车轮与轨道接触分析及接触参数的影响

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Abstract：Based on problems of the contact between wheels and rail，the finite element method and Hertz theory areadopted for study and discussion of the efect of wheel and rail contact parameters on the results.In the end comparison ismade between Hertz solution and finite element solution；the conclusion provides guidance to the design of wheel and railcontact。

Keywords：wheel track；contact analysis；parameter efect车轮和轨道接触问题在大型机械中很常见，影响接触分析结果的因素也很多，结合有限元分析软件 Ansys的分析结果及赫兹接触理论，-般的，在载荷和边界条件及网格划分相同的情况下，对接触结果影响比较大的参数归纳起来有以下几个方面：接触面的接触刚度、接触最大穿透容差、接触体的几何尺寸。本文重点讨论这些参数对结果的影响。

1 分析模型及边界条件1.1 几何模型的简化分析 的重点位置在车轮与轨道的接触位置，根据圣维南原理，对车轮在远离这些位置的凶等细节可以忽略，因为几何和边界条件的对称性，可只分析轮子的 1/4和轨道的 1/2，这样，简化既不影响结果又减衅算量，简化后模型如图 1所示。

图 1 简化的几何模型《起重运输机械》 2013(3)1.2 边界条件轮子以半径 轨面半径 R 、轮重 为例，假设轮子只承受轮压载荷，边界条件如图2所示。

1.施加轴压 2.对称边界条件 3.约束所有 自由度4.约束 向位移 5.约束面内自由度图2 边界条件2 网格划分实体模型采用 Solid 185单元，接触方式采用Ansys面-面接触方式，目标面选用 Target 170单元，接触面选择 Contact 174单元，接触算法采用增广拉格朗日法。对模型做切割处理后，分离出重点分析部位 (接触区)和非接触区，对接触区进行网格细化，非接触区可粗-些，划分好的网格如图3所示。

l图3 网格划分3 接触分析结果及各参数对比3.1 接触刚度的影响采用 Ansys软件对不同接触刚度 (FKN)和不同穿透容差 (FTOLN)对接触结果的影响进行分析比较，在相同模型、相同材料 、相同网格、相同载荷边界条件下不同接触刚度对结果影响，本文接触刚度系数从 0.1取到 100，接触刚度系数每增加 10倍计算-次相应的最大 Mises应力、最大接触应力、最大穿透量、迭代次数，所得结果如表 1所示 。

表 1 接触刚度 (FKN)对结果的影响 (FTOLNO.1)FKN接 最大 最大接触 最大穿 迭代数/触刚度 Von-Mises/ 应力/ 透量/ 次系数 MPa MPa m0.1 640 1 040 0.15×10 201 l 030 1 660 0.22 X10- 23lO 1 110 1 980 0.242×10-5 39100 1 12O 4 310 0.534×10 543.2 穿透容差的影响除接触刚度对结果 的影响外，最大穿透容差(FTOLN)对结果也有影响，本文最大穿透容差从0.001取到0.1(默认)，最大穿透容差每增加 lO倍计算-次相应的最大 Mises应力、最大接触应力、最大穿 透量、迭代次数 ，所得结果 如表 2所示 。

FTOLN<0.001时不收敛。 、图4为穿透容差系数、最大接触应力和最大Mises应力关系图，图5为穿透容差系数和最大穿透量之间的关系图。

- 50 - 表2 穿透容差 FTOLN对结果的影响 (FKN1)FToLN 最大 最大接触 最大穿 迭代数穿透容 Von.Mises/ 应力/ 透量/ /次差系数 MPa MPa m0.1 1 030 1 660 0.22×10- 230.O1 1 080 2 O00 0.165×10- 240.001 1 120 2 450 0.17×10-5 1013 0002 500圭2 000趔 1 500j 1 000500O图4 最大应力值与穿透容差系数的关系图2量1钛0。

0"6O图5 最大穿透值与穿透容差系数的关系图3.3 接触刚度和穿透容差对结果的影响1)随 FKN增大，接触应力会随之增大，而穿透量随之减小，即接触刚度大，接触面积小，接触力大。而 Von.Mises应力会随接触刚度增大到-定值后就不再变化，而随 FKN增大，收敛会越来越困难。

2)随FTOLN减小，接触应力和 Mises应力会随之增大，而穿透量随之减小，即，FTOLN减小，接触面积小，接触力大。而 Von.Mises应力会随允许穿透量减小而增大，但 FTOLN值减小到-定值后就不再变化。而随 FTOLN减小收敛会越来越困难。

3.4 轮轨局部接触应力赫兹解根据赫兹对接触应力问题的理论，假设车轮和轨道是 2个相互垂直的弹性圆柱体 ，两者接触面是椭圆形，最大接触压应力P。发生在椭圆中心。

其值为《起重运输机械》 2013(3)门式起重机自动化吊装系统方案的设计杜文正 童国林 刘 陈 赵 典第二炮兵工程大学202教研室 西安 710025摘 要：以机器人导航技术 、起重机精确定位及智能消摆技术为基础，从门架、机械传动、自动检测 、电气控制、软件设计、控制算法等方面设计了-套门式起重机自动化吊装系统，该系统的功能是在给定吊装起点和吊装终点的条件下能够实现控制物体沿着规划出来的优化路径，完成安全无碰撞的高效自动化智能吊装。

关键词：门式起重机 ；自动化 ；吊装；方案设计中图分类号 ：TH213.5 文献标识码：A 文章编号 ：1001-0785(2013)03-0052-04Abstract：Based on the robot navigation technology，accurate crane positioning，and inteligent anti-swing technolo-gY，an automatic hoisting system for gantry crane is designed considering gantry mounting，mechanical drive，automaticdetection，electric control，software design and control algorithm，etc.This system can control objects to perform safe andcollision-free eficiently automatic intelligent hoisting along the scheduled optimum route under the condition of givenhoisting starting point and ending point。

Keywords：gantry crane；automation；hoisting；scheme design随着社会经济的不断发展，对起重机的 自动化程度及安全稳定性提出了越来越高的要求。目前，国内虽然在起重机智能控制研究方面取得了很大进步，但大部分研究都集中在有操作人员控制的基础上，自动化程度并不高。本文以门式起重机 (以下简称门机)为设计平台，以机器人导航技术、起重机精确定位及智能消摆技术为基础，以实现门机 自动化智能吊装物体为 目标 ，从机械传动、自动检测、电气控制、无线通信、软件设计及控制算法等方面设计了-套自动化程度较高的门机 自动化吊装系统方案。

1 系统结构与功能如图 1所示，该系统由门架、机械传动系统、工控机、无线通信系统、自动检测控制系统及电气控制系统等组成。工控机作为系统的上位机，5 结论1)通过有限元分析发现，接触刚度系数和穿透容差系数对接触分析结果均有-定影响∮触刚度系数增大，接触应力和 Mises应力会随之增大，穿透量减小 ，而 Mises应力随接触刚度系数增大到-定值后不再变化，随接触刚度系数增大，收敛会越来越困难。穿透容差系数减小，接触应力和 Mises应力会随之增大，穿透量减小，而 Mi-ses应力会随FTOLN值减小到-定值后就不再变化。FTOLN减小 ，收敛会越来越困难。

2)根据赫兹理论分析，接触斑形状、尺寸、接触应力与车轮及轨道的直径大小有直接关系，在设计中可通过调整这些参数的关系来调整接触斑形状尺寸及接触应力。