起重機自行式小車車輪磨損分析

王志利 陳彥彬

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

起重機采用自行式小車結構形式，小車車輪踏面在起重機運行過程中容易發生磨損。在磨損到一定程度后，會引發起重機振動，增加機構損壞機率，導致接線端子松動引起接觸不良，嚴重時還需要對車輪進行更換，大大增加了起重機的運行維護成本。

2 車輪踏面磨損類型分析

正常的車輪磨損，是車輪踏面軌道之間滾動摩擦造成的疲勞磨損，起重機經過數年的重載運行，隨著踏面淬硬層的減薄，以及硬度的逐漸降低，磨損在后期會逐漸加劇。除此之外便是異常磨損，比如異常的起制動、故障緊停導致車輪沿著軌道方向產生滑動而引起的滑動摩擦磨損。其中滾動摩擦磨損的主要原因是車輪與軌道之間的接觸表面在運行過程中不斷地發生塑性變形，在周期應力的長時間作用下產生疲勞，導致車輪表面出現片狀磨屑脫落，屬于正常的疲勞磨損。車輪和軌道之間的滑動摩擦屬于非正常的，同時又無法避免，且引起的磨損比滾動摩擦磨損大。

2.1 滾動摩擦疲勞損傷

車輪踏面疲勞計算與接觸應力有關，根據車輪踏面與軌道頂面的形狀，選取點接觸應力計算[1]。點接觸狀態下車輪踏面與軌道頂面類似于橢圓形狀，根據赫茲公式，接觸應力為：

(1)

式中，a為橢圓長半軸；b為橢圓短半軸。

(2)

(3)

式中，P為車輪輪壓；E為彈性模量；γ為泊松比；Σρ為曲率半徑之和，Σρ=2/D+1/r；D為車輪直徑；r為軌道面曲率半徑。

經計算，在起重機車輪直徑與軌道曲率半徑范圍內，ε·η≈1，故最大接觸應力可以表示為：

(4)

從以上公式可以看出，車輪的最大接觸應力主要與車輪承受的載荷以及車輪直徑有關。而在實際應用情況下，按照上式計算出車輪踏面的接觸應力遠遠小于車輪材料的許用應力，車輪的循環疲勞壽命也比較高，因此車輪滾動疲勞磨損不是造成車輪損壞的主因。

2.2 滑動摩擦損傷

起重機小車在正常運行的情況，車輪與軌道之間不會產生相對滑動，但是由于某些意外原因，比如緊急停車、機械電氣故障、不正確的操作等，會造成小車車輪與軌道之間產生異常滑動摩擦，在車輪踏面和軌道面之間產生瞬時高溫，而這個高溫相當于對車輪踏面接觸區域的表層做了二次淬火。車輪踏面在使用前已經進行了淬火，且表面硬度很高，通常在HRC50左右，高硬度導致踏面表面塑性差、脆性大，二次淬火再一次增加了表面的脆性，后期小車在運行過程中，易導致踏面表層與次表層的剝離。通過對異常磨損的小車車輪進行金相分析，也證明以上觀點的科學性。起重機小車向重載高速方向發展，車輪需要承受更高的載荷，異常制動引起的滑動距離會更長，熱作用時間更長，可能一次意外停車，就會造成車輪的非正常磨損。

3 車輪踏面硬度分析

起重機制造廠商對軌道與車輪硬度比值對磨損的影響，進行了大量的實驗模擬研究。目前實際采用的車輪硬度范圍從HB285～HB450，有的甚至高達HB570(對應HRC50～55)。軌道表面硬度以90 kg級為例，表面硬度為HB260～HB360，110 kg級表面硬度為HB320～HB400。因此以軌道表面硬度為基準，設計出最合理的車輪硬度范圍可以降低車輪踏面的異常磨損。

多年的實踐證明，在一個合理的淬硬層深度的情況下，提高車輪硬度可以減少磨損，但是車輪表面硬度超過了一定數值，又會導致軌道過早磨損。這就需要找出車輪踏面和軌道面之間合理的硬度匹配值，當軌道硬度為既定值時，便可確定車輪的最佳硬度范圍。經過實踐研究表明，匹配值HB輪/HB軌=1.25～1.4區間是比較合理的[2]。同時需要考慮小車運行速度和承受載荷大小，比如小車運行速度低，車輪承受載荷小，比值可以考慮取下限，反之推薦取上限值。

4 解決方案及建議

自行式小車車輪的磨損受各種因素的影響，可通過現有技術手段，盡量降低磨損。

4.1 優化設計選型以及參數設置

根據小車機構運行速度，以及車輪所承受的載荷等各種綜合工況，選擇合理的車輪踏面硬度與軌道硬度比值，過高和過低的硬度都會帶來負面影響。設置合理的加減速度，保證小車的啟動和停止在合理的時間范圍內，過大的加減速度，會增加小車在起制動時打滑的機率；同時增加天氣模式選擇功能，比如正常干燥天氣是一種加減速模式，而雨雪天氣是另外一種加減速模式。選擇合理的制動器型號，大制動力矩并不能保證小車運行機構安全穩定運行。通過理論研究以及各種功能測試，制動器制動力矩設置為小車電機額定輸出力矩的1.2～1.4倍比較合理。

4.2 新技術的研發

聯合制動器供應商開發智能制動器，制動器的制動力矩輸出根據外部需求而改變，如同汽車上所用的ABS防抱死系統。研究新型車輪材料以及制作工藝，比如調整車輪材料的含碳量配比，增加特殊的合金元素，提高車輪的抗磨性能。通過特殊的制作和熱處理工藝，提高車輪踏面的抗剝離能力等，從而降低車輪的磨損。

5 結語

在實際應用中，起重機制造商會根據用戶碼頭的特點推薦合理的小車驅動形式，避免設計上的先天不足；加速度時間根據工況調整的方式，也在很多項目上得到了較好的應用。通過一定的技術手段，結合及時的維修保養和良好的操作習慣，可減少自行式小車車輪磨損問題，提升工作穩定性和經濟效益。