履带维修装配液压夹紧装置设计及有限元分析

宋 捷，吕红瑞，邓文星，牛帅帅

（1.山西机电职业技术学院，山西 长治 046012；2.山西航天清华装备有限责任公司，山西 长治046012）

0 引言

履带作为履带车辆整车的关键部件，是整车设备实现快速、稳定、可靠运行的保障组件，在整个系统中起着至关重要的作用。履带车辆的工作条件恶劣，特别是工作中行走过程中的履带需要承受较大的拉力、冲击力，随着履带车辆使用一段较长时间后，常发生履带断链、松动脱链、链磨损等故障，将使履带车辆无法行走和作业，维修此类故障往往耗费大量时间，对于整个工程按节点的完成有极大的影响。履带行走装置的维修效率成为目前影响履带车辆出勤率的关键因素，有必要改进现有装配维修技术，提高装配维修效率，从而实现履带的快速可靠装配，提高维修效率和安全性，减轻维修人员的劳动强度，解决目前履带车辆装配中存在的问题。针对不同损坏工况维修全过程，提取共性装配难点进行分析，设计出一套满足不同履带规格特点，具有可以快速更换的便携式履带维修装配液压夹紧装置[1-2]。

1 履带结构

履带结构如图1所示，主要是由主动轮驱动、负重轮、诱导轮、履带板、履带销、端部连接器等组成[3]。履带销及端部连接器等将各履带板连接起来构成履带链环，履带板的两端有孔，与主动轮啮合，另一头有诱导齿，用来规正履带，并防止履带车辆转向或侧倾行驶时履带脱落，中间为负重轮，在与地面接触的一面有加强防滑筋，以提高履带板的坚固性和履带与地面的附着力[4]。

图1 履带结构示意图

2 现有装维修装配工艺分析

通过梳理两种工况断链装配或换链维修的全流程，寻找制约维修的关键瓶颈问题，如图2、3所示。履带车辆履带维修中，常用的方法是依靠人力进行机械牵引夹紧两链板，对履带进行维修，实际维修过程中存在效率较低和安全隐患较大的问题。针对维修装配过程的问题和难点，通过设计技术要求的确定，工艺装备设计方案的制定，关键零部件设计及校核等几个方面，开展满足不同履带规格，可以快速更换的便携式履带维修装配液压夹紧装置的技术研究。

图2 履带换链流程图

图3 履带断链流程图

3 履带维修装配液压夹紧装置

3.1 确定设计技术要求

1）行走功能满足不同地点履带的安装，且结构简单，能拆卸便也携带运输；

2）适应不同高度位置履带板的安装；

3）具有自动夹紧功能，实现履带销的合拢，使要拆卸或安装的履带板之间预紧力为0 N，使端部连接器顺利取出或安装；

4）适应不同规格型号履带车辆的维修装配。

3.2 制定工艺装备设计方案

设计了柔性便携式履带维修装配液压夹紧工艺装置，如图4所示。该装置主要由行走机构、升降机构、夹紧机构，拆装头等组成。

图4 总体结构图

为解决以人力进行机械牵引夹紧两履带板，对断链或换链进行维修，致使劳动强度大的问题，设计了此种液压升降、夹紧手推行走的方案：首先购买市面成熟的液压搬运车作为行走机构的基础，在液压搬运车上用螺钉安装固定架，方便拆卸，作为升降机构的基准，升降机构一端与固定支架连接，一端与升降油缸支耳连接，通过油缸升降实现升降机构升降，夹紧机构可以绕升降机构旋转，满足不同角度位置履带的拆卸和装配，操作夹紧油缸使拆装头的半圆柱对准履带销，然后通过夹紧油缸收紧夹紧，使履带板预紧为0，完成履带销端部连接件的安装与拆卸。

3.3 关键零部件设计

1）行走机构设计

如图5所示，行走机构由液压搬运车、固定支架、升降臂支耳、升降油缸支耳组成，行走机构能为升降机构提供基准和行走功能，其中液压搬运车是液压千斤顶来进行升降的一种方便的小巧的运输工具，运动方便敏捷。选择DF20液压搬运车，由手柄、两叉子组成，可承载二吨左右的重物，参数如表1所示。行走机构轮子带刹车功能，能够在任何位置停止；固定支架采用钢管形式，满足基准刚度的要求。

表1 液压搬运车型号参数表

图5 行走机构结构图

2）升降机构

如图6所示，升降机构由升降油缸、升降臂、转接臂、万向臂等组成，升降油缸升降，带动升降臂绕行走机构中升降臂连接支耳旋转，从而使所有部件上升下降，从而实现夹紧机构的升降，为了夹紧机构能在空间适应不同角度履带板的安装，特设计万向臂，万向臂自身能在水平面内旋转，下端有夹紧油缸旋转支耳，能实现夹紧机构竖直平面的旋转，进而实现了夹紧机构的空间不同位置的要求，为了减少加工难度，特设计转接臂，连接升降臂和万向臂。此结构为放大结构，油缸每升降1 mm，夹紧油缸旋转轴升降4.5 mm，能够满足快速移动到合适位置的要求。

图6 升降机构结构图

3）夹紧机构

如图7所示，该机构由夹紧油缸、油缸固定支架、拆卸头连接座等组成。固定支架有三个功能，一是与万向臂连接，二是固定夹紧油缸外缸筒，三是为拆装头连接座移动提供轨道。为了适应不同规格履带的维修和安装，特设计安装座，可以根据不同规格调换安装座上的拆装头即可。为确保维修装配过程的可控，采用夹紧油缸加拉力传感器来实现对推力实时检测并显示，根据推力变化情况，及时反馈，一方面及时发现维修过程问题并进行调整[5]，另一方面实时监测夹紧力，确保可靠安装与拆卸。

图7 行走机构结构图

4）拆装头设计

为了能实现加紧油缸与履带销的快速连接，根据履带销结构特点，设计拆装头结构，如图8所示。半圆柱面用于履带销相连，下方孔与夹紧机构的连接座相连。可以根据不同履带规格更换此转接头，下方连接结构不变，更改上方尺寸即可满足不同规格履带的安装，其结构如图8所示。

图8 拆装头结构

3.4 关键零部件强度校核

升降部件升降臂和转接臂因为悬臂较长，承受前段所有的部件重量，拆卸头承受着整个个履带的拆卸力，都为关键受力件，因此对升降臂、转接臂和转接头进行强度校核[5]。

对升降臂、转接臂进行有限元分析，如图9所示为应力结果，等效应力最大为位于转角处，其数值为153 MPa。其材料为Q345A，热处理后屈服强度可达到345 MPa，安全系数为2.25，满足设计要求。

图9 升降臂、转接臂应力云图

查阅资料某规格履带的平均张紧力为30 kN[6]，安装拆卸时需对此规格拆卸头进行强度校核及对拆卸头进行有限元分析，如图10所示为应力结果，最大等效应力最大位于螺纹连接孔处，其数值为310 MPa。拆卸头材料为30CrMnSiA，热处理后屈服强度可达到900 MPa，安全系数为2.9，满足拆卸的设计要求。

图10 拆卸头应力云图

3.5 结构方法特点

1）具有快速可更换夹紧拆装头功能，适用于不同履带车辆的不同规格履带的维修。

2）具有便携式，可移动的特点，有利于在各种极端恶劣维修环境的使用。

3）液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小；液压元件可以实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。

3.6 使用方法

1）更换后履带定好位置，根据不同履带规格更换拆装头，将履带维修装配液压夹紧装置靠近要维修的履带车辆。

2）根据履带维修的位置启动升降油缸，使头拆装头移动到合适位置。

3）控制夹紧油缸伸缩，使拆装头处于张开状态。

4）晃动夹紧机构使两端拆装头半圆柱面分别于履带板上两端履带销连接。

5）启动夹紧油缸使履带销合拢，使要维修的履带板之间的预紧力为零。

6）安装端部连接件。

7）安装紧定螺钉。

4 结束语

针对现有履带装配维修的特点及难点，通过确定履带装配工艺装置的技术要求，制定工艺装置的设计方案及对关键零部件设计开展工艺装置的研制，并对关键部件进行了有限元分析校核，最终设计出功能和强度都满足要求的维修装配液压夹紧装置，并介绍了该装置的特点及使用方法。履带维修装配液压夹紧装置的使用，使履带夹紧不再靠人工机械装配，工人可从笨重体力劳动中解放出来，有良好的应用前景，达到了提高效率和解放劳动力的目的。