田爽

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

典型的道岔外鎖閉裝置如圖1所示，由圖中可以看出當(dāng)外鎖閉裝置工作時(shí)，外接動(dòng)力機(jī)構(gòu)將帶動(dòng)鎖閉桿發(fā)生往返運(yùn)動(dòng)（即沿圖中的左右方向運(yùn)動(dòng)），迫使鎖閉桿與鎖鉤接觸面發(fā)生改變引起鎖鉤產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)尖軌與基本軌在斥離與密貼狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換，同時(shí)在鎖鉤完成轉(zhuǎn)換后，需要保障當(dāng)有機(jī)車車輛通過(guò)道岔時(shí)，密貼的基本軌與尖軌不發(fā)生斥離。通過(guò)以上對(duì)外鎖閉裝置分析可以發(fā)現(xiàn)，鎖鉤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是保障機(jī)車車輛行車安全的重要指標(biāo)。

圖1 典型的道岔外鎖裝置

針對(duì)改變機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸影響結(jié)構(gòu)性能的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)有了一些研究。鄭若瑜等對(duì)一種碳鋼車體為研究對(duì)象，對(duì)部分結(jié)構(gòu)板的厚度進(jìn)行了模擬計(jì)算獲得了車體的最優(yōu)化方案；張欽修等對(duì)一種氣缸蓋結(jié)構(gòu)的鼻梁區(qū)的寬度進(jìn)行了計(jì)算，獲得了一種性能較好的氣缸蓋結(jié)構(gòu)，為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)；李美玲等對(duì)不均勻尺寸庫(kù)壁體受力所產(chǎn)生的負(fù)面影響進(jìn)行分析，獲得了結(jié)構(gòu)的可靠性；洪盛遠(yuǎn)等利用有限元手段對(duì)預(yù)制塊道面板的尺寸，厚度等進(jìn)行了分析獲得了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

雖然對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸影響結(jié)構(gòu)的性能方面已經(jīng)有了很多研究成果，但是對(duì)外鎖閉裝置鎖鉤尺寸的改變影響結(jié)構(gòu)性能方面的研究較少。鑒于以上原因，本文綜合考慮結(jié)構(gòu)的三個(gè)基本尺寸：長(zhǎng)度、寬度以及高度，對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響規(guī)律進(jìn)行分析，分析結(jié)果可以為鎖鉤的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 鎖鉤整體受力分析

為了對(duì)不同鎖鉤結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)其力學(xué)性能影響規(guī)律進(jìn)行研究，必須首先對(duì)鎖鉤在使用中受力情況進(jìn)行分析。由圖1可以看出當(dāng)機(jī)車車輛通過(guò)外鎖閉裝置處的道岔區(qū)時(shí)，由于車輪將碾壓基本軌而通過(guò)，因此斥離狀態(tài)下的鎖鉤不受斥離側(cè)車輪的影響。相反，車輪碾壓密貼處的基本軌時(shí)，密貼狀態(tài)下的鎖鉤將受到車輪碾壓力的影響。因此本文將針對(duì)密貼處的鎖鉤進(jìn)行受力分析。

由于鎖鉤重力相對(duì)于機(jī)車車輛通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的輪-軌接觸力較小，因此我們?cè)诜治鲦i鉤受力情況時(shí)忽略鎖鉤的重力，通過(guò)受力分析可以發(fā)現(xiàn)，鎖鉤在密貼時(shí)主要受到三個(gè)外力，受力情況如圖2所示。

圖2 鎖鉤密貼時(shí)受力情況

圖中Fi（i=1，2，3）表示鎖鉤所受的外力，由于鎖鉤在密貼處為平衡狀態(tài)，根據(jù)平面力系匯交原理，這三個(gè)外力方向必然相交于一點(diǎn)，即圖2中所示M點(diǎn)，且合力。三個(gè)外力中F1的水平分力Fx表示結(jié)構(gòu)密貼時(shí)產(chǎn)生的密貼力，F(xiàn)y為尖軌對(duì)鎖鉤產(chǎn)生的抬升力；F2為鎖鉤鎖閉時(shí)與基本軌鎖閉裝置之間產(chǎn)生的接觸力，方向垂直于鎖鉤斜面，F(xiàn)3為鎖閉桿與鎖鉤之間產(chǎn)生的接觸力，方向垂直于兩者接觸面。這時(shí)我們結(jié)合鎖鉤的具體尺寸，可以獲得F1與水平方向的夾角θ的具體數(shù)值。

由于鎖鉤在鎖閉后必須有一定的密貼力才能保證尖軌與基本軌保持密貼狀態(tài)，這個(gè)密貼力是圖2所示的F1的水平分力Fx，由受力分解相關(guān)知識(shí)可以獲得F1與Fx的關(guān)系為：F1=Fx/cosθ，其中密貼力Fx可以根據(jù)相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)需求予以確定，而結(jié)構(gòu)夾角θ的改變將影響結(jié)構(gòu)的受力。

2 三個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)鎖鉤的力學(xué)性能影響分析

為了獲得不同結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)鎖鉤受力的影響規(guī)律，本文采用有限元手段對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸的鎖鉤建立了分析模型，通過(guò)計(jì)算獲得其相關(guān)規(guī)律。為了清楚介紹本文所研究的三個(gè)尺寸，給出了如圖3所示的三個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸標(biāo)注，圖中l(wèi)表示長(zhǎng)度方向分析依據(jù)，h表示高度方向分析依據(jù)，t表示寬度方向分析依據(jù)。

圖3 鎖鉤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

建立的有限元分析模型見(jiàn)圖4所示，其中鎖鉤網(wǎng)格劃分采用六面體單元，單元編號(hào)為SOLID45，鎖鉤的彈性模量為E=210GPa，泊松比為0.3；邊界條件參考上一節(jié)中對(duì)鎖鉤的整體受力分析，定義圖4參考面A，B分別為固定支撐，圓孔處加載軸承力，方向?yàn)檠刂煌Y(jié)構(gòu)的夾角θ，取值大小根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[5]予以確定，這里取值為15000N。

圖4 鎖鉤有限元分析模型

2.1 長(zhǎng)度方向尺寸對(duì)鎖鉤力學(xué)性能的影響

當(dāng)長(zhǎng)度方向尺寸值如圖3所示的l值發(fā)生改變時(shí)，結(jié)構(gòu)夾角見(jiàn)圖2所示θ值將發(fā)生改變，進(jìn)一步影響結(jié)構(gòu)的整體受力。鑒于該原因，我們分別取l值為83mm、85mm、87mm、89mm、91mm作為研究對(duì)象，對(duì)鎖鉤分別進(jìn)行有限元建模進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)對(duì)不同l值對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布情況進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)殒i鉤的約束條件相同，所以計(jì)算獲得的應(yīng)力分布相近，只是數(shù)值不同，如圖5所示為l=91mm時(shí)的應(yīng)力分布情況。

由圖中可以看出鎖鉤結(jié)構(gòu)受到力F1作用的孔處受力較大，這是因?yàn)槠潆x力作用端較近的原因。觀察整個(gè)鎖鉤的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鎖鉤如圖6所示的部分應(yīng)力相對(duì)較大，而該處屬于結(jié)構(gòu)的變截面薄弱位置，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該加以重視，因此我們分別提取不同尺寸鎖鉤在該位置產(chǎn)生的最大應(yīng)力值，其結(jié)果見(jiàn)圖7所示。

圖5 l=91mm時(shí)鎖鉤有限元計(jì)算應(yīng)力分布云圖

圖6 鎖鉤變截面應(yīng)力提取部分示意圖

圖7 不同長(zhǎng)度鎖鉤變截面應(yīng)力值

分析圖7可以發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)度值l越大，鎖鉤在危險(xiǎn)面的最大應(yīng)力越大，這是因?yàn)閘值越大，鎖鉤尺寸增大，鎖鉤剛度降低，因此內(nèi)部應(yīng)力增大，鎖鉤越容易發(fā)生破壞，所以在對(duì)鎖鉤l尺寸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該采用較小的尺寸。

2.2 高度方向尺寸對(duì)鎖鉤受力的影響

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)受力分析我們可以發(fā)現(xiàn)如果鎖鉤的高度尺寸值如圖3所示的h值發(fā)生改變，那么結(jié)構(gòu)的夾角θ將發(fā)生改變，進(jìn)一步影響結(jié)構(gòu)的受力情況。鑒于以上原因，我們分別取h值為58mm，60mm，62mm，64mm，66mm作為研究對(duì)象，對(duì)鎖鉤分別建立有限元模型，其采用的模型見(jiàn)上一節(jié)這里不再加以描述。通過(guò)計(jì)算獲得鎖鉤的應(yīng)力分布情況，如圖8所示為h=66mm時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力分布情況，其他h值由于邊界條件相同，所以應(yīng)力分布相近，這里不再給出。通過(guò)提取如圖6所示的危險(xiǎn)面產(chǎn)生的最大應(yīng)力，獲得其變化情況如圖9所示。

圖8 h=66mm時(shí)鎖鉤有限元計(jì)算應(yīng)力分布云圖

圖9 不同高度鎖鉤變截面應(yīng)力值

由圖9可以看出隨著高度h值增大，鎖鉤危險(xiǎn)面最大應(yīng)力值增大，當(dāng)h值增大到一定值后，鎖鉤危險(xiǎn)面應(yīng)力降低，當(dāng)繼續(xù)增大h時(shí)，危險(xiǎn)面應(yīng)力增大不再明顯。這是因?yàn)殒i鉤的應(yīng)力受到其剛度的影響，當(dāng)h值增大時(shí)，鎖鉤由于h方向增高剛度降低，因此危險(xiǎn)面產(chǎn)生的應(yīng)力增大，但當(dāng)鎖鉤h值增大到一定值后，鎖鉤的剛度重新分布h方向的剛度將對(duì)其剛度影響減小，因此鎖鉤危險(xiǎn)面應(yīng)力變化不大。

2.3 寬度方向尺寸對(duì)鎖鉤受力的影響

通過(guò)對(duì)鎖鉤結(jié)構(gòu)分析可以發(fā)現(xiàn)，鎖鉤的寬度如圖3所示的t值增大，雖然不改變平面力系的受力角度，但會(huì)使結(jié)構(gòu)的剛度增加。因此這里我們分別取寬度t值為84mm、86mm、88mm、90mm、92mm作為研究對(duì)象，對(duì)鎖鉤進(jìn)行有限元建模獲得結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)律。建立的有限元分析模型與邊界條件上面已經(jīng)敘述過(guò)，這里不再加以描述。如圖10所示為鎖鉤t=92mm時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力分布情況，由圖中可以看出由于邊界條件一樣，所以結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布與不同l值與h值相同。將不同t值危險(xiǎn)面的最大應(yīng)力提取出來(lái)獲得如圖11所示的計(jì)算結(jié)果。

圖10 t=92時(shí)鎖鉤有限元計(jì)算應(yīng)力分布云圖

圖11 不同寬度鎖鉤變截面應(yīng)力值

由圖中計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，危險(xiǎn)面的最大應(yīng)力值隨t值增大而減小，這是由于t值越大，鎖鉤的剛度增大，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力減小。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立的有限元分析模型，對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸的鎖鉤受到外力時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力情況加以分析獲得的結(jié)果如下：

鎖鉤在密貼處受力符合平面匯交力系原則，受力方向?qū)⑾嘟慌c一點(diǎn)；

鎖鉤長(zhǎng)度增大，寬度減小將使鎖鉤的剛度降低，當(dāng)鎖鉤受到密貼力時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力將增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低；

鎖鉤高度增大到臨界值之前，會(huì)減小鎖鉤剛度，當(dāng)高度值超過(guò)臨界值后鎖鉤剛度將不再受到高度值的影響。