起重机车轮踏面的初步 改进及对其的力学分析

薛超飞　潘海洋

（上海海事大学，上海 201306）

起重机车轮踏面的初步 改进及对其的力学分析

薛超飞潘海洋

（上海海事大学，上海 201306）

借鉴列车车辆几乎都采用的磨耗型踏面，改进起重机常用轮轨踏面的两点接触为单点接触。选择国内常用的磨耗型踏面GMD、HLM、LM，分别与轨道P60轨配合，进行ANSYS非线性力学分析。对比分析结果，基于HLM踏面设计的新型起重机踏面是三种踏面中应力状态最好的踏面类型。

起重机 轮轨型面 ANSYS 非线性 接触

引言

生产中常使用的桥式起重机因跨度大，所以经常处于歪斜运行状态，导致轮缘磨损相当严重。调查数据显示，起重机更换的车轮中有90%以上是因为轮缘磨损，报废的钢轨有80%以上是因为轮缘磨损导致。据相关文献介绍，起重机车轮的平均寿命只有约一年，寿命短的仅有3～6个月，但是车轮踏面则可以安全使用2～3年。产生这种现象的一个重要原因就是传统起重机大车轮的圆柱形踏面与轨道是两点接触。

1　轮缘磨损的原因及踏面的改进

起重机运行过程中，因多种原因常常出现轴向移动或轴向歪斜的状况，因而会受到轮缘或附加的水平轮与轨道所构成的约束。在车轮处于约束运行状态时，有轮缘车轮（圆柱型踏面或者是圆锥型踏面）的轮轨接触状态如图1所示。这时，车轮与钢轨存在两个接触点，A点的位置在踏面上称作承载点，B点的位置在轮缘上或过渡圆弧上称作导向点。

图1　有轮缘车轮的轮轨接触状态

车轮转动时，两个接触点之中必定有一个会成为瞬时转动中心，另一个接触点绕此中心转动。一般导向点的法向力不是很大，通常情况下是以A点为瞬时中心令B点绕它转动，故轮缘接触点总是存在着相对于承载点的相对滑动，而处于法向力和切向力同时作用的复杂应力状态比踏面上的承载点受力状况恶劣得多。

轮缘导向的车轮处于约束运行状况时，踏面和轮缘都与钢轨接触，导致轮缘接触点产生相对于踏面接触点的滑动。它的蠕滑率比踏面接触点大很多，轮缘会在滚—滑接触条件下产生剧烈磨损，车轮寿命锐减。因此，为了改善轮缘的磨损状况，必须设法避免轮轨之间的两点接触。而避免两点接触的方法有两个：一是轮缘不贴靠钢轨，如常用的水平导向轮；二是采用适当的轮轨踏面形状，使轮轨始终保持一点接触。现通过运用机车车辆轮轨关系的已有研究成果，对起重机的轮轨型面进行研究，以期获得较好的效果。

我国对于机车车辆的轮轨踏面研究，经历了从传统锥形轮到磨耗型踏面的转变，如今广泛采用的集中踏面类型有LM、JM、HLM等类型的新型踏面。这些新型踏面改善了轮轨之间的型面匹配，增大了轮轨的接触斑面积，大幅降低轮轨之间的接触应力和磨耗，具有优秀的应用效果。最重要的是，这些新型磨损型踏面与轨道都是一点接触，而这个特性恰恰是起重机轮轨接触所需的重要特征。本文通过将JM、LM、HLM、GMD等新型踏面分别与P60轨道配对，然后进行基于ANSYS软件的仿真分析，得出最符合起重机工况的踏面。

然而，由于轨道交通踏面均为单轮缘设计，而起重机轮为双轮缘，因此若加以应用，需进行改进。因此，可采用如图2所示的改进方式。图2中，通过截取磨耗型踏面的主要磨损段，采用后对称分布的方式，使得该踏面具有初始对中的功能，并且轮子不论往哪侧偏移，均为单点接触。

图2　车轮踏面形状

2　轮轨的有限元模型

按照车轮和轨道的实际尺寸建立计算模型。采用直径630mm的起重机钢制双轮缘车轮SYL630和P60钢轨来进行仿真模拟。

由于主要考察车轮踏面和轨道面的受力状况，所以简化了车轴的实物模型。车轮采用1/2模型，选择车轮踏面为接触面，轨道面作为刚性目标面建立接触单元。利用solidworks软件分别建立基于GMD、HLM、LM踏面车轮与P60轨道的不同状况装配模型，然后通过出具接口导入ANSYS软件，模型如图3所示。

图3　ANSYS仿真模型

建立模型的过程中，用三种类型单元来模拟轮轨系统：模拟车轮和轨道的三维实体8节点单元（SOLID185)；模拟轨道工作面（目标面）的目标单元（TARGE170)；模拟车轮踏面（柔性工作面）的接触单元（CONTA174）。采用的材料特性常熟为：弹性模量E=2.1E11pa，泊松比0.3，密度7900kg/m3，重力加速度9.8N/kg，摩擦系数为0.24，载荷为30T。

3　计算结果

此次模拟仿真分别（GMD踏面各曲面段与P60轨道的各曲面段，HLM的各曲面段与P60的各曲面段，LM的各曲面段与P60的各曲面段）配对进行仿真分析，从而得到各段接触的接触应力等值线图，依次如图4、图5和图6所示。

由表1可分析得出，HLM踏面在主接触位置具有最小的接触应力。因此，基于HLM踏面设计的新型起重机踏面是三种踏面中应力状态最好的踏面类型。

4　结论

本文将铁路轨道系统中的单点接触踏面成果应用于起重机轮轨接触中，用于解决起重机轮轨由于两点接触而引起的轮缘严重磨损问题。通过ANSYS的分析仿真，发现基于现有的GMD、HLM、LM三种典型磨耗型单点接触踏面改进而来的起重机踏面中，基于HLM踏面与P60轨道接触的力学特性最优，并且既能使车轮踏面具有对中性，又有单点接触特性。但仿真中也发现以下问题：（1）当钢轨与车轮踏面的接触区域是在两曲面过渡接触处时，由于过渡处有尺度的突变，会发生接触应力的集中，此应力远大于理论值。（2）由于通常起重机轮轨的线接触变为单点接触，必定会增大接触应力，接触面硬度与钢材的弹塑性对于接触状态的影响有待研究。

图4　接触状态1

图5　接触状态2

图6 接触状态3

因接触状态2是轮轨工作时候的主要接触状态，因此重点对三种踏面在接触状态2时的应力进行重点仿真分析，分别得出三种踏面类型的轮子与P60轨道在接触状态2时的最大接触应力，如表1所示。

表1　接触状态2中三种踏面的最大接触应力

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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