起重机自行式小车车轮磨损分析

王志利 陈彦彬

上海振华重工(集团)股份有限公司

1 引言

起重机采用自行式小车结构形式，小车车轮踏面在起重机运行过程中容易发生磨损。在磨损到一定程度后，会引发起重机振动，增加机构损坏机率，导致接线端子松动引起接触不良，严重时还需要对车轮进行更换，大大增加了起重机的运行维护成本。

2 车轮踏面磨损类型分析

正常的车轮磨损，是车轮踏面轨道之间滚动摩擦造成的疲劳磨损，起重机经过数年的重载运行，随着踏面淬硬层的减薄，以及硬度的逐渐降低，磨损在后期会逐渐加剧。除此之外便是异常磨损，比如异常的起制动、故障紧停导致车轮沿着轨道方向产生滑动而引起的滑动摩擦磨损。其中滚动摩擦磨损的主要原因是车轮与轨道之间的接触表面在运行过程中不断地发生塑性变形，在周期应力的长时间作用下产生疲劳，导致车轮表面出现片状磨屑脱落，属于正常的疲劳磨损。车轮和轨道之间的滑动摩擦属于非正常的，同时又无法避免，且引起的磨损比滚动摩擦磨损大。

2.1 滚动摩擦疲劳损伤

车轮踏面疲劳计算与接触应力有关，根据车轮踏面与轨道顶面的形状，选取点接触应力计算[1]。点接触状态下车轮踏面与轨道顶面类似于椭圆形状，根据赫兹公式，接触应力为：

(1)

式中，a为椭圆长半轴；b为椭圆短半轴。

(2)

(3)

式中，P为车轮轮压；E为弹性模量；γ为泊松比；Σρ为曲率半径之和，Σρ=2/D+1/r；D为车轮直径；r为轨道面曲率半径。

经计算，在起重机车轮直径与轨道曲率半径范围内，ε·η≈1，故最大接触应力可以表示为：

(4)

从以上公式可以看出，车轮的最大接触应力主要与车轮承受的载荷以及车轮直径有关。而在实际应用情况下，按照上式计算出车轮踏面的接触应力远远小于车轮材料的许用应力，车轮的循环疲劳寿命也比较高，因此车轮滚动疲劳磨损不是造成车轮损坏的主因。

2.2 滑动摩擦损伤

起重机小车在正常运行的情况，车轮与轨道之间不会产生相对滑动，但是由于某些意外原因，比如紧急停车、机械电气故障、不正确的操作等，会造成小车车轮与轨道之间产生异常滑动摩擦，在车轮踏面和轨道面之间产生瞬时高温，而这个高温相当于对车轮踏面接触区域的表层做了二次淬火。车轮踏面在使用前已经进行了淬火，且表面硬度很高，通常在HRC50左右，高硬度导致踏面表面塑性差、脆性大，二次淬火再一次增加了表面的脆性，后期小车在运行过程中，易导致踏面表层与次表层的剥离。通过对异常磨损的小车车轮进行金相分析，也证明以上观点的科学性。起重机小车向重载高速方向发展，车轮需要承受更高的载荷，异常制动引起的滑动距离会更长，热作用时间更长，可能一次意外停车，就会造成车轮的非正常磨损。

3 车轮踏面硬度分析

起重机制造厂商对轨道与车轮硬度比值对磨损的影响，进行了大量的实验模拟研究。目前实际采用的车轮硬度范围从HB285～HB450，有的甚至高达HB570(对应HRC50～55)。轨道表面硬度以90 kg级为例，表面硬度为HB260～HB360，110 kg级表面硬度为HB320～HB400。因此以轨道表面硬度为基准，设计出最合理的车轮硬度范围可以降低车轮踏面的异常磨损。

多年的实践证明，在一个合理的淬硬层深度的情况下，提高车轮硬度可以减少磨损，但是车轮表面硬度超过了一定数值，又会导致轨道过早磨损。这就需要找出车轮踏面和轨道面之间合理的硬度匹配值，当轨道硬度为既定值时，便可确定车轮的最佳硬度范围。经过实践研究表明，匹配值HB轮/HB轨=1.25～1.4区间是比较合理的[2]。同时需要考虑小车运行速度和承受载荷大小，比如小车运行速度低，车轮承受载荷小，比值可以考虑取下限，反之推荐取上限值。

4 解决方案及建议

自行式小车车轮的磨损受各种因素的影响，可通过现有技术手段，尽量降低磨损。

4.1 优化设计选型以及参数设置

根据小车机构运行速度，以及车轮所承受的载荷等各种综合工况，选择合理的车轮踏面硬度与轨道硬度比值，过高和过低的硬度都会带来负面影响。设置合理的加减速度，保证小车的启动和停止在合理的时间范围内，过大的加减速度，会增加小车在起制动时打滑的机率；同时增加天气模式选择功能，比如正常干燥天气是一种加减速模式，而雨雪天气是另外一种加减速模式。选择合理的制动器型号，大制动力矩并不能保证小车运行机构安全稳定运行。通过理论研究以及各种功能测试，制动器制动力矩设置为小车电机额定输出力矩的1.2～1.4倍比较合理。

4.2 新技术的研发

联合制动器供应商开发智能制动器，制动器的制动力矩输出根据外部需求而改变，如同汽车上所用的ABS防抱死系统。研究新型车轮材料以及制作工艺，比如调整车轮材料的含碳量配比，增加特殊的合金元素，提高车轮的抗磨性能。通过特殊的制作和热处理工艺，提高车轮踏面的抗剥离能力等，从而降低车轮的磨损。

5 结语

在实际应用中，起重机制造商会根据用户码头的特点推荐合理的小车驱动形式，避免设计上的先天不足；加速度时间根据工况调整的方式，也在很多项目上得到了较好的应用。通过一定的技术手段，结合及时的维修保养和良好的操作习惯，可减少自行式小车车轮磨损问题，提升工作稳定性和经济效益。