堆垛機行走輪失效原因分析

許小東 蘇巧彥/文

堆垛機行走輪失效原因分析

許小東 蘇巧彥/文

本文針對某型號堆垛機在實際使用過程中行走輪出現表面剝落的現象，結合理論計算與有限元分析的方法對失效原因進行了分析，并對行走輪提出新的技術要求。經試驗驗證，新的技術要求能夠有效解決堆垛機行走輪表面剝落問題，這對后期行走輪的設計提供了有效的參考價值。

堆垛機、行走輪、強度分析、硬度分析

隨著立體倉庫的普及，對于立體倉庫主要核心部件堆垛機的要求也越來越高，需要堆垛機的運行速度更快、堆垛高度更高、載重能力更強。對于堆垛機而言，貨物和堆垛機自身的重量全部由兩個行走輪來承載，因此如何設計并定義行走輪的技術要求，使之獲得較高的使用壽命顯得尤為重要。

本文針對某型號堆垛機在實際使用過程中行走輪出現表面剝落的現象，結合理論計算與有限元分析的方法對失效原因進行了分析，并對行走輪提出新的技術要求。經試驗驗證，新的技術要求能夠有效解決堆垛機行走輪表面剝落問題，這對后期行走輪的設計提供了有效的參考價值。

一、原因分析

在某項目中，堆垛機行走輪在運行一段時間之后出現表面剝落現象，該機型包括載荷總重為12.7t，走輪軸距5250mm。堆垛機為24小時作業制，出入庫能力大約為30托盤/小時，均為單伸作業。現場行走輪表面剝落情況如圖1。

堆垛機實際運行過程中，行走輪處于高速運行狀態，且整個堆垛機負載全部依靠兩個行走輪來承載，因此行走輪的強度、耐磨等性能必須滿足使用要求，下面從行走輪的接觸強度方面進行原因分析。

（一）強度分析

在設備運行時，行走輪除了需要承受堆垛機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等。由于碰撞出現的概率相對較小，故本文不做研究分析。

1.堆垛機靜止時的受力

堆垛機到達指定貨格處，靜止時堆垛機行走輪受力情況見圖2。

堆垛機靜止時行走輪受力

堆垛機整體結構布置近似對稱，整機的重心近似位于兩行走輪中點位置。

故

根據式一計算得，堆垛機在靜止狀態時，走輪受到的壓力為:

2.堆垛機加減速時的受力

堆垛機在行走過程中，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。

由于慣性力導致增大的壓力：

圖1：堆垛機行走輪表面剝落情況

圖2：堆垛機靜止時行走輪受力情況

圖3：第三主應力云圖

圖4：對行走輪硬度進行測試

表1：經測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：

即在堆垛機加速或者減速運行時，最大輪壓：

根據起重機設計規范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表示計算系數，與車輪轉速系數和車輪工作級別有關:

行走輪材料選用42CrMo，行走輪行走速度為180m/min，根據式3計算得許用輪壓為：

行走輪的實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力

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

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

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度；

由式4計算得最大接觸應力為：

行走輪許用接觸應力為:

故行走輪實際最大接觸應力小于許用接觸應力，滿足接觸強度要求。

以上通過理論計算方式進行了行走輪輪壓和接觸強度的計算校核。考慮到由于理論計算方法在載荷的施加和邊界條件設置方面都進行了簡化，未能在計算中將地軌受力時自身的變形考慮在內，故采用有限元方法，對行走輪接觸點處的接觸應力進行校核。

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，根據以上網格設置對實體進行網格劃分。地軌和行走輪之間采用滑動不分離接觸，地軌地平面采用固定約束。

因只關注行走輪與地軌接觸處的接觸應力，故對于地軌只截取部分長度作為支撐部件。

行走輪始終處于壓縮狀態，此處以第三主應力作為判斷應力，應力云圖如圖3所示：

行走輪與地軌接觸處，最大應力為-338.8Mpa。

因理論計算過程中，無法準確模擬堆垛機的受力傳遞，所以直接將載荷以均布力的形式進行施加；地軌在實際運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算結果會比有限元計算結果數值偏大。

經過理論計算和有限元分析可知行走輪和地軌的強度都滿足使用要求。但是行走輪在運行中仍出現表面剝落，考慮可能是由于其他原因導致。查閱行走輪圖紙，發現行走輪除對材料要求外，還需要進行熱處理，對硬度有相關要求，故考慮對失效行走輪的硬度進行測量。

（二）硬度分析

將行走輪沿徑向方向進行剖切，以圖4方式對行走輪硬度進行測試，測得走輪表面硬度達到HV405.7，現場采用的U71Mn熱軋鋼軌，表面硬度為HV320。圖紙中行走輪的硬度要求為HV370,車輪硬度遠大于鐵軌硬度（見表1）。

查閱摩擦學學報實驗數據及論文可知，當軌輪硬度比約為1.04時，輪軌系統總磨損量達到最小。在此項目中測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，小于實驗數據的推薦值，且現場可以明顯發現軌道和行走輪磨損產生的鐵屑。

隨著車輪硬度的增加，耐磨性逐漸增強，但是由于表面材料在滾動磨損過程中不容易從表面脫落而造成麻點式剝落損傷，在反復切向力作用下行走輪試樣材料產生微裂紋并導致擴展和貫通，從而造成在行走輪硬度過大時的大塊剝落損傷，形成與前述項目類似的行走輪失效。大塊剝落對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、試驗驗證

根據以上分析結果，按照行走輪和地軌硬度匹配區間要求，地軌和行走輪硬度比為1.04，重新設計行走輪。更換之后的行走輪，在長時間的運行過程中未出現表面剝落的失效現象，且在現場磨損鐵屑較之前有明顯的減少。

三、結論

根據以上分析可知，雖然材料的強度滿足使用要求，但是由于堆垛機在行走、制動時都是通過車輪和軌道之間的摩擦接觸來實現的，接觸點反復承受各種復雜載荷，容易產生以磨損和滾動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。

在行走輪設計時，不僅僅要達到足夠強度，也應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間為1.01.1之間。

作者單位為德馬泰克物流系統（蘇州）有限公司