履带式挖掘机行走装置驱动轮在整机移动、转场、爬坡、牵引等工作中发挥着重要作用。其驱动轮损坏后不但维修困难、影响挖掘机正常使用，还会影响履带、支重轮、履带架等结构件的使用寿命。本文通过对中联早期 ZE360E 型履带式挖掘机驱动轮掉块、断齿故障进行分析、检测、排查，为中大型挖掘机履带行走装置驱动轮合理设计、故障排查提供帮助。
1 故障现象
我公司早期生产的 ZE360E 型履带式挖掘机工作 1000h 后，其驱动轮不同程度出现掉块、断齿故障，断齿部位主要集中在齿根圆弧位置，如图 1所示。
2 故障原因
初步分析该型挖掘机驱动轮掉块和断齿可能有以下 4 种原因：一是驱动轮铸造、热处理存在缺陷；二是驱动轮材质强度不符合质量标准；三是驱动轮过软或过硬，造成变形掉块或脆硬掉块；四是驱动轮结构设计不合理，造成局部应力集中。
3 故障排查
3.1 检测分析
为排查故障原因，我们随机抽取了损坏后返厂的驱动轮，进行检测、分析（引用数据为其中 1 件的检测结果）。
3.1.1 检测化学成分和金相组织
该型挖掘机驱动轮使用 SCSiMn2H型高淬透性硅锰铸钢铸造，检测随机抽取的驱动轮的化学成分，其结果如表 1所示。检测结果表明，化学成分符合SCSiMn2H 高淬透性硅锰铸钢标准。
3.1.2 检测热处理质量
驱动轮铸造后，其热处理工艺为正火→表面中频淬火→回火。如果轮体在铸造时冷却过快，会出现气孔、裂纹等缺陷；如果热处理过程温度、时间不合理，无法取得符合要求的金相组织，会影响驱动轮整体强度，使用中会发生断裂。用超声波探伤检测随机抽取的驱动轮，检测结果均未显示有裂纹、气孔、夹杂、组织松散等铸造、热处理质量问题。进行金相检测表明，有效淬硬层深度金相组织为回火马氏体 + 奥氏体 4 级，晶粒度 7.0～ 7.5 级，金相组织符合热处理后的技术要求。
3.1.3 检验硬度
驱动轮热处理正火后，要求芯部硬度≥ 170HB；表面中频淬火后，硬度要求为 HRC48 ～ 55，齿顶 12mm 及齿根 4mm 深处硬度≥ HRC45，驱动轮各层硬度设计要求如图 2a 所示。
如果热处理后表面硬度过高，会出现脆性断裂。我们将驱动轮轮齿逐层抛开检测硬度，检测结果如图 2b 所示。检测结果表明，驱动轮各深度的硬度符合设计要求。
由检测结果可知，驱动轮材质、热处理、硬度均符合设计要求，不是出现该故障的主要原因。
3.2 受力分析
我们分析履带式挖掘机行走系统驱动轮的受力状况，该型挖掘机履带行走系统主要由履带架、行走马达、驱动轮、支重轮、引导涨紧轮、托轮、履带总成、夹轨器等组成，如图 3a 所示。挖掘机行走时各轮体沿履带轨道滚动，行走马达带动驱动轮、驱动轮拨动履带销轴实现行走，如图 3b 所示。从以上挖掘机行走系统原理和驱动轮结构可以看出：在极端工况下，履带销以挖掘机最大牵引力 F 挤压驱动轮齿根部位，我们以此处受力状况对驱动轮强度进行校核。
SCSiMn2H 型高淬透性硅锰铸钢的屈服强度 σ 屈为 490MPa。考虑到驱动轮冲击载荷频繁，转弯靠单侧履带驱动实现差速，所以转向时驱动轮轮齿根部受力最大，故安全系数 K 取 2.0。驱动轮轮齿根部的许用应力 σ 许应按下式计算：
σ 许 =σ 屈 /K=245 MPa
式中：σ 许——许用应力，MPa ；
σ 屈——屈服强度，取 490 MPa ；
K——安全系数，取 2。
为了精确分析驱动轮受力状况，我 们 使 用 ANSYS 软 件 给 ZE360E 型挖掘机驱动轮建立三维模型，对其进行应力分析，使用 ANSYS 软件分析结果如图 4 所示，分析结果表明，该型挖掘机驱动轮齿根部位的应力值为 318MPa，该应力大于设计要求的245MPa 许用应力值。
3.3 对比分析
为了找出应力过大的原因，我们采用相同的方法又对未出现开裂、断齿的ZE230E 型挖掘机驱动轮进行了分析。
该机驱动轮轮齿根部进行了加强，边沿设计了过渡圆弧，如图 5b 所示。分析结果表明，ZE230E 型挖掘机驱动轮轮齿根部位的应力为 207MPa，小于设计的许用应力 245MPa。
ZE360E 型 挖 掘 机 驱 动 轮 齿 边 过渡设计为直角过渡，如图 5a 所示，与ZE230E 驱动轮圆弧过渡相比，容易产生应力集中。
通过检测分析、受力分析和对比分析可以看出，ZE360E 驱动轮掉块、开裂的主要原因是结构设计不合理，齿根位置受挤压时应力过于集中，最大应力超出了材料许用应力。
4 改进方法
根 据 以 上 计 算 结 果， 我 们 对ZE360E 型挖掘机驱动轮的设计进行了改进。改进后轮齿的齿边由直角过渡改为圆弧过渡，齿根部进行了加强。改进后的驱动轮结构如图 6 所示。
我们使用 ANSYS 软件对改进设计后驱动轮进行了应力分析，其最大应力值为 219MPa，该应力值小于设计要求的 245MPa 应力值，符合设计要求。我们按照改进后的结构制作了新的驱动轮，安装在该型挖掘机上，经过长期的市场验证，改进后的驱动轮再未出现掉块、断齿故障。该项改进方法表明在大型挖掘机设计中，用于关键受力的锻件或铸件，应尽量避免使用直角过渡结构，以免造成应力集中，影响零部件设计寿命。
作者：韩伟平 王稳稳 秦勇
来源：《工程机械与维修》2018年第4期
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修机｜履带式挖掘机行走装置驱动轮掉块断齿故障分析
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履带式挖掘机行走装置驱动轮在整机移动、转场、爬坡、牵引等工作中发挥着重要作用。其驱动轮损坏后不但维修困难、影响挖掘机正常使用，还会影响履带、支重轮、履带架等结构件的使用寿命。本文通过对中联早期 ZE360E 型履带式挖掘机驱动轮掉块、断齿故障进行分析、检测、排查，为中大型挖掘机履带行走装置驱动轮合理设计、故障排查提供帮助。
1 故障现象
我公司早期生产的 ZE360E 型履带式挖掘机工作 1000h 后，其驱动轮不同程度出现掉块、断齿故障，断齿部位主要集中在齿根圆弧位置，如图 1所示。
2 故障原因
初步分析该型挖掘机驱动轮掉块和断齿可能有以下 4 种原因：一是驱动轮铸造、热处理存在缺陷；二是驱动轮材质强度不符合质量标准；三是驱动轮过软或过硬，造成变形掉块或脆硬掉块；四是驱动轮结构设计不合理，造成局部应力集中。
3 故障排查
3.1 检测分析
为排查故障原因，我们随机抽取了损坏后返厂的驱动轮，进行检测、分析（引用数据为其中 1 件的检测结果）。
3.1.1 检测化学成分和金相组织
该型挖掘机驱动轮使用 SCSiMn2H型高淬透性硅锰铸钢铸造，检测随机抽取的驱动轮的化学成分，其结果如表 1所示。检测结果表明，化学成分符合SCSiMn2H 高淬透性硅锰铸钢标准。
3.1.2 检测热处理质量
驱动轮铸造后，其热处理工艺为正火→表面中频淬火→回火。如果轮体在铸造时冷却过快，会出现气孔、裂纹等缺陷；如果热处理过程温度、时间不合理，无法取得符合要求的金相组织，会影响驱动轮整体强度，使用中会发生断裂。用超声波探伤检测随机抽取的驱动轮，检测结果均未显示有裂纹、气孔、夹杂、组织松散等铸造、热处理质量问题。进行金相检测表明，有效淬硬层深度金相组织为回火马氏体 + 奥氏体 4 级，晶粒度 7.0～ 7.5 级，金相组织符合热处理后的技术要求。
3.1.3 检验硬度
驱动轮热处理正火后，要求芯部硬度≥ 170HB；表面中频淬火后，硬度要求为 HRC48 ～ 55，齿顶 12mm 及齿根 4mm 深处硬度≥ HRC45，驱动轮各层硬度设计要求如图 2a 所示。
如果热处理后表面硬度过高，会出现脆性断裂。我们将驱动轮轮齿逐层抛开检测硬度，检测结果如图 2b 所示。检测结果表明，驱动轮各深度的硬度符合设计要求。
由检测结果可知，驱动轮材质、热处理、硬度均符合设计要求，不是出现该故障的主要原因。
3.2 受力分析
我们分析履带式挖掘机行走系统驱动轮的受力状况，该型挖掘机履带行走系统主要由履带架、行走马达、驱动轮、支重轮、引导涨紧轮、托轮、履带总成、夹轨器等组成，如图 3a 所示。挖掘机行走时各轮体沿履带轨道滚动，行走马达带动驱动轮、驱动轮拨动履带销轴实现行走，如图 3b 所示。从以上挖掘机行走系统原理和驱动轮结构可以看出：在极端工况下，履带销以挖掘机最大牵引力 F 挤压驱动轮齿根部位，我们以此处受力状况对驱动轮强度进行校核。
SCSiMn2H 型高淬透性硅锰铸钢的屈服强度 σ 屈为 490MPa。考虑到驱动轮冲击载荷频繁，转弯靠单侧履带驱动实现差速，所以转向时驱动轮轮齿根部受力最大，故安全系数 K 取 2.0。驱动轮轮齿根部的许用应力 σ 许应按下式计算：
σ 许 =σ 屈 /K=245 MPa
式中：σ 许——许用应力，MPa ；
σ 屈——屈服强度，取 490 MPa ；
K——安全系数，取 2。
为了精确分析驱动轮受力状况，我 们 使 用 ANSYS 软 件 给 ZE360E 型挖掘机驱动轮建立三维模型，对其进行应力分析，使用 ANSYS 软件分析结果如图 4 所示，分析结果表明，该型挖掘机驱动轮齿根部位的应力值为 318MPa，该应力大于设计要求的245MPa 许用应力值。
3.3 对比分析
为了找出应力过大的原因，我们采用相同的方法又对未出现开裂、断齿的ZE230E 型挖掘机驱动轮进行了分析。
该机驱动轮轮齿根部进行了加强，边沿设计了过渡圆弧，如图 5b 所示。分析结果表明，ZE230E 型挖掘机驱动轮轮齿根部位的应力为 207MPa，小于设计的许用应力 245MPa。
ZE360E 型 挖 掘 机 驱 动 轮 齿 边 过渡设计为直角过渡，如图 5a 所示，与ZE230E 驱动轮圆弧过渡相比，容易产生应力集中。
通过检测分析、受力分析和对比分析可以看出，ZE360E 驱动轮掉块、开裂的主要原因是结构设计不合理，齿根位置受挤压时应力过于集中，最大应力超出了材料许用应力。
4 改进方法
根 据 以 上 计 算 结 果， 我 们 对ZE360E 型挖掘机驱动轮的设计进行了改进。改进后轮齿的齿边由直角过渡改为圆弧过渡，齿根部进行了加强。改进后的驱动轮结构如图 6 所示。
我们使用 ANSYS 软件对改进设计后驱动轮进行了应力分析，其最大应力值为 219MPa，该应力值小于设计要求的 245MPa 应力值，符合设计要求。我们按照改进后的结构制作了新的驱动轮，安装在该型挖掘机上，经过长期的市场验证，改进后的驱动轮再未出现掉块、断齿故障。该项改进方法表明在大型挖掘机设计中，用于关键受力的锻件或铸件，应尽量避免使用直角过渡结构，以免造成应力集中，影响零部件设计寿命。
作者：韩伟平 王稳稳 秦勇
来源：《工程机械与维修》2018年第4期
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