成铁科技２０１０年第１期 ＪＤＧ一２０／１ ８００移动式轨道车架车机 的强度计算与力学分析 李 虹 李虹：成都工务段助理工程师成都路电：０６１—３７３０５ 摘要对ＪＤＧ一２０／１８００移动式架车机强度计算及力学分析，为今后大型养路机械架车机 的研制、技术改造和设备更新提供可靠的设计依据。 关键词架车机计算分析改造更新依据 通过对ＪＤＧ一２０／１８００移动式架车机的使用，积 钢的许用应力【叮】＝２３００ ｋｇ／ｅｍ 累了一定经验，我对该机架的设计构造关键部位进行 从强度公式仃一＝Ｍｍ￣／Ｗｚ得到所需要的抗弯 了大量的强度计算及力学分析，为以后大型养路机械 截面模量为： 架车机的研制、技术改造和设备更新提供设计依据。 Ｗｚ＝Ｍ～／【叮】＝１２７００００／２３００＝５５２ｃｍ’ １ ＪＤＧ一２０／１８００架车机框架的力学分析 故每一槽钢的抗弯截面模量，Ｗｚ应不小于 ５５２／２：２７６ｃｍ 框架在举重过程中受到轨道车重力的影响，引起 从型钢规格表中选用２８ｂ型槽钢，其抗弯截面 弯曲，可以简化成悬臂梁受到一个弯矩，如图（１）示： 模量为： Ｗｚ＝３６６．４６ｃｍ’ 用两个２８ｂ的槽钢梁的最大工作应力为： 仃 ：１２７００００／２３６６．４６＝１７３３ｋｇ／ｅｍ 其比值２３００／１７３３＝１．３３ 超过许用弯曲应力３３％，故可用２８ｂ槽钢作立 图（１） 柱 其力矩为：Ｍ＝ＰＬ ２ ＪＤＧ一２０／１８００架车机螺杆螺母的直径计算 式中Ｐ＝２００００ｋｇｆ 及强度校核 Ｌ＝５０ｏ＋１３５＝６３５ｍｍ＝６３．５ ｃｍ Ｍ＝ＰＬ＝２００００６３．５＝１２７００００ｋｇｃｍ 螺杆设计长２０００ｍｍ，螺杆采用４０Ｃｒ经调质处 立柱框架的截面如图（２）所示，采用双立柱， 理，ＨＲＣ＝２７—３２，螺杆采用梯形螺纹。当螺母上 立柱框架选用槽钢。 升到最高位置时，其受力情况最为不利。 Ｚ 这时螺杆可以认为是一根压杆，同时承受压力 及扭矩，因此要对螺杆分别进行抗压强度，稳定性 及自锁条件对螺杆进行计算。 ２．１螺杆直径及抗压强度计算 螺杆工作时，同时受压力和扭矩作用，为了简 化计算，如图（３）所示，可以计压力的作用，并 Ｚ 采用降低了的许多压缩应力。螺杆的压缩应力及强 图（２） 度条件为 ・２２・ Ｍ２ ●【 Ｔ：１ ６Ｔ 一 Ｍ１ ｄ，＝ ｐ／． 图（３） 式中【仃】 的许用压缩应力，对于４０Ｃｒ经调 质处理，取【仃】 ＝４３００ ｋ９ ｆ／ｃｍ ｄｌ＝，／＇４—￣２００００／３—．１４￣４３００＝５．９３ｃｍ 所以选取ｄ＝￣７０ｍｍ，其螺纹中径ｄ，＝６４ｍｍ。 叮 ＝４Ｐ／￣ｒｄｉ ＝４２００００／３．１４６．４ ＝６２２ｋｇ／Ｂｍ ＜ 【 】ｃ＝４３００ ｋｇ ｆ／ｃｍ。符合强度要求。 ２．２稳定性校核 移动式架车机螺纹从底部上升至最高点距离Ｌ ＝１３００ｍｍ，其底部６００ｍｍ，经杆长为２０００ｍｍ，螺 杆上下端均为固定，因长径比大，根据材料力学压 杆稳定校核公式为： ｎ ＝Ｐｃ／Ｐ＝ｎ。（０．３７５＋０．６２５ｄ２／ｄ１）／６４＝ ０．０１（２＋３ｄ２／ｄ１）ｄｌ 式中，Ｎｓｃ——螺杆稳定性的计算安全系数 Ｔｃ——螺杆的临界压力ＫＮ，按欧拉公 式 Ｔｃ＝１Ｔ Ｅｌ／（ Ｌ） Ｉ一在轴向力作用时，螺杆产生的挠曲的有 效长度 Ｅ——材料的拉压弹性系数，ＫＮ／ｃｍ Ｉ——考虑到螺纹作用的螺杆剖面的慢性矩 ｅｍ４，按下式计算 Ｉ＝１Ｔｄ：（０．３７５＋０．６２５・ｄ２／ｄ１） Ｏ．０１（２＋ ３・ｄ２／ｄ。）ｄ： ——根据螺杆端支承情况而定的端点系数， 此处为两端固定铰 ＝１／ １．８ Ｎｓ——螺杆稳定性的设计安全系数，对此垂直 螺杆Ｎｓ＝２．５—４，把上述有关数据代入上面计算公 式后可得 ｎ ＝ｍＥＩ／ＴＬ ＝Ｎ。 式中ｍ＝（ｎ／叮Ｔ） ，此处ｍ＝１．８１ｒ 螺杆的临界载荷Ｔｃ则应视螺杆的柔度入＝ Ｌ／ ｐ的不同而采用不同的计算公式，式中Ｌ为螺杆的 计算长度，此处Ｌ＝２００ｃｍ ｐ＝ｄ１／４ 成铁科技２０１０年第１期 入＝８ＯＯ／６４１．８＝９．３ 根据材料力学规定若 ＜４０时，可不进行稳定 性校核。 ２．３自锁能力校核 固自锁条件为仅＜ ，要使螺母具有可靠的自 锁能力，至少应使螺旋升角Ｏｔ比当量摩擦角ＩｌＪｖ小 １。ｏ 移动架车机螺杆螺母牙距间的当量摩擦系数ｆ ＝０．０８ ．１相应的当量摩擦角为 ＝４。３５ —— ５。４３ 。螺纹升角计算如图（４）所示： ｊ ７ｃ ｄｌ 图（４） 设计ｔ＝１２ｒａｍ ｄｌ＝６４ ｔｇｃｔ＝ｔ／￣ｒｄ Ｊ ＝３。２５ 一ｄ＝４。３５ 一３。２５ ＝１。１Ｏ 自锁可靠 ２．４螺母的设计与校核 为使螺母经久耐用以及减小摩擦系数以增大机 械利益，螺母设计为青铜，外面为碳钢。 螺母受力图如图（５）所示，受力时螺母凸台 边缘受力最大 Ｊ Ｔ １ Ｔ 图（５） 螺母凸缘与底座接触面上产生挤压应力，凸缘 根部受到弯曲及剪切作用，螺母下端悬置，故承受 拉应力，同时还受到螺纹牙上的摩擦力矩。 ２．４．１螺纹牙工作圈数Ｎ以及螺母高度Ｈ的 计算 螺纹牙抗磨能力决定工作圈数，在移动式架车 机中采用单头螺旋，其计算公式 ・２３・ 成铁科技２０１０年第ｌ期 Ｈ￣＞Ｐｔ／＇ｔｒｄ２ｈ［Ｐ］ 式中，Ｐ为螺母所受的压力，ｔ＝１２ｒａｍ为螺旋 符合要求 ３ ＪＤＧ一２ｏ／１８ｏ０托架支板强度校核 导程，ｈ为螺纹工作高度ｈ＝６，［Ｐ］＝１９０ｋｇ／ｃｍ Ｈ＝２ＯＯ００１．２／３．１４６．４０．６１９０＝１０．４８ｅｒａ１０５ｔｏｎｉ ＝ 托架支板受力情况如图（７）所示，它由两个 ２０ｒａｍ的钢板组成，它主要受剪切力。钢板的受力 截面面积为 Ｓ：２７０２０２＝１０８００ｍｍ 取Ｈ＝１２０ｍｍ ２．４．２由于单头螺，导程Ｌ即为螺距ｔ，所以 螺母工作圈数为 ｎ＝１２０／１２＝１０ 螺母与螺杆的螺纹牙的变形不同，又由于存在 着制造误差，因而截荷并不是平均地分布在螺纹的 各个工作圈上，如图（６）而是由上而下依次递减 的。 图（６） 图（７） ２．５牙根的弯曲强度校核 如图（７）所示，作用于环形剖面ａｎ上的弯矩 为 Ｍ＝Ｐ／ｎｌ 受弯环形剖面的抗弯剖面模具为 Ｗ＝￣ｒｄＩｌ ／６ 环形剖面ａａ的弯曲强度条件为 ｃｒｂ＝Ｍ／Ｗ＝３Ｐ（ｄ—ｄ２）／ｎｗｄｌ ：【盯】ｂ 式中图号如图所示，对于梯形螺纹，ｂ＝０．６５ｔ 【盯】ｂ＝５ＫＮ／ｃｍ ｃｒｂ＝（３２０００００．６）／［１０３．１４７（０．６５１．２）。］ ＝２６９ｋｇ／ｃｍ 从计算结果看仃ｂ＝２６９ｋｇ／ｃｍ ＜【盯】ｂ＝ ５１０ｋｇ／ｃｍ 合格 ２．６螺纹牙的剪切校核 从图７中可得知： 下＝Ｐ／１ｒｄｌＩｎ≤［下］ （下］＝Ｏ．６［盯］ｂ＝３０６Ｋｇ／ｃｍ Ｔ＝２００００／３．１４７０．６１０＝１５２ｋｇ／ｃｍ 因此，ｒ：１５２ｋｇ／ｃｍ ＜［下］＝３０６Ｋｇ／ｃｍ 强度 ・２４・ 钢板受到的力矩为２００００ｋｇ ．ｒ＝Ｔ／ｓ＝２００００／１０８＝１８５ｋｇ／ｅｍ 钢板的剪切许可应力【下】＝１２００ ｋｇ／ｃ Ｔ＝１８５ｋｇ／ｃｍ ＜【Ｔ】＝１２００ ｋｇ／ｃｍ 合格 图（８） ４ ＪＤＧ一２０／１８００螺杆强度校核 螺杆在工作时承受轴向压力或拉力Ｔ，同时又 受到扭矩Ｍ的作用，螺杆危险剖面上既有压缩９或 拉伸）应力，又有剪切应力。因此校核螺杆强度时 应根据第四强度理论求出危险截面的计算应力仃 其强度条件为： 仃＝ ＝￣／（ ３ ≤ 或 其中：Ａ一螺杆螺纹段的危险剖面面积 叮＝ ／ （ Ａ＝ｗ／４．ｄ． ＝３．１４５７ ／４＝２５５０ｍｍ ＝２５．５ｃｍ ｗ 一螺杆螺纹段的抗扭剖面模数 Ｗｒ＝￣ｒｄ， ／１６＝３．１４５７ ／１６＝３６３４４ｍｍ ＝ ３６．３４ｃｍ’ ｄｌ一螺杆螺纹内径ｍｍ．ｄｌ＝５７ｍｍ＝５．７ｅｍ Ｍ一螺杆所受扭矩 Ｍ＝Ｐ・ｔｇ（入＋Ｐ ）・ｄ２／２＝２００００・ｇ７。５０ ・ ６４／２＝７８４１ｋｇ・Ｃｌｌｌ ［ ］一螺杆材料的许用应力 ［ ］＝［ｃｒ｜］／４＝５６４０／４＝１４１０ｋｇ／ｃｍ １ ／—２００００—２＋３ ＂４４４７２６６．２＝ｌ１５８ｋｇ／ ５ ｃｎｌ 所以盯 ＝１１５８ｋｇ／ｃｍ ＜［叮］＝１４１０ｋｇ／ｃｍ ， 强度可用。 ５ ＪＤＧ一２０／１８００托架轴的强度校核 托架在受力时由两轴同时受力，它主要是产生 剪切应力，其计算公式为： 下＝Ｐ／Ａ≤［下］ ［ ］：２ｏ４ｏｋｇ／ｃｍ Ｔ＝２００００４／３．１４６．５ ＝６０３ｋｇ／ｃｍ 故ｆ＝６０３ｋｇ／ｅｎｌ ＜［Ｔ］＝２０４０ｋｇ／ｃｍ ，轴强 度合格。 ６丝杆安全系数校核 由于在举升起动瞬间载荷很大，或因应力循环 的不对称性较为严重，因此丝杆进行静强度的校核 是很有必要的，其强度条件为： ｎ ＝ｎ。 ・ｎ ／ 可Ｉ＞ｎ 式中： ｎ 一危险截面静强度的计算安全系数 ｎ 一只考虑弯曲时的安全系数，ｎ ：叮。／ （Ｍ ／Ｗ＋Ｐ一／Ａ） ｎ 一只考虑扭转时的安全系数，ｎ ＝ｎ ・ｗ ／ Ｐ 叮。、下。为材料的抗弯和抗扭屈服极限，丝杆为 ４０Ｃｒ经调质处理 叮Ｂ＝７６ｏｏｋｇ／ｃｍ ；叮。＝５６ｏｏｋｇ／ｃｍ ；叮ｌ＝ 一３５ＯＯｋｇ／ｅｌＩ１ ；Ｔ．１＝２ｏｏｏｋｇ／ｅｍ Ｍ一一轴的危险截面上所受的最大弯矩，Ｍ一 ＝７８４１ｋｇ ｃｍ Ｐ 一轴的危险截面上所受的最大扭矩，Ｐ～＝ ９５５０００３０．９４／１２．５＝２２００ｋｇ ｃｍ 每台架车机的功率为３ＫＷ，摆线针轮行星减速 机的传动效率为０．９４，丝杆转速为１２．５ｒ／ｍｉｎ。 ｗ一危险截面的抗弯摸数，Ｗ＝１『ｄ。 ／３２＝ ３．１４５．７３／３２＝１８．１７ ｅｍ ＷＴ一危险截面的抗扭摸数，ｗ ＝１Ｔｄｌ ／１６＝ 成铁科技２０１０年第１期 ３．１４５．７￣／１６＝３６．３４ １３１１１ Ｎ。一按屈服强度的设计安全系数。 丝杆材料的敏性系数为ｑ ＝Ｏ．８３，ｑ ＝０．８７ 丝杆表面未经强化处理，其强化系数Ｂ ＝１ 丝杆的剖面系数￡ ＝０．７；￡ ＝０．８２；表面质 量系数ｐ ＝ｐ ＝０．９ 轴间形成的理论应力集中系数：仅 ＝２．０９；仅 ＝１．６６ 有效应力集中系数为： ｋ ＝１＋ｑ （０【 一１）＝１＋０．８３（２．０９—１）＝１．９２ ｋ ＝１＋ｑ （仅 一１）＝１＋Ｏ．８７（１．６６—１）＝１．５７ Ｋ ＝ｋ／８ ＋ｌ／ｐ 一１＝１．９２／０．７＋１／０．９—１＝２．８５ ｋ ＝ｋ ／￡ ＋１／Ｂ一１＝１．５７／０．８２＋１／０．９—１＝２．０３ 对称循环变应力的折算系数 ＝０．１； ＝０．０５ ｎ ＝ 一ｌ／（Ｋ ・盯。＋ ・ ） ，ｒ ＝Ｐ ／ＷＴ＝２００００／３６．３４＝５５０ｋｇ／ｃＩＩ１ 仃。＝Ｍ ／Ｗ＝７８４１／１８．５２＝４２３ｋｇ／锄 仃 由轴向力引起的压缩应力盯 ＝８１６ｋｇ／锄 ｎ＝３５００／（２．８５４２３＋０．１８１６）＝２．７２ ＝Ｔ—ｌ。２／（Ｋ ・，ｒ ＋ 。下 ） ＝２０００２／５５１ （２．０３＋０．０５）＝３．４９ ｎ ＝ｎ ｎ ／￣／（ｎ） ＋（ｎ） ＝２．１５ 对于中等塑性材料：ｎ ＝１．４—１．８ 因此ｎ ＝２．１５＞ｎ。＝１．４—１．８，安全。 安全系数为１．２～１ ７结束语 经检算，ＪＤＧ一２０／１８００移动式轨道车架车机 框架结构及关键部件强度达到设计要求，满足目前 轨道车机架检修使用，是安全可靠的。对今后大型 养路机械和重型轨道车架车机的研制、技术改造和 更新设计提供技术依据。 ・２５・