金 生

（秦皇島港股份有限公司第二港務(wù)分公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

為解決問題，通過觀察和理論分析，找到問題原因，對(duì)斗輪小車行走裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。應(yīng)用Workbench 分析軟件對(duì)P30鋼軌進(jìn)行有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，尋找P30 鋼軌的薄弱環(huán)節(jié)和易損壞部位，為P30 鋼軌的日常檢查提供參考。

1 立項(xiàng)背景

MDQ3000/3000.650 型門式堆取料機(jī)是煤二期預(yù)留堆場(chǎng)中的重要裝卸設(shè)備，是哈爾濱重型機(jī)器廠20 世紀(jì)90 年代中期研發(fā)的產(chǎn)品，至今已使用20 余年。它集堆料、取料于一身，工藝變換頻繁，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。門式堆取料機(jī)就其功能而言由堆料和取料兩大系統(tǒng)組成，包括門架、活動(dòng)梁、活動(dòng)梁升降機(jī)構(gòu)、堆料皮帶機(jī)、受料皮帶機(jī)、斗輪機(jī)構(gòu)、斗輪小車行走裝置、大車行走機(jī)構(gòu)、尾車皮帶機(jī)等重要機(jī)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)有的專用于堆料系統(tǒng)，有的專用于取料系統(tǒng)，有的為兩系統(tǒng)通用。

斗輪小車行走裝置是取料系統(tǒng)的專用裝置，由行走車輪和行走軌道兩部分組成。多年以來，該裝置始終存在兩個(gè)問題

（1）軌道側(cè)向彎曲變形，特別是在軌道對(duì)接處尤為嚴(yán)重，存在車輪掉道的危險(xiǎn)，需要經(jīng)常對(duì)其進(jìn)行更換，增加了檢修人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）行走車輪輪緣磨損過快，導(dǎo)致整個(gè)車輪報(bào)廢，增加了設(shè)備運(yùn)行的維護(hù)、維修成本。

近年，隨著設(shè)備不斷老化，這兩個(gè)問題的嚴(yán)重性也日趨突顯，若不采取措施，勢(shì)必對(duì)設(shè)備的安全生產(chǎn)運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重隱患。因此，立項(xiàng)解決這兩個(gè)問題。

2 現(xiàn)象觀察

觀察分為空載觀察和帶載觀察，目的是摸清軌道側(cè)向變形的直觀原因。

（1）空載觀察。空載觀察就是斗輪空轉(zhuǎn)，斗輪小車往復(fù)行走，人站在小車架觀察。觀察發(fā)現(xiàn):小車在走行過程中無異常，車輪輪緣和軌道的側(cè)向擠壓不明顯，軌道側(cè)向受力不大，不可能造成軌道明顯的側(cè)向變形。

（2）帶載觀察。帶載觀察就是斗輪滿載吃料旋轉(zhuǎn)，斗輪小車往復(fù)行走，人站在斗輪平臺(tái)觀察。觀察發(fā)現(xiàn):小車在正反向往復(fù)走行過程中存在車輪輪緣兩兩對(duì)角啃軌現(xiàn)象，車輪輪緣和軌道的相互側(cè)向擠壓明顯，軌道側(cè)向受力較大，造成軌道明顯的朝向軌外的側(cè)向變形。

（3）觀察結(jié)論。通過兩種形式的觀察，可知斗輪在帶載取料的工況下，必定存在一個(gè)致使斗輪小車產(chǎn)生偏斜的力，這個(gè)力通過車輪輪緣傳遞到軌道側(cè)踏面，使軌道產(chǎn)生側(cè)彎。只有通過專業(yè)的理論分析，才能進(jìn)一步明確這個(gè)力。

3 解決方案

3.1 軌道解決方案

3.1.1 更換軌道

拆掉原有已磨損嚴(yán)重的24 kg/m 舊鋼軌（新標(biāo)準(zhǔn)已無該規(guī)格鋼軌），換上30 kg/m 的新鋼軌。和舊軌相比，軌高基本一樣（舊軌高107 mm，新軌高107.95 mm），踏面寬比舊軌增加9 mm，截面積比舊軌增加708 mm2。由于軌寬和截面積的增加，其側(cè)向剛度有所增加，對(duì)克服側(cè)向受力變形很有利。

3.1.2 減少軌道固定壓板的間隔

原軌道固定壓板間隔為600 mm，更換新軌后，其壓板間隔為500 mm，目的是改善軌道支撐條件，降低軌道的側(cè)向彎矩，有效地減輕其側(cè)向受力變形。

3.1.3 加設(shè)軌道接頭夾板

原軌道接縫處沒有接頭夾板，使軌道接縫處的兩軌道端頭為側(cè)向懸臂受力的不利狀態(tài)。加設(shè)軌道接頭夾板后，兩軌道可近似為一體結(jié)構(gòu)，接縫處的軌道兩端頭由側(cè)向懸臂受力變?yōu)榻频膫?cè)向簡(jiǎn)支受力，從而較大地改善了軌道接縫處的受力條件，提高其側(cè)向剛度。

3.2 車輪解決方案

3.2.1 更換車輪

由于新軌道的踏面比舊軌道寬9 mm，所以原車輪（共4個(gè)）的輪槽寬度不適合，需全部更換輪槽加寬的新車輪。新車輪的安裝尺寸與舊車輪相同。

3.2.2 改變車輪的輪緣結(jié)構(gòu)

將車輪由原單輪緣結(jié)構(gòu)改為雙輪緣結(jié)構(gòu)。雙輪緣使車輪和軌道的側(cè)向受力面各增加1 倍，可以有效減輕軌道側(cè)踏面和輪緣內(nèi)側(cè)面的磨損，成倍提高兩者使用壽命。

3.2.3 改變車輪材料

將車輪材料由鑄鋼改為鍛鋼。理論和實(shí)踐都表明，鍛鋼車輪的坯料經(jīng)過紅熱鍛打，其分子晶格組織更加密實(shí)，強(qiáng)度更高，耐壓和耐磨性更好，且無氣孔、夾渣、夾層、沙眼等鑄造車輪易出現(xiàn)的缺陷。

摩擦的理論和實(shí)踐都表明:材料的磨損與摩擦力有關(guān)，摩擦力與物體所受壓力成正比。這也在理論上證明了車輪改為雙輪緣后，將成倍提高軌道和車輪的使用壽命。

這里需要說明的是，由于車輪在小車架上的安裝距離和實(shí)際上的軌距之間存在誤差，新安裝的雙輪緣車輪在開始使用時(shí)，其側(cè)輪壓可能與單輪緣時(shí)差不多。但走合一段時(shí)間后，雙輪緣側(cè)輪壓的減輕將逐漸顯現(xiàn)，最終達(dá)到理論計(jì)算值。

4 基于Workbench 的P30 軌道有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析

4.1 Workbench 模態(tài)分析簡(jiǎn)介

Workbench 是美國(guó)ANSYS 公司推出的大型通用有限元分析軟件，可以與大多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換，廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、機(jī)械制造、土木工程和生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的重要組成部分，通過固有頻率和振型的分析，即模態(tài)分析，可以尋找P30 鋼軌的薄弱環(huán)節(jié)和易損壞部位，為P30 鋼軌的日常檢查提供參考。

4.2 Workbench 靜力學(xué)分析

首先使用SolidWorks 應(yīng)用軟件建立P30 鋼軌的虛擬樣機(jī)，通過與Workbench 軟件的接口，將所需要分析的虛擬樣機(jī)導(dǎo)入Workbench 有限元分析軟件中。由于P30 鋼軌是在斗輪小車壓力和軌道夾板壓力作用下，因此需要建立有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析。Workbench 模態(tài)分析流程如圖1 所示。

圖1 Workbench 模態(tài)分析流程

首先進(jìn)行P30 軌道的靜力分析。在材料屬性中設(shè)定P30 軌道的材料為55Q，彈性模量E=2.11×1011N/m2，泊松比μ=0.30，材料密度ρ=7850 kg/m3。P30 鋼軌截面為軸對(duì)稱形狀，故本次改進(jìn)采用自由劃分網(wǎng)格方法，如圖2 所示。

然后根據(jù)P30 鋼軌的實(shí)際工作條件，對(duì)所要研究的P30 鋼軌施加力和約束。考慮到P30鋼軌是在斗輪小車的重力和軌道壓板的壓力作用下，因此需要在P30 鋼軌施加均布載荷，在P30 鋼軌底座處對(duì)P30 鋼軌施加約束。

此外，根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，本次改進(jìn)對(duì)P30 鋼軌的左側(cè)面施加3026 kN 的載荷，并在Solution 中添加總位移、應(yīng)力和應(yīng)變，靜力分析結(jié)果如圖3 所示。

圖2 自由劃分網(wǎng)格方法

圖3 靜力分析結(jié)果

通過應(yīng)力云圖，結(jié)果表明:P30 鋼軌最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力值小于屈服強(qiáng)度310 MPa，所以采用新型的P30 鋼軌可以滿足B2DQ 斗輪小行走機(jī)構(gòu)的使用。

4.3 Workbench 有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析結(jié)果

進(jìn)行P30 鋼軌有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析。P30 鋼軌前6 階的模態(tài)振型如圖4 所示，代表P30 軌道在6 個(gè)自由度下的振型。P30 鋼軌在1 階固有頻率（575.8 Hz）主要表現(xiàn)為P30 軌道沿軸向的扭轉(zhuǎn)變形；P30 鋼軌在2 階固有頻率（1581.3 Hz）主要表現(xiàn)為P30軌道沿鉛垂方向上踏面的壓縮變形；P30 鋼軌在3 階固有頻率（2845.7 Hz）主要表現(xiàn)為P30 軌道沿側(cè)向的扭轉(zhuǎn)變形；P30 鋼軌在4 階固有頻率（3640.7 Hz）主要表現(xiàn)為P30 軌道沿側(cè)向的壓縮變形；P30 鋼軌在5 階固有頻率（7050.8 Hz）主要表現(xiàn)為P30 軌道沿軸向的壓縮變形；P30 鋼軌在6 階固有頻率（8839.1 Hz）主要表現(xiàn)為P30 軌道沿鉛垂方向的扭轉(zhuǎn)變形。

圖4 P30 鋼軌前6 階的模態(tài)振型

由此可以得出，第2 階模態(tài)和第4 階模態(tài)對(duì)軌道影響最大，其中P30 軌道的立筋與上踏面及底面的連接處是最易損壞部位，為日后設(shè)備檢查重點(diǎn)提供了理論依據(jù)。

5 效果

改進(jìn)后的斗輪小車行走裝置運(yùn)行可靠、平穩(wěn)，故障率為零。本次技術(shù)改進(jìn)基本解決了門式堆取料機(jī)長(zhǎng)期存在的“老大難”問題，較大程度上節(jié)約了采購備件、更換備件、停機(jī)維修的成本，為單位生產(chǎn)作業(yè)提供了更可靠的保證。