基于ANSYS的起重機(jī)車輪踏面分析與優(yōu)化

盧彤

基于ANSYS的起重機(jī)車輪踏面分析與優(yōu)化

盧彤

（上海海事大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，上海 201306）

起重機(jī)在實(shí)際的使用中，車輪和軌道之間會(huì)有很大程度的磨損,這就要求起重機(jī)車輪和軌道的承載能力和抗磨損能力要不斷提高。本文利用SolidWorks軟件對(duì)軌道列車常用的LMA、GDM以及S1002型三種車輪踏面進(jìn)行再設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件建立車輪踏面與軌道的配合模型。通過(guò)ANSYS軟件對(duì)三種踏面P60軌道不同的接觸狀態(tài)進(jìn)行非線性接觸分析；采用輪軌法相間隙法，利用Matlab軟件對(duì)受力較好的踏面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；最終對(duì)優(yōu)化前后的車輪踏面進(jìn)行接觸應(yīng)力以及性能分析，達(dá)到提高起重機(jī)車輪抗磨損的能力的目的。

港口起重機(jī)；SolidWorks；ANSYS；Matlab；輪軌接觸踏面曲線；輪軌法相間隙優(yōu)化法

港口起重機(jī)在正常的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，在起重機(jī)車輪的輪緣與運(yùn)行軌道之間要留有一定的間隙，這是為了防止在起重機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中當(dāng)車輪發(fā)生橫移時(shí)車輪的輪緣與軌道發(fā)生接觸，避免起重機(jī)車輪輪緣的加速磨耗。然而，在起重機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，車輪與軌道的接觸中面并不一定在踏面中間，會(huì)發(fā)生一定的橫移。

起重機(jī)車輪的啃軌現(xiàn)象指的是在起重機(jī)正常的工況下運(yùn)行時(shí)，起重機(jī)運(yùn)行的車輪輪緣與運(yùn)行的軌道側(cè)面發(fā)生直接接觸，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)水平方向的側(cè)向力，導(dǎo)致起重機(jī)車輪的輪緣發(fā)生比較嚴(yán)重的磨損，最終使得起重機(jī)車輪的輪緣很快的就被磨損和變形從而失效報(bào)廢。據(jù)介紹[1-3]，一般起重機(jī)車輪的平均壽命在一年左右，短的只有3～6個(gè)月的時(shí)間，而車輪踏面可以安全地使用2～3年。起重機(jī)的車輪啃軌問(wèn)題對(duì)起重機(jī)車輪使用壽命的長(zhǎng)短起到了決定性的作用。為了能夠增加車輪的使用壽命，對(duì)其踏面外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 起重機(jī)車輪踏面設(shè)計(jì)以及輪軌實(shí)體模型創(chuàng)建

在車輪與軌道組成的輪軌系統(tǒng)當(dāng)中，車輪的踏面形狀是一個(gè)很重要的指標(biāo)因素。首先車輛在行駛中的一些動(dòng)力學(xué)的性能跟車輪踏面的外形息息相關(guān)，其次車輪和軌道之間的磨損和磨耗情況也很大程度上受到車輪踏面外形的影響。因此，如果可以選擇一個(gè)更適合的車輪踏面，可以在改善一些車輛的動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)減少車輪和鋼軌之間的磨損或磨損，從而提高車輪的可靠性，提高車輪的使用壽命。

1.1 起重機(jī)車輪踏面的設(shè)計(jì)

目前對(duì)于車輪踏面的研究大部分集中在軌道交通中，對(duì)于起重機(jī)車輪踏面的研究相對(duì)較少。由于軌道交通與起重機(jī)的運(yùn)行環(huán)境的不同，軌道交通與起重機(jī)的車輪型面有一個(gè)很明顯的區(qū)別，那就是軌道交通中的車輪型面是單側(cè)輪緣鏡像分布的設(shè)計(jì)方式，而起重機(jī)的車輪為雙側(cè)輪緣的設(shè)計(jì)方式。因此，為了能夠?qū)④壍澜煌ㄖ械哪ズ男攒囕喬っ娴难芯砍晒麘?yīng)用到起重機(jī)上，就必須對(duì)車輪踏面進(jìn)行加以改進(jìn)。在軌道交通車輪無(wú)輪緣側(cè)用適當(dāng)?shù)南嗲袌A弧加以延伸，保證在盡量不破壞原有車輪型面完整性的基礎(chǔ)上做成雙輪緣樣式。圖1為本次論文對(duì)軌道交通車輪踏面改進(jìn)后的一種形式。

1.2 輪軌實(shí)體模型的建立

我國(guó)的普通鐵路、城市交通、高速鐵路采用的鋼軌都為60 kg/m，記為CHN60，是由半徑分別為300 mm、80 mm和13 mm的五段圓弧相切構(gòu)成的。

經(jīng)過(guò)查閱起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[4-6]可得到鋼制SL型單輪緣車輪基本尺寸如表1以及圖2所示。由于車輪的結(jié)構(gòu)和車輪上的負(fù)載條件，在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)稱分布，為了節(jié)省建模時(shí)間和后續(xù)計(jì)算時(shí)間在建模的過(guò)程中取車輪的下半部分進(jìn)行模型創(chuàng)建和受力分析，根據(jù)得到的基本外形尺寸通過(guò)SolidWorks軟件進(jìn)行建模，最終車輪與P60軌道的接觸仿真模型如圖3所示。

圖1 的車輪形狀

表1 鋼制SL型雙輪緣車輪基本尺寸表 單位：mm

注：為車輪踏面最小直徑；1為車輪踏面最大直徑；為車輪厚度；1為輪轂厚度；為輪轂直徑；為輪輻厚度；min為最小車輪厚度。

圖2 鋼制SL型雙輪緣車輪

2 輪軌接觸應(yīng)力的ANSYS有限元分析

2.1 接觸位置以及接觸模型建立

輪軌接觸模型的建立是在SolidWorks三維建模軟件中完成的，其外形的尺寸參考和利用了雙輪緣車輪和軌道的實(shí)際尺寸。在進(jìn)行模型創(chuàng)建的時(shí)候考慮到本文主要是來(lái)分析和研究車輪的踏面以及P60軌道面的受力情況，為了節(jié)省建模時(shí)間和后續(xù)的計(jì)算時(shí)間，在建模的過(guò)程中取車輪的下半部分進(jìn)行模型創(chuàng)建和受力分析。利用SolidWorks軟件分別對(duì)改進(jìn)后的LMA型車輪踏面、GDM型車輪踏面以及S1002型車輪踏面進(jìn)行模型創(chuàng)建并且與P60軌道進(jìn)行裝配。最后將SolidWorks創(chuàng)建好的模型導(dǎo)入ANSYS軟件，對(duì)SolidWorks模型進(jìn)行分析。本文對(duì)每一種車輪踏面與P60軌道創(chuàng)建了三種不同接觸狀態(tài)時(shí)的裝配情況，如圖4所示。

圖3 輪軌實(shí)體模型

圖4 接觸狀態(tài)

2.2 模型網(wǎng)格劃分

將裝配模型導(dǎo)入到ANSYS軟件之后，首先對(duì)模型進(jìn)行基本的網(wǎng)格劃分，劃分后網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分后

為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間對(duì)可能發(fā)生的接觸區(qū)域在節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行再細(xì)化。網(wǎng)格細(xì)化之后的車輪與P60軌道的形狀如圖6和圖7所示。

圖6 網(wǎng)格細(xì)化之后的車輪

圖7 網(wǎng)格細(xì)化之后的軌道

2.2 輪軌匹配結(jié)果的分析與選型

根據(jù)前面的介紹可以知道車輪的踏面和P60軌道的頂面都是由幾條不同半徑的圓弧或者直線組合而成的。由于在實(shí)際的仿真過(guò)程中，車輪與軌道的接觸位置不同以及每個(gè)位置施加的載荷不同的因素存在，最終應(yīng)力云圖結(jié)果的接觸斑的形狀以及接觸斑的面積會(huì)有一定的不同。以車輪不同狀態(tài)受力情況下的接觸應(yīng)力為選取最終優(yōu)化踏面的前提條件，為了能夠獲取最終的優(yōu)化外形本文分別對(duì)LMA型車輪踏面、GDM型車輪踏面以及S1002型車輪踏面與P60軌道進(jìn)行三種不同接觸狀態(tài)的仿真分析。每一個(gè)接觸狀態(tài)分別施加15 t、20 t以及25 t三種不同大小的載荷，表2是進(jìn)行仿真對(duì)比分析的三種踏面類型的輪子與P60軌道接觸狀態(tài)3有限元計(jì)算值與赫茲理論[10-11]值對(duì)比情況。由于S1002型車輪踏面的外形是一系列的離散點(diǎn)進(jìn)行擬合而成，所以車輪踏面沒(méi)有一個(gè)確定的接觸點(diǎn)處的圓弧半徑大小，本文在對(duì)S1002型車輪踏面與P60軌道進(jìn)行接觸仿真時(shí)，是根據(jù)接觸位置處發(fā)生的相應(yīng)橫移量找出相應(yīng)部位的離散點(diǎn)，然后用Matlab進(jìn)行擬合后求出對(duì)應(yīng)的曲率進(jìn)而得到最終的接觸位置處曲率半徑。接觸狀態(tài)3的時(shí)候?yàn)檐囕営覚M移量為3.2 mm左右的時(shí)候，此時(shí)對(duì)應(yīng)車輪原始狀態(tài)-24.6 mm左右處的曲率。

表2 接觸狀態(tài)3時(shí)三種不同類型踏面的最大接觸應(yīng)力情況

通過(guò)表可以看出，輪軌接觸的計(jì)算值在不同接觸狀態(tài)下的ANSYS有限元仿真誤差最大值與赫茲理論計(jì)算的理論值的最大誤差為4.9%小于工程誤差5%允許的范圍因此是符合應(yīng)用要求的。通過(guò)應(yīng)力等值線圖和上述的表格可以看出在這三種不同類型的車輪踏面中S1002型車輪踏面與軌道在狀態(tài)3的接觸位置進(jìn)行接觸時(shí)最大接觸應(yīng)力分別的介于LMA踏面和GDM踏面中間，并且S1002型車輪踏面的應(yīng)力分布情況是三種車輪中最均勻的，應(yīng)力集中的程度最小。因此本文以下將針對(duì)S1002型車輪踏面進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于受到計(jì)算機(jī)的容量以及計(jì)算速度等硬件條件的約束,本模型所采用的是八節(jié)點(diǎn)實(shí)體體元，計(jì)算結(jié)果難免出現(xiàn)一定的數(shù)值誤差。

3 S1002型車輪踏面優(yōu)化與前后性能分析

在衡量車輪與軌道的接觸性能時(shí)能夠用到的參數(shù)有很多，這些不同的參數(shù)可以從不同的角度對(duì)車輪與軌道的匹配性能進(jìn)行衡量，有的時(shí)候它們?cè)谝欢ǔ潭壬嫌质窍嗤ǖ挠胁町愑钟邢嗨菩?。本文是以?yōu)化車輪與軌道輪軌間隙值的方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的。車輪與軌道之間的輪軌間隙值的大小在一定程度上能夠反映出在相應(yīng)的車輪橫移量下車輪與軌道之間的共形程度。接觸斑面積的大小以及車輪與軌道受壓發(fā)生接觸變形之后壓力分布的均勻程度在一定程度上都受到了輪軌間隙值的影響?？紤]到不同輪軌間隙值在整個(gè)位移范圍內(nèi)的變化，本文優(yōu)化的出發(fā)點(diǎn)是在整個(gè)區(qū)間內(nèi)盡量減小輪軌間隙值，通過(guò)相應(yīng)的優(yōu)化最終得到一個(gè)新的踏面外形達(dá)到提高在整個(gè)的橫移過(guò)程中提高車輪與軌道共性度，進(jìn)而達(dá)到降低接觸應(yīng)力集中減少起重機(jī)啃軌和磨損的目的。利用輪軌法相間隙法[9,12]建立車輪與踏面的數(shù)學(xué)模型，調(diào)用Matlab中的fmincon函數(shù)[7]，通過(guò)編寫(xiě)Matlab程序建立得到的最終數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解[8]。

3.1 優(yōu)化前后車輪踏面的幾何性能分析

通過(guò)圖8可以看出優(yōu)化前后車輪踏面外形在整個(gè)的優(yōu)化區(qū)域以內(nèi)發(fā)生了不同程度的改變，并且可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化之后的車輪踏面外形相對(duì)于優(yōu)化之前來(lái)說(shuō)變得更加的平滑了。對(duì)于優(yōu)化之后車輪踏面與軌道匹配之后的應(yīng)力情況以及幾何性能，還需要跟優(yōu)化之前進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比，以便確認(rèn)本次的優(yōu)化是否合理、是否使得車輪的性能得到了相應(yīng)的提高。

圖9為優(yōu)化前后車輪接觸點(diǎn)位置隨橫移量變化的圖像，車輪上的接觸點(diǎn)位置的變化范圍優(yōu)化之后也變廣了，局部主要磨損區(qū)域變化范圍能夠直觀的看出優(yōu)化后比優(yōu)化前變化廣。通過(guò)車輪和軌道接觸點(diǎn)位置的變化圖像可以看出，本次的優(yōu)化對(duì)于提高車輪和軌道的使用壽命有一定的效果。

圖8 優(yōu)化前后車輪的踏面外形變化

圖9 優(yōu)化前后車輪接觸點(diǎn)位置

由于優(yōu)化方法考慮的因素不同，目前算法成熟度的限制無(wú)法滿足在所有的橫移量變化范圍內(nèi)滾動(dòng)圓半徑的差值都小于或者遠(yuǎn)小于優(yōu)化之前，但是，通過(guò)圖10可以很清楚地看出，優(yōu)化之后在絕大多數(shù)的橫移量范圍內(nèi)滾動(dòng)圓半徑差值要好于優(yōu)化之前。滾動(dòng)圓半徑的差值是衡量車輪發(fā)生走偏現(xiàn)象的一個(gè)重要因素，滾動(dòng)圓半徑差值越小起重機(jī)發(fā)生走偏的概率就越小。

圖11為車輪踏面優(yōu)化前后隨著橫移量的變化輪軌間隙變化的對(duì)比圖像，通過(guò)圖像可以看出，在絕大多數(shù)的范圍區(qū)間之內(nèi)優(yōu)化之后的輪軌間隙值相對(duì)于優(yōu)化之前變得更小了，尤其是在-4～-8 mm這個(gè)區(qū)間里面，輪軌間隙值的減小情況比較明顯。隨著輪軌間隙值的減小，接觸時(shí)應(yīng)力集中分布的狀況會(huì)得到相應(yīng)的緩解。由于優(yōu)化方法和條件的一些限制，使得最終的優(yōu)化結(jié)果并不能夠完全的保證區(qū)域內(nèi)均向好發(fā)展，但是絕大多數(shù)區(qū)域內(nèi)的改善還是說(shuō)明本次的優(yōu)化是可行、有效的。

圖10 優(yōu)化前后滾動(dòng)圓半徑差的變化圖像

圖11 優(yōu)化前后輪軌間隙值圖像對(duì)比

3.2 優(yōu)化前后應(yīng)力變化分析

以優(yōu)化之后得到的S1002踏面離散點(diǎn)擬合而成的曲線作為基礎(chǔ)，做出新的踏面模型，然后與P60鋼軌進(jìn)行配合，應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)新踏面的三種接觸位置分別在15 t、20 t和25 t三種載荷下的狀態(tài)進(jìn)行仿真分析.

表3 優(yōu)化前后接觸應(yīng)力對(duì)比

通過(guò)表3可以看出，優(yōu)化之后的新型S1002車輪踏面相對(duì)于優(yōu)化之前的車輪踏面曲線，在三種不同的接觸狀態(tài)對(duì)應(yīng)的三種不同載荷下，最大接觸應(yīng)力得到了一定程度的降低，由于車輪踏面外形變化幅度不是特別的劇烈，使得應(yīng)力的相應(yīng)降低并不是特別明顯，最大有5.1%的降低。

4 總結(jié)

本文參考港口起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)的輪軌幾何尺寸，在SolidWorks三維建模軟件中建立了仿真分析的車輪與軌道的接觸模型。將輪軌的接觸模型通過(guò)ANSYS軟件與SolidWorks軟件之間的接口進(jìn)行導(dǎo)入，導(dǎo)入之后完成了非線性接觸仿真分析。最終在LMA型、GDM型以及S1002型三種車輪踏面中選取出了綜合受力狀況較好S1002型車輪踏面。選定S1002型車輪踏面為優(yōu)化的目標(biāo)踏面，進(jìn)一步分析了該車輪踏面與P60軌道發(fā)生接觸時(shí)的部分幾何特性。然后運(yùn)用輪軌法相間隙法對(duì)目標(biāo)踏面進(jìn)行優(yōu)化，最終得到了符合起重機(jī)運(yùn)行特殊環(huán)境的踏面曲線。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，將軌道交通中的磨耗型踏面進(jìn)行設(shè)計(jì)、運(yùn)用輪軌法相間隙法進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化、最終應(yīng)用到起重機(jī)上的思路是切實(shí)可行的。

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Analysis and Optimization of Crane Wheel Tread Based on ANSYS

LU Tong

(Engineering Training Center,Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China )

In actual use, the wear between the wheel and the track of the crane occurs frequently. Therefore, the bearing capacity and the wear resistance of the wheel and the rail are required to be further improved. In this paper, SolidWorks software is used to redesign LMA, GDM and S1002 treads which is commonly used in rail trains, and the nonlinear contact analysis on different contact states of P60 tracks of the three treads is carried out by using Ansys software. On the basis of the method of wheel-rail phase clearance optimization, the wheel tread in good load-bearing condition is optimized by using Matlab software; Finally, the analysis on the contact stress and performance of the wheel tread before and after optimization is performed to increase the wear resistance of the crane wheel.

crane；SolidWorks；ANSYS；Matlab；wheel/rail contact tread curve；method of wheel-rail phase clearance optimization

TP391

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.06.010

1006－0316 (2020) 06－0062－06

2019－12－02

盧彤（1991－），女，山東濟(jì)南人，碩士研究生，助理工程師，主要從事金工實(shí)習(xí)教學(xué)以及特種加工作，E-mail：tlu@shmtu.edu.cn。