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浅析堆垛机行走轮与轨道的设计考量因素
2026-03-25
白新河 马笑
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【摘要】堆垛机车轮硬度低于轨道硬度时会加速车轮的磨损，引起车轮与轨道的打滑，堆垛机车轮硬度高于轨道的硬度过多又会加速轨道磨损。为保证车轮和轨道的磨损可控，按照车轮硬度与轨道硬度的比值在1.2：1--1.3：1之间，根据轨道情况适当提高车轮硬度具有重要意义。
【关键词】堆垛机、轨道、行走轮、硬度
巷道堆垛机作为自动化立体仓库的关键设备，对保障用户的整个立体库系统正常运行乃至生产线的产能稳定和提升至关重要，作为堆垛机稳定运行的关键则是保证轨道与行走轮的匹配。
为保证轨道与车轮的匹配，设计前主要应从以下几个方向进行考量和设计。
一、轨道
（1）钢轨种类及性能要求：国内立体库堆垛机常用的钢轨有轻轨GB/T11264-2012、重轨GB/T2585-2021，还有欧洲标准BS EN13674-1:2011+A1:2017或国际铁路联盟UIC CODE 860标准的UIC60轨道。
（2）强度和硬度：钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面。应具备足够强度与硬度，以承受堆垛机荷载及各种应力，防止变形、磨损和断裂。一般通过调整化学成分、采用热处理工艺提升强度与硬度，如 U71Mn、U75V 等不同牌号钢轨，其强度和性能因化学成分差异有所不同。
标准载荷的托盘、运行速度120m/min以内的普通堆垛机经常选用轻轨30Kg/m(材质55Q)；其他大载荷的、运行速度160m/min以上的中载或重载堆垛机经常选用重轨38Kg/m或43Kg/m(材质U71Mn)，以上这些轨道均属于低成本通用型的热轧钢轨。对于高速重载、频繁作业、运行速度200m/min以上的重载堆垛机，可以按照设计需要选用更大规格的国标重轨或UIC60(材质R260，BS EN13674-1:2011+A1:2017或材质900A，UIC CODE 860)热轧钢。
表1 常用轨道的牌号、化学成分、抗拉强度、硬度
型号Kg/m | 牌号 | 主要化学成分，% | 抗拉强度Rm/ MPa | 硬度 HBW | ||||
C | Si | Mn | P，max | S,max | ||||
30 | 55Q | 0.5-0.6 | 0.15-0.35 | 0.6-0.9 | 0.05 | 0.045 | ≥685 | ≥197 |
38、43 | U71Mn | 0.60-0.80 | 0.15-0.58 | 0.7-1.2 | 0.025 | 0.025 | ≥880 | 260-300 |
U71MnH | ≥1080 | 320-380 | ||||||
38、43 | U75V | 0.71-0.80 | 0.5-0.8 | 0.7-1.05 | 0.025 | 0.025 | ≥980 | 280-320 |
U75VH | ≥1180 | 340-400 | ||||||
UIC60 | 900A | 0.6-0.8 | 0.1-0.5 | 0.8-1.3 | 0.04 | 0.04 | 880- 1030 | 260-300 |
| 900B | 0.55-0.75 | 0.1-0.5 | 1.3-1.7 | 0.04 | 0.04 | 260-300 | |
R260 | 0.6-0.82 | 0.13-0.6 | 0.65-1.25 | 0.03 | 0.03 | ≥880 | 260-300 | |
| R350HT | 0.7-0.82 | 0.13-0.6 | 0.65-1.25 | 0.025 | 0.03 | ≥1175 | 350-390 |
（3）轨道耐磨性：对于出入库作业繁忙、加减速度大、运行速度高、单元载重大、整机重量高的堆垛机，钢轨磨损比较严重，需选用耐磨性好的钢轨，如含铬、钒等合金元素的钢轨，或经过表面热处理的钢轨，如U71MnH、U75VH或UIC60 R350HT热处理轨，可有效提高耐磨性能，延长使用寿命。
热轧钢轨和热处理钢轨的力学性能应符合相关标准的规定（表1，摘自），同一根钢轨上，其硬度变化不应大于30HBW。
（4）轨道焊接性能：高速堆垛机广泛应用，两个轨道之间无缝衔接，要求钢轨具备良好焊接性能，便于现场焊接施工，保证轨道接头连接强度和平整光滑 。
（5）钢轨的外观质量及安装要求
（a）轧制后的钢轨应笔直，不得有显著弯曲与扭转。对于轻轨、重轨的局部弯曲和扭转及其矫正变形量，轨端面的倾斜等，不得超出标准规定。
（b）钢轨表面应洁净光滑，不得有裂纹、结疤、划痕等缺陷；其端面不得有缩孔痕迹和夹层等。对于轻轨、重轨整体表面所允许存在的缺陷及其几何量的程度，均不得超过标准的规定。
（c）钢轨的安装质量应符合相关标准的规定。
二、车轮与轨道磨损机理
堆垛机车轮通常采用无缘车轮+导向轮的形式，车轮与轨道之间的应用工况和失效模式主要是滚动接触疲劳、磨损（滑动）、冲击磨损三种类型，载荷、材料硬度比是影响钢轨顶面磨损的主要因素。
（1）滚动接触疲劳 ：即接触疲劳损伤，车轮在轨道上反复滚动，承受巨大的接触应力，经历钢轨踏面外形的变化（焊缝处出现鞍形磨损）-轨头踏面金属的冷作硬化，在轨头表层下方产生微观裂纹-形成疲劳裂纹，并逐渐扩展导致轨道表面剥落（点蚀或鳞剥）。定期维护及时对钢轨表面进行打磨可以减缓钢轨解除疲劳损伤。
（2）磨损 ：主要指车轮与轨道顶面正常的垂直磨耗以及加速段/制动时的微量滑动摩擦形成的波浪磨耗，也包括轨道的侧面磨耗。
（3）冲击磨损 ：轨道接头或不平整处的瞬时冲击，通过定期检查和维护轨道能将冲击磨损降到最低。
载荷是指通过车轮传递到轨道的堆垛机自重和货物重量的总压力，也就是轮轨的接触应力，与轮压、整机重量、车轮直径相关。
材料硬度比是指车轮硬度与轨道硬度之间应该有一个合理的硬度差，能够使车轮和轨道的磨损都是最低的程度。到底是轨道硬度高于车轮硬度还是车轮硬度稍高于轨道硬度，差值多少合理，需要结合具体工况取舍。
润滑条件适用于侧面磨耗，主要针对侧向导轮与轨道间是干摩擦或润滑状态，能显著影响磨损速率。优化侧向导轮的材质、硬度和润滑条件对改善轨道的侧面磨耗意义重大。
三、钢轨磨耗的允许限度
钢轨头部磨耗的允许限度主要由强度和构造条件确定。即当钢轨磨耗达到允许限度时，除能保证钢轨有足够的强度和抗弯刚度外，还应保证在轨道的全长范围内堆垛机上部导轮和天轨的重合区域是安全的（没有上部导轮脱离天轨的潜在风险），必要时可以通过调整轨道上表面的标高回到原始位置来实现。
四、车轮的设计原则
堆垛机车轮寿命的决定因素：车轮材质及其热处理工艺、轨道选型；影响因素：轨道表面缺陷、轨道安装质量、以及整机重量、加减速度、运行速度、每小时循环次数、工作时间等。
首先，要满足强度需求和良好的综合力学性能，就要重视车轮的选材及其热处理工艺，以期达到较高的疲劳极限和抗冲击能力，同时满足一定的硬度需求，具有比较好的耐磨性。
其次，合理确定车轮硬度与轨道硬度的匹配关系。尽量做到在轮轨作用过程中使轨道磨损最低，多磨轮少磨轨，换轮不换轨；同时应保证车轮达到一定的使用寿命，需要考虑载荷、加减速度、运行速度、循环次数、工作制等因素的综合影响。
- 车轮设计应考虑维护保养的便捷。一般而言，自动化立体仓库的规模都比较大，常见的立体仓库长度100-120米左右，高度24米以内，巷道数动辄都是10个以上，一旦建成并投入使用以后基本都是满负荷运行，对维护保养而言更换车轮比更换轨道的难度和成本更低，时间更短，操作更灵活。
对巷道堆垛机而言，笼统地讲车轮的踏面硬度应等于或小于轨道的硬度，还是应该大于轨道硬度的说法是比较片面的。由于堆垛机的轮轨是硬碰硬的点接触，因此根据堆垛机运行轨道的长度、轮径大小，计算出车轮转一圈的周长与轨道长度的比值来确定轮轨的硬度差是比较科学的。
以运行距离100米，车轮直径Φ350mm的堆垛机为例，车轮转一周约1.099米，需要转91周才能跑完100米的轨道长度。也就是说在轨道被磨损一次的情况下，车轮被磨了91次，磨损比是1：91。综合自动化立体库的全部货位，平均的磨损比应该是车轮周长与二分之一轨道长度的比值，即1：45.5。假如选用车轮的踏面硬度等于或小于轨道的硬度，可以预见车轮的更换会特别频繁。因此为了延长车轮的更换周期，设计车轮时车轮的踏面硬度一定要高于轨道的硬度，车轮硬度宜比轨道高10%-20%（如车轮HBW 360 vs. U71Mn轨道HBW 300），超过再多可能导致轨道过快磨损。经验表明，随着车轮对轨道的长期碾压，造成钢轨轨头表面金属的破坏，由于轨头踏面金属的冷作硬化，使轨头工作面的硬度不断增长，硬度可达HB360，比较合理的解释了运行10年的南方某快消品企业成品库堆垛机维保对车轮硬度的要求越来越高，高达轨道初始硬度的30%以上。
极端工况 ：若轨道硬度≥400 HBW（如淬火轨），车轮需采用更高韧性材料（如35CrMoV）防止脆性剥落。
五、车轮的材料和热处理工艺
表2堆垛机车轮常用材料的成分：合金钢(40Cr，42CrMo)和球磨铸铁（QT800-2，QT900-2）
材质 | 主要化学成分，% | ||||
C | Cr | Mo | Si | Mn | |
40Cr | 0.37-0.44 | 0.8-1.1 |
| 0.2-0.4 | 0.5-0.8 |
42CrMo | 0.38-0.45 | 0.9-1.2 | 0.15-0.25 |
|
|
QT800-2 | 3.0-4.0 |
|
| 1.8-3.2 | Mn、S、P总量<3% |
QT900-2 |
|
|
|
|
|
表3堆垛机车轮常用材料的机械性能
材质 | 试样尺寸mm | σb/ MPa≥ | σs/ MPa ≥ | 延伸率δ5 % | 断面收缩率ψ% | 冲击韧性Aku/J | 耐磨性 | 硬度 HB | 表淬硬度 HRC |
40Cr | 301-500 | 635 | 440 | 10 | 35 | 23 |
|
| 48-55 |
501-800 | 590 | 345 | 8 | 30 | 16 |
|
| ||
42CrMo | 251-500 | 690-840 | 460 | 15 |
| 38 |
|
| 54-60 |
501-750 | 590-740 | 390 | 16 |
| 38 |
|
| ||
QT800-2 |
| 800 | 480 | 2 |
|
| 较高 | 245-335 |
|
QT900-2 |
| 900 | 600 | 2 |
|
| 高 | 280-360 |
|
注：σb是旧国标GB/T 228-1987中规定的抗拉强度符号，代表材料断裂前承受的最大应力。
Rm是现行国际标准（ISO）及新国标采用的符号，含义与σb完全相同，均指材料在静拉伸条件下的最大承载能力。
普通堆垛机车轮经常选用40cr,其性价比高，热处理工艺简单，调质+表面淬火即可达到设计要求，表面淬火后车轮踏面硬度高达约 HB460-555左右。重载、高速堆垛机的车轮经常选用42CrMo，表面淬火后车轮踏面硬度可达约 HB555-653以上左右，需采用调质+表面淬火的热处理工艺。
表4堆垛机车轮常用材料的热处理工艺
| 淬火 | 高温回火 | 表面淬火+低温回火 |
| |||||
材质 | 加热温度℃ | 保温时间min | 冷却方式 | 回火温度℃ | 保温时间min | 冷却方式 | 工频 | 回火温度 | 表面硬度 HBW |
40Cr | 850 | 80 | 440 | 570 | 35 |
|
| 180-200℃x2h | 350-400 |
调质处理，回火索氏体， | |||||||||
42CrMo | 880-900 | 90-120 | 油冷 | 550-600 | 120-180 | 空气 |
|
| ≥400 |
调质处理 |
|
| |||||||
QT800-2 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | √ | 280-310 |
QT900-2 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | √ | 340-370 |
40Cr车轮的热处理工艺是调质+高频表面淬火，热处理后具有较高的表面硬度（HB350-400）及耐磨性。调质后的室温组织是回火索氏体，使它具有最佳的综合力学性能。40Cr适合于高频淬火，火焰淬火等表面硬化处理，因此成为普通堆垛机走轮的首选材料。
42CrMo车轮的热处理工艺可以选调质+表面淬火+低温回火。调质后的目标硬度 HB250~300 HB,确保心部强韧性。对踏面进行表面淬火，可使车轮表面硬度增大，局部硬化至≥400 HB。直径300mm以上的车轮通常选用中频感应（1~10 kHz）或工频加热踏面区域，以获得2-10mm或10-20mm的淬硬层深度；直径600mm以上的大型车轮也会采用火焰淬火，但控制精度较低。表面淬火后进行低温回火：180~200℃×2小时，降低残余应力，保持高硬度。
42CrMo车轮的热处理工艺备选方案：锻后正火+踏面淬火+回火，也能做到踏面硬度HB350-400，踏面下15mm处硬度不低于HB280。
六、车轮热处理的关键控制点
无论是40C车轮还是42CrMo车轮，应对其硬度进行梯度设计，表面最硬具有高耐磨性，从外向里硬度依次递减。成品踏面的表面硬度：400~450 HB（淬硬层深度≥5mm）；过渡区硬度：300~350 HB（避免应力集中）；心部硬度 ：250~300 HB（调质态）以足够支撑轴压为准。
有条件时应对淬火层深度进行检测，检测方法常用金相法和硬度法。
金相法 ：硬化层（马氏体组织）深度需≥3mm（确保耐磨寿命）。
硬度法 ：从表面向心部测维氏硬度（HV），要求距表面3mm处硬度≥370 HB。
七、常见车轮踏面的问题现象、原因分析及解决方案
1、踏面硬度不足（<400 HB） ，原因在于淬火温度低或冷却不足，解决方案是 提高加热温度，改用更快淬火液。
2、表面裂纹 ，原因在于冷却速度过快或回火不充分 ，解决方案是调整PAG浓度，增加回火时间。
3、硬度不均 、有软化带，原因在于感应线圈与踏面间隙波动 ，解决方案是优化感应器设计，确保均匀加热。
八、总结语：
按照以上因素，严格控制有关参数，会给堆垛机运行提供非常好的工作环境。另外，保证运动过程，一般情况下应根据产线工作制、工作时间和使用频率制定合理的维护保养方案即可保证堆垛机正常工作。特殊情况下没有达到预期的使用周期但是已经出现行走异常，此时应首先排查轨道表面没有异常状况，其次查看堆垛机行走轮的磨损情况分析原因并及时进行车轮更换。
参考文献
[1]《铁道标准设计》1999年第3期，UIC60 与CHN60钢轨性能比较，王其昌、翟婉明、蔡成标等
[2]GB/T2585-2021,铁路用热轧钢轨
[3]GB/T11264-2012,热轧轻轨
[4]《机械设计手册》第一册，成大先主编
[5]《金属学与热处理》，崔忠圻
[6]BS EN13674-1:2011+A1:2017，Railway applications-Track-Rail-Part1:Vignole railway rails 46 kg/m and above
[7]UIC CODE 860, 9th edition, January 2008, Technical specification for the supply rails
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