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        港口起重機(jī)鋼軌選型檢算方法探討

        2019-05-29 07:08:32廖二全張光磊楊洪祥
        港工技術(shù) 2019年2期
        關(guān)鍵詞:輪壓檢算輪軌

        廖二全,張光磊,楊洪祥

        (1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,天津 300222;2.唐山港集團(tuán)股份有限公司,河北 唐山 063600)

        引 言

        隨著港口經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,港口起重機(jī)呈現(xiàn)大型化、作業(yè)高速化的發(fā)展趨勢(shì),隨之港口起重機(jī)安全問(wèn)題受到高度重視,其中由于起重機(jī)鋼軌選型不當(dāng),引起的鋼軌斷裂等安全問(wèn)題也受到了關(guān)注。起重機(jī)鋼軌選型合理是防治鋼軌斷裂的前提[1-3],目前港口起重機(jī)鋼軌選型檢算尚無(wú)相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn),一般采用參考對(duì)比法,該方法受人為因素影響較大,易出現(xiàn)偏差,實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性。因此提出一種港口起重機(jī)鋼軌選型合理性檢算方法具有一定的必要性和工程應(yīng)用價(jià)值。

        1 港口起重機(jī)鋼軌選型檢算分析

        軌道鋼軌接觸疲勞強(qiáng)度是鋼軌表面能否滿足使用要求的重要判定依據(jù),軌道動(dòng)載強(qiáng)度是鋼軌整體強(qiáng)度能否達(dá)到使用要求的重要判定依據(jù)[4]。因此通過(guò)分析軌道鋼軌接觸疲勞強(qiáng)度及動(dòng)載強(qiáng)度可以有效判定鋼軌選型是否合理。目前缺少接觸疲勞強(qiáng)度及動(dòng)強(qiáng)度的計(jì)算方法,因此本節(jié)將依據(jù)輪軌接觸理論,推導(dǎo)出鋼軌的許用接觸壓力公式,用于鋼軌接觸疲勞強(qiáng)度分析;依據(jù)均勻連續(xù)彈性基礎(chǔ)理論及力的獨(dú)立作用線性疊加原理推導(dǎo)出動(dòng)載強(qiáng)度校核公式用于鋼軌強(qiáng)度分析。

        1.1 鋼軌接觸疲勞強(qiáng)度檢算分析

        根據(jù)輪軌 Hertz[5]接觸理論,輪軌接觸可用Carter[6]二維滾動(dòng)接觸模型表示,輪軌接觸斑為狹長(zhǎng)的橢圓,如圖1所示。

        假設(shè)起重機(jī)輪軌接觸滿足 Hertz接觸理論條件,則輪軌接觸斑上的法向壓力分布[7]可用式(1)表示:

        式中:x、y分別表示局部的縱向和橫向坐標(biāo);a、b分別表示橢圓接觸斑的短半軸和長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度;p0為接觸斑內(nèi)輪軌作用的最大法向力。

        圖1 接觸斑及輪軌接觸二維滾動(dòng)接觸模型

        鋼軌與車輪的最大接觸壓力[8-9]為:

        式中:p為輪軌接觸斑上的總壓力。

        假設(shè)鋼軌的屈服強(qiáng)度為σ軌,安全系數(shù)為K軌,則鋼軌的容許應(yīng)力為:

        假設(shè)輪軌接觸斑內(nèi)最大壓力的接觸面積為S輪軌,則鋼軌的允許最大接觸壓力為:

        鋼軌的允許接觸輪壓為:

        由于接觸面積S輪軌尚無(wú)相應(yīng)公式計(jì)算,因此鋼軌許用接觸壓力不能直接計(jì)算求得。

        與鋼軌的允許接觸輪壓計(jì)算方法一樣,車輪的許用接觸輪壓為:

        假設(shè)鋼軌的安全系數(shù)與車輪的安全系數(shù)取值相同,則有:

        允許輪壓的計(jì)算公式采用:

        式中:k為車輪或滾輪的許用比壓,N/mm2;D為車輪或滾輪的踏面直徑,mm;l為車輪或滾輪與軌道承壓面的有效接觸寬度,mm;C為計(jì)算系數(shù),C=C1C2,C1為轉(zhuǎn)速系數(shù),C2為車輪所在機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別系數(shù)。

        因此,可以求得鋼軌的許用接觸壓力為:

        1.2 鋼軌強(qiáng)度檢算分析

        鋼軌可視為連續(xù)彈性支承的等截面無(wú)限長(zhǎng)梁,鋼軌基礎(chǔ)的豎向位移與其反力成線性關(guān)系;車輪作用在軌道上的荷載符合力的獨(dú)立作用原理,即在車輪系作用下鋼軌的應(yīng)力、應(yīng)變等于各獨(dú)立車輪作用下應(yīng)力、應(yīng)變的代數(shù)和。

        單個(gè)車輪作用下,均勻連續(xù)彈性基礎(chǔ)上的鋼軌撓曲曲線如圖2所示。

        圖2 單輪作用的鋼軌撓曲曲線示意

        撓曲曲線的微分方程可表示為:

        式中:M為鋼軌彎矩,N·mm;E為鋼軌彈性模量,N/mm2;Ix為鋼軌截面對(duì)水平中性軸的慣性矩,cm4。

        根據(jù)文克爾(E.Winkler)的相關(guān)假設(shè),推導(dǎo)得到:

        式中:k為鋼軌基礎(chǔ)與鋼軌的剛比系數(shù)。k可通過(guò)下式求得:

        通過(guò)求解得到鋼軌在單車輪靜輪壓作用下的彎矩M0靜輪可按下式計(jì)算:

        式中:P0為單個(gè)車輪靜載壓力,N;μ0為均勻連續(xù)彈性基礎(chǔ)上無(wú)限長(zhǎng)梁的彎矩影響系數(shù)。

        根據(jù)均勻連續(xù)彈性基礎(chǔ)理論及力的獨(dú)立作用線性疊加原理,鋼軌在輪系作用下的靜彎矩M0輪系可按下式計(jì)算:

        在對(duì)鋼軌強(qiáng)度進(jìn)行選型計(jì)算時(shí),應(yīng)當(dāng)考慮相關(guān)的運(yùn)動(dòng)荷載,車輪動(dòng)荷載作用下的鋼軌彎矩Md可按下式計(jì)算:

        式中:α為大車行駛速度系數(shù),可按α=0.6v/100取值,v為大車行駛速度,km/h;β為偏載系數(shù),直線軌道取0。

        鋼軌在車輪動(dòng)載作用下,其邊緣的最大可能動(dòng)彎應(yīng)力可按下式計(jì)算。

        1)鋼軌的軌頭邊緣最大可能受到的動(dòng)彎應(yīng)力

        式中:f為軌道橫向力水平系數(shù),直線軌道取1.25;W頭為鋼軌上部斷面系數(shù),cm4。

        2)鋼軌的軌底邊緣最大可能受到的動(dòng)彎應(yīng)力

        式中:W底為鋼軌下部斷面系數(shù),cm4。

        另外還應(yīng)考慮溫度應(yīng)力的影響,溫度應(yīng)力可按下式計(jì)算:

        式中:στ為溫度應(yīng)力,MPa;Δt為當(dāng)?shù)刈罡哕墱鼗蜃畹蛙墱嘏c鋼軌安裝時(shí)鎖定軌溫之差,℃。

        車輪在鋼軌行駛時(shí),鋼軌的動(dòng)載強(qiáng)度校核,可按如下公式計(jì)算:

        式中:σs為鋼軌的屈服強(qiáng)度;K為安全系數(shù),建議取值 1.5~2.5,養(yǎng)護(hù)條件較好的明軌可取較小值,養(yǎng)護(hù)條件較差的暗軌建議取較大值。

        通過(guò)以上計(jì)算公式可逆向檢算鋼軌強(qiáng)度選型是否合理。

        2 選型舉例

        本節(jié)將以某港口一期工程所選Qu80鋼軌以及二期所選 Qu100鋼軌作為研究對(duì)象進(jìn)行了鋼軌的選型檢算,檢算結(jié)果與兩期工程鋼軌實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證該檢算方法的是否具有可操作性及應(yīng)用價(jià)值。

        2.1 設(shè)計(jì)條件

        某港口起重機(jī)的軌距為33 m,基距為8.6 m,輪數(shù)為4×4=16個(gè),單腿輪間距為1.1 m+1.4 m+1.1 m,單腿輪系布置如圖4所示。最大壓為320 kN,運(yùn)行速度為 160 m/min,車輪工作級(jí)別 M8,車輪直徑800 mm,車輪材質(zhì) 42CrMo,屈服強(qiáng)度取值930 MPa。

        圖3 起重機(jī)大車單腿輪系布置

        2.2 鋼軌接觸疲勞強(qiáng)度檢算

        在一期工程中,鋼軌選用QU80;二期工程中,鋼軌選用QU100。材質(zhì)均選用U71Mn,熱處理后抗拉強(qiáng)度不小于1 180 MPa時(shí),屈服強(qiáng)度取值800 MPa。鋼軌全長(zhǎng)范圍內(nèi)設(shè)鋼軌支座,支座間距500 mm。起重機(jī)的實(shí)際最大輪壓為320 kN。

        根據(jù)計(jì)算公式(2)求得,一期選用 QU80鋼軌的許用輪壓為273 kN,小于起重機(jī)的實(shí)際最大輪壓,因此選用的鋼軌的接觸疲勞強(qiáng)度不滿足要求。二期工程選用QU100鋼軌的許用輪壓為358 kN,大于起重機(jī)的實(shí)際最大輪壓,因此選用的鋼軌的接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求。

        2.3 鋼軌動(dòng)強(qiáng)度檢算

        兩期工程所用起重機(jī)機(jī)型相同,因此 ΣPiμi計(jì)算值均相同。由于起重機(jī)兩腿間距較大,故不考慮相鄰?fù)鹊妮唹河绊憽6鴨瓮溶囕喪菍?duì)稱布置,1輪與4輪、2輪與3輪對(duì)軌道壓應(yīng)力分別相同,因此計(jì)算時(shí)僅需考慮輪 1和輪 2的壓應(yīng)力即可。ΣPiμi計(jì)算值如表1所示。

        表1 ΣPiμi計(jì)算值

        由以上計(jì)算可知,1輪荷載較大,將其作為校驗(yàn)的輸入條件,取ΣPiμi=233 kN。

        1)QU80鋼軌動(dòng)強(qiáng)度檢算

        QU80鋼軌對(duì)水平軸線的慣性力矩為1 530 cm4;鋼軌支座剛度取 3×104N/mm;鋼軌的彈性模量取2.06×105N/mm2。

        根據(jù)鋼軌動(dòng)強(qiáng)度檢算公式計(jì)算,鋼軌的動(dòng)強(qiáng)度檢算如下:

        根據(jù)公式(4)~(8)求得:鋼軌基礎(chǔ)預(yù)鋼軌的剛比系數(shù)k為0.14770 cm-1,靜彎矩M0為3 943.9 kN·cm,動(dòng)彎矩Md為4 171.0 kN·cm;QU80鋼軌上部斷面系數(shù)為234.86 cm3,下部斷面系數(shù)為235.95 cm3;鋼軌的軌頭邊緣動(dòng)彎應(yīng)力σ頭d為222.0 N/mm2,鋼軌的底邊緣動(dòng)彎應(yīng)力σ底d為221.0 N/mm2;設(shè)溫差△t為 30 ℃,則σt為 73.5 MPa。

        鋼軌動(dòng)強(qiáng)度檢算帶入公式(9)、(10)得:

        由以上結(jié)果可知,選用QU80鋼軌的軌頭邊緣動(dòng)彎應(yīng)力為 295.5 MPa,軌底邊緣動(dòng)彎應(yīng)力為294.5 MPa,而許用應(yīng)力為320 MPa,因此選用的鋼軌的動(dòng)強(qiáng)度滿足要求。

        2)QU100鋼軌動(dòng)強(qiáng)度檢算

        QU100鋼軌對(duì)水平軸線的慣性力矩為2 806 cm4;鋼軌支座剛度取 3×104N/mm;鋼軌的彈性模量取2.06×105N/mm2。

        根據(jù)鋼軌動(dòng)強(qiáng)度檢算公式計(jì)算,鋼軌的動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算過(guò)程QU80鋼軌動(dòng)強(qiáng)度檢算:

        鋼軌基礎(chǔ)預(yù)鋼軌的剛比系數(shù)k為0.012692 cm-1,其靜彎矩M0為 4 589.5 kN·cm,其動(dòng)彎矩Md為4 853.9 kN·cm;QU100鋼軌上部斷面系數(shù)為380.64 cm3,下部斷面系數(shù)為367.87 cm3;鋼軌的軌頭邊緣動(dòng)彎應(yīng)力σ頭d為367.87 cm3,鋼軌的底邊緣動(dòng)彎應(yīng)力σ底d為159.4 N/mm2;設(shè)溫差△t為30 ℃,則σt為 73.5 MPa。

        鋼軌動(dòng)強(qiáng)度檢算結(jié)果:

        由以上結(jié)果可知,選用 QU100鋼軌的軌頭邊緣動(dòng)彎應(yīng)力為 232.9 MPa,軌底邊緣動(dòng)彎應(yīng)力為238.4 MPa,而許用應(yīng)力為320 MPa,因此選用的鋼軌的動(dòng)強(qiáng)度滿足要求。

        2.4 結(jié)果分析

        通過(guò)以上對(duì)鋼軌接觸疲勞強(qiáng)度以及鋼軌動(dòng)強(qiáng)度的檢算可得,一期選用的QU80鋼軌可以滿足鋼軌動(dòng)強(qiáng)度的要求,但是不能滿足鋼軌接觸疲勞強(qiáng)度的要求,該種情況下易出現(xiàn)表面裂紋、剝離等問(wèn)題。二期選用的 QU100鋼軌可以滿足其接觸疲勞強(qiáng)度及動(dòng)強(qiáng)度的要求。

        3 結(jié) 語(yǔ)

        本文依據(jù)輪軌接觸理論,推導(dǎo)出鋼軌的許用接觸壓力公式,用于鋼軌接觸疲勞強(qiáng)度分析;依據(jù)均勻連續(xù)彈性基礎(chǔ)理論及力的獨(dú)立作用線性疊加原理推導(dǎo)出動(dòng)載強(qiáng)度校核公式,用于鋼軌強(qiáng)度分析。并結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例檢算,檢算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)情況一致,驗(yàn)證了該檢算方法的可行性。本文提出的港口起重機(jī)鋼軌選型檢算方法是相對(duì)合理的,且具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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