斗輪堆取料機車輪踏面的接觸強度計算

（北方重工集團有限公司裝卸設備分公司，遼寧 沈陽 110027）

斗輪堆取料機車輪踏面的接觸強度計算

范 磊 李建瑩 馮學慧

（北方重工集團有限公司裝卸設備分公司，遼寧 沈陽 110027）

通過理論計算與實際案例相結合的方法，對斗輪堆取料機車輪踏面與軌道接觸應力進行了計算，進一步明確了載荷、車輪踏面的硬度、車輪的直徑和轉速，軌面的形狀等參數與接觸應力的關系，為以后的設計提供了理論依據。

斗輪堆取料機；接觸應力；車輪

1 概述

我們在研究材料某一點的應力狀態時，若所取的單元體的三個相互垂直的面皆為主平面，且這三個主應力皆不為零，于是稱此點為三向應力狀態。

斗輪堆取料機車輪在軌道上作滾動運動，車輪和軌道的接觸點處，會產生很大的接觸變形和接觸應力。接觸應力具有局部性，離開接觸面稍遠處，應力急劇減小，所以說，接觸應力是一種局部的應力。接觸應力法向是一條垂直的直線，這是第一主應力σ1，而此點處必將向周圍膨脹，于是引起周圍材料對它的約束應力σ2和σ3，所以說車輪踏面和軌道軌頭接觸處是三向應力狀態。

接觸應力毫無疑問地與載荷、車輪踏面的硬度、車輪的直徑和轉速，軌面的形狀等參數有直接的關系。在設計計算中，要準確地計算出所設計的堆取料機車輪接觸應力的具體數值，是否滿足本文中公式②和③的條件，而不能簡單地用車輪輪壓來驗證。

2 車輪的計算

2.1 車輪載荷的計算

由于斗輪堆取料機工作時重心在不斷地移動，所以每個車輪都有可能產生最大的輪壓和最小的輪壓，在計算時，不能簡單地以最大的或最小的數值來確定其輪壓，應有一個反映比較真實的輪壓數值來進行計算，我們稱之為計算輪壓（也可以認為是等效輪壓，或說當量輪壓）。

計算輪壓Pc的計算式如公式①：

舉例：我公司為馬來西亞曼榮電廠設計的斗輪堆取料機的最大輪壓和最小輪壓分別是238kN、76kN，按上述公式得出的計算輪壓是184kN。

2.2 車輪踏面接觸強度的計算

鋼軌有平頭鋼軌和凸頭鋼軌之分，按照車輪踏面與軌道頂部形狀的不同，圓柱形踏面車輪與平頭軌道接觸時按線接觸應力計算；圓柱形（或圓錐形）踏面車輪與凸頭軌道接觸時按點接觸應力計算。線接觸的受力情況較好，但往往由于機架變形和安裝偏差等因素，使線接觸應力分布不盡人意，因此，斗輪堆取料機用的大都是凸頭鋼軌，主要計算車輪踏面的點接觸應力。

2.2.1 線接觸的允許輪壓

線接觸的接觸輪壓要滿足公式：

式中：

K1——與車輪材質有關的許用線接觸應力常數（N/mm2）；

D —— 車輪直徑（mm）；

L —— 車輪與軌頭的接觸長度（mm）；

C1—— 轉速系數；

C2—— 工作級別系數。

其中L=b-2r（b為軌頭寬度，r為軌頭寬度兩側的圓角）

仍拿上面的例1來計算①式

先選取k1，車輪材料為35CrMnSi，其抗拉強度σb=1620N/mm2，近似取值k1=8；

計算D值，此車輪直徑D=630mm；

計算L值，此軌道的L值為49.6mm；

計算C1，此臺斗輪堆取料機調車時車輪轉速為15r/min，工作時轉速為7.5r/ min，因為斗輪堆取料機經常用工作速度來運行，所以查表得C1=1.14；

計算C2，按較高等級的工作級別系數M6來查表得C2=0.9。

對于②式有

上式不等式成立，故車輪踏面線接觸應力滿足要求。

2.2.2 點接觸的許用輪壓

點接觸的許用輪壓要滿足

式中：

K2——與材質有關的許用點接觸應力常數（N/mm2）；

R —— 軌面的曲率半徑（mm）；

m —— 車輪半徑r與軌面曲率半徑R之比（r/R）所確定的系數；

對于例1，查表得K2=0.3，R＝300mm，m查表得m=0.388。

所以③式為

上式成立，所以點接觸應力滿足要求。

結語

斗輪堆取料機車輪支撐整機重量作用于軌道上，因此，載荷、車輪踏面的硬度、車輪的直徑和轉速，軌面的形狀等參數對整機使用壽命有著極為重要的作用，本文對車輪踏面接觸應力進行計算，更能真實反映輪軌接觸的真實情況，為后續的設計提供重要依據。

[1].GB/T 3811-2008起重機設計規范[S].

[2].張質文.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[3].成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2001.

TH23 < class="emphasis_bold"> 文獻標識碼：A

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