起重机单侧弧形踏面行车轮技术详解

Hertz接触理论作为接触学经典分析理论，可以解决求解接触中的大多数问题。其3条基本假设为：

1、 接触体是线性弹性体，服从广义胡克定律；

2、 光滑表面，只有法向作用力，不存在切向摩擦力；

3、 接触面尺寸与接触体表面的曲率半径相比很小，即异曲接触。

对于普通踏面轮轨的接触，可将其理想化为2个无摩擦接触的正交圆柱体接触。符合Hertz理论的3个假设条件，其接触应力及相关变形可以使用弹性半空间Boussinesq公式求解。

对于弧形踏面轮轨的接触，不符合第三条假设条件，其属于共曲接触。需对弹性半空间Boussinesq公式进行修正或使用有限元方法求解接触应力及变形。

利用ABAQUS有限元软件对参数化弧形踏面和普通踏面的接触应力及变形进行仿真计算。

1、 仿真参数：轮压为350kN，轮轨材料为45钢，轨道接触表面弧形半径为R400mm；普通踏面分别为400mm、600mm、800mm车轮直径仿真；参数化弧形踏面（车轮直径均为800mm）分别为R250mm、R350mm、R400mm的踏面弧形半径仿真。

2、 仿真结果接触应力值见表1。

从轮轨接触应力仿真结果分析，起重机轮轨的接触应力大小与车轮踏面形状、车轮直径相关。踏面弧形参数越接近轨道，接触应力越小，当踏面弧形半径与轨道相等（均为R400mm）时，接触应力小为489.5MPa；车轮直径越大，接触应力越小，当普通踏面车轮直径为800mm时，其接触应力小为645.2MPa。

对已应用单侧车轮弧形踏面结构的QD35-28.5双梁桥式起重机进行运行试验，验证起重机单侧车轮参数化弧形踏面结构对于防止啃轨的有效性。

在正常安装条件下运行一定的时间后，分别观察两侧车轮的啃轨情况。

人为设置引起啃轨的条件和因素，运行一定的时间后分别观察两侧车轮的啃轨情况。

试验中车轮啃轨程度的判断方法：一是通过观测车轮踏面和边缘的摩擦痕迹；二是在三相电机的输入端接入电流表和电压表，观测起重机运行过程中的负载变化。

QD35-28.5双梁桥式起重机正常条件下运行3177次，运行过程中驱动电机输入端电流表和电压表的读数未发生明显的异常波动（如下表1），车轮踏面及边缘的摩擦痕迹如下图1、图2所示。

表一

  图1  弧形踏面一侧车轮的摩擦痕迹

图2  平面踏面一侧车轮的摩擦痕迹

从起重机车轮两侧的摩擦痕迹上分析，摩擦痕迹均发生在车轮的踏面上，其踏面的边缘和侧面未见明显的摩擦痕迹。对于弧形踏面一侧，摩擦痕迹对称分布在轮轨线的两旁，摩擦严重的点分布在线两侧。对于平面踏面的一侧，摩擦严在轮轨线上。

从两侧车轮摩擦轨迹分布及运行中电机输入端电流表及电压表的读数变化范围来看，起重机没有发生啃轨及啃轨的趋势，且运行状态理想。

从接触模型仿真分析，起重机轮轨的接触应力大小与车轮踏面形状、车轮直径有关。车轮踏面形状应与轨道外形匹配，其弧形参数越接近轨道，接触应力越小；车轮直径越大，接触应力越小。

从运行试验结果分析，无论从正常安装或人为设置引起啃轨因素的条件下，从两侧车轮摩擦轨迹分布及运行中电机输入端电流表及电压表的读数来看，起重机没有发生啃轨及啃轨的趋势，且运行状态较理想。单侧弧形踏面车轮技术对于防止桥、门式起重机车轮啃轨问题的有效性。