电解多功能起重机车轮的疲劳计算.pdf

第26卷第6期
有色矿治
Vol 26. No6
2010年12月
NON-FERROUS MINNG AND METALLURGY
December 2010
文章编号:1007-967X(2010)06-0038-03
电解多功能起重机车轮的疲劳计算
栾志洁',张云伟,杨立业2
[1.中国有色(沈阳)治金机械有限公同,辽宁沈阳110141:2,辽宁工程技术大学机械工程学院,辽宁阜新12300
摘要:本文针对目前铝电解多功能起重机使用的车轮进行计算分析,建立了车轮踏面最大接触
应力与车轮直径、轨道曲率半径及轮压分布等因素的关系,并确定考虑机构工作级别和车
轮材料性能的车轮踏面的疲劳极限许用应力,进一步完善了车轮踏面的疲劳计算。同时,
对其它类型起重机车轮的疲劳计算也具有指导意义。
关键词:电解多功能起重机;车轮;疲劳计算
中图分类号:TH218
文献标识码:A
概述
工作级别,并最终确定车轮踏面的疲劳极限许用应
力,从而为车轮踏面的疲劳强度计算提供理论依据。
铝电解多功能起重机的车轮作为机组重要的零2车轮踏面接触应力计算
部件是供起重机运行使用的。它通过轨道在起重机
和电解厂房构架之间起连接作用,是一种运动的、带
按照车轮踏面与轨道顶部形状不同,其接触处
着变动载荷、振动和冲击的承载元件。它的工作状可能是一直线(实际为矩形面积),称为线接触,也
态直接影响机组的整机性能。
可能是一点(实际是椭圆面积),称为点接触。在理
在实际应用中,车轮的主要失效形式是由于反想状态下,圆柱形踏面车轮与平头轨道接触时为线
复交变应力作用下车轮踏面的疲劳破坏和轮缘的过接触,圆锥形(或圆柱形)踏面车轮与凸头轨道接触
渡磨损。由于重复的冲击、振动、温度变化、轨道变时为点接触。因此,考虑铝电解多功能机组中车轮
形等所产生的各种应力对于整个车轮也有一定的影踏面形式以及轨道形状其接触形式为点接触(如图
响
1所示)。
目前,铝电解多功能起重机大车的车轮组采用
无轮缘垂直轮加水平轮导向的结构形式,水平导向
轮安装在供电侧,运行阻力小,平稳,水平轮采用轮
距可调心机构,为了安全还加设了防脱轨装置(安
装在非供电侧)。车轮采用无轮缘圆柱形结构,可
以增大车轮踏面宽度,减少车轮和轨道间的磨损,而
图1车轮踏面与不同轨道形状接触示意图
且当偏斜运行到一定程度时,水平导向轮承受水平
(a)线接触:(b)点接触
侧向力,能阻止其进一步偏斜运行。另外,水平导向
点接触状态下车轮踏面与轨道接触表面呈椭圆
轮与轨道侧面之间是滚动摩擦,摩擦阻力大大减小,形(如图2所示),根据赫兹公式其接触应力为:
对运行传动机构承载能力和电动机容量的要求则相
3P
应降低
由于铝电解多功能起重机车轮采用无轮缘结式中a-一接触椭圆长半轴,
构,因此车轮的疲劳计算只考虑车轮踏面的疲劳强
aー
度校核。本文根据车轮与轨道的实际接触情况,计
E?p
(mm);
算车轮踏面的最大接触应力,再利用 Palmgrem
b-一接触椭圆短半轴
线性累积损伤法则估计车轮踏面的疲劳寿命
(mm
综合考虑所受载荷情况、车轮材料性能以及机构件
收稿日期:2010-10-25
作者简介:栾志洁(1981-),女,辽宁沈阳人,硕土研究生,助理工程师,从事铝电解多功能起重机设计研发工作。
第6期
栾志洁等:电解多功能起重机车轮的疲劳计算
式中o-1车轮踏面对称循环疲劳极限
N。一循环基数;
m疲劳曲线指数。
式(3)可以变为:Σm≤1
O
将式(4)代入式(5)可得:
图2车轮踏面与轨道接触表面接触惰况
≤1
P一计算轮压(N)
Noo
E一一弹性模量,E=2.1x10°;
令o=∑
泊松比,γ=0.3;
式中o-等效应力
Σp--曲率半径之和,Σp
由式(6)、(7)可得疲劳强度校核公式:
其中D一一车轮直径(mm),r一轨面曲率半
o≤o-1
8)
对式(7)作如下变换
经计算,在起重机车轮直径与轨道曲率半径范
:r:
max
围内,8?η≈1,故最大接触应力可以表示为
3P
2
1371?D
(2)式中om所有应力循环中车轮踏面最大接触应
力值;
N一车轮踏面设计寿命期限内总的应力循环
式中一系数。a=V(1+2D),造定轨道型号次数,N=6为车轮转速(mn,T为设计寿
和车轮直径后即可求得。
命(h)。
另外,根据起重机设计规范,计算轮压P可以
令循环系数φ=NVN。
由最大轮压Pm。和最小轮压Pn确定为:p=
则有o。=v9?K,?omo.
2rt+m。因此,通过计算得到车轮的轮压分布
由式(2)可知,对于点接触,应力与轮压的立方
成正比,故对于点接触可得机构载荷谱系数表达式
(即各个车轮的轮压值),将其代入上式可得计算轮
压P,最后代入式(2)中便可得到车轮踏面的最大接
K=?I(a)()-?(。)()(1
触应力m。
式(10)中的等效应力o。是应用等效载荷计算
车轮疲劳强度计算
得到的,已经综合考虑了结构件的受力情况、载荷变
化情况、材料因素和疲劳累积损伤效应等。但在铝
由于起重机承受载荷以及车轮转速的不稳定电解多功能机组设计过程中,为了方便计算,将等效
性,使得车轮反复承受不稳定的接触应力,这些应力应力o。原先需要考虑的诸多因素都放入疲劳许用
将对车轮造成疲劳损伤累积。因此,应用 Palmgrem应力中考虑,这样处理对于确定疲劳许用应力时有
Miner线性累积损伤法则估计车轮踏面的疲劳寿较大的工作量,但实际设计工作是方便的。
命
式(10)中p?K。的乘积体现了车轮踏面实际
由 Miner法则可得车轮不产生疲劳破坏的条件工作的循环次数和实际的工作载荷,起重机设计规
是
范中结构件或零件的工作级别划分正是以q和K
为依据,将其划分为E1~E8共8个工作级别
≤
设车轮踏面对称弯曲疲劳下的疲劳极限许用应
式中n--应力o在车轮踏面上的实际循环次数;力为[o-],令
N一车轮踏面应力为o;时对应的疲劳破坏
12)
时的循环次数。
p?K
而材料的疲劳曲线方程为:
因此,由式(10)得到车轮踏面对称弯曲疲劳下
N
(4)的疲劳校核公式为: