双轮铣这个东西在基坑和地下连续墙工程里待过的人肯定不陌生。它本身是那种又重又贵的大家伙主机的铣轮、铣架再加上泥浆循环系统整机重量轻松上百吨。BC40这种规格的双轮铣单是主机部分就能压到80到100吨这个区间。你想想这么重的一台设备天天要在地下连续墙施工的场地上挪来挪去转孔位、对槽段、爬坡、过泥泞地面行走装置要是设计不好整台设备就瘫在现场了。我这两年参与过BC40双轮铣履带行走装置的设计改进从最初的参数估算、部件选型到后面的结构校核、样机调试一路踩了不少坑也攒了一些真正有用的经验。网上关于双轮铣成槽工艺的文章很多但专门写基础底盘、写履带行走装置内部设计的资料其实很少大部分工程师拿到这个任务也是摸石头过河。这篇文章我就把我们设计中的思路、计算公式、选型依据以及调试中遇到的实际问题整理出来希望能给做重型履带行走机构的同行一些参考。这篇文章适合几类人看一是刚接手类似重型履带设备设计的机械工程师二是做液压行走系统匹配的工程师三是做工程项目设备管理、想了解设备为什么这么设计的朋友。文中的参数、公式都是我基于BC40这个级别设备梳理的新项目可以直接参考也可以根据你手头设备的实际参数做调整。1. 到底要什么样的行走装置需求拆解与总体方案确定1.1 BC40双轮铣对行走装置的真实需求设计行走装置第一件事不是算尺寸而是先把设备的工作场景彻底搞清楚。BC40双轮铣跟普通的挖掘机、推土机最大的区别在于它的行走装置不只是从A点到B点的交通工具更是成槽作业时的定位基准和支撑基础。从作业流程上看双轮铣在地连墙施工时每铣完一个槽段就要整体移动设备到下一个槽段位置。地连墙的槽段一般是6米到8米一段设备在槽段之间移动要求行走系统定位准确误差得控制在厘米级。其次双轮铣作业时铣轮要下到几十米深的槽内铣架依靠钢丝绳悬挂在主机上行走装置的稳定性直接决定了成槽垂直度的初始状态。从场地条件上看地连墙工地通常不是那种平整的硬化路面而是砂岩回填、泥浆池边、钢筋笼加工场地面松软程度差异极大。哪怕施工方铺了钢板路基箱底下也经常是含水量很高的软土行走装置接地比压必须控制好否则设备走着走着就陷下去了。从载荷特征上看BC40双轮铣的重心分布不是均匀的。工作装置铣架、铣轮、配重集中布置在设备的一侧另一侧安装动力系统和泥浆泵组这意味着行走装置两侧的履带受力差异明显单侧偏载是设计的常态。1.2 为什么必须是履带式对比其他行走方案的取舍也许有人会问这么大吨位的设备为什么不用轮式行走或者干脆做成步履式、轨道式的首先是接地比压的问题。BC40这种级别的设备整机重量90吨以上如果做轮式单个轮胎的载荷就是十几吨甚至几十吨对地面压强非常高在软弱地基上根本没法走。而履带式行走通过大面积履带板接地可以把接地比压控制在100到150千帕这个范围在软土条件下依然能保持可接受的地面承载能力。这点在工地上是决定性的。其次是牵引力的问题。双轮铣转场时机身带铣架行走阻力大尤其是起步、爬坡、转弯时驱动轮需要的牵引力非常大。履带式行走机构通过增大驱动轮与履带板啮合面积能够提供远大于轮式的牵引力。我们实测过BC40在平整路面上行走阻力大约为整机重量的3%到5%但在泥土路面上这一数值会上升到8%到10%没有履带这种大接地面积和驱动能力根本挪不动。至于轨道式精度很高但需要事先铺设轨道在地连墙工地上不具备这种条件机动性也差基本不适合。1.3 行走装置的总体技术方案基于上面的需求我们最终确定的总体方案是左右独立驱动的液压履带行走装置。每侧履带由一台斜轴式变量柱塞马达通过行星减速机驱动行走泵采用闭式变量柱塞泵实现无级调速。履带架采用焊接箱形结构通过销轴与主机车架连接。履带采用工程机械用密封润滑履带配备液压张紧缓冲装置。这个方案的核心优势有两个第一左右履带独立驱动可以实现就地转向设备在狭窄的槽段间能灵活调整位置和方向第二闭式液压系统传动效率高控制特性好能适应行走过程中的频繁启停、换向和微动操作这对成槽定位精度来说非常关键。2. 先把重量和重心算清楚接地比压和牵引力计算2.1 整机重量分布与重心位置估算设计履带行走装置第一步要做的就是把整机的重量和重心算清楚。很多初学者会忽略这一步直接选履带厂家的型号结果行走装置选小了设备上去就趴窝。以我们设计BC40双轮铣为例整机重量初步估算如下主机结构件约38吨动力系统发动机、散热、油箱约12吨铣架铣轮及其卷扬系统约25吨泥浆泵组及管路约15吨行走装置自身约10吨配重及附件约5吨总计约105吨。这个重量不是一次就能定死的因为随着设计深入部件重量会不断变化所以一开始要给重量估算留出5%到8%的余量。我们的做法是建立一个整机重量分布表每个大部件标注其估算重量和三维重心坐标然后算出整机合成重心位置。对于BC40双轮铣重心位置大概在主机中心偏工作装置侧约200毫米、偏动力侧约300毫米的地方具体数值在三维模型中通过SolidWorks和质量属性工具可以精确获取。重心的位置直接影响行走装置两侧履带的载荷分配。如果重心偏向一侧那么这一侧履带接地比压就会偏大行走时容易下陷。因此我们在设计配重时有一个原则尽量让整机重心保持在履带接地区域的几何中心附近前后偏差控制在履带接地长度的10%以内左右偏差控制在轨距的5%以内。2.2 接地比压计算与履带规格初选接地比压是履带行走装置最关键的参数之一。所谓接地比压就是设备重量除以履带与地面的接触面积。这个值越大设备在软土地面上越容易下陷越小通过性越好但履带也会更长更宽增加结构重量和成本。接地比压的计算公式很简单p G / (2 × b × L)其中G是整机重量b是履带板宽度L是单条履带的接地长度2代表两条履带。对于BC40我们初步设定履带板宽度b 900毫米接地长度L 4800毫米整机重量按105吨计算p 105000 × 9.8 / (2 × 0.9 × 4.8) 119.1千帕也就是约0.12兆帕。这个数值在重型履带机械中属于中等偏上水平。卡特彼勒D9推土机的接地比压大约在100千帕左右而大型履带起重机的接地比压可以控制在80到120千帕之间。我们最终取119千帕主要是因为双轮铣在转场时通常会铺设钢板路基箱实际对地面的压强可以通过钢板分散所以没必要把履带做得过宽避免增加行走阻力。这里要提一个容易踩的坑履带板宽度不是越宽越好。履带板太宽虽然接地比压降低了但转弯阻力、行走阻力都会大幅增加而且对驱动系统功率的要求随之提高。我们的经验是通过性满足场地要求即可不必追求极低的接地比压把余量留给驱动系统更划算。2.3 牵引力计算与爬坡能力校核行走驱动力的计算包括滚动阻力、坡道阻力、转弯阻力和风阻力等。对BC40这种在工地内短距离行走的设备主要考虑滚动阻力和坡道阻力。滚动阻力计算公式F_f μ × G其中μ是滚动阻力系数。对于履带在压实的碎石路面上行走μ取0.05在泥泞土路上μ取0.08到0.12。我们按0.08取值F_f 0.08 × 105000 × 9.8 82.3千牛坡道阻力公式F_i G × sin(θ)设计爬坡能力设定为最大坡度10度这是双轮铣在工地内能遇到的最极端情况F_i 105000 × 9.8 × sin(10°) ≈ 178.6千牛总阻力F_total F_f F_i 82.3 178.6 260.9千牛考虑到加速、启动时的动载系数我们取1.1的安全系数设计最大牵引力需求为F_design 260.9 × 1.1 ≈ 287千牛这个牵引力是单侧行走驱动力之和分配到每侧履带大约需要144千牛。这里要特别说明转弯时内侧履带和外侧履带的驱动力分配会发生变化但如果驱动系统按照单侧144千牛的能力匹配转弯工况一般也能满足。3. 动力怎么走液压行走驱动系统设计与选型3.1 行走液压系统方案闭式回路为什么是首选重型履带行走机构的液压系统通常有开式回路和闭式回路两种选择。开式系统结构简单、散热条件好但控制精度差而且在频繁换向时冲击大不适合需要精确控制行走方向和对位的双轮铣。闭式系统则完全不同它的主泵进出口直接连接马达进出口油液在闭环回路中循环换向通过变量泵斜盘过零位实现响应快、冲击小、调速范围宽而且系统的功率利用率高。我们最终选择闭式变量泵加变量马达的方案。主泵采用轴向柱塞式变量泵马达选用斜轴式变量马达。这里有个选型心法泵和马达的排量匹配要遵循泵控为主、马达控为辅的原则。也就是通过改变泵的排量来实现行走速度的连续调节马达排量则根据工况进行两档或三档切换——低速大扭矩时马达排量最大高速小扭矩时马达排量减小。这样做的好处有两个。一是微动性极佳。双轮铣在槽段间对位时行走速度可能低到每分钟不到1米这就要求系统在极低排量下也能稳定输出扭矩。闭式变量泵在接近零排量时依然能建立压力这是开式系统很难做到的。二是功率利用合理。双轮铣绝大多数时间是在低速重载下工作闭式系统能让发动机功率更多地转化为牵引力而不是浪费在节流损失上。3.2 行走马达与减速机选型扭矩和转速怎么算选行走马达核心是算出马达的实际需求扭矩和转速然后反推排量。首先每条履带的驱动力需求F_track 287 / 2 ≈ 144千牛。驱动链轮的节圆直径我们设定为700毫米则单个链轮的驱动扭矩为T_sprocket F_track × (D / 2) 144000 × 0.35 50400牛·米这是一个很大的扭矩值液压马达直接输出显然不可能必须通过行星减速机减速增扭。我们选用减速比为i 80的行星减速机那么马达输出扭矩需求为T_motor 50400 / 80 ≈ 630牛·米考虑到减速机的机械效率取0.95实际马达输出扭矩约为663牛·米。根据扭矩反推马达排量V_motor T_motor / (Δp × η_mh)其中Δp为系统工作压力取35兆帕η_mh为马达液压机械效率取0.95V_motor 663 / (35 × 10^6 × 0.95) ≈ 0.0000199立方米 19.9毫升但这个计算结果只是理论最小排量。实际上考虑到马达工作在高压区时扭矩会有波动而且系统压力不可能一直保持35兆帕我们通常会放大排量余量。最终我们选用了排量45毫升的斜轴式变量马达最大排量下输出扭矩约1350牛·米满足需求。行走速度的校核也很关键。BC40行走速度设定为最大1.5公里/小时也就是0.42米/秒。驱动链轮的转速为n_sprocket 0.42 / (π × 0.7) ≈ 0.19转/秒 11.5转/分钟马达最高转速 11.5 × 80 920转/分钟。这个转速对于斜轴式马达来说是很友好的马达效率高运行平稳。3.3 驱动链轮与履带链轨的匹配参数履带行走装置中驱动链轮和履带链轨的啮合是否良好直接影响驱动效率和寿命。这一步设计不好后期会出现跳齿、链轨节断裂、非正常磨损等问题。我们在设计中重点校核了三个参数链轮节距、齿数、链轨节节距的匹配关系。BC40采用单齿驱动轮链轨节节距为216毫米驱动链轮齿数选择为9齿。这里牵涉到一个原则驱动链轮的齿数不宜太多也不宜太少。齿数太多链轮直径变大减速机输出扭矩需求变大齿数太少链轮啮合冲击增大链轨节受力恶劣。9齿是我们结合了标准链轨节距后计算得到的较优值此时链轮节圆直径为D 216 / sin(180°/9) ≈ 629毫米和之前设定的700毫米节圆直径有差距实际我们是通过调整齿形曲线和渐开线参数来匹配的并非简单按公式取整。这里要特别提醒链轮齿形不是随便画个齿就行的它的齿面曲线直接决定了啮合是否顺滑。如果链轮齿形与链轨节不匹配轻则噪音大、磨损快重则跳齿导致行走失效。另一个容易被忽略的参数是链轨节与托链轮、支重轮的相对位置。托链轮和支重轮的间距要保证链轨在承受载荷时不产生过大挠度否则履带下垂严重转弯时容易脱链。4. 把骨头做结实车架与履带架结构分析与有限元验证4.1 车架结构选型箱形梁和焊接节点怎么设计履带行走装置的上部要直接支撑主机车架下部连接履带架是所有载荷传递的关键路径。BC40的履带架采用整体焊接箱形结构主梁采用Q355B低合金高强度结构钢屈服强度不低于355兆帕。这里我要强调一个选材的逻辑。行走装置承受的是交变的随机载荷尤其是在不平整场地行走时冲击载荷倍数可以达到静载的2到3倍。如果用普通Q235钢为了满足强度要求板厚就要大幅增加重量上升、成本上升而且焊接变形控制难度更大。Q355B在强度和焊接性能之间取得了较好的平衡是重型履带行走装置的主流选择。在结构形式的选择上履带架采用变截面箱形梁中间部分高、两端略低这样既能满足抗弯、抗扭刚度要求又能减轻重量。左右履带架之间通过横梁连接横梁与履带架的连接节点是我们设计时特别关注的地方。初期我们设计的是直接对接焊缝加角板加强后来通过有限元分析发现节点区域的应力集中非常严重最终改为法兰连接加高强螺栓的形式同时保留了定位销轴方便装配和以后维修拆装。4.2 典型工况载荷分析与边界条件确定做有限元分析之前必须把工况定义清楚否则结果没有工程意义。我们梳理了BC40履带行走装置的几个典型工况工况一静态停放四支点均匀承载。这时候考虑到重心偏置单侧履带的载荷并不均等需要在有限元模型中施加非对称载荷。工况二行走通过不平路面单侧履带的一个支重轮悬空或集中受力。这是冲击载荷最大的情况也是结构最容易出问题的工况。工况三转弯工况履带受到水平面的侧向力履带架承受扭矩。工况四紧急制动工况制动力通过履带驱动系统传导到履带架产生水平纵向力。对每种工况我们都要计算得出载荷的数值和方向。比如工况二单侧履带承受整机重量的45%再乘以1.5倍的冲击系数得到了作用在单支重轮位置的最大载荷。这个数值不能拍脑袋定最好结合设备实际使用的路面情况和行走速度来推算。4.3 有限元分析结果解读与结构优化我们用ANSYS对履带架进行了有限元分析。整体网格采用壳单元关键节点区域横梁与履带架连接处、驱动轮安装座、张紧装置安装座做了局部细化确保应力结果收敛。分析结果显示初始设计的最大应力出现在履带架与横梁连接区域达到368兆帕超过了Q355B材料在屈服安全系数下允许的初定限值一般取屈服强度的0.6倍即213兆帕。这个结果其实一开始是让人吃惊的因为按照传统经验履带架这种大结构件很少出现应力这么高的区域。后来排查细节才发现问题出在连接区域的建模方式上。如果采用法兰和高强螺栓连接接触面上应力分布会通过螺栓预紧力重新分配有限元模型必须考虑接触非线性而不是简单地施加约束。修正模型后该区域的应力水平降到了245兆帕再通过局部加厚筋板、优化焊缝布置最终把最大应力控制在了180兆帕以下。这里我想给同行一个建议履带行走装置这类结构件不要过分迷信初始的有限元分析结果更不要完全忽视它。关键是模型的边界条件、载荷施加方式是否合理最好结合现场应变片测试进行对标验证用实测数据修正仿真模型这样才能真正提升设计的可靠性。5. 行走质量靠细节张紧装置、导向轮与缓冲机构的调校5.1 张紧缓冲装置为什么必须用液压张紧履带张紧装置的作用是保持履带链轨合适的张紧度缓冲行走过程中的冲击载荷。很多人觉得这个装置不难弹簧压着导向轮就行了但在BC40这个重量级别上必须用液压张紧加弹簧缓冲的组合结构。液压张紧的好处是可以在不拆履带的情况下方便地调整张紧力。BC40的履带由于自重很大机械式张紧需要很大的力量才能移动导向轮操作非常困难。液压张紧通过黄油枪向张紧油缸注入润滑脂推动导向轮前移实现履带张紧。这个过程一个人就能操作而且可以随时微调。张紧缓冲装置的工作原理并不复杂导向轮连接在张紧支架上张紧支架与张紧油缸抵接张紧油缸的后方安装一组碟簧。正常状态时液压张紧力作用在导向轮上让履带保持预紧当履带受到冲击时比如石块卡在链轨和驱动轮之间导向轮向后压缩碟簧吸收冲击能量保护驱动轮和链轨。5.2 张紧度设定与调整经验张紧度的设定值不是千篇一律的。张紧力太小履带容易松旷在高速行走时会产生剧烈抖动甚至脱落张紧力太大履带板与链轨销套之间的摩擦加剧行走阻力增大销套磨损迅速。我们设定的标准是履带中部在施加正常压力时下垂量约为30到40毫米对应张紧油缸的预紧行程为60到80毫米。这个值是通过试验法确定的。具体操作是新装配的履带先加张紧力到规定值然后开动设备行走一百米再停下来检查下垂量如果不合适就微调。反复两三次就能找到合适的张紧度。这里有个经验冬季和夏季的张紧度要有区别。低温环境下链轨销套内的润滑脂粘度变大履带整体刚性增加如果张紧度过大销套极易磨损。夏季气温高金属膨胀履带有变长的趋势张紧度可以稍微调大一些。5.3 导向轮与托链轮的布置要点导向轮的作用是引导履带在正确的位置上运动同时承担张紧装置传递的力。BC40的导向轮采用双腹板结构轮缘与链轨节导向面相匹配。这里我要特别提醒一个设计要点导向轮踏面宽度比链轨节导向面宽度要小一些要留出2到3毫米的间隙。如果间隙太小行走过程中链轨稍有挠曲就会与导向轮卡滞间隙太大履带会左右窜动同样影响稳定性。托链轮的作用是支承上部履带减少履带在返回过程中的下垂量。托链轮的布置间距不宜过大BC40每侧履带布置了3个托链轮间距约为1200毫米。托链轮直径不宜太小否则其转速过高轴承容易发热寿命下降。6. 从图纸到实车装配、调试与问题排查实录6.1 三维建模与装配尺寸控制完成了所有计算和设计选型后进入详细的CAD建模阶段。我们用的是SolidWorks做结构建模用SAP进行细节分析液压系统用AMESim做仿真。三维建模阶段最常见的问题是干涉。BC40履带行走装置涉及的部件非常多驱动轮、导向轮、支重轮、托链轮、履带块、张紧油缸、减速机、马达等数量在几十个上下如果没有好的装配规划和干涉检查流程后期改图的工作量非常惊人。我们的做法是先建一个骨架模型把履带架、驱动轮中心位置、导向轮中心位置、张紧油缸行程、支重轮安装面等关键坐标确定下来再在各个坐标位置挂载具体零部件的三维模型。这样的好处是任何一个部件尺寸调整只要关键坐标不变不会影响到其他部件的装配位置。装配尺寸的把控也不容忽视。驱动轮轴和支重轮的安装精度决定了整个行走系统的运行质量和寿命。我们要求驱动轮轴的安装同轴度控制在0.1毫米以内支重轮安装面平面度控制在0.2毫米以内。这说上去简单实际操作中对焊接变形的控制要求很高。履带架焊接完成后必须进行退火处理或振动时效处理释放焊接残余应力然后再进行机加工。6.2 样机调试过程中踩过的坑样机下线后的首次行走测试我们遇到了几个有意思的问题。第一个问题是行走跑偏。设备在直线行走指令下左右履带速度不一致导致设备总是向左侧偏移。刚开始我们以为是液压系统左右泵的排量不一致反复检查排量调节机构发现没有问题。后来排查减速机转速传感器才发现是左侧减速机内部的行星齿轮组装配间隙偏大导致在低负载时出现了细微的转速波动最终表现为行走跑偏。更换减速机后问题解决。第二个问题是起步冲击。BC40在起步瞬间有明显的冲击感液压系统压力瞬间冲得很高发动机转速掉得厉害。这个问题我们在AMESim仿真中其实已经预测到了但实测的冲击比仿真还要严重。排查下来原因是闭式泵的变量机构响应速度过快导致流量瞬间冲入马达。解决方案是在泵的控制阀上加装节流阻尼器延长排量变化的时间让起步过程变得平缓。调整后设备的起步和停车都变得非常柔和操作手感有了质的提升。第三个问题是履带反复脱链。这个问题在转场走砂石硬地面时出现。经过仔细检查发现是导向轮与履带链轨的间隙偏大而且张紧力偏小。综合调整间隙和张紧力后脱链问题没有再出现过。这里我要提醒凡是遇到脱链问题不要急着改结构先把张紧力重新标定一遍很多时候是张紧不到位造成的。6.3 常见问题速查表我把调试中最常遇到的问题整理成一张速查表方便现场工程师快速定位问题故障现象可能原因排查步骤履带跑偏液压泵排量不一致、马达效率不同、轨链节距不同、张紧力不均先检查左右张紧力是否一致再对比左右泵电流-排量曲线最后校核马达效率履带脱链张紧力不足、导向轮间隙过大、链轨节锁紧力矩不够重新张紧履带检查导向轮与链轨间隙复紧所有链轨节螺栓行走起动冲击大泵变量机构响应过快、减速机齿隙过大增加泵变量控制阻尼检查减速机装配质量行走时异响液压系统吸空、减速机齿轮磨损、驱动轮与链轨啮合不良检查液压油位和回油过滤器检查减速机油位检查驱动轮齿形磨损单侧行走无力马达变量机构卡滞、减速机轴承损坏、制动器未完全脱离检查马达变量机构压力信号检查减速机各档位传动情况检查制动器状态发动机过载履带张紧力过大、转弯半径过小、液压系统内泄增加复测张紧力检查液压油温测量系统压力并与标定值对比6.4 整机性能验证与经验总结经过一轮一轮的调整BC40的履带行走装置最终达到了设计指标。实际测试结果最大行走速度1.46公里/小时与设计值基本一致在10度坡道满载起步单侧驱动力满足要求在松软场地上连续行走半小时履带下陷量控制在可接受范围内转弯半径可以做到原地转向操作灵活。在整个设计过程中我最大的体会是履带行走装置虽然是一个相对传统的部件系统但它涉及机、电、液、结构等多个专业方向的协同任何一个环节的疏漏都会在样机阶段集中暴露。设计时花在前期计算和仿真验证上的时间与后期调试中节省的时间是完全成正比的。特别是像BC40双轮铣这种单台价值高、施工现场条件又复杂的设备宁可前面多折腾几轮方案也不要指望样机一次就能成功。回头来说如果让我再设计新项目我可能会在以下几个方向做更深入的工作一是更早引入多体动力学仿真把履带-地面-整机的耦合关系摸得更透二是行走控制策略上加入自适应张紧力控制通过液压系统实时调节张紧力以匹配不同的地面和工况三是整机数据采集系统提前预留接口让行走装置的运行状态数据从一开始就进入设备健康管理平台。这些方向不算新但在双轮铣这类小众设备上有很大的落地价值。希望这篇文章能给正在做类似设计的同行一些启发少走一些弯路。