門式堆取料機斗輪小車行走裝置改進

金 生

（秦皇島港股份有限公司第二港務分公司，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，對斗輪小車行走裝置進行設計改進。應用Workbench 分析軟件對P30鋼軌進行有預應力的模態分析，尋找P30 鋼軌的薄弱環節和易損壞部位，為P30 鋼軌的日常檢查提供參考。

1 立項背景

MDQ3000/3000.650 型門式堆取料機是煤二期預留堆場中的重要裝卸設備，是哈爾濱重型機器廠20 世紀90 年代中期研發的產品，至今已使用20 余年。它集堆料、取料于一身，工藝變換頻繁，結構復雜。門式堆取料機就其功能而言由堆料和取料兩大系統組成，包括門架、活動梁、活動梁升降機構、堆料皮帶機、受料皮帶機、斗輪機構、斗輪小車行走裝置、大車行走機構、尾車皮帶機等重要機構。這些結構和機構有的專用于堆料系統，有的專用于取料系統，有的為兩系統通用。

斗輪小車行走裝置是取料系統的專用裝置，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問題

（1）軌道側向彎曲變形，特別是在軌道對接處尤為嚴重，存在車輪掉道的危險，需要經常對其進行更換，增加了檢修人員勞動強度。

（2）行走車輪輪緣磨損過快，導致整個車輪報廢，增加了設備運行的維護、維修成本。

近年，隨著設備不斷老化，這兩個問題的嚴重性也日趨突顯，若不采取措施，勢必對設備的安全生產運行構成嚴重隱患。因此，立項解決這兩個問題。

2 現象觀察

觀察分為空載觀察和帶載觀察，目的是摸清軌道側向變形的直觀原因。

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

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

（3）觀察結論。通過兩種形式的觀察，可知斗輪在帶載取料的工況下，必定存在一個致使斗輪小車產生偏斜的力，這個力通過車輪輪緣傳遞到軌道側踏面，使軌道產生側彎。只有通過專業的理論分析，才能進一步明確這個力。

3 解決方案

3.1 軌道解決方案

3.1.1 更換軌道

拆掉原有已磨損嚴重的24 kg/m 舊鋼軌（新標準已無該規格鋼軌），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，其側向剛度有所增加，對克服側向受力變形很有利。

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，降低軌道的側向彎矩，有效地減輕其側向受力變形。

3.1.3 加設軌道接頭夾板

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向懸臂受力的不利狀態。加設軌道接頭夾板后，兩軌道可近似為一體結構，接縫處的軌道兩端頭由側向懸臂受力變為近似的側向簡支受力，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）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 改變車輪的輪緣結構

將車輪由原單輪緣結構改為雙輪緣結構。雙輪緣使車輪和軌道的側向受力面各增加1 倍，可以有效減輕軌道側踏面和輪緣內側面的磨損，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。理論和實踐都表明，鍛鋼車輪的坯料經過紅熱鍛打，其分子晶格組織更加密實，強度更高，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的缺陷。

摩擦的理論和實踐都表明:材料的磨損與摩擦力有關，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，其側輪壓可能與單輪緣時差不多。但走合一段時間后，雙輪緣側輪壓的減輕將逐漸顯現，最終達到理論計算值。

4 基于Workbench 的P30 軌道有預應力的模態分析

4.1 Workbench 模態分析簡介

Workbench 是美國ANSYS 公司推出的大型通用有限元分析軟件，可以與大多數計算機輔助設計軟件實現數據共享和交換，廣泛應用于石油化工、航空航天、機械制造、土木工程和生物醫學等多個領域。

模態分析是動力學分析的重要組成部分，通過固有頻率和振型的分析，即模態分析，可以尋找P30 鋼軌的薄弱環節和易損壞部位，為P30 鋼軌的日常檢查提供參考。

4.2 Workbench 靜力學分析

首先使用SolidWorks 應用軟件建立P30 鋼軌的虛擬樣機，通過與Workbench 軟件的接口，將所需要分析的虛擬樣機導入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，因此需要建立有預應力的模態分析。Workbench 模態分析流程如圖1 所示。

圖1 Workbench 模態分析流程

首先進行P30 軌道的靜力分析。在材料屬性中設定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 鋼軌截面為軸對稱形狀，故本次改進采用自由劃分網格方法，如圖2 所示。

然后根據P30 鋼軌的實際工作條件，對所要研究的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P30 鋼軌施加約束。

此外，根據以上計算結果，本次改進對P30 鋼軌的左側面施加3026 kN 的載荷，并在Solution 中添加總位移、應力和應變，靜力分析結果如圖3 所示。

圖2 自由劃分網格方法

圖3 靜力分析結果

通過應力云圖，結果表明:P30 鋼軌最大應力點的應力值小于屈服強度310 MPa，所以采用新型的P30 鋼軌可以滿足B2DQ 斗輪小行走機構的使用。

4.3 Workbench 有預應力的模態分析結果

進行P30 鋼軌有預應力的模態分析。P30 鋼軌前6 階的模態振型如圖4 所示，代表P30 軌道在6 個自由度下的振型。P30 鋼軌在1 階固有頻率（575.8 Hz）主要表現為P30 軌道沿軸向的扭轉變形；P30 鋼軌在2 階固有頻率（1581.3 Hz）主要表現為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）主要表現為P30 軌道沿側向的扭轉變形；P30 鋼軌在4 階固有頻率（3640.7 Hz）主要表現為P30 軌道沿側向的壓縮變形；P30 鋼軌在5 階固有頻率（7050.8 Hz）主要表現為P30 軌道沿軸向的壓縮變形；P30 鋼軌在6 階固有頻率（8839.1 Hz）主要表現為P30 軌道沿鉛垂方向的扭轉變形。

圖4 P30 鋼軌前6 階的模態振型

由此可以得出，第2 階模態和第4 階模態對軌道影響最大，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，為日后設備檢查重點提供了理論依據。

5 效果

改進后的斗輪小車行走裝置運行可靠、平穩，故障率為零。本次技術改進基本解決了門式堆取料機長期存在的“老大難”問題，較大程度上節約了采購備件、更換備件、停機維修的成本，為單位生產作業提供了更可靠的保證。