起重機車輪踏面的初步 改進及對其的力學分析

薛超飛　潘海洋

（上海海事大學，上海 201306）

起重機車輪踏面的初步 改進及對其的力學分析

薛超飛潘海洋

（上海海事大學，上海 201306）

借鑒列車車輛幾乎都采用的磨耗型踏面，改進起重機常用輪軌踏面的兩點接觸為單點接觸。選擇國內常用的磨耗型踏面GMD、HLM、LM，分別與軌道P60軌配合，進行ANSYS非線性力學分析。對比分析結果，基于HLM踏面設計的新型起重機踏面是三種踏面中應力狀態最好的踏面類型。

起重機 輪軌型面 ANSYS 非線性 接觸

引言

生產中常使用的橋式起重機因跨度大，所以經常處于歪斜運行狀態，導致輪緣磨損相當嚴重。調查數據顯示，起重機更換的車輪中有90%以上是因為輪緣磨損，報廢的鋼軌有80%以上是因為輪緣磨損導致。據相關文獻介紹，起重機車輪的平均壽命只有約一年，壽命短的僅有3～6個月，但是車輪踏面則可以安全使用2～3年。產生這種現象的一個重要原因就是傳統起重機大車輪的圓柱形踏面與軌道是兩點接觸。

1　輪緣磨損的原因及踏面的改進

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

圖1　有輪緣車輪的輪軌接觸狀態

車輪轉動時，兩個接觸點之中必定有一個會成為瞬時轉動中心，另一個接觸點繞此中心轉動。一般導向點的法向力不是很大，通常情況下是以A點為瞬時中心令B點繞它轉動，故輪緣接觸點總是存在著相對于承載點的相對滑動，而處于法向力和切向力同時作用的復雜應力狀態比踏面上的承載點受力狀況惡劣得多。

輪緣導向的車輪處于約束運行狀況時，踏面和輪緣都與鋼軌接觸，導致輪緣接觸點產生相對于踏面接觸點的滑動。它的蠕滑率比踏面接觸點大很多，輪緣會在滾—滑接觸條件下產生劇烈磨損，車輪壽命銳減。因此，為了改善輪緣的磨損狀況，必須設法避免輪軌之間的兩點接觸。而避免兩點接觸的方法有兩個：一是輪緣不貼靠鋼軌，如常用的水平導向輪；二是采用適當的輪軌踏面形狀，使輪軌始終保持一點接觸?，F通過運用機車車輛輪軌關系的已有研究成果，對起重機的輪軌型面進行研究，以期獲得較好的效果。

我國對于機車車輛的輪軌踏面研究，經歷了從傳統錐形輪到磨耗型踏面的轉變，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力和磨耗，具有優秀的應用效果。最重要的是，這些新型磨損型踏面與軌道都是一點接觸，而這個特性恰恰是起重機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，然后進行基于ANSYS軟件的仿真分析，得出最符合起重機工況的踏面。

然而，由于軌道交通踏面均為單輪緣設計，而起重機輪為雙輪緣，因此若加以應用，需進行改進。因此，可采用如圖2所示的改進方式。圖2中，通過截取磨耗型踏面的主要磨損段，采用后對稱分布的方式，使得該踏面具有初始對中的功能，并且輪子不論往哪側偏移，均為單點接觸。

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際尺寸建立計算模型。采用直徑630mm的起重機鋼制雙輪緣車輪SYL630和P60鋼軌來進行仿真模擬。

由于主要考察車輪踏面和軌道面的受力狀況，所以簡化了車軸的實物模型。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：模擬車輪和軌道的三維實體8節點單元（SOLID185)；模擬軌道工作面（目標面）的目標單元（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，摩擦系數為0.24，載荷為30T。

3　計算結果

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）配對進行仿真分析，從而得到各段接觸的接觸應力等值線圖，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力。因此，基于HLM踏面設計的新型起重機踏面是三種踏面中應力狀態最好的踏面類型。

4　結論

本文將鐵路軌道系統中的單點接觸踏面成果應用于起重機輪軌接觸中，用于解決起重機輪軌由于兩點接觸而引起的輪緣嚴重磨損問題。通過ANSYS的分析仿真，發現基于現有的GMD、HLM、LM三種典型磨耗型單點接觸踏面改進而來的起重機踏面中，基于HLM踏面與P60軌道接觸的力學特性最優，并且既能使車輪踏面具有對中性，又有單點接觸特性。但仿真中也發現以下問題：（1）當鋼軌與車輪踏面的接觸區域是在兩曲面過渡接觸處時，由于過渡處有尺度的突變，會發生接觸應力的集中，此應力遠大于理論值。（2）由于通常起重機輪軌的線接觸變為單點接觸，必定會增大接觸應力，接觸面硬度與鋼材的彈塑性對于接觸狀態的影響有待研究。

圖4　接觸狀態1

圖5　接觸狀態2

圖6 接觸狀態3

因接觸狀態2是輪軌工作時候的主要接觸狀態，因此重點對三種踏面在接觸狀態2時的應力進行重點仿真分析，分別得出三種踏面類型的輪子與P60軌道在接觸狀態2時的最大接觸應力，如表1所示。

表1　接觸狀態2中三種踏面的最大接觸應力

[1]彭成蘸.關于夾鉗起重機的啃道問題[J].起重運輸機械，1978，（5）：1-3.

[2]簡國義.對行車車輪形狀的改進[J].起重運輸機械，1982，（9）.

[3]孫峰.港口起重機設計規范[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4]雷騰.輪軌輪緣接觸應力與影響因素的研究[J].中國鐵道科學，1996，（1）：68-78.

[5]魏先祥.輪軌靜接觸時的應力狀態[J].鐵道學報，1991，（3）：1-11.

[6]馬昌紅，史生良，吳亞平.輪軌接觸應力的有限元分析[J].石家莊鐵道學院學報，2006，（3）：32-35.

[7]劉浩等.ANSYS15.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2014.

[8]張洪才.ANSYS14.0工程實例解析與常見問題解答[M].北京：機械工業出版社，2013.

[9]殷有泉.非線性有限元基礎[M].北京：北京大學出版社，2007.

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