修機(jī)｜履帶式挖掘機(jī)行走裝置驅(qū)動(dòng)輪掉塊斷齒故障分析

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、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、分析（引用數(shù)據(jù)為其中 1 件的檢測結(jié)果）。

3.1.1  檢測化學(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。用超聲波探傷檢測隨機(jī)抽取的驅(qū)動(dòng)輪，檢測結(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硬度，檢測結(jié)果如圖 2b 所示。檢測結(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?？紤]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