门式堆取料机斗轮小车行走装置改进

金 生

（秦皇岛港股份有限公司第二港务分公司，河北秦皇岛 066000）

0 引言

为解决问题，通过观察和理论分析，找到问题原因，对斗轮小车行走装置进行设计改进。应用Workbench 分析软件对P30钢轨进行有预应力的模态分析，寻找P30 钢轨的薄弱环节和易损坏部位，为P30 钢轨的日常检查提供参考。

1 立项背景

MDQ3000/3000.650 型门式堆取料机是煤二期预留堆场中的重要装卸设备，是哈尔滨重型机器厂20 世纪90 年代中期研发的产品，至今已使用20 余年。它集堆料、取料于一身，工艺变换频繁，结构复杂。门式堆取料机就其功能而言由堆料和取料两大系统组成，包括门架、活动梁、活动梁升降机构、堆料皮带机、受料皮带机、斗轮机构、斗轮小车行走装置、大车行走机构、尾车皮带机等重要机构。这些结构和机构有的专用于堆料系统，有的专用于取料系统，有的为两系统通用。

斗轮小车行走装置是取料系统的专用装置，由行走车轮和行走轨道两部分组成。多年以来，该装置始终存在两个问题

（1）轨道侧向弯曲变形，特别是在轨道对接处尤为严重，存在车轮掉道的危险，需要经常对其进行更换，增加了检修人员劳动强度。

（2）行走车轮轮缘磨损过快，导致整个车轮报废，增加了设备运行的维护、维修成本。

近年，随着设备不断老化，这两个问题的严重性也日趋突显，若不采取措施，势必对设备的安全生产运行构成严重隐患。因此，立项解决这两个问题。

2 现象观察

观察分为空载观察和带载观察，目的是摸清轨道侧向变形的直观原因。

（1）空载观察。空载观察就是斗轮空转，斗轮小车往复行走，人站在小车架观察。观察发现:小车在走行过程中无异常，车轮轮缘和轨道的侧向挤压不明显，轨道侧向受力不大，不可能造成轨道明显的侧向变形。

（2）带载观察。带载观察就是斗轮满载吃料旋转，斗轮小车往复行走，人站在斗轮平台观察。观察发现:小车在正反向往复走行过程中存在车轮轮缘两两对角啃轨现象，车轮轮缘和轨道的相互侧向挤压明显，轨道侧向受力较大，造成轨道明显的朝向轨外的侧向变形。

（3）观察结论。通过两种形式的观察，可知斗轮在带载取料的工况下，必定存在一个致使斗轮小车产生偏斜的力，这个力通过车轮轮缘传递到轨道侧踏面，使轨道产生侧弯。只有通过专业的理论分析，才能进一步明确这个力。

3 解决方案

3.1 轨道解决方案

3.1.1 更换轨道

拆掉原有已磨损严重的24 kg/m 旧钢轨（新标准已无该规格钢轨），换上30 kg/m 的新钢轨。和旧轨相比，轨高基本一样（旧轨高107 mm，新轨高107.95 mm），踏面宽比旧轨增加9 mm，截面积比旧轨增加708 mm2。由于轨宽和截面积的增加，其侧向刚度有所增加，对克服侧向受力变形很有利。

3.1.2 减少轨道固定压板的间隔

原轨道固定压板间隔为600 mm，更换新轨后，其压板间隔为500 mm，目的是改善轨道支撑条件，降低轨道的侧向弯矩，有效地减轻其侧向受力变形。

3.1.3 加设轨道接头夹板

原轨道接缝处没有接头夹板，使轨道接缝处的两轨道端头为侧向悬臂受力的不利状态。加设轨道接头夹板后，两轨道可近似为一体结构，接缝处的轨道两端头由侧向悬臂受力变为近似的侧向简支受力，从而较大地改善了轨道接缝处的受力条件，提高其侧向刚度。

3.2 车轮解决方案

3.2.1 更换车轮

由于新轨道的踏面比旧轨道宽9 mm，所以原车轮（共4个）的轮槽宽度不适合，需全部更换轮槽加宽的新车轮。新车轮的安装尺寸与旧车轮相同。

3.2.2 改变车轮的轮缘结构

将车轮由原单轮缘结构改为双轮缘结构。双轮缘使车轮和轨道的侧向受力面各增加1 倍，可以有效减轻轨道侧踏面和轮缘内侧面的磨损，成倍提高两者使用寿命。

3.2.3 改变车轮材料

将车轮材料由铸钢改为锻钢。理论和实践都表明，锻钢车轮的坯料经过红热锻打，其分子晶格组织更加密实，强度更高，耐压和耐磨性更好，且无气孔、夹渣、夹层、沙眼等铸造车轮易出现的缺陷。

摩擦的理论和实践都表明:材料的磨损与摩擦力有关，摩擦力与物体所受压力成正比。这也在理论上证明了车轮改为双轮缘后，将成倍提高轨道和车轮的使用寿命。

这里需要说明的是，由于车轮在小车架上的安装距离和实际上的轨距之间存在误差，新安装的双轮缘车轮在开始使用时，其侧轮压可能与单轮缘时差不多。但走合一段时间后，双轮缘侧轮压的减轻将逐渐显现，最终达到理论计算值。

4 基于Workbench 的P30 轨道有预应力的模态分析

4.1 Workbench 模态分析简介

Workbench 是美国ANSYS 公司推出的大型通用有限元分析软件，可以与大多数计算机辅助设计软件实现数据共享和交换，广泛应用于石油化工、航空航天、机械制造、土木工程和生物医学等多个领域。

模态分析是动力学分析的重要组成部分，通过固有频率和振型的分析，即模态分析，可以寻找P30 钢轨的薄弱环节和易损坏部位，为P30 钢轨的日常检查提供参考。

4.2 Workbench 静力学分析

首先使用SolidWorks 应用软件建立P30 钢轨的虚拟样机，通过与Workbench 软件的接口，将所需要分析的虚拟样机导入Workbench 有限元分析软件中。由于P30 钢轨是在斗轮小车压力和轨道夹板压力作用下，因此需要建立有预应力的模态分析。Workbench 模态分析流程如图1 所示。

图1 Workbench 模态分析流程

首先进行P30 轨道的静力分析。在材料属性中设定P30 轨道的材料为55Q，弹性模量E=2.11×1011N/m2，泊松比μ=0.30，材料密度ρ=7850 kg/m3。P30 钢轨截面为轴对称形状，故本次改进采用自由划分网格方法，如图2 所示。

然后根据P30 钢轨的实际工作条件，对所要研究的P30 钢轨施加力和约束。考虑到P30钢轨是在斗轮小车的重力和轨道压板的压力作用下，因此需要在P30 钢轨施加均布载荷，在P30 钢轨底座处对P30 钢轨施加约束。

此外，根据以上计算结果，本次改进对P30 钢轨的左侧面施加3026 kN 的载荷，并在Solution 中添加总位移、应力和应变，静力分析结果如图3 所示。

图2 自由划分网格方法

图3 静力分析结果

通过应力云图，结果表明:P30 钢轨最大应力点的应力值小于屈服强度310 MPa，所以采用新型的P30 钢轨可以满足B2DQ 斗轮小行走机构的使用。

4.3 Workbench 有预应力的模态分析结果

进行P30 钢轨有预应力的模态分析。P30 钢轨前6 阶的模态振型如图4 所示，代表P30 轨道在6 个自由度下的振型。P30 钢轨在1 阶固有频率（575.8 Hz）主要表现为P30 轨道沿轴向的扭转变形；P30 钢轨在2 阶固有频率（1581.3 Hz）主要表现为P30轨道沿铅垂方向上踏面的压缩变形；P30 钢轨在3 阶固有频率（2845.7 Hz）主要表现为P30 轨道沿侧向的扭转变形；P30 钢轨在4 阶固有频率（3640.7 Hz）主要表现为P30 轨道沿侧向的压缩变形；P30 钢轨在5 阶固有频率（7050.8 Hz）主要表现为P30 轨道沿轴向的压缩变形；P30 钢轨在6 阶固有频率（8839.1 Hz）主要表现为P30 轨道沿铅垂方向的扭转变形。

图4 P30 钢轨前6 阶的模态振型

由此可以得出，第2 阶模态和第4 阶模态对轨道影响最大，其中P30 轨道的立筋与上踏面及底面的连接处是最易损坏部位，为日后设备检查重点提供了理论依据。

5 效果

改进后的斗轮小车行走装置运行可靠、平稳，故障率为零。本次技术改进基本解决了门式堆取料机长期存在的“老大难”问题，较大程度上节约了采购备件、更换备件、停机维修的成本，为单位生产作业提供了更可靠的保证。