移船架走輪與鋼軌接觸沖擊有限元仿真分析

，，

(1.中國(guó)人民解放軍95958部隊(duì)，上海 200120；2.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

移船架是船舶下水的一種重要裝置，其走輪系統(tǒng)由數(shù)百對(duì)走輪(平衡輪、邊輪)、輪軸、軸承以及軌道等結(jié)構(gòu)組成[1]。在超低速運(yùn)行過(guò)程中受力較為復(fù)雜，尤其在軌縫間沖擊劇烈，容易引起瞬時(shí)超負(fù)荷，接觸應(yīng)力增大，使走輪、輪軸等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形、斷裂的現(xiàn)象。走輪系統(tǒng)一旦損壞將嚴(yán)重影響移船架運(yùn)行的安全性與平穩(wěn)性。為了排除潛在的危險(xiǎn)，提高船舶下水的安全性，必須對(duì)移船架的可靠性進(jìn)行周密的計(jì)算。本文就移船架在超低速行進(jìn)時(shí)的輪軌沖擊狀況展開(kāi)討論，分析行進(jìn)速度、載荷和軌頭高度差等參數(shù)對(duì)走輪在軌縫處所受沖擊的影響。

1 有限元模型描述

1.1 移船架輪軌幾何參數(shù)及機(jī)械性能

應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA建立鋼軌與走輪的彈塑性三維有限元模型，用該模型仿真計(jì)算走輪在鋼軌上低速行進(jìn)時(shí)沖擊鋼軌軌頭的過(guò)程[2-3]。此模型中鋼軌采用73 kg/m重軌，走輪材料選用QT600-3號(hào)球墨鑄鐵。各部分幾何參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 走輪的幾何參數(shù) mm

走輪與鋼軌力學(xué)性能如表2所列。

表2 輪軌材料及其力學(xué)性能

1.2 模型的建立與網(wǎng)格劃分

考慮到分析的完整性，在仿真中采用整體建模。將其力學(xué)模型簡(jiǎn)化為二維形式，見(jiàn)圖1。

圖1 軌縫沖擊二維力學(xué)模型

該模型由鋼軌1、鋼軌2和走輪三部分組成，當(dāng)走輪從鋼軌1向鋼軌2運(yùn)動(dòng)時(shí)，易在鋼軌2的軌頭處產(chǎn)生沖擊。在模型中，x軸表示橫向，y軸表示垂直方向，z軸表示軌道方向，即走輪的滾動(dòng)方向；ω0、v0、P0、h分別表示走輪滾動(dòng)角速度、走輪行進(jìn)速度、荷重、鋼軌錯(cuò)牙接頭的高度差。

在仿真過(guò)程中，運(yùn)用ANSYS軟件的前處理功能，定義鋼軌、走輪的材料屬性、實(shí)常數(shù)。在顯式分析過(guò)程中，用8節(jié)點(diǎn)3D solid164實(shí)體單元來(lái)模擬鋼軌、走輪，建立模型并劃分網(wǎng)格。走輪與鋼軌接觸部位網(wǎng)格大小細(xì)化為4 mm，其余的部分網(wǎng)格大小為30 mm。鋼軌1有單元19 350個(gè)，鋼軌2有單元18 810個(gè)，走輪單元有66 912個(gè)。有限元模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

圖2 輪軌模型網(wǎng)格劃分

分別對(duì)兩段鋼軌和走輪創(chuàng)建3個(gè)part，鋼軌1設(shè)為part 1，鋼軌2設(shè)為part 2，走輪為part 3，part 3與part 1和part 2之間分別采用面-面接觸法則，走輪與鋼軌都不是剛體，且鋼軌面明顯小于走輪面，因此接觸面為走輪面，目標(biāo)面為鋼軌上表面。

1.3 約束與加載

鋼軌底面和兩端面為全約束，走輪兩側(cè)面施加x方向約束。由于在LS-DYNA動(dòng)力分析中必須考慮施加載荷隨時(shí)間的變化，但這一關(guān)系無(wú)法直接通過(guò)命令設(shè)置，所以在加載前必須定義時(shí)間和載荷數(shù)組[4]。選取輪孔下表面上所有節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建組元，定義載荷-時(shí)間歷程曲線，將載荷施加到模型y方向上。走輪和鋼軌三維有限元模型約束與載荷加載見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 面和節(jié)點(diǎn)的約束情況

圖4 載荷加載情況

2 仿真結(jié)果分析

2.1 輪軌沖擊過(guò)程中的應(yīng)力分析

仿真中設(shè)走輪行進(jìn)速度為v0=3 m/min，走輪的載荷F=400 kN，動(dòng)摩擦系數(shù)取0.2，靜摩擦系數(shù)取0.3。鋼軌軌頭處的高度差為h=1 mm，分析時(shí)間為t=5 s，時(shí)間子步數(shù)為100，每一段分析的時(shí)間間隔為0.05 s。

計(jì)算結(jié)果如下。

2.1.1 鋼軌接觸應(yīng)力與等效應(yīng)力

鋼軌yz方向接觸壓力隨時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖5。yz面上的接觸壓力的第一個(gè)峰值出現(xiàn)在沖擊發(fā)生之后0.3 s左右，大約是靜載荷的4.9倍，為高頻瞬態(tài)沖擊力。沖擊力的產(chǎn)生到消失存在于很短的時(shí)間之內(nèi)，主要被鋼軌軌頭接觸面所承受，這個(gè)沖擊力是導(dǎo)致鋼軌軌頭處和走輪表面塑性變形和疲勞損傷的關(guān)鍵因素。在第一次峰值過(guò)后的0.2～0.3 s之后，又出現(xiàn)了一處比第一次稍小一點(diǎn)的峰值，這說(shuō)明在輪軌沖擊過(guò)程中鋼軌可能受到了二次沖擊。這種情況是鋼軌的彈性勢(shì)能釋放而使走輪在第一次沖擊過(guò)后略微的彈起，而后重新落回軌道上而引起的。

圖5 yz面等效接觸力隨時(shí)間變化曲線

圖6 輪軌沖擊結(jié)果中所選單元示意

在鋼軌邊緣、鋼軌端面和鋼軌頂面選擇了3個(gè)不同部位的有限元單元(見(jiàn)圖6)，來(lái)分析輪軌沖擊時(shí)的應(yīng)力和接觸壓力狀況。由圖7、8可見(jiàn)，3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的von Mises等效應(yīng)力、接觸壓力在走輪沖擊鋼軌之后的0.3～0.4 s內(nèi)達(dá)到最大值，分別等于2 515 MPa和1 765 MPa。隨著接觸區(qū)域向前移動(dòng)，等效應(yīng)力和接觸壓力迅速減小。由圖7可見(jiàn)，其邊緣處的峰值最大，大約是軌面和端面峰值的2倍。

圖7 3個(gè)單元von Mises等效應(yīng)力隨時(shí)間變化

2.1.2 走輪

輪軌開(kāi)始接觸產(chǎn)生沖擊時(shí)，走輪的最大von Mises等效應(yīng)力、最大接觸壓力在走輪沖擊鋼軌后0.2～0.3 s內(nèi)達(dá)到最大值，分別等于1 358 MPa和2 238 MPa。隨著走輪先前滾動(dòng)，等效應(yīng)力和接觸壓力迅速減小。

圖9 走輪單元von Mises等效應(yīng)力隨時(shí)間變化

圖10 走輪單元接觸壓力隨時(shí)間變化

2.2 輪軌系統(tǒng)應(yīng)力的影響因素

2.2.1 速度

設(shè)走輪載荷為F=200 kN，鋼軌軌頭處的高度差為h=1 mm，走輪行進(jìn)速度為v0=3、4、5、6、7 m/min，運(yùn)行時(shí)間t=5 s，時(shí)間子步數(shù)為100，每一段分析時(shí)間間隔為0.05 s。

鋼軌和走輪的最大von Mises等效應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力都隨行進(jìn)速度的增加而增大，見(jiàn)圖11、圖12。這說(shuō)明移船架的行進(jìn)速度越快走輪與鋼軌在軌縫處的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)越大。

圖11 輪軌最大von Mises等效應(yīng)力隨速度變化

圖12 輪軌最大接觸應(yīng)力隨速度變化

計(jì)算結(jié)果表明，鋼軌和走輪在沖擊過(guò)程中的最大von Mises等效應(yīng)力、最大接觸壓力有較大差異，分別在1 400 MPa和900 MPa左右。主要原因是鋼軌與走輪的材料不同，彈性模量和泊松比等參數(shù)差異所致。

由于鋼軌許用接觸應(yīng)力為3 000 MPa[5]，故在最大速度7 m/min情況下可以安全使用，但此時(shí)走輪的最大接觸壓力為2 691 MPa，超過(guò)了其接觸壓力許用值。走輪在該速度下工作造成表面損傷的風(fēng)險(xiǎn)較大，因此在為了保證移船架的安全性和可靠性，其行進(jìn)的最大速度不得大于6 m/min。

2.2.2 載荷

影響移船架輪軌運(yùn)行過(guò)程中安全性的另一大因素是移船架的載荷。在行進(jìn)速度v0=3 m/min和軌頭高度差h=1 mm的條件下，載荷F分別取200、250、300、350、400 kN進(jìn)行計(jì)算，重點(diǎn)分析鋼軌和走輪在沖擊過(guò)程中的最大von Mises等效應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力兩項(xiàng)指標(biāo)隨載荷變化的趨勢(shì)。見(jiàn)圖13、14，鋼軌與走輪von Mises等效應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力都隨載荷的增大而增大，兩者von Mises等效應(yīng)力趨勢(shì)相同，而鋼軌最大接觸應(yīng)力增幅高于走輪，這說(shuō)明載荷對(duì)鋼軌軌頭應(yīng)力的影響大于走輪。

圖13 輪軌最大von Mises等效應(yīng)力隨載重變化曲線

圖14 輪軌最大接觸應(yīng)力隨載重變化曲線

計(jì)算結(jié)果表明，在沖擊過(guò)程中不同載荷的影響下輪軌系統(tǒng)的von Mises等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力均小于許用值，能夠保證移船架的安全運(yùn)行。比較兩種因素對(duì)走輪系統(tǒng)軌縫沖擊過(guò)程的影響可以看出，速度因素的影響要大于載荷的影響。因此在移船架工作過(guò)程中要嚴(yán)格控制行進(jìn)速度。

2.2.3 軌頭高度差

由于軌基的沉降作用，往往在移船架鋼軌軌縫處產(chǎn)生一定的高度差，這種高度差對(duì)走輪在軌縫處的沖擊作用存在一定的影響，在行進(jìn)速度v0=3 m/min和載荷F=200 kN的條件下，分別取載荷h=0、0.5、1.0、1.5、2.0 mm進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果見(jiàn)圖15、16。

圖15 輪軌最大von Mises等效應(yīng)力隨高度差變化曲線

可見(jiàn)，軌頭處高度差高度越大沖擊響應(yīng)越明顯，對(duì)鋼軌和走輪的損傷越大。因此移船架鋼軌應(yīng)盡量保持表面平整。

圖16 輪軌最大接觸壓力隨高度差變化曲線

此外，沖擊過(guò)程中因振動(dòng)而出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)阻尼問(wèn)題也是不可避免的影響因素，本文重點(diǎn)關(guān)注的是速度、載荷與軌頭高度差的影響，結(jié)構(gòu)阻尼問(wèn)題不在此贅述。

3 結(jié)論

1) 當(dāng)走輪沖擊鋼軌接頭時(shí)，輪軌間的最大接觸力大約是靜態(tài)時(shí)的4.9倍，主要出現(xiàn)在鋼軌接頭處的接觸面上。走輪在沖擊鋼軌后，走輪會(huì)略微彈起后回落對(duì)鋼軌造成第二次沖擊，容易導(dǎo)致走輪和鋼軌接觸面的損傷。

2) 輪軌的最大von Mises等效應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力都隨行進(jìn)速度、載重和軌頭高度差的增加而增大。這3種參數(shù)對(duì)鋼軌的影響比較明顯，而對(duì)走輪的影響則相對(duì)較小。

3) 行進(jìn)速度和軌頭高度差對(duì)走輪系統(tǒng)的影響明顯大于載重。在最大載重和最大軌頭高度差下輪軌系統(tǒng)可以保證安全運(yùn)行。當(dāng)行進(jìn)的速度為7 m/min時(shí)，接觸壓力大于走輪許用值，因此走輪最高行進(jìn)速度應(yīng)不大于6 m/min。

[1] 鄒大恒. 5.7萬(wàn)t級(jí)散貨船牽引下水工藝及實(shí)施效果

[J].船海工程,2009，38(6):6-12.

[2] 雷曉燕，管天佑.輪軌局部接觸應(yīng)力分析[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),1995,12(2)：20-26.

[3] 溫澤峰，金學(xué)松，張衛(wèi)華.鋼軌軌縫接觸-沖擊的有限元分析[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23(3)：240-244.

[4] 蔡 武.鋼軌接頭處輪軌接觸有限元分析[D].成都：西南交通大學(xué),2005.

[5] 周清躍,張銀花,陳朝陽(yáng),等.重載鐵路鋼軌技術(shù)的研究[C]∥鐵路重載運(yùn)輸貨車暨工務(wù)學(xué)術(shù)研討會(huì).2011：56-62.