冶金車輛心盤磨損、裂紋產(chǎn)生的原因及對策

尹明 孫曉麗

摘 要：介紹了冶金車輛心盤的作用，提出了心盤在車輛運(yùn)行過程中的重要性，說明了心盤的結(jié)構(gòu)及使用情況。車輛在正常工況下運(yùn)行，心盤存在磨損、裂紋現(xiàn)象，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行ANSYS有限元分析，找出原因，并給出對策。

關(guān)鍵詞： 冶金車輛；心盤；磨耗；裂紋

冶金車輛心盤是用來承受車體和貨物重量的，它傳遞車體的縱向力和橫向力，當(dāng)車輛通過彎道時，會以心盤為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動—滑動，以使車輛圓滑的通過彎道，可見心盤是冶金車輛的主要連接零部件。在車輛運(yùn)用、檢修中時常發(fā)現(xiàn)心盤磨損、裂紋故障，多發(fā)生于車體縱向，嚴(yán)重威脅著行車安全，因此，研究其故障原因是十分必要的。

1 現(xiàn)狀分析

冶金車輛走行裝置上的心盤大多采用平面心盤，由上心盤和下心盤組成。平面下心盤的中央部有一凸起圓臍，臍中有一個供穿入心盤銷的圓柱孔。這種心盤具有自動復(fù)原能力，當(dāng)車體橫向傾斜時，分布在心盤作用面上的合成壓力移向心盤邊緣，產(chǎn)生一對復(fù)原力矩，使車體回到原位。

心盤是走行裝置與車體傳動端的重要連接部件。260t魚雷型混鐵車走行裝置上心盤分為大、中、小心盤。大上心盤用螺栓固定在主動端、從動端下面，大下心盤用螺栓固定在大車架上面。260t魚雷型混鐵車走行裝置采用耐磨心盤，其由上心盤、心盤墊、下心盤組成。上、下心盤接觸面在車體載荷的作用下由于相對轉(zhuǎn)動摩擦?xí)a(chǎn)生磨損，尤其在混入砂粒等雜物時磨損更為嚴(yán)重。

2 心盤ANSYS有限元分析

2.1 前處理

建立代表心盤裝置接觸體的實(shí)體模型，設(shè)置單元類型、實(shí)常數(shù)、材料特性等，并用恰當(dāng)?shù)膯卧愋蜑榻佑|體劃分網(wǎng)格。

2.2 設(shè)定接觸對

定義目標(biāo)面和接觸面。

2.3 受力、受熱情況

在正常工況下，心盤的受力情況為，垂向靜載荷166405kN，垂向動載荷為266.25kN，垂向總載荷為193030kN。魚雷罐在經(jīng)過重罐—空罐多個周期循環(huán)后達(dá)到穩(wěn)定時溫度場分布，在穩(wěn)定工作期間，其罐殼溫度在90268 ℃，小于罐殼蠕變溫度400 ℃；工作一周期工作層最低溫度為865 ℃。心盤一般工作溫度20℃，上心盤上表面平均溫度200℃。

2.4 施加邊界條件，定義載荷步

設(shè)定邊界約束，下心盤完全固定，下心盤下端面設(shè)置為全約束；上心盤可沿Z軸方面轉(zhuǎn)動、移動，上心盤上端面設(shè)置X軸、Y軸方向約束。施加心盤載荷、溫度載荷。定義載荷步選項(xiàng)，設(shè)置自動時間步長，并指定分析時間步的數(shù)目，步長數(shù)5，最大步長10，最小步長3。

2.5 求解，查看結(jié)果

上心盤應(yīng)力云圖中，最大變形量DMX=4.72×104m，最小應(yīng)力SMN=1.58×106Pa，最大應(yīng)力SMX=7.64×108Pa。針對上心盤而言，最大應(yīng)力分布在其上端面加強(qiáng)筋連接處、螺栓孔處，上心盤受熱易發(fā)生彎曲變形，螺栓孔處容易裂紋。

心盤墊應(yīng)力云圖中，最大變形量DMX=4.07×106m，最小應(yīng)力SMN=3.87×105Pa，最大應(yīng)力SMX=1.75×107Pa。心盤墊下端面靠近心盤固定螺栓處的外邊緣應(yīng)力最大，心盤墊上端面相應(yīng)位置所受應(yīng)力較大，這些位置易磨損，磨損帶呈圓環(huán)形，尤其下端面更易磨損。

下心盤應(yīng)力云圖中，最大變形量DMX=2.48×106m，最小應(yīng)力SMN=2072.48Pa，最大應(yīng)力SMX=1.13×107Pa。下心盤上端面環(huán)形平面上靠近立棱圓環(huán)上靠近螺栓處應(yīng)力最大，下端面與之相對應(yīng)的部位應(yīng)力最大，這些位置易磨損，磨損帶呈圓環(huán)形。

由上接觸對、下接觸對接觸應(yīng)力云圖看出，心盤裝置的四個接觸面（上心盤上端面、心盤墊上端面、心盤墊下端面、下心盤上端面）相比較，心盤墊上端面、下心盤的上端面更容易發(fā)生磨損，且下心盤的上端面存在最大磨損，磨損帶呈不規(guī)則圓環(huán)形。

3 對策及建議

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造心盤

設(shè)計(jì)、制造結(jié)構(gòu)合理，材料耐磨性高的心盤，以適應(yīng)我部冶金車輛發(fā)展的需要，是解決目前心盤缺陷，提高運(yùn)行品質(zhì)的根本。

3.2 加強(qiáng)冶金車輛運(yùn)行管理

為適應(yīng)冶金車輛重載現(xiàn)狀，解決車輛超速、超載問題，有必要嚴(yán)格限制機(jī)車運(yùn)行速度，嚴(yán)格按照規(guī)章制度進(jìn)行裝車、調(diào)車作業(yè)，嚴(yán)禁超速、超載。

3.3 提高心盤檢修質(zhì)量

規(guī)范檢修人員作業(yè)流程，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。根據(jù)《冶金車輛檢修規(guī)程》心盤檢修技術(shù)要求，上心盤根部破損時更換。心盤裂紋時拆下焊修，裂紋長度超過周長1/2時，須全周焊修，焊后熱處理。上心盤體平面磨損，大修超過2㎜、年修超過6㎜時焊后加修。上心盤以螺栓安裝者，須卸下檢查，并確認(rèn)良好。下心盤摩擦面磨損，大修超過2㎜、年修超過6㎜時焊后加修，立棱厚度不足11㎜，臍部厚度不足7㎜，焊后加修。下心盤與鑄鋼搖枕一體者，其立棱裂紋時焊修，臍部裂紋或破損時焊后加修或鑲套。

3.4 加工修理心盤程序要正確

1）在檢修心盤時，應(yīng)在徹底除去油污、銹蝕后檢查，否則潛在的裂紋難以發(fā)現(xiàn)。

2）若發(fā)現(xiàn)心盤裂紋，要用乙炔焰在裂紋處開60°～70°的V形坡口，坡口的深度和長度應(yīng)根據(jù)裂紋情況而定，以消除裂紋痕跡為準(zhǔn)，露出基本金屬，然后施手工電弧焊。

3）焊前必須先確定心盤的材質(zhì)，選擇與之相對應(yīng)的等強(qiáng)度焊條。

3.5 做好防銹、儲備工作

加修后的心盤，盡量消除殘余的內(nèi)應(yīng)力，做好心盤防銹、儲備管理工作。對加修好的心盤噴涂一層防銹油，做到合理堆放，盡量避免雨露、地面潮氣及惡劣氣候的侵蝕，發(fā)放時遵循先加修、先發(fā)出的原則。

4 結(jié)論

在冶金車輛運(yùn)行和檢修方面，分析了心盤產(chǎn)生磨損、裂紋的主要原因，這些原因雖不可避免，但可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造心盤，加強(qiáng)冶金車輛運(yùn)行管理，提高心盤檢修質(zhì)量，正確執(zhí)行加修心盤程序，心盤焊后正火處理，做好心盤防銹、儲備工作的措施有效緩解心盤產(chǎn)生磨損、裂紋，延長使用壽命。

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