起重机偏轨梁腹板局部压应力分布规律研究

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桥架类起重机的箱形梁上铺设运行轨道，受起重小车轮压作用，轨道和支承箱形梁局部面间的局部应力分布，直接影响箱形梁危险截面危险点的合成应力数值。国内对港口起重机轮轨局部应力有限元分析、起重机轮轨弹塑性局部有限元分析 和硬化处理对港口起重机车轮局部应力的影响 j，为车轮和轨道强度和疲劳寿命计算提供了数据；国外文献采用赫兹定律对火车的轮轨之间局部应力进行分析 .5j。这些研究均未涉及轨道与支承箱形梁局部面间的应力分布，而轨道与基础梁之间的局部应力对基础梁的计算和设计不可忽视。

本文采用有限元方法，考虑起重机通用或专用不同轨道型号、跨中或跨端不同承载位置、不同轨道安装类型等多种情况，得出轨道与箱形承梁腹板上边缘的局部应力场，拟合出了腹板上边缘局部压应力分布公式，并与起重机设计规范的公式进行比较，为起重机箱形梁强度设计提供了依据。

1 偏轨梁轨道底面局部接触应力分析为找出轨道与弹性基础梁间的局部压应力分山西省自然科学基金资助项目 (20051061)- 60 - 布规律，先建立桥架三维模型，应用 SolidWorkssimulation仿真平台进行弹性力学分析。以-台起重量 100/32 t、跨度 19 m的负载承轨箱形梁桥架结构为实体模型，其中建模包括了 P系列铁路钢轨和 QU系列起重机专用钢轨 2种轨道的全部常用型号，P型轨道有 P11、P15、P24、P38、P43，QU型轨道有 QU70、Qu80、QUlOO、Qu120。钢轨的顶部呈凸状，截面为工字形，底部是-定宽度的平面。2种轨道相比，QU型轨道具有更良好的抗弯特性。无论何种使用轨道，承载主要还是依赖于基础梁。 先对轨道和箱形梁进行零件建模，然后组成装配体。模型的单元划分在关注的接触区域采用三维实体单元，并进行网格细密化控制，在其他区域的箱形梁结构采用空间板壳单元 。载荷和约束施加方面，与主梁固接的2个端梁的各自2大车轮处，根据实际情况施加位移约束；在起重小车轮作用轨道顶面施加垂直方向轮压载荷。分析轨道与主梁上翼缘板带摩擦接触方式的局部应力时，还要考虑不同轮压下、起重小车位于跨中或1/4跨度位置载荷情况，小车最大轮压为434 kN。

轨道的材料为中碳合金钢，卞焊接箱形梁桥架《起重运输机械》 2012(12)的材料为 Q345，2种材料的弹性模量均为 E2.1×10 MPa，泊松比 0.3。通过对各种加载情况的偏轨主梁进行有限元分析，得出了对应 的分析结果。图 1为安装 了轨道的主梁结构在满载小车位于跨中时总体的垂直方向应力分量的分布云图。

图 1 QU型轨道局部压应力分布为观察方便，图中隐藏了轨道实体，可见主梁腹板上边缘的最大法向压应力发生在轨道承压点的正下方，且应力大小向两边逐渐减校采用 P型轨道时，分布规律相似。

1.1 跨中满载不同轨道时局部压应力当起重机小车车轮在主梁跨 中时，用 P、QU型2种轨道的不同型号轨道安装在相同基础箱形梁上建模。为了解轨道在腹板上边缘 的压应力，可找出有限元分析结果中腹板上边缘的应力分布曲线。不同的 P、QU型轨道对腹板上翼缘压应力分布曲线如图2、图3所示。

兰jb图2 P系列轨道产生的局部压应力分布曲线由图2可知，当轨道使用 P型轨道时，其应力作用范围的坐标由-667.24 mm到 1 149.4 mm。

最大的压应力为40 MPa，由 P11轨道产生，原因是其底面积为 P型轨道中最小的。由图 3可知，当使用 QU型轨道时，其应力作用范围几乎和 P轨《起重运输机械》 2012(12)三- R1±j距离，mm图3 QU系列轨道产生的局部压应力分布曲线道-致，最大压应力为 20 MPa，由最小型号的QU70产生，它比P型轨道的最小型号的压应力值大大下降。

1.2 跨端满载不同轨道时局部压应力当车轮的位置走到主梁 1/4跨度位置时，P型轨道和QU型轨道作用在腹板上边缘所产生的压应力分布曲线如图4、图5所示。

山 、 bR出图4 P系列轨道产生的局部压应力分布曲线凸兰6- R翻7 000 -6 000 -5 000 4 000 -3 000距离/ram图5 QU系列轨道产生的局部压应力分布曲线- 61- 由图4可知，满载小车在右端 1/4跨度位置，不同尺寸的 P型轨道的应力作用范围的坐标由4177.1 mm到5 791.9 mm。最大压应力为50 MPa，由P11轨道产生。由图 5可知，满载小车在左端1/4跨度位置时，QU型轨道的应力作用范围的坐标由-5 517.6 mm到 -3 896.8 mm。最大压应力为 16 MPa，由QUIO0产生。从图4和图5能看出不同型号不同种类轨道时最大轨底压应力值。

1.3 偏轨梁不同轮压下的局部压应力当轨道上的轮压分别在总轮压的 1/4、1/2、3/4和 1倍轮压时，求解出压应力的分布范围与规律如图6、图7所示。

图6 P15型轨道在不同轮压下局部压应力分布图7 QU70型钢轨在不同轮压下的局部压应力分布从图6和图7可知，改变车轮的轮压，只改变了压应力值大小的分布，而对局部压应力的分布范围并未有影响。说明轮压的大小影响压应力值而不改变局部压应力的分布区域。

1.4 轨梁间接触摩擦因数对压应力的影响轨道在主梁上的安装方式有焊接和压板固定等形式。轨道与主梁接触按沿轨道长度方向施加摩擦方式来建模。当相互间摩擦因数为 1时，即- 62 - 为焊接固定；当摩擦因数为 0时，即为光滑滑动。

这里取轨道和上翼缘板间不同摩擦因数，观察应力的分 布 范围和应 力 的大小 是否 有变 化。以QU12O型轨道为例，在接触摩擦因数分别为 0.1、o.5和1.o时建模加载分析。根据分析结果数据可知，在不同的摩擦因数下，其他因数不变的情况下，轨道和上翼缘板之间的2条压应力曲线基本重合、大型分布范围没有变化。说明轨道和上翼缘板之间的摩擦因数的大小并不影响压应力的分布。

在上述分析结论中，各种情况的局部压应力最大值如正好作用在卞箱形梁的危险应力计算点，其对主梁合成应力计算直接产生影响，应引起相应重视。

2 腹板上边缘局部压应力拟合公式2.1 有限元分析结果与起重机规范比较行业规范中局部压应力的计算公式为8O"m： ≤ 冬 L J式中： 为局部压应力平均值，MPa；P为-个车轮的集中载荷，不计起升动载荷系数 ：及运行冲击系数 ；t为腹板厚，mm；c为集中载荷分布长度，mm，C 2h ；z为集中载荷作用长度，mm；h 为轨道顶面至腹板上边缘距离，mm；[ ]为钢材许用应力，MPa。

从图6可知，QU70轨道和 Qu8o轨道的图示最大压应力约为 21 MPa，通过上式计算的结果为2O.6 MPa。对于 QUIO0轨道和 QU12O轨道来说，图示最大压应力为20 MPa，而计算结果为 19.5MPa。计算结果与有限元分析结果基本吻合，误差均在 5%以内。

2.2 多因素拟合公式与起重机规范比较根据有限元分析，在不同轮压和不同QU轨道高度情况下压应力的值见表 1。表 2是本文归纳公式和行业规范公式计算值的比较。

表 1 不同轮压和轨道下压应力的值 MPa 轮压P/kN 434 325.5 217 108.5高度h/mm 规范 2O.6 16.5 12.0 7.6 120公式 21.7 17.3 12.9 8.6规范 20.4 16.3 l1.8 7.5 l30公式 21.5 17.2 12.8 8.5《起重运输机械》 2012(121续表 1 轮压P/kN 434 325.5 217 108.5高度h/mm规范 19.9 15.6 l1.4 7.2 150公式 .21.3 l7.O 12.6 8.3规范 19.4 l5.3 10.9 6.9 170公式 21.1 16.8 12.4 8.1表2 不同轮压和轨道下规范与本文公式压应力值 MPa 轮压P/kN 434 325.5 217 108.5高度h/mm120 21.58 17.19 12.79 8.40130 21.42 l7.o6 l2.71 8.35150 21.16 16.81 12.54 8.27170 20.77 16.57 12.38 8.09将数据输人Excel，对数据进行二次拟合，可得出压应力与轮压和轨道高度之间的函数式or 0.04P -0.01hC0式中：轮压为 P，高度为 h，常数 C ：5.5，计算量为局部压应力 。

通过对表 l和表2比较，归纳出的公式没有增加使用难度，而更精确安全系数更高。

3 结论1)当车轮在轨道中点时，P轨道和 QU轨道的应 力 作 用 范 围 均 为 667.24 1 149.4 ：1 816.64 mm。当车轮在轨道 1/4时，P和 QU轨道应力作用范围为 5 791.9-4 177.15 511.6-3 896.81 614.8 mm。由上述分析可知，腹板上边缘压应力分布的范围与轨道的类型和型号没有关系，即轨道的高度，横截面积和底面积无关。

这说明主梁的刚度远远大于轨道刚度，应力的分布范围由主梁和小车车轮的位置来确定，与轨道无关。

2)压应力的最大值主要与轨道的底面积有关，-般底面积越大，其腹板上边缘的最大压应力就越校当轮压改变时，腹板上边缘压应力的分布区间并未发生变化，只是其峰值随轮压的减小而减校 。

3)本文研究了轨道与上翼缘板之间的压应力的峰值及分布规律。在有限元分析值的基础上，二次拟合出了轨道与上翼缘板局部压应力的计算公式。并与规范中给出的公式进行了比较。在实际工程应用中，对起重机轨道的型号选择以及小隔板的位置间隔起到了-定的指导作用。