履帶式挖掘機行走裝置驅動輪在整機移動、轉場、爬坡、牽引等工作中發(fā)揮著重要作用。其驅動輪損壞后不但維修困難、影響挖掘機正常使用，還會影響履帶、支重輪、履帶架等結構件的使用壽命。本文通過對中聯(lián)早期 ZE360E 型履帶式挖掘機驅動輪掉塊、斷齒故障進行分析、檢測、排查，為中大型挖掘機履帶行走裝置驅動輪合理設計、故障排查提供幫助。
1 故障現象
我公司早期生產的 ZE360E 型履帶式挖掘機工作 1000h 后，其驅動輪不同程度出現掉塊、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驅動輪掉塊和斷齒可能有以下 4 種原因：一是驅動輪鑄造、熱處理存在缺陷；二是驅動輪材質強度不符合質量標準；三是驅動輪過軟或過硬，造成變形掉塊或脆硬掉塊；四是驅動輪結構設計不合理，造成局部應力集中。
3 故障排查
3.1 檢測分析
為排查故障原因，我們隨機抽取了損壞后返廠的驅動輪，進行檢測、分析（引用數據為其中 1 件的檢測結果）。
3.1.1 檢測化學成分和金相組織
該型挖掘機驅動輪使用 SCSiMn2H型高淬透性硅錳鑄鋼鑄造，檢測隨機抽取的驅動輪的化學成分，其結果如表 1所示。檢測結果表明，化學成分符合SCSiMn2H 高淬透性硅錳鑄鋼標準。
3.1.2 檢測熱處理質量
驅動輪鑄造后，其熱處理工藝為正火→表面中頻淬火→回火。如果輪體在鑄造時冷卻過快，會出現氣孔、裂紋等缺陷；如果熱處理過程溫度、時間不合理，無法取得符合要求的金相組織，會影響驅動輪整體強度，使用中會發(fā)生斷裂。用超聲波探傷檢測隨機抽取的驅動輪，檢測結果均未顯示有裂紋、氣孔、夾雜、組織松散等鑄造、熱處理質量問題。進行金相檢測表明，有效淬硬層深度金相組織為回火馬氏體 + 奧氏體 4 級，晶粒度 7.0～ 7.5 級，金相組織符合熱處理后的技術要求。
3.1.3 檢驗硬度
驅動輪熱處理正火后，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，驅動輪各層硬度設計要求如圖 2a 所示。
如果熱處理后表面硬度過高，會出現脆性斷裂。我們將驅動輪輪齒逐層拋開檢測硬度，檢測結果如圖 2b 所示。檢測結果表明，驅動輪各深度的硬度符合設計要求。
由檢測結果可知，驅動輪材質、熱處理、硬度均符合設計要求，不是出現該故障的主要原因。
3.2 受力分析
我們分析履帶式挖掘機行走系統(tǒng)驅動輪的受力狀況，該型挖掘機履帶行走系統(tǒng)主要由履帶架、行走馬達、驅動輪、支重輪、引導漲緊輪、托輪、履帶總成、夾軌器等組成，如圖 3a 所示。挖掘機行走時各輪體沿履帶軌道滾動，行走馬達帶動驅動輪、驅動輪撥動履帶銷軸實現行走，如圖 3b 所示。從以上挖掘機行走系統(tǒng)原理和驅動輪結構可以看出：在極端工況下，履帶銷以挖掘機最大牽引力 F 擠壓驅動輪齒根部位，我們以此處受力狀況對驅動輪強度進行校核。
SCSiMn2H 型高淬透性硅錳鑄鋼的屈服強度 σ 屈為 490MPa?？紤]到驅動輪沖擊載荷頻繁，轉彎靠單側履帶驅動實現差速，所以轉向時驅動輪輪齒根部受力最大，故安全系數 K 取 2.0。驅動輪輪齒根部的許用應力 σ 許應按下式計算：
σ 許 =σ 屈 /K=245 MPa
式中：σ 許——許用應力，MPa ；
σ 屈——屈服強度，取 490 MPa ；
K——安全系數，取 2。
為了精確分析驅動輪受力狀況，我 們 使 用 ANSYS 軟 件 給 ZE360E 型挖掘機驅動輪建立三維模型，對其進行應力分析，使用 ANSYS 軟件分析結果如圖 4 所示，分析結果表明，該型挖掘機驅動輪齒根部位的應力值為 318MPa，該應力大于設計要求的245MPa 許用應力值。
3.3 對比分析
為了找出應力過大的原因，我們采用相同的方法又對未出現開裂、斷齒的ZE230E 型挖掘機驅動輪進行了分析。
該機驅動輪輪齒根部進行了加強，邊沿設計了過渡圓弧，如圖 5b 所示。分析結果表明，ZE230E 型挖掘機驅動輪輪齒根部位的應力為 207MPa，小于設計的許用應力 245MPa。
ZE360E 型 挖 掘 機 驅 動 輪 齒 邊 過渡設計為直角過渡，如圖 5a 所示，與ZE230E 驅動輪圓弧過渡相比，容易產生應力集中。
通過檢測分析、受力分析和對比分析可以看出，ZE360E 驅動輪掉塊、開裂的主要原因是結構設計不合理，齒根位置受擠壓時應力過于集中，最大應力超出了材料許用應力。
4 改進方法
根 據 以 上 計 算 結 果， 我 們 對ZE360E 型挖掘機驅動輪的設計進行了改進。改進后輪齒的齒邊由直角過渡改為圓弧過渡，齒根部進行了加強。改進后的驅動輪結構如圖 6 所示。
我們使用 ANSYS 軟件對改進設計后驅動輪進行了應力分析，其最大應力值為 219MPa，該應力值小于設計要求的 245MPa 應力值，符合設計要求。我們按照改進后的結構制作了新的驅動輪，安裝在該型挖掘機上，經過長期的市場驗證，改進后的驅動輪再未出現掉塊、斷齒故障。該項改進方法表明在大型挖掘機設計中，用于關鍵受力的鍛件或鑄件，應盡量避免使用直角過渡結構，以免造成應力集中，影響零部件設計壽命。
作者：韓偉平 王穩(wěn)穩(wěn) 秦勇
來源：《工程機械與維修》2018年第4期
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修機｜履帶式挖掘機行走裝置驅動輪掉塊斷齒故障分析
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履帶式挖掘機行走裝置驅動輪在整機移動、轉場、爬坡、牽引等工作中發(fā)揮著重要作用。其驅動輪損壞后不但維修困難、影響挖掘機正常使用，還會影響履帶、支重輪、履帶架等結構件的使用壽命。本文通過對中聯(lián)早期 ZE360E 型履帶式挖掘機驅動輪掉塊、斷齒故障進行分析、檢測、排查，為中大型挖掘機履帶行走裝置驅動輪合理設計、故障排查提供幫助。
1 故障現象
我公司早期生產的 ZE360E 型履帶式挖掘機工作 1000h 后，其驅動輪不同程度出現掉塊、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驅動輪掉塊和斷齒可能有以下 4 種原因：一是驅動輪鑄造、熱處理存在缺陷；二是驅動輪材質強度不符合質量標準；三是驅動輪過軟或過硬，造成變形掉塊或脆硬掉塊；四是驅動輪結構設計不合理，造成局部應力集中。
3 故障排查
3.1 檢測分析
為排查故障原因，我們隨機抽取了損壞后返廠的驅動輪，進行檢測、分析（引用數據為其中 1 件的檢測結果）。
3.1.1 檢測化學成分和金相組織
該型挖掘機驅動輪使用 SCSiMn2H型高淬透性硅錳鑄鋼鑄造，檢測隨機抽取的驅動輪的化學成分，其結果如表 1所示。檢測結果表明，化學成分符合SCSiMn2H 高淬透性硅錳鑄鋼標準。
3.1.2 檢測熱處理質量
驅動輪鑄造后，其熱處理工藝為正火→表面中頻淬火→回火。如果輪體在鑄造時冷卻過快，會出現氣孔、裂紋等缺陷；如果熱處理過程溫度、時間不合理，無法取得符合要求的金相組織，會影響驅動輪整體強度，使用中會發(fā)生斷裂。用超聲波探傷檢測隨機抽取的驅動輪，檢測結果均未顯示有裂紋、氣孔、夾雜、組織松散等鑄造、熱處理質量問題。進行金相檢測表明，有效淬硬層深度金相組織為回火馬氏體 + 奧氏體 4 級，晶粒度 7.0～ 7.5 級，金相組織符合熱處理后的技術要求。
3.1.3 檢驗硬度
驅動輪熱處理正火后，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，驅動輪各層硬度設計要求如圖 2a 所示。
如果熱處理后表面硬度過高，會出現脆性斷裂。我們將驅動輪輪齒逐層拋開檢測硬度，檢測結果如圖 2b 所示。檢測結果表明，驅動輪各深度的硬度符合設計要求。
由檢測結果可知，驅動輪材質、熱處理、硬度均符合設計要求，不是出現該故障的主要原因。
3.2 受力分析
我們分析履帶式挖掘機行走系統(tǒng)驅動輪的受力狀況，該型挖掘機履帶行走系統(tǒng)主要由履帶架、行走馬達、驅動輪、支重輪、引導漲緊輪、托輪、履帶總成、夾軌器等組成，如圖 3a 所示。挖掘機行走時各輪體沿履帶軌道滾動，行走馬達帶動驅動輪、驅動輪撥動履帶銷軸實現行走，如圖 3b 所示。從以上挖掘機行走系統(tǒng)原理和驅動輪結構可以看出：在極端工況下，履帶銷以挖掘機最大牽引力 F 擠壓驅動輪齒根部位，我們以此處受力狀況對驅動輪強度進行校核。
SCSiMn2H 型高淬透性硅錳鑄鋼的屈服強度 σ 屈為 490MPa?？紤]到驅動輪沖擊載荷頻繁，轉彎靠單側履帶驅動實現差速，所以轉向時驅動輪輪齒根部受力最大，故安全系數 K 取 2.0。驅動輪輪齒根部的許用應力 σ 許應按下式計算：
σ 許 =σ 屈 /K=245 MPa
式中：σ 許——許用應力，MPa ；
σ 屈——屈服強度，取 490 MPa ；
K——安全系數，取 2。
為了精確分析驅動輪受力狀況，我 們 使 用 ANSYS 軟 件 給 ZE360E 型挖掘機驅動輪建立三維模型，對其進行應力分析，使用 ANSYS 軟件分析結果如圖 4 所示，分析結果表明，該型挖掘機驅動輪齒根部位的應力值為 318MPa，該應力大于設計要求的245MPa 許用應力值。
3.3 對比分析
為了找出應力過大的原因，我們采用相同的方法又對未出現開裂、斷齒的ZE230E 型挖掘機驅動輪進行了分析。
該機驅動輪輪齒根部進行了加強，邊沿設計了過渡圓弧，如圖 5b 所示。分析結果表明，ZE230E 型挖掘機驅動輪輪齒根部位的應力為 207MPa，小于設計的許用應力 245MPa。
ZE360E 型 挖 掘 機 驅 動 輪 齒 邊 過渡設計為直角過渡，如圖 5a 所示，與ZE230E 驅動輪圓弧過渡相比，容易產生應力集中。
通過檢測分析、受力分析和對比分析可以看出，ZE360E 驅動輪掉塊、開裂的主要原因是結構設計不合理，齒根位置受擠壓時應力過于集中，最大應力超出了材料許用應力。
4 改進方法
根 據 以 上 計 算 結 果， 我 們 對ZE360E 型挖掘機驅動輪的設計進行了改進。改進后輪齒的齒邊由直角過渡改為圓弧過渡，齒根部進行了加強。改進后的驅動輪結構如圖 6 所示。
我們使用 ANSYS 軟件對改進設計后驅動輪進行了應力分析，其最大應力值為 219MPa，該應力值小于設計要求的 245MPa 應力值，符合設計要求。我們按照改進后的結構制作了新的驅動輪，安裝在該型挖掘機上，經過長期的市場驗證，改進后的驅動輪再未出現掉塊、斷齒故障。該項改進方法表明在大型挖掘機設計中，用于關鍵受力的鍛件或鑄件，應盡量避免使用直角過渡結構，以免造成應力集中，影響零部件設計壽命。
作者：韓偉平 王穩(wěn)穩(wěn) 秦勇
來源：《工程機械與維修》2018年第4期
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