张志斌 葛 藤 张华民 钱明佺 多数起重机轮压分配是超静定的，其分配与起重机的结构、基础刚度、制造精度和轨道平度有关。目前，国内设计人员使用的是根据经典力学得到的经验公式和数据，不能满足起重机械设计的效能最优和轻量化要求，同时工程实践有时需要更精确的最大轮压值。所以，有必要研究一种可以精确和便捷的测试起重机最大轮压的方法和装置。本文以MQ12-33 型门座起重机（以下简称门机）为例，提出一种基于弹塑性接触力学的起重机轨道竖直方向应变（Y 向应变）- 轮压模型与磁应力测量仪相结合的起重机最大轮压测量方法和系统。1 经典力学计算轮压分布结果门机由于臂架幅度及旋转角度的改变，引起支腿的压力变化。因此，要在最不利工作条件下或最不利非工作条件下算出支腿最大腿压，从而求出最大轮压，最大轮压不能超过码头的承载能力。MQ12-33 型门机基本参数：额定起重量为12 t，幅度为9.5 ～ 33 m，自重为275 t。各车轮位置和编号如图1 所示。图1 MQ12-33 型门机车轮位置和编号通过经典力学计算可以得到轮压分布和起重机行走机构最大轮压与起重臂位置的关系，计算结果表明当起重臂与轨道平行时有最大轮压。当起重臂与轨道平行时（起重臂沿图1 中X 方向），该机各工况下最大轮压计算值见表1。表1 经典力学计算各起重量的最大轮压2 有限元计算的轮压分布结果与比较根据所确定的最大轮压与起重臂位置的关系建立起重机整体有限元模型，如图2 所示。图2 MQ12-33 型门机整体有限元模型通过计算得到不同起重量时各轮轮压的计算结果以及与经典理论计算结果的比较见图3。图3 有限元分析与经典理论计算轮压结果比较通过经典理论和有限元分析计算，发现轮压分布规律: 起重机各轮的轮压分布不同，(1 ～ 5、11 ～ 15 轮)的各轮的轮压接近相同，(6 ～ 10、16 ～ 20 轮) 各轮的轮压近似相同；重心靠近哪个轮组，其轮压较大，随着起重量的增大，距起重臂近的轮组的轮压越来越大，而较远轮组的轮压越来越小。3 基于弹塑性接触理论的应变—轮压模型计算建立MQ12-33 型门机轮轨弹塑性接触分析模型，取钢轨长0.5 m，取1/2 钢轨，取1/12 车轮建模，模型采用Ansys 实体单元Solid 45，共划分8 483 个单元和9995 个节点，有限元模型见图4。图4 轮轨弹塑性接触有限元模型约束轨道Y 向位移，在对称面施加对称约束；在对称面上施加垂向力；车轮踏面选用Conta 174 单元模拟接触面，钢轨选用Targe 170 单元模拟目标面，接触算法选用扩展拉格朗日算法；分别在轨道上取A、B 2 点作为应变测量点，其中A、B 点都在轨道上分别距轨道顶面34 mm 和65 mm，见图5。图5 QU70 轨道应变测量点位置示意图轨道的材料模型采用双线性随动强化模型，屈服应力为460 MPa，泊松比为0.28，弹性模量为210 GPa，切向模量为21 GPa，应力应变关系中：E e 为弹性模量，ε 为应变，E p 为切向模量，ε p 为塑性应变，σ s 为屈服应力分别计算各轮压下A、B点Y 向应变，计算结果见表2。表2 各轮压Y 向应变计算结果根据表2 绘制轨道A 点Y 向应变- 轮压曲线，如图6 所示。图6 轨道A 点的Y 向应变与轮压模型由图可知，轨道A 点的Y 向应变与轮压基本成线性，Y 向应变与轮压的关系式中：Y 为轮压，X 为A 点Y 向应变。同理，根据表2 绘制轨道B 点Y 向应变- 轮压曲线，如图7 所示。图7 轨道B 点的Y 向应变与轮压模型同样可得，轨道B 点的Y 向应变与轮压基本成线性，Y 向应变与轮压的关系Y= － 0.005 1 － 0.043X ＋ 0.000 000 17X2式中：Y 为轮压，X 为B 点Y 向应变。4 基于Y 向应变- 轮压模型的轮压测量系统起重机车轮是起重机和轨道间传递力的唯一零件，车轮上的作用力为轮压，轮轨接触，接触区产生接触力，此时轨道发生变形，产生应变，轨道磁场发生相应变化，动态信号测试分析系统将磁场变化转换成应力值并记录下来，然后根据应变- 应力关系，将应力转换为应变，然后根据应变- 轮压关系式计算出轮压。基于Y 向应变-轮压模型的轮压测量系统的工作原理如图8 所示。根据上述经典理论计算、有限元分析计算结果，1 ～ 5 号轮和11 ～ 15 号轮各轮轮压基本相同， 6 ～ 10号轮和16 ～ 20 号轮各轮轮压基本相同，故从两组中各选一个车轮（如12 号和19 号）作为被测车轮。现场发现，轨道内侧操作困难，轨道B 点被混凝土填埋，故在12 号和19 号轮下轨道外侧上取A 点作为应变测量点。将磁应力测量仪和动态信号测试分析系统连接组成轮压测量系统，如图9 所示。图8 基于Y 向应变- 轮压模型轮压测量系统工作原理图9 基于Y 向应变- 轮压模型轮压测量系统根据设定的测试工况，MQ12-33 型门机分别在空载和满载（12 t）下，起重臂处于最大幅度，与轨道保持平行，被测起重机车轮在测量点正上方，利用磁应力测量仪测得Y应力，根据应力与应变关系转换为应变，将Y 向应变输入给轮压测量分析系统，轮压测量分析系统可自动完成计算，并在计算机屏幕上显示具体轮压值。测量的轮压值与有限元方法计算得到相应轮压值的比较见表3。表3 测量的轮压值和FEM 计算轮压比较从表3 看出，测量系统测量的轮压值较稳定，与FEM 计算的轮压结果偏差在2％～ 5％之间，说明轮压模型计算和测量结果是吻合的。5 结论采用理论数值仿真分析计算和实验相结合的手段，对仿真模型和接触力学模型进行修正，得到基于弹塑性接触的力学的起重机轨道竖直方向应变与轮压的关系模型，进而研究一种间接的测量轮压的方法，通过力学模型和测量方法结合可以快速方便的获得满足工程精度要求的轮压。基于Y 向应变- 轮压模型轮压测量系统不仅能测量各工况下车轮的轮压值，确定最大轮压值和其所在位置，还能动态分析轮压的变化趋势，为起重机的设计优化、安全使用以及港口码头建设提供重要的基础数据。举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟基于无人机平台的起重机金属结构损伤检测方法关于起重机轴承结构选择和技术参数计算给你送新年福利啦！金山如画，宝藏萌团乘风破浪而来！派送20份新年礼包！抗疫先锋｜石家庄四药：保供“前沿”党徽闪耀
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