港口起重机小车轮轨接触的有限元分析

华文佳 吴姜玮

摘 要：利用ANSYS10.0软件进行轮轨弹性接触有限元分析。文章分别对不同载荷条件下，小车轮轨接触在不同的初始接触位置处的应力进行分析，得出小车横向偏移对接触应力分布的影响。

关键字：轮轨接触、赫兹理论、有限元法、接触应力

1.前言

随着世界贸易量大幅增长，世界各个港口之间的货物吞吐量逐年增加。世界各港口，特别是集装箱港及大型散货港在最近十几年发展迅猛，随着各个港口码头对装卸效率要求的大幅提高，桥式起重机正趋于大型化、高速化发展。起重量越来越大。工作速度越来越高，不可避免的小车运行速度也加快。小车运行速度的加快也使得小车车轮发生和横向移动，对小车运行的稳定性带来威胁。导向装置间隙引起的部分偏斜、轨道侧面或者水平轮的磨损引起的部分偏斜和轨道水平面上的直线性公差引起的部分偏斜都将造成车轮走偏。

2.有限元模型的建立与数值分析

在实际接触中，由于车轮的横向移动导致初始位置发生改变。我们考虑了四种典型的横截面接触位置，将有限元方法求得的计算值与赫兹接触理论值做出比较。分析在不同的接触位置处应力的分布情况。

在本次模型中采用800t/h的卸船机小车运行轨道进行分析，小车轨道与主轨道相同。局部网格划分如图所示：

由于车轮的横向运动，轮廓的每一处都可能发生接触。对于车轮和轨道接触的四个不同横截面位置处，建立了有限元模型。为了得到满意的接触结果，接近接触区的轮轨网格对四个模型中任何一个都是适用的。

将有限元计算结果与赫兹理论值进行比较，如下表所示：

表2-1是车轮和轨道间的接触应力和赫兹理论值的比较。从表中可以看到，有限元的计算值和赫兹理论值都很接近。表2-3所列的是在相同载荷条件下，轮轨在不同的初始接触位置的接触应力值以及与a位置处的增长率。在图d位置处，由于接触面积从轨道肩部扩展到轨道顶部，数值计算结果和赫兹接触理论得到的最大接触应力显著高于前面几处接触位置得到的应力值。在图c位置处的应力变化率较b处发生了突变，可以说明在从b到c这段距离内，应力值会有一个大的增量。

3.结论

如果材料假定为线性的，轨道的表面曲率不发生改变，在轮轨接触问题中应用赫兹接触理论可以得到一个合理的准确结果。在小车发生横向偏移的过程中，其轨道应力值不断增大，当偏移到某一位置处，其应力值会有一个大的增量。在重载荷情况下，将会带来塑性变形并将加剧其蹋面的磨损，影响轮轨的疲劳寿命。降低小车行驶性能与脱轨安全性。为保证小车高速行驶下的安全性，应控制小车在行驶过程中的横向偏移，尽量减少发生应力突变。

参考文献

[1]胡宗武，顾迪民.起重机设计计算.北京：北京科学技术出版社 1989.8

[2]中华人民共和国国家标准局，GB3811-83.起重机设计规范，北京：中国标准出版社，1983.08

[3]Johnson K L.著 徐秉业等译.接触力学，北京：高等教育出版社，1992

[4]刘坤，吴磊.ANSYS有限元方法精解.北京：国防工业出版社2004.8