过度磨损，会影响到挖掘机的行走。

经过现场观察，挖掘机在行走时的驱动力变化、履带板所受压力的变化以及地面支撑力的变化均对履带销轴的磨损情况有严重的影响。

履带销轴使用中磨损严重是造成履带销轴使用寿命低的要因之一。

确认因素三：履带销轴断裂发生频繁

当履带销轴在使用过程中，销轴磨损到一定程度，会引起销轴直径的减少；当销轴直径减少到一定程度，履带销轴就没有能力承受挖掘机行走的牵引力， 这时就会发生履带销轴的断裂。

履带销轴使用中断裂发生频繁是造成履带销轴使用寿命低的要因之一。

确认因素四：维护人员未及时更换履带板

现场确认，小组人员跟踪挖掘机运行情况，履带板更换的频率对于履带销轴的使用寿命并未产生影响。

维护人员未及时更换履带板为非要因。

确认因素五：操作司机技术水平不高

现场确认，小组人员核实，操作司机均通过了职业技能鉴定考核，理论考试成绩与现场操作成绩均达到90 分以上，司机持证上岗率100%。

操作司机技术水平不高为非要因。

确认因素六：挖掘机使用工况恶劣

现场确认，挖掘机使用工况恶劣为非要因。

经过小组全体成员对以上6 个末端因素的逐一确认， 最终确定以下3 个因素为造成履带销轴寿命降低的主要原因：挖掘机行走时两侧受力不均衡、履带销轴磨损严重、履带销轴断裂发生频繁。

4 制定对策

针对要因1，挖掘机行走时两侧受力不均衡。 小组采取了改进矿用挖掘机行走操作规范的对策，操作规范中规定司机在转弯时必须双端驱动，避免单端履带板及其销子过度使用，以延长履带板及其履带板销子的使用寿命。

针对要因2、3，履带销轴磨损严重、履带销轴断裂发生频繁。 小组采取的对策是对履带销轴受力进行理论分析，对履带销进行加载，进一步进行有限元分析，并对理论分析结果进行校核与验证； 对履带销轴进行材料金相组织分析和力学性能分析， 确定履带销轴的设计优化及制造工艺优化方案。

结合以上对策的实施，在使用现场进行验证。

5 对策实施

实施一：改进矿用挖掘机行走操作规范

从挖掘机电气行走控制入手，司机单端操作时，另一端制动器未打开，限制其行走速度，使其不能移动；另一端制动器打开，速度给定值为零时，限制其电机的最大力矩为正常值的60%；只有在双端制动器全部打开，双侧速度给定值均超过10%，力矩限制、速度限制恢复正常值，电铲在双端履带共同作用下完成转弯与行走。 改进控制之后，履带销轴在使用过程中的磨损程度大大减少。

实施二：对履带销轴进行理论及有限元分析、金相组织分析、优化设计

根据履带装置受力原理，通过行走电机最大转矩和行走驱动轮直径计算出履带销承受的最大拉力。 根据力学原理，履带销可能受到的力包含剪应力、挤压应力和弯曲应力[1，3]。再用有限元的方法对履带销受力进行分析和校核。

通过上述分析计算， 说明履带销轴的结构设计和材料选择完全满足用户要求。从现场取回断裂的履带销，进行化学成分化验、 表面硬度检测分析以及力学性能分析，结果表明，材料的成分、硬度要求和力学性能均满足设计要求。

通过金相检验试验，履带销芯部为回火索氏体，切面图能看出由于表面微裂纹导致整个履带销的脆断； 从履带销断口也能看出， 履带销基本没有经过表面的磨损直接造成了本体的断裂，基本可以判断是热处理的问题。

从优化履带销轴加工工艺入手， 履带销热处理方式是调质然后表面淬火，现场和实验表现为表面出现微裂纹，导致履带销在设备工作过程中， 由于受到冲击导致履带销首先从表面裂纹处进行开裂延伸，导致履带销出现快速断裂。因此找到相似工况，相似材料的履带销进行了实验分析。根据实验结果，合理匹配了调质硬度和表面淬火硬度的关系。

6 结束语

通过改进矿用挖掘机行走操作规范、 优化设计及优化加工工艺后的履带销，经过现场实验验证效果良好，解决了现场的履带销的过度磨损及断裂问题。

通过本次QC 小组活动，小组成员应用质量工具，采用PDCA 循环技术，进一步提升了设计质量意识，科学地应用了QC 方法以及解决问题的思路， 有效地解决了履带销轴的过度磨损、断裂问题，经过现场试验验证，改进后的履带销轴使用效果良好， 从而提高了矿用大型挖掘机中履带销轴的使用寿命。