許小東 蘇巧彥/文

堆垛機(jī)行走輪失效原因分析

許小東 蘇巧彥/文

本文針對(duì)某型號(hào)堆垛機(jī)在實(shí)際使用過程中行走輪出現(xiàn)表面剝落的現(xiàn)象，結(jié)合理論計(jì)算與有限元分析的方法對(duì)失效原因進(jìn)行了分析，并對(duì)行走輪提出新的技術(shù)要求。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，新的技術(shù)要求能夠有效解決堆垛機(jī)行走輪表面剝落問題，這對(duì)后期行走輪的設(shè)計(jì)提供了有效的參考價(jià)值。

堆垛機(jī)、行走輪、強(qiáng)度分析、硬度分析

隨著立體倉(cāng)庫(kù)的普及，對(duì)于立體倉(cāng)庫(kù)主要核心部件堆垛機(jī)的要求也越來越高，需要堆垛機(jī)的運(yùn)行速度更快、堆垛高度更高、載重能力更強(qiáng)。對(duì)于堆垛機(jī)而言，貨物和堆垛機(jī)自身的重量全部由兩個(gè)行走輪來承載，因此如何設(shè)計(jì)并定義行走輪的技術(shù)要求，使之獲得較高的使用壽命顯得尤為重要。

本文針對(duì)某型號(hào)堆垛機(jī)在實(shí)際使用過程中行走輪出現(xiàn)表面剝落的現(xiàn)象，結(jié)合理論計(jì)算與有限元分析的方法對(duì)失效原因進(jìn)行了分析，并對(duì)行走輪提出新的技術(shù)要求。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，新的技術(shù)要求能夠有效解決堆垛機(jī)行走輪表面剝落問題，這對(duì)后期行走輪的設(shè)計(jì)提供了有效的參考價(jià)值。

一、原因分析

在某項(xiàng)目中，堆垛機(jī)行走輪在運(yùn)行一段時(shí)間之后出現(xiàn)表面剝落現(xiàn)象，該機(jī)型包括載荷總重為12.7t，走輪軸距5250mm。堆垛機(jī)為24小時(shí)作業(yè)制，出入庫(kù)能力大約為30托盤/小時(shí)，均為單伸作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)行走輪表面剝落情況如圖1。

堆垛機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，行走輪處于高速運(yùn)行狀態(tài)，且整個(gè)堆垛機(jī)負(fù)載全部依靠?jī)蓚€(gè)行走輪來承載，因此行走輪的強(qiáng)度、耐磨等性能必須滿足使用要求，下面從行走輪的接觸強(qiáng)度方面進(jìn)行原因分析。

（一）強(qiáng)度分析

在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，行走輪除了需要承受堆垛機(jī)自重及其荷載的重量，還要承受由于加減速造成的慣性力及地軌表面不平造成的震動(dòng)等。由于碰撞出現(xiàn)的概率相對(duì)較小，故本文不做研究分析。

1.堆垛機(jī)靜止時(shí)的受力

堆垛機(jī)到達(dá)指定貨格處，靜止時(shí)堆垛機(jī)行走輪受力情況見圖2。

堆垛機(jī)靜止時(shí)行走輪受力

堆垛機(jī)整體結(jié)構(gòu)布置近似對(duì)稱，整機(jī)的重心近似位于兩行走輪中點(diǎn)位置。

故

根據(jù)式一計(jì)算得，堆垛機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，走輪受到的壓力為:

2.堆垛機(jī)加減速時(shí)的受力

堆垛機(jī)在行走過程中，存在加減速的情況，一般加減速度為0.3m/s2，由于慣性力作用的存在，使作用在行走輪的壓力增大。

由于慣性力導(dǎo)致增大的壓力：

圖1：堆垛機(jī)行走輪表面剝落情況

圖2：堆垛機(jī)靜止時(shí)行走輪受力情況

圖3：第三主應(yīng)力云圖

圖4：對(duì)行走輪硬度進(jìn)行測(cè)試

表1：經(jīng)測(cè)試所得行走輪硬度值

B表示行走輪之間的間距；

在加減速過程中由于慣性力的存在，由式2得附加輪壓：

即在堆垛機(jī)加速或者減速運(yùn)行時(shí)，最大輪壓：

根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T3811要求，允許輪壓按照下式確定：

K表示車輪的許用比壓，單位為N/mm2,根據(jù)行走輪材料選取K值為7.2；

D表示車輪的直徑；

L表示車輪與軌道承壓面有效接觸寬度；

C表示計(jì)算系數(shù)，與車輪轉(zhuǎn)速系數(shù)和車輪工作級(jí)別有關(guān):

行走輪材料選用42CrMo，行走輪行走速度為180m/min，根據(jù)式3計(jì)算得許用輪壓為：

行走輪的實(shí)際最大輪壓小于許用輪壓，理論上行走輪滿足使用要求。

3.行走輪與地軌之間接觸面上的接觸應(yīng)力

在行走輪與地軌接觸面處，材料處于三向應(yīng)力狀態(tài)，且為壓應(yīng)力，故應(yīng)保證接觸面處的材料能夠承受足夠大的壓應(yīng)力而不出現(xiàn)屈服。

行走輪與地軌表面的接觸，近似與圓柱體與平面的接觸，行走輪材質(zhì)為42CrMo，地軌為U71Mn,故最大接觸應(yīng)力為：

式中：

F為行走輪承受的最大壓力；

E為鋼材的彈性模量；

R為行走輪的半徑；

l為行走輪和地軌之間的接觸長(zhǎng)度；

由式4計(jì)算得最大接觸應(yīng)力為：

行走輪許用接觸應(yīng)力為:

故行走輪實(shí)際最大接觸應(yīng)力小于許用接觸應(yīng)力，滿足接觸強(qiáng)度要求。

以上通過理論計(jì)算方式進(jìn)行了行走輪輪壓和接觸強(qiáng)度的計(jì)算校核?？紤]到由于理論計(jì)算方法在載荷的施加和邊界條件設(shè)置方面都進(jìn)行了簡(jiǎn)化，未能在計(jì)算中將地軌受力時(shí)自身的變形考慮在內(nèi)，故采用有限元方法，對(duì)行走輪接觸點(diǎn)處的接觸應(yīng)力進(jìn)行校核。

4.行走輪的有限元分析

行走輪采用六面體單元，單元平均大小為5mm；地軌采用六面體單元，單元大小為10mm，根據(jù)以上網(wǎng)格設(shè)置對(duì)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。地軌和行走輪之間采用滑動(dòng)不分離接觸，地軌地平面采用固定約束。

因只關(guān)注行走輪與地軌接觸處的接觸應(yīng)力，故對(duì)于地軌只截取部分長(zhǎng)度作為支撐部件。

行走輪始終處于壓縮狀態(tài)，此處以第三主應(yīng)力作為判斷應(yīng)力，應(yīng)力云圖如圖3所示：

行走輪與地軌接觸處，最大應(yīng)力為-338.8Mpa。

因理論計(jì)算過程中，無法準(zhǔn)確模擬堆垛機(jī)的受力傳遞，所以直接將載荷以均布力的形式進(jìn)行施加；地軌在實(shí)際運(yùn)行過程中存在一定的變形，而不是剛體，以上原因造成理論計(jì)算結(jié)果會(huì)比有限元計(jì)算結(jié)果數(shù)值偏大。

經(jīng)過理論計(jì)算和有限元分析可知行走輪和地軌的強(qiáng)度都滿足使用要求。但是行走輪在運(yùn)行中仍出現(xiàn)表面剝落，考慮可能是由于其他原因?qū)е?。查閱行走輪圖紙，發(fā)現(xiàn)行走輪除對(duì)材料要求外，還需要進(jìn)行熱處理，對(duì)硬度有相關(guān)要求，故考慮對(duì)失效行走輪的硬度進(jìn)行測(cè)量。

（二）硬度分析

將行走輪沿徑向方向進(jìn)行剖切，以圖4方式對(duì)行走輪硬度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得走輪表面硬度達(dá)到HV405.7，現(xiàn)場(chǎng)采用的U71Mn熱軋鋼軌，表面硬度為HV320。圖紙中行走輪的硬度要求為HV370,車輪硬度遠(yuǎn)大于鐵軌硬度（見表1）。

查閱摩擦學(xué)學(xué)報(bào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及論文可知，當(dāng)軌輪硬度比約為1.04時(shí)，輪軌系統(tǒng)總磨損量達(dá)到最小。在此項(xiàng)目中測(cè)得行走輪表面硬度為HV405.7,地軌表面硬度為HV320，軌輪硬度比為0.79，小于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的推薦值，且現(xiàn)場(chǎng)可以明顯發(fā)現(xiàn)軌道和行走輪磨損產(chǎn)生的鐵屑。

隨著車輪硬度的增加，耐磨性逐漸增強(qiáng)，但是由于表面材料在滾動(dòng)磨損過程中不容易從表面脫落而造成麻點(diǎn)式剝落損傷，在反復(fù)切向力作用下行走輪試樣材料產(chǎn)生微裂紋并導(dǎo)致擴(kuò)展和貫通，從而造成在行走輪硬度過大時(shí)的大塊剝落損傷，形成與前述項(xiàng)目類似的行走輪失效。大塊剝落對(duì)車輪疲勞性能具有較大影響，更容易造成疲勞損傷，降低了行走輪的使用壽命。

二、試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上分析結(jié)果，按照行走輪和地軌硬度匹配區(qū)間要求，地軌和行走輪硬度比為1.04，重新設(shè)計(jì)行走輪。更換之后的行走輪，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過程中未出現(xiàn)表面剝落的失效現(xiàn)象，且在現(xiàn)場(chǎng)磨損鐵屑較之前有明顯的減少。

三、結(jié)論

根據(jù)以上分析可知，雖然材料的強(qiáng)度滿足使用要求，但是由于堆垛機(jī)在行走、制動(dòng)時(shí)都是通過車輪和軌道之間的摩擦接觸來實(shí)現(xiàn)的，接觸點(diǎn)反復(fù)承受各種復(fù)雜載荷，容易產(chǎn)生以磨損和滾動(dòng)接觸疲勞破壞為主的失效，如輪軌接觸表面的剝離、表面擦傷等形式。

在行走輪設(shè)計(jì)時(shí)，不僅僅要達(dá)到足夠強(qiáng)度，也應(yīng)該控制走輪熱處理之后的表面硬度，使之與鐵軌表面硬度匹配，一般取鐵軌和走輪的安全匹配區(qū)間為1.01.1之間。

作者單位為德馬泰克物流系統(tǒng)（蘇州）有限公司