港口起重機(jī)小車輪軌接觸的有限元分析

華文佳 吳姜瑋

摘 要：利用ANSYS10.0軟件進(jìn)行輪軌彈性接觸有限元分析。文章分別對(duì)不同載荷條件下，小車輪軌接觸在不同的初始接觸位置處的應(yīng)力進(jìn)行分析，得出小車橫向偏移對(duì)接觸應(yīng)力分布的影響。

關(guān)鍵字：輪軌接觸、赫茲理論、有限元法、接觸應(yīng)力

1.前言

隨著世界貿(mào)易量大幅增長(zhǎng)，世界各個(gè)港口之間的貨物吞吐量逐年增加。世界各港口，特別是集裝箱港及大型散貨港在最近十幾年發(fā)展迅猛，隨著各個(gè)港口碼頭對(duì)裝卸效率要求的大幅提高，橋式起重機(jī)正趨于大型化、高速化發(fā)展。起重量越來(lái)越大。工作速度越來(lái)越高，不可避免的小車運(yùn)行速度也加快。小車運(yùn)行速度的加快也使得小車車輪發(fā)生和橫向移動(dòng)，對(duì)小車運(yùn)行的穩(wěn)定性帶來(lái)威脅。導(dǎo)向裝置間隙引起的部分偏斜、軌道側(cè)面或者水平輪的磨損引起的部分偏斜和軌道水平面上的直線性公差引起的部分偏斜都將造成車輪走偏。

2.有限元模型的建立與數(shù)值分析

在實(shí)際接觸中，由于車輪的橫向移動(dòng)導(dǎo)致初始位置發(fā)生改變。我們考慮了四種典型的橫截面接觸位置，將有限元方法求得的計(jì)算值與赫茲接觸理論值做出比較。分析在不同的接觸位置處應(yīng)力的分布情況。

在本次模型中采用800t/h的卸船機(jī)小車運(yùn)行軌道進(jìn)行分析，小車軌道與主軌道相同。局部網(wǎng)格劃分如圖所示：

由于車輪的橫向運(yùn)動(dòng)，輪廓的每一處都可能發(fā)生接觸。對(duì)于車輪和軌道接觸的四個(gè)不同橫截面位置處，建立了有限元模型。為了得到滿意的接觸結(jié)果，接近接觸區(qū)的輪軌網(wǎng)格對(duì)四個(gè)模型中任何一個(gè)都是適用的。

將有限元計(jì)算結(jié)果與赫茲理論值進(jìn)行比較，如下表所示：

表2-1是車輪和軌道間的接觸應(yīng)力和赫茲理論值的比較。從表中可以看到，有限元的計(jì)算值和赫茲理論值都很接近。表2-3所列的是在相同載荷條件下，輪軌在不同的初始接觸位置的接觸應(yīng)力值以及與a位置處的增長(zhǎng)率。在圖d位置處，由于接觸面積從軌道肩部擴(kuò)展到軌道頂部，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和赫茲接觸理論得到的最大接觸應(yīng)力顯著高于前面幾處接觸位置得到的應(yīng)力值。在圖c位置處的應(yīng)力變化率較b處發(fā)生了突變，可以說(shuō)明在從b到c這段距離內(nèi)，應(yīng)力值會(huì)有一個(gè)大的增量。

3.結(jié)論

如果材料假定為線性的，軌道的表面曲率不發(fā)生改變，在輪軌接觸問(wèn)題中應(yīng)用赫茲接觸理論可以得到一個(gè)合理的準(zhǔn)確結(jié)果。在小車發(fā)生橫向偏移的過(guò)程中，其軌道應(yīng)力值不斷增大，當(dāng)偏移到某一位置處，其應(yīng)力值會(huì)有一個(gè)大的增量。在重載荷情況下，將會(huì)帶來(lái)塑性變形并將加劇其蹋面的磨損，影響輪軌的疲勞壽命。降低小車行駛性能與脫軌安全性。為保證小車高速行駛下的安全性，應(yīng)控制小車在行駛過(guò)程中的橫向偏移，盡量減少發(fā)生應(yīng)力突變。

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