盧彤

基于ANSYS的起重機車輪踏面分析與優(yōu)化

盧彤

（上海海事大學 工程訓練中心，上海 201306）

起重機在實際的使用中，車輪和軌道之間會有很大程度的磨損,這就要求起重機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軟件對軌道列車常用的LMA、GDM以及S1002型三種車輪踏面進行再設計，通過軟件建立車輪踏面與軌道的配合模型。通過ANSYS軟件對三種踏面P60軌道不同的接觸狀態(tài)進行非線性接觸分析；采用輪軌法相間隙法，利用Matlab軟件對受力較好的踏面進行優(yōu)化設計；最終對優(yōu)化前后的車輪踏面進行接觸應力以及性能分析，達到提高起重機車輪抗磨損的能力的目的。

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

港口起重機在正常的運行過程當中，在起重機車輪的輪緣與運行軌道之間要留有一定的間隙，這是為了防止在起重機的運行過程中當車輪發(fā)生橫移時車輪的輪緣與軌道發(fā)生接觸，避免起重機車輪輪緣的加速磨耗。然而，在起重機實際運行中，車輪與軌道的接觸中面并不一定在踏面中間，會發(fā)生一定的橫移。

起重機車輪的啃軌現象指的是在起重機正常的工況下運行時，起重機運行的車輪輪緣與運行的軌道側面發(fā)生直接接觸，進而產生一個水平方向的側向力，導致起重機車輪的輪緣發(fā)生比較嚴重的磨損，最終使得起重機車輪的輪緣很快的就被磨損和變形從而失效報廢。據介紹[1-3]，一般起重機車輪的平均壽命在一年左右，短的只有3～6個月的時間，而車輪踏面可以安全地使用2～3年。起重機的車輪啃軌問題對起重機車輪使用壽命的長短起到了決定性的作用。為了能夠增加車輪的使用壽命，對其踏面外形進行優(yōu)化設計具有重要意義。

1 起重機車輪踏面設計以及輪軌實體模型創(chuàng)建

在車輪與軌道組成的輪軌系統(tǒng)當中，車輪的踏面形狀是一個很重要的指標因素。首先車輛在行駛中的一些動力學的性能跟車輪踏面的外形息息相關，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，如果可以選擇一個更適合的車輪踏面，可以在改善一些車輛的動態(tài)性能的同時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 起重機車輪踏面的設計

目前對于車輪踏面的研究大部分集中在軌道交通中，對于起重機車輪踏面的研究相對較少。由于軌道交通與起重機的運行環(huán)境的不同，軌道交通與起重機的車輪型面有一個很明顯的區(qū)別，那就是軌道交通中的車輪型面是單側輪緣鏡像分布的設計方式，而起重機的車輪為雙側輪緣的設計方式。因此，為了能夠將軌道交通中的磨耗性車輪踏面的研究成果應用到起重機上，就必須對車輪踏面進行加以改進。在軌道交通車輪無輪緣側用適當的相切圓弧加以延伸，保證在盡量不破壞原有車輪型面完整性的基礎上做成雙輪緣樣式。圖1為本次論文對軌道交通車輪踏面改進后的一種形式。

1.2 輪軌實體模型的建立

我國的普通鐵路、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的五段圓弧相切構成的。

經過查閱起重機設計手冊[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。由于車輪的結構和車輪上的負載條件，在運行過程中對稱分布，為了節(jié)省建模時間和后續(xù)計算時間在建模的過程中取車輪的下半部分進行模型創(chuàng)建和受力分析，根據得到的基本外形尺寸通過SolidWorks軟件進行建模，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際尺寸。在進行模型創(chuàng)建的時候考慮到本文主要是來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)省建模時間和后續(xù)的計算時間，在建模的過程中取車輪的下半部分進行模型創(chuàng)建和受力分析。利用SolidWorks軟件分別對改進后的LMA型車輪踏面、GDM型車輪踏面以及S1002型車輪踏面進行模型創(chuàng)建并且與P60軌道進行裝配。最后將SolidWorks創(chuàng)建好的模型導入ANSYS軟件，對SolidWorks模型進行分析。本文對每一種車輪踏面與P60軌道創(chuàng)建了三種不同接觸狀態(tài)時的裝配情況，如圖4所示。

圖3 輪軌實體模型

圖4 接觸狀態(tài)

2.2 模型網格劃分

將裝配模型導入到ANSYS軟件之后，首先對模型進行基本的網格劃分，劃分后網格如圖5所示。

圖5 網格劃分后

為了節(jié)約計算時間對可能發(fā)生的接觸區(qū)域在節(jié)點上進行再細化。網格細化之后的車輪與P60軌道的形狀如圖6和圖7所示。

圖6 網格細化之后的車輪

圖7 網格細化之后的軌道

2.2 輪軌匹配結果的分析與選型

根據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。由于在實際的仿真過程中，車輪與軌道的接觸位置不同以及每個位置施加的載荷不同的因素存在，最終應力云圖結果的接觸斑的形狀以及接觸斑的面積會有一定的不同。以車輪不同狀態(tài)受力情況下的接觸應力為選取最終優(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軌道進行三種不同接觸狀態(tài)的仿真分析。每一個接觸狀態(tài)分別施加15 t、20 t以及25 t三種不同大小的載荷，表2是進行仿真對比分析的三種踏面類型的輪子與P60軌道接觸狀態(tài)3有限元計算值與赫茲理論[10-11]值對比情況。由于S1002型車輪踏面的外形是一系列的離散點進行擬合而成，所以車輪踏面沒有一個確定的接觸點處的圓弧半徑大小，本文在對S1002型車輪踏面與P60軌道進行接觸仿真時，是根據接觸位置處發(fā)生的相應橫移量找出相應部位的離散點，然后用Matlab進行擬合后求出對應的曲率進而得到最終的接觸位置處曲率半徑。接觸狀態(tài)3的時候為車輪右橫移量為3.2 mm左右的時候，此時對應車輪原始狀態(tài)-24.6 mm左右處的曲率。

表2 接觸狀態(tài)3時三種不同類型踏面的最大接觸應力情況

通過表可以看出，輪軌接觸的計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用要求的。通過應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的接觸位置進行接觸時最大接觸應力分別的介于LMA踏面和GDM踏面中間，并且S1002型車輪踏面的應力分布情況是三種車輪中最均勻的，應力集中的程度最小。因此本文以下將針對S1002型車輪踏面進行進一步的優(yōu)化設計。由于受到計算機的容量以及計算速度等硬件條件的約束,本模型所采用的是八節(jié)點實體體元，計算結果難免出現一定的數值誤差。

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能夠用到的參數有很多，這些不同的參數可以從不同的角度對車輪與軌道的匹配性能進行衡量，有的時候它們在一定程度上又是相通的有差異又有相似性。本文是以優(yōu)化車輪與軌道輪軌間隙值的方法來進行設計優(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位移范圍內的變化，本文優(yōu)化的出發(fā)點是在整個區(qū)間內盡量減小輪軌間隙值，通過相應的優(yōu)化最終得到一個新的踏面外形達到提高在整個的橫移過程中提高車輪與軌道共性度，進而達到降低接觸應力集中減少起重機啃軌和磨損的目的。利用輪軌法相間隙法[9,12]建立車輪與踏面的數學模型，調用Matlab中的fmincon函數[7]，通過編寫Matlab程序建立得到的最終數學模型進行求解[8]。

3.1 優(yōu)化前后車輪踏面的幾何性能分析

通過圖8可以看出優(yōu)化前后車輪踏面外形在整個的優(yōu)化區(qū)域以內發(fā)生了不同程度的改變，并且可以發(fā)現優(yōu)化之后的車輪踏面外形相對于優(yōu)化之前來說變得更加的平滑了。對于優(yōu)化之后車輪踏面與軌道匹配之后的應力情況以及幾何性能，還需要跟優(yōu)化之前進行相應的對比，以便確認本次的優(yōu)化是否合理、是否使得車輪的性能得到了相應的提高。

圖9為優(yōu)化前后車輪接觸點位置隨橫移量變化的圖像，車輪上的接觸點位置的變化范圍優(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。通過車輪和軌道接觸點位置的變化圖像可以看出，本次的優(yōu)化對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法滿足在所有的橫移量變化范圍內滾動圓半徑的差值都小于或者遠小于優(yōu)化之前，但是，通過圖10可以很清楚地看出，優(yōu)化之后在絕大多數的橫移量范圍內滾動圓半徑差值要好于優(yōu)化之前。滾動圓半徑的差值是衡量車輪發(fā)生走偏現象的一個重要因素，滾動圓半徑差值越小起重機發(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比圖像，通過圖像可以看出，在絕大多數的范圍區(qū)間之內優(yōu)化之后的輪軌間隙值相對于優(yōu)化之前變得更小了，尤其是在-4～-8 mm這個區(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，接觸時應力集中分布的狀況會得到相應的緩解。由于優(yōu)化方法和條件的一些限制，使得最終的優(yōu)化結果并不能夠完全的保證區(qū)域內均向好發(fā)展，但是絕大多數區(qū)域內的改善還是說明本次的優(yōu)化是可行、有效的。

圖10 優(yōu)化前后滾動圓半徑差的變化圖像

圖11 優(yōu)化前后輪軌間隙值圖像對比

3.2 優(yōu)化前后應力變化分析

以優(yōu)化之后得到的S1002踏面離散點擬合而成的曲線作為基礎，做出新的踏面模型，然后與P60鋼軌進行配合，應用ANSYS軟件對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)進行仿真分析.

表3 優(yōu)化前后接觸應力對比

通過表3可以看出，優(yōu)化之后的新型S1002車輪踏面相對于優(yōu)化之前的車輪踏面曲線，在三種不同的接觸狀態(tài)對應的三種不同載荷下，最大接觸應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，使得應力的相應降低并不是特別明顯，最大有5.1%的降低。

4 總結

本文參考港口起重機設計手冊的輪軌幾何尺寸，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ANSYS軟件與SolidWorks軟件之間的接口進行導入，導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)化的目標踏面，進一步分析了該車輪踏面與P60軌道發(fā)生接觸時的部分幾何特性。然后運用輪軌法相間隙法對目標踏面進行優(yōu)化，最終得到了符合起重機運行特殊環(huán)境的踏面曲線。

經研究發(fā)現，將軌道交通中的磨耗型踏面進行設計、運用輪軌法相間隙法進行相應的優(yōu)化、最終應用到起重機上的思路是切實可行的。

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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，山東濟南人，碩士研究生，助理工程師，主要從事金工實習教學以及特種加工作，E-mail：tlu@shmtu.edu.cn。