斗輪堆取料機車輪踏面的接觸強度計算

（北方重工集團有限公司裝卸設(shè)備分公司，遼寧 沈陽 110027）

斗輪堆取料機車輪踏面的接觸強度計算

范 磊 李建瑩 馮學(xué)慧

（北方重工集團有限公司裝卸設(shè)備分公司，遼寧 沈陽 110027）

通過理論計算與實際案例相結(jié)合的方法，對斗輪堆取料機車輪踏面與軌道接觸應(yīng)力進行了計算，進一步明確了載荷、車輪踏面的硬度、車輪的直徑和轉(zhuǎn)速，軌面的形狀等參數(shù)與接觸應(yīng)力的關(guān)系，為以后的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

斗輪堆取料機；接觸應(yīng)力；車輪

1 概述

我們在研究材料某一點的應(yīng)力狀態(tài)時，若所取的單元體的三個相互垂直的面皆為主平面，且這三個主應(yīng)力皆不為零，于是稱此點為三向應(yīng)力狀態(tài)。

斗輪堆取料機車輪在軌道上作滾動運動，車輪和軌道的接觸點處，會產(chǎn)生很大的接觸變形和接觸應(yīng)力。接觸應(yīng)力具有局部性，離開接觸面稍遠(yuǎn)處，應(yīng)力急劇減小，所以說，接觸應(yīng)力是一種局部的應(yīng)力。接觸應(yīng)力法向是一條垂直的直線，這是第一主應(yīng)力σ1，而此點處必將向周圍膨脹，于是引起周圍材料對它的約束應(yīng)力σ2和σ3，所以說車輪踏面和軌道軌頭接觸處是三向應(yīng)力狀態(tài)。

接觸應(yīng)力毫無疑問地與載荷、車輪踏面的硬度、車輪的直徑和轉(zhuǎn)速，軌面的形狀等參數(shù)有直接的關(guān)系。在設(shè)計計算中，要準(zhǔn)確地計算出所設(shè)計的堆取料機車輪接觸應(yīng)力的具體數(shù)值，是否滿足本文中公式②和③的條件，而不能簡單地用車輪輪壓來驗證。

2 車輪的計算

2.1 車輪載荷的計算

由于斗輪堆取料機工作時重心在不斷地移動，所以每個車輪都有可能產(chǎn)生最大的輪壓和最小的輪壓，在計算時，不能簡單地以最大的或最小的數(shù)值來確定其輪壓，應(yīng)有一個反映比較真實的輪壓數(shù)值來進行計算，我們稱之為計算輪壓（也可以認(rèn)為是等效輪壓，或說當(dāng)量輪壓）。

計算輪壓Pc的計算式如公式①：

舉例：我公司為馬來西亞曼榮電廠設(shè)計的斗輪堆取料機的最大輪壓和最小輪壓分別是238kN、76kN，按上述公式得出的計算輪壓是184kN。

2.2 車輪踏面接觸強度的計算

鋼軌有平頭鋼軌和凸頭鋼軌之分，按照車輪踏面與軌道頂部形狀的不同，圓柱形踏面車輪與平頭軌道接觸時按線接觸應(yīng)力計算；圓柱形（或圓錐形）踏面車輪與凸頭軌道接觸時按點接觸應(yīng)力計算。線接觸的受力情況較好，但往往由于機架變形和安裝偏差等因素，使線接觸應(yīng)力分布不盡人意，因此，斗輪堆取料機用的大都是凸頭鋼軌，主要計算車輪踏面的點接觸應(yīng)力。

2.2.1 線接觸的允許輪壓

線接觸的接觸輪壓要滿足公式：

式中：

K1——與車輪材質(zhì)有關(guān)的許用線接觸應(yīng)力常數(shù)（N/mm2）；

D —— 車輪直徑（mm）；

L —— 車輪與軌頭的接觸長度（mm）；

C1—— 轉(zhuǎn)速系數(shù)；

C2—— 工作級別系數(shù)。

其中L=b-2r（b為軌頭寬度，r為軌頭寬度兩側(cè)的圓角）

仍拿上面的例1來計算①式

先選取k1，車輪材料為35CrMnSi，其抗拉強度σb=1620N/mm2，近似取值k1=8；

計算D值，此車輪直徑D=630mm；

計算L值，此軌道的L值為49.6mm；

計算C1，此臺斗輪堆取料機調(diào)車時車輪轉(zhuǎn)速為15r/min，工作時轉(zhuǎn)速為7.5r/ min，因為斗輪堆取料機經(jīng)常用工作速度來運行，所以查表得C1=1.14；

計算C2，按較高等級的工作級別系數(shù)M6來查表得C2=0.9。

對于②式有

上式不等式成立，故車輪踏面線接觸應(yīng)力滿足要求。

2.2.2 點接觸的許用輪壓

點接觸的許用輪壓要滿足

式中：

K2——與材質(zhì)有關(guān)的許用點接觸應(yīng)力常數(shù)（N/mm2）；

R —— 軌面的曲率半徑（mm）；

m —— 車輪半徑r與軌面曲率半徑R之比（r/R）所確定的系數(shù)；

對于例1，查表得K2=0.3，R＝300mm，m查表得m=0.388。

所以③式為

上式成立，所以點接觸應(yīng)力滿足要求。

結(jié)語

斗輪堆取料機車輪支撐整機重量作用于軌道上，因此，載荷、車輪踏面的硬度、車輪的直徑和轉(zhuǎn)速，軌面的形狀等參數(shù)對整機使用壽命有著極為重要的作用，本文對車輪踏面接觸應(yīng)力進行計算，更能真實反映輪軌接觸的真實情況，為后續(xù)的設(shè)計提供重要依據(jù)。

[1].GB/T 3811-2008起重機設(shè)計規(guī)范[S].

[2].張質(zhì)文.起重機設(shè)計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[3].成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

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