起重機(jī)車輪踏面的初步 改進(jìn)及對(duì)其的力學(xué)分析

薛超飛　潘海洋

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

起重機(jī)車輪踏面的初步 改進(jìn)及對(duì)其的力學(xué)分析

薛超飛潘海洋

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

借鑒列車車輛幾乎都采用的磨耗型踏面，改進(jìn)起重機(jī)常用輪軌踏面的兩點(diǎn)接觸為單點(diǎn)接觸。選擇國(guó)內(nèi)常用的磨耗型踏面GMD、HLM、LM，分別與軌道P60軌配合，進(jìn)行ANSYS非線性力學(xué)分析。對(duì)比分析結(jié)果，基于HLM踏面設(shè)計(jì)的新型起重機(jī)踏面是三種踏面中應(yīng)力狀態(tài)最好的踏面類型。

起重機(jī) 輪軌型面 ANSYS 非線性 接觸

引言

生產(chǎn)中常使用的橋式起重機(jī)因跨度大，所以經(jīng)常處于歪斜運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致輪緣磨損相當(dāng)嚴(yán)重。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，起重機(jī)更換的車輪中有90%以上是因?yàn)檩喚壞p，報(bào)廢的鋼軌有80%以上是因?yàn)檩喚壞p導(dǎo)致。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，起重機(jī)車輪的平均壽命只有約一年，壽命短的僅有3～6個(gè)月，但是車輪踏面則可以安全使用2～3年。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的一個(gè)重要原因就是傳統(tǒng)起重機(jī)大車輪的圓柱形踏面與軌道是兩點(diǎn)接觸。

1　輪緣磨損的原因及踏面的改進(jìn)

起重機(jī)運(yùn)行過程中，因多種原因常常出現(xiàn)軸向移動(dòng)或軸向歪斜的狀況，因而會(huì)受到輪緣或附加的水平輪與軌道所構(gòu)成的約束。在車輪處于約束運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，有輪緣車輪（圓柱型踏面或者是圓錐型踏面）的輪軌接觸狀態(tài)如圖1所示。這時(shí)，車輪與鋼軌存在兩個(gè)接觸點(diǎn)，A點(diǎn)的位置在踏面上稱作承載點(diǎn)，B點(diǎn)的位置在輪緣上或過渡圓弧上稱作導(dǎo)向點(diǎn)。

圖1　有輪緣車輪的輪軌接觸狀態(tài)

車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)接觸點(diǎn)之中必定有一個(gè)會(huì)成為瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心，另一個(gè)接觸點(diǎn)繞此中心轉(zhuǎn)動(dòng)。一般導(dǎo)向點(diǎn)的法向力不是很大，通常情況下是以A點(diǎn)為瞬時(shí)中心令B點(diǎn)繞它轉(zhuǎn)動(dòng)，故輪緣接觸點(diǎn)總是存在著相對(duì)于承載點(diǎn)的相對(duì)滑動(dòng)，而處于法向力和切向力同時(shí)作用的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)比踏面上的承載點(diǎn)受力狀況惡劣得多。

輪緣導(dǎo)向的車輪處于約束運(yùn)行狀況時(shí)，踏面和輪緣都與鋼軌接觸，導(dǎo)致輪緣接觸點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)于踏面接觸點(diǎn)的滑動(dòng)。它的蠕滑率比踏面接觸點(diǎn)大很多，輪緣會(huì)在滾—滑接觸條件下產(chǎn)生劇烈磨損，車輪壽命銳減。因此，為了改善輪緣的磨損狀況，必須設(shè)法避免輪軌之間的兩點(diǎn)接觸。而避免兩點(diǎn)接觸的方法有兩個(gè)：一是輪緣不貼靠鋼軌，如常用的水平導(dǎo)向輪；二是采用適當(dāng)?shù)妮嗆壧っ嫘螤?，使輪軌始終保持一點(diǎn)接觸?，F(xiàn)通過運(yùn)用機(jī)車車輛輪軌關(guān)系的已有研究成果，對(duì)起重機(jī)的輪軌型面進(jìn)行研究，以期獲得較好的效果。

我國(guó)對(duì)于機(jī)車車輛的輪軌踏面研究，經(jīng)歷了從傳統(tǒng)錐形輪到磨耗型踏面的轉(zhuǎn)變，如今廣泛采用的集中踏面類型有LM、JM、HLM等類型的新型踏面。這些新型踏面改善了輪軌之間的型面匹配，增大了輪軌的接觸斑面積，大幅降低輪軌之間的接觸應(yīng)力和磨耗，具有優(yōu)秀的應(yīng)用效果。最重要的是，這些新型磨損型踏面與軌道都是一點(diǎn)接觸，而這個(gè)特性恰恰是起重機(jī)輪軌接觸所需的重要特征。本文通過將JM、LM、HLM、GMD等新型踏面分別與P60軌道配對(duì)，然后進(jìn)行基于ANSYS軟件的仿真分析，得出最符合起重機(jī)工況的踏面。

然而，由于軌道交通踏面均為單輪緣設(shè)計(jì)，而起重機(jī)輪為雙輪緣，因此若加以應(yīng)用，需進(jìn)行改進(jìn)。因此，可采用如圖2所示的改進(jìn)方式。圖2中，通過截取磨耗型踏面的主要磨損段，采用后對(duì)稱分布的方式，使得該踏面具有初始對(duì)中的功能，并且輪子不論往哪側(cè)偏移，均為單點(diǎn)接觸。

圖2　車輪踏面形狀

2　輪軌的有限元模型

按照車輪和軌道的實(shí)際尺寸建立計(jì)算模型。采用直徑630mm的起重機(jī)鋼制雙輪緣車輪SYL630和P60鋼軌來進(jìn)行仿真模擬。

由于主要考察車輪踏面和軌道面的受力狀況，所以簡(jiǎn)化了車軸的實(shí)物模型。車輪采用1/2模型，選擇車輪踏面為接觸面，軌道面作為剛性目標(biāo)面建立接觸單元。利用solidworks軟件分別建立基于GMD、HLM、LM踏面車輪與P60軌道的不同狀況裝配模型，然后通過出具接口導(dǎo)入ANSYS軟件，模型如圖3所示。

圖3　ANSYS仿真模型

建立模型的過程中，用三種類型單元來模擬輪軌系統(tǒng)：模擬車輪和軌道的三維實(shí)體8節(jié)點(diǎn)單元（SOLID185)；模擬軌道工作面（目標(biāo)面）的目標(biāo)單元（TARGE170)；模擬車輪踏面（柔性工作面）的接觸單元（CONTA174）。采用的材料特性常熟為：彈性模量E=2.1E11pa，泊松比0.3，密度7900kg/m3，重力加速度9.8N/kg，摩擦系數(shù)為0.24，載荷為30T。

3　計(jì)算結(jié)果

此次模擬仿真分別（GMD踏面各曲面段與P60軌道的各曲面段，HLM的各曲面段與P60的各曲面段，LM的各曲面段與P60的各曲面段）配對(duì)進(jìn)行仿真分析，從而得到各段接觸的接觸應(yīng)力等值線圖，依次如圖4、圖5和圖6所示。

由表1可分析得出，HLM踏面在主接觸位置具有最小的接觸應(yīng)力。因此，基于HLM踏面設(shè)計(jì)的新型起重機(jī)踏面是三種踏面中應(yīng)力狀態(tài)最好的踏面類型。

4　結(jié)論

本文將鐵路軌道系統(tǒng)中的單點(diǎn)接觸踏面成果應(yīng)用于起重機(jī)輪軌接觸中，用于解決起重機(jī)輪軌由于兩點(diǎn)接觸而引起的輪緣嚴(yán)重磨損問題。通過ANSYS的分析仿真，發(fā)現(xiàn)基于現(xiàn)有的GMD、HLM、LM三種典型磨耗型單點(diǎn)接觸踏面改進(jìn)而來的起重機(jī)踏面中，基于HLM踏面與P60軌道接觸的力學(xué)特性最優(yōu)，并且既能使車輪踏面具有對(duì)中性，又有單點(diǎn)接觸特性。但仿真中也發(fā)現(xiàn)以下問題：（1）當(dāng)鋼軌與車輪踏面的接觸區(qū)域是在兩曲面過渡接觸處時(shí)，由于過渡處有尺度的突變，會(huì)發(fā)生接觸應(yīng)力的集中，此應(yīng)力遠(yuǎn)大于理論值。（2）由于通常起重機(jī)輪軌的線接觸變?yōu)閱吸c(diǎn)接觸，必定會(huì)增大接觸應(yīng)力，接觸面硬度與鋼材的彈塑性對(duì)于接觸狀態(tài)的影響有待研究。

圖4　接觸狀態(tài)1

圖5　接觸狀態(tài)2

圖6 接觸狀態(tài)3

因接觸狀態(tài)2是輪軌工作時(shí)候的主要接觸狀態(tài)，因此重點(diǎn)對(duì)三種踏面在接觸狀態(tài)2時(shí)的應(yīng)力進(jìn)行重點(diǎn)仿真分析，分別得出三種踏面類型的輪子與P60軌道在接觸狀態(tài)2時(shí)的最大接觸應(yīng)力，如表1所示。

表1　接觸狀態(tài)2中三種踏面的最大接觸應(yīng)力

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Initial Improvements Crane Wheel Tread and Mechanical Analysis

XUE Chaofei,PAN Haiyang
(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306)

Re ference worn tread train almost all vehicles used to improve the commo n crane tread two wheel-ra il contact with a single point contact. Selected domestic commonly used worn tread GMD, HLM, LM, respectively, with the track and the track P60, carr ied ANSYS nonlinear mechanics analysis and the results were compared. Comparative analysis of the results, based on new crane tread HLM tread design are the three best state of stress i n the tread of tread type.

crane, wheel and rail profile, ANSYS, nonlinear, contact