起重機(jī)自行式小車車輪磨損分析

王志利 陳彥彬

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

起重機(jī)采用自行式小車結(jié)構(gòu)形式，小車車輪踏面在起重機(jī)運(yùn)行過程中容易發(fā)生磨損。在磨損到一定程度后，會(huì)引發(fā)起重機(jī)振動(dòng)，增加機(jī)構(gòu)損壞機(jī)率，導(dǎo)致接線端子松動(dòng)引起接觸不良，嚴(yán)重時(shí)還需要對(duì)車輪進(jìn)行更換，大大增加了起重機(jī)的運(yùn)行維護(hù)成本。

2 車輪踏面磨損類型分析

正常的車輪磨損，是車輪踏面軌道之間滾動(dòng)摩擦造成的疲勞磨損，起重機(jī)經(jīng)過數(shù)年的重載運(yùn)行，隨著踏面淬硬層的減薄，以及硬度的逐漸降低，磨損在后期會(huì)逐漸加劇。除此之外便是異常磨損，比如異常的起制動(dòng)、故障緊停導(dǎo)致車輪沿著軌道方向產(chǎn)生滑動(dòng)而引起的滑動(dòng)摩擦磨損。其中滾動(dòng)摩擦磨損的主要原因是車輪與軌道之間的接觸表面在運(yùn)行過程中不斷地發(fā)生塑性變形，在周期應(yīng)力的長時(shí)間作用下產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致車輪表面出現(xiàn)片狀磨屑脫落，屬于正常的疲勞磨損。車輪和軌道之間的滑動(dòng)摩擦屬于非正常的，同時(shí)又無法避免，且引起的磨損比滾動(dòng)摩擦磨損大。

2.1 滾動(dòng)摩擦疲勞損傷

車輪踏面疲勞計(jì)算與接觸應(yīng)力有關(guān)，根據(jù)車輪踏面與軌道頂面的形狀，選取點(diǎn)接觸應(yīng)力計(jì)算[1]。點(diǎn)接觸狀態(tài)下車輪踏面與軌道頂面類似于橢圓形狀，根據(jù)赫茲公式，接觸應(yīng)力為：

(1)

式中，a為橢圓長半軸；b為橢圓短半軸。

(2)

(3)

式中，P為車輪輪壓；E為彈性模量；γ為泊松比；Σρ為曲率半徑之和，Σρ=2/D+1/r；D為車輪直徑；r為軌道面曲率半徑。

經(jīng)計(jì)算，在起重機(jī)車輪直徑與軌道曲率半徑范圍內(nèi)，ε·η≈1，故最大接觸應(yīng)力可以表示為：

(4)

從以上公式可以看出，車輪的最大接觸應(yīng)力主要與車輪承受的載荷以及車輪直徑有關(guān)。而在實(shí)際應(yīng)用情況下，按照上式計(jì)算出車輪踏面的接觸應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于車輪材料的許用應(yīng)力，車輪的循環(huán)疲勞壽命也比較高，因此車輪滾動(dòng)疲勞磨損不是造成車輪損壞的主因。

2.2 滑動(dòng)摩擦損傷

起重機(jī)小車在正常運(yùn)行的情況，車輪與軌道之間不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，但是由于某些意外原因，比如緊急停車、機(jī)械電氣故障、不正確的操作等，會(huì)造成小車車輪與軌道之間產(chǎn)生異?；瑒?dòng)摩擦，在車輪踏面和軌道面之間產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，而這個(gè)高溫相當(dāng)于對(duì)車輪踏面接觸區(qū)域的表層做了二次淬火。車輪踏面在使用前已經(jīng)進(jìn)行了淬火，且表面硬度很高，通常在HRC50左右，高硬度導(dǎo)致踏面表面塑性差、脆性大，二次淬火再一次增加了表面的脆性，后期小車在運(yùn)行過程中，易導(dǎo)致踏面表層與次表層的剝離。通過對(duì)異常磨損的小車車輪進(jìn)行金相分析，也證明以上觀點(diǎn)的科學(xué)性。起重機(jī)小車向重載高速方向發(fā)展，車輪需要承受更高的載荷，異常制動(dòng)引起的滑動(dòng)距離會(huì)更長，熱作用時(shí)間更長，可能一次意外停車，就會(huì)造成車輪的非正常磨損。

3 車輪踏面硬度分析

起重機(jī)制造廠商對(duì)軌道與車輪硬度比值對(duì)磨損的影響，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究。目前實(shí)際采用的車輪硬度范圍從HB285～HB450，有的甚至高達(dá)HB570(對(duì)應(yīng)HRC50～55)。軌道表面硬度以90 kg級(jí)為例，表面硬度為HB260～HB360，110 kg級(jí)表面硬度為HB320～HB400。因此以軌道表面硬度為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出最合理的車輪硬度范圍可以降低車輪踏面的異常磨損。

多年的實(shí)踐證明，在一個(gè)合理的淬硬層深度的情況下，提高車輪硬度可以減少磨損，但是車輪表面硬度超過了一定數(shù)值，又會(huì)導(dǎo)致軌道過早磨損。這就需要找出車輪踏面和軌道面之間合理的硬度匹配值，當(dāng)軌道硬度為既定值時(shí)，便可確定車輪的最佳硬度范圍。經(jīng)過實(shí)踐研究表明，匹配值HB輪/HB軌=1.25～1.4區(qū)間是比較合理的[2]。同時(shí)需要考慮小車運(yùn)行速度和承受載荷大小，比如小車運(yùn)行速度低，車輪承受載荷小，比值可以考慮取下限，反之推薦取上限值。

4 解決方案及建議

自行式小車車輪的磨損受各種因素的影響，可通過現(xiàn)有技術(shù)手段，盡量降低磨損。

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)選型以及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)小車機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度，以及車輪所承受的載荷等各種綜合工況，選擇合理的車輪踏面硬度與軌道硬度比值，過高和過低的硬度都會(huì)帶來負(fù)面影響。設(shè)置合理的加減速度，保證小車的啟動(dòng)和停止在合理的時(shí)間范圍內(nèi)，過大的加減速度，會(huì)增加小車在起制動(dòng)時(shí)打滑的機(jī)率；同時(shí)增加天氣模式選擇功能，比如正常干燥天氣是一種加減速模式，而雨雪天氣是另外一種加減速模式。選擇合理的制動(dòng)器型號(hào)，大制動(dòng)力矩并不能保證小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過理論研究以及各種功能測(cè)試，制動(dòng)器制動(dòng)力矩設(shè)置為小車電機(jī)額定輸出力矩的1.2～1.4倍比較合理。

4.2 新技術(shù)的研發(fā)

聯(lián)合制動(dòng)器供應(yīng)商開發(fā)智能制動(dòng)器，制動(dòng)器的制動(dòng)力矩輸出根據(jù)外部需求而改變，如同汽車上所用的ABS防抱死系統(tǒng)。研究新型車輪材料以及制作工藝，比如調(diào)整車輪材料的含碳量配比，增加特殊的合金元素，提高車輪的抗磨性能。通過特殊的制作和熱處理工藝，提高車輪踏面的抗剝離能力等，從而降低車輪的磨損。

5 結(jié)語

在實(shí)際應(yīng)用中，起重機(jī)制造商會(huì)根據(jù)用戶碼頭的特點(diǎn)推薦合理的小車驅(qū)動(dòng)形式，避免設(shè)計(jì)上的先天不足；加速度時(shí)間根據(jù)工況調(diào)整的方式，也在很多項(xiàng)目上得到了較好的應(yīng)用。通過一定的技術(shù)手段，結(jié)合及時(shí)的維修保養(yǎng)和良好的操作習(xí)慣，可減少自行式小車車輪磨損問題，提升工作穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益。