斗轮堆取料机车轮踏面的接触强度计算
2014-06-01
（北方重工集团有限公司装卸设备分公司，辽宁 沈阳 110027）
斗轮堆取料机车轮踏面的接触强度计算
范 磊 李建莹 冯学慧
（北方重工集团有限公司装卸设备分公司，辽宁 沈阳 110027）
通过理论计算与实际案例相结合的方法，对斗轮堆取料机车轮踏面与轨道接触应力进行了计算，进一步明确了载荷、车轮踏面的硬度、车轮的直径和转速，轨面的形状等参数与接触应力的关系，为以后的设计提供了理论依据。
斗轮堆取料机；接触应力；车轮
1 概述
我们在研究材料某一点的应力状态时，若所取的单元体的三个相互垂直的面皆为主平面，且这三个主应力皆不为零，于是称此点为三向应力状态。
斗轮堆取料机车轮在轨道上作滚动运动，车轮和轨道的接触点处，会产生很大的接触变形和接触应力。接触应力具有局部性，离开接触面稍远处，应力急剧减小，所以说，接触应力是一种局部的应力。接触应力法向是一条垂直的直线，这是第一主应力σ1，而此点处必将向周围膨胀，于是引起周围材料对它的约束应力σ2和σ3，所以说车轮踏面和轨道轨头接触处是三向应力状态。
接触应力毫无疑问地与载荷、车轮踏面的硬度、车轮的直径和转速，轨面的形状等参数有直接的关系。在设计计算中，要准确地计算出所设计的堆取料机车轮接触应力的具体数值，是否满足本文中公式②和③的条件，而不能简单地用车轮轮压来验证。
2 车轮的计算
2.1 车轮载荷的计算
由于斗轮堆取料机工作时重心在不断地移动，所以每个车轮都有可能产生最大的轮压和最小的轮压，在计算时，不能简单地以最大的或最小的数值来确定其轮压，应有一个反映比较真实的轮压数值来进行计算，我们称之为计算轮压（也可以认为是等效轮压，或说当量轮压）。
计算轮压Pc的计算式如公式①：
举例：我公司为马来西亚曼荣电厂设计的斗轮堆取料机的最大轮压和最小轮压分别是238kN、76kN，按上述公式得出的计算轮压是184kN。
2.2 车轮踏面接触强度的计算
钢轨有平头钢轨和凸头钢轨之分，按照车轮踏面与轨道顶部形状的不同，圆柱形踏面车轮与平头轨道接触时按线接触应力计算；圆柱形（或圆锥形）踏面车轮与凸头轨道接触时按点接触应力计算。线接触的受力情况较好，但往往由于机架变形和安装偏差等因素，使线接触应力分布不尽人意，因此，斗轮堆取料机用的大都是凸头钢轨，主要计算车轮踏面的点接触应力。
2.2.1 线接触的允许轮压
线接触的接触轮压要满足公式：
式中：
K1——与车轮材质有关的许用线接触应力常数（N/mm2）；
D —— 车轮直径（mm）；
L —— 车轮与轨头的接触长度（mm）；
C1—— 转速系数；
C2—— 工作级别系数。
其中L=b-2r（b为轨头宽度，r为轨头宽度两侧的圆角）
仍拿上面的例1来计算①式
先选取k1，车轮材料为35CrMnSi，其抗拉强度σb=1620N/mm2，近似取值k1=8；
计算D值，此车轮直径D=630mm；
计算L值，此轨道的L值为49.6mm；
计算C1，此台斗轮堆取料机调车时车轮转速为15r/min，工作时转速为7.5r/ min，因为斗轮堆取料机经常用工作速度来运行，所以查表得C1=1.14；
计算C2，按较高等级的工作级别系数M6来查表得C2=0.9。
对于②式有
上式不等式成立，故车轮踏面线接触应力满足要求。
2.2.2 点接触的许用轮压
点接触的许用轮压要满足
式中：
K2——与材质有关的许用点接触应力常数（N/mm2）；
R —— 轨面的曲率半径（mm）；
m —— 车轮半径r与轨面曲率半径R之比（r/R）所确定的系数；
对于例1，查表得K2=0.3，R＝300mm，m查表得m=0.388。
所以③式为
上式成立，所以点接触应力满足要求。
结语
斗轮堆取料机车轮支撑整机重量作用于轨道上，因此，载荷、车轮踏面的硬度、车轮的直径和转速，轨面的形状等参数对整机使用寿命有着极为重要的作用，本文对车轮踏面接触应力进行计算，更能真实反映轮轨接触的真实情况，为后续的设计提供重要依据。
[1].GB/T 3811-2008起重机设计规范[S].
[2].张质文.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2001.
[3].成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2001.
TH23 < class="emphasis_bold"> 文献标识码：A
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