大型履带支重轮接触应力分析

（北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110142）

大型履带支重轮接触应力分析

张翼飞 刑 星

（北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110142）

本文结合产品设计研究了支重轮设计参数及上部结构载荷的分布情况，给出了支重轮的设计方法，根据支重轮与履带节的外形情况及Hertz理论公式提出了支重轮与履带接触应力的简化计算公式，并通过对支重轮整体三维模型的有限元接触应力的计算分析，验证了Hertz简化公式的正确性。

支重轮；接触应力；Hertz公式

露天矿大型排土机、斗轮挖掘机整机重量大， 整机重量通过支重轮以接触方式传至履带板，其设计直接关系着设备的安全。接触应力Hertz公式计算了最大接触应力，但是其许用值很难确定，本文结合产品设计过程中遇到的问题，给出了支重轮的设计方法和简化计算公式，并通过有限元接触分析证实了其合理性和实用性。

1 支重轮与履带节接触Hertz应力

支重轮通过一个固定的支重轮轴安装在两轮平衡梁上，支重轮在滑动轴承上绕支重轮轴转动，其结构见图1。

支重轮和履带节的接触表面设计成弧面，相当于增大了接触长度，假定履带节与支重轮是线接触，依据有效接触长度来进行计算，依据Hertz公式，则接触面轴线上的接触应力为：

式中：Prmax=2Pr=562.5 kN；E-支重轮和履带节材料弹性模量，206000Mpa；dr-支重轮直径，560mm；br-支重轮轮缘有效宽度，100mm；（56mm跑和前接触宽度）；σH-Hert应力，1136Mpa。

2 支重轮和轴套有限元接触分析

支重轮有限元计算模型及各部件名称如图2所示，支重轮、轴和轴套采用实体单元SOLID95；支重轮平衡梁采用板单元SHELL63，车架与轴之间采用杆单元LINK10（只承受压力不承受拉力），钢材的弹性模量，泊松比；轴套铸铝青铜的弹性模量，泊松比。轮和履带、轴和轴套均建立接触单元对其进行进行分析，接触单元对分别由目标单元TARGE170和接触单元CONTA174组成。

图1 支重轮结构简图

图2 有限元计算模型

在垂直载荷Prmax=562.5kN作用下（力施加在平衡梁上），支重轮与履带链接触压力和接触区域如下图3所示。接触区域近似一个狭长的矩形，和原来支重轮与履带链之间是线接触的假设吻合，在支重轮和履带节初期未跑和状态下有小接触宽度为br=56mm。接触应力最大为1094MPa，Hertz应力为1136MPa，二者相差小于5%，证明了Hertz简化公式的正确性。当支重轮和履带节运行一段时间后经过跑和磨损后其有效接触区宽度按照br=100mm来计算。

3 结论

1）露天矿作业工作温度随季节的变化较大。运行时支重轮承载整机重量，并与高锰钢履带节滚动摩擦，工作条件极其苛刻。并且由于结构限制很难更换。所以支重轮要求有良好的表面硬度和淬火深度，良好的基体强度、较好的综合性能和良好的低温韧性。由于铸件的材料性质不稳定废品率高，支重轮选择34Cr2Ni2Mo锻件材质。

2）提出了支重轮与履带线性接触的假设，并对经典Hertz公式进行了修正简化，通过接触分析验证了本文所提公式的合理性和实用性。

图3 支重轮与履带节接触区域

[1][德]W.Durst，W.Vogt. 斗轮挖掘机（斗轮挖掘机翻译组译）[M].天津：天津科技翻译出版公司，1992：177-198.

[2]Normenausschuss Bergbau （FABERG）im DIN. DIN 22261-2. Excavators，spreaders and auxiliary equipment in opencast lignite mines-Part 2∶ Calculation principles. Berlin∶ Alleinerkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH，2006∶1-43.

S219 < class="emphasis_bold"> 文献标识码：A

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