李致遠(yuǎn)，何嘉軍，林 鳴，張 霖

(長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130032)

車輛制動(dòng)時(shí)以滑動(dòng)摩擦為主，軌道車輛的質(zhì)量大且慣性大，而車輪與鋼軌的滑動(dòng)摩擦系數(shù)較小，造成輪軌的摩擦力較小，故在線路末端設(shè)置擋車器等防護(hù)設(shè)備是一項(xiàng)十分必要的被動(dòng)性安全措施[1-2]。GB 50490-2009《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》7.2.6規(guī)定軌道末端應(yīng)設(shè)置車檔。鐵路擋車器用于編組站場(chǎng)的盡頭線，在車輛推進(jìn)或溜放時(shí)起緩沖制動(dòng)作用，防止車輛脫線或撞上土擋[3]。

固定式擋車器適用于溜逸車輛速度很低的場(chǎng)合，以三腳架結(jié)構(gòu)為主，工字鋼制作，具有性能可靠、制動(dòng)平衡、受力均衡和擋車能力大的優(yōu)點(diǎn)。擋車器中的工字型橫梁、擋板及支架之間通過(guò)螺栓聯(lián)接實(shí)現(xiàn)載荷的傳遞，因而對(duì)擋車器結(jié)構(gòu)的聯(lián)接螺栓受沖擊載荷時(shí)的強(qiáng)度進(jìn)行校驗(yàn)顯得尤為重要。隨著有限元分析方法的不斷完善，在擋車器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段通常運(yùn)用有限元法對(duì)螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn)[4],以保證列車在不損壞軌道設(shè)施的情況下可靠停在軌道線路內(nèi)。

本文為了校驗(yàn)庫(kù)外固定式擋車器結(jié)構(gòu)螺栓的強(qiáng)度，在構(gòu)建擋車器幾何模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)面—面接觸單元來(lái)模擬螺栓的載荷傳遞，對(duì)橫梁、擋板及支架聯(lián)接螺栓進(jìn)行了接觸非線性有限元分析。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，確定螺栓桿的危險(xiǎn)位置，并基于《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)其拉伸和剪切強(qiáng)度進(jìn)行理論計(jì)算，按照單向應(yīng)力狀態(tài)對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行螺栓強(qiáng)度評(píng)定。

1 螺栓強(qiáng)度校驗(yàn)方法

螺栓強(qiáng)度校驗(yàn)的方法可以分為理論計(jì)算和數(shù)值模擬兩種方法。理論計(jì)算方法主要依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》和《德國(guó)VDI2230高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)性計(jì)算》中的公式進(jìn)行螺栓強(qiáng)度計(jì)算[5]。承受靜載荷螺栓的失效多為螺栓被拉斷，受橫向載荷的螺栓失效形式為螺栓桿剪斷?！稒C(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中分別給出了拉伸變形和剪切變形時(shí)的應(yīng)力計(jì)算公式。工作應(yīng)力的計(jì)算公式為：

(1)

其中，F(xiàn)為危險(xiǎn)截面上的內(nèi)力，在螺栓的拉伸力計(jì)算時(shí)，危險(xiǎn)截面的內(nèi)力為螺栓的總拉力F總拉力。

(2)

(3)

A為危險(xiǎn)截面的橫截面面積，基于偏安全計(jì)算原則，通常取螺栓小徑計(jì)算橫截面面積。

(4)

將(2)和(4)帶入到(1)得到螺栓的拉伸應(yīng)力計(jì)算公式為：

(5)

將(3)和(4)帶入到(1)得到螺栓的切應(yīng)力計(jì)算公式為：

(6)

本文采用三維實(shí)體單元185、接觸單元Target169和Contact173構(gòu)建擋車器有限元模型，接觸非線性計(jì)算時(shí)設(shè)置了法向剛度、穿透容差和收斂準(zhǔn)則，基于計(jì)算得到螺栓最大軸向力和切向力數(shù)據(jù)，采用了按照單向應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算螺栓強(qiáng)度的理論計(jì)算方法校驗(yàn)螺栓強(qiáng)度。

2 擋車器聯(lián)接螺栓強(qiáng)度分析

2.1 有限元模型

庫(kù)外固定式擋車器主要由支撐架、工字型橫梁和墊板組成，其中墊板通過(guò)2個(gè)M20(10.9級(jí))螺栓聯(lián)接與兩根工字型橫梁，兩根橫梁通過(guò)7個(gè)M20(10.9級(jí))螺栓聯(lián)接與支撐架?；诂F(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪的數(shù)據(jù)，運(yùn)用SolidWorks軟件構(gòu)建的庫(kù)外固定式擋車器幾何模型如圖1所示。

圖1 庫(kù)外固定式擋車器的幾何模型

為了提高數(shù)值計(jì)算的精度，采用空間六面體單元和五面體單元構(gòu)建庫(kù)外固定式擋車器的有限元模型。所構(gòu)建的有限元模型總計(jì)385963個(gè)節(jié)點(diǎn)、318614個(gè)實(shí)體單元，其中空間六面體單元占98%，空間五面體楔形單元占2%。采用面—面的接觸方式模擬該擋車器結(jié)構(gòu)中的接觸非線性行為，共計(jì)34個(gè)接觸對(duì)。圖2為構(gòu)建的有限元模型，其中Z軸為平行于軌道縱向方向，X軸為擋車器橫向方向，Y軸為擋車器垂向方向。

圖2 庫(kù)外固定式擋車器的有限元模型

2.2 計(jì)算工況

2.2.1 幾何邊界條件

根據(jù)該庫(kù)外固定式擋車器支撐架的安裝方式，幾何邊界施加于支撐架底端實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)上。由于實(shí)體單元各節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)自由度，因而全約束設(shè)置時(shí)將各節(jié)點(diǎn)沿x、y、z坐標(biāo)軸方向的線位移量設(shè)為零。

2.2.2 載荷邊界條件

壓縮載荷大小為1581 KN，沿軌道中心線方向作用于該擋車器前端墊板580 cm2的面積上。該庫(kù)外固定式擋車器總計(jì)9個(gè)M20的螺栓，強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)。該擋車器的使用環(huán)境為室外，因而擰緊力系數(shù)0.18是根據(jù)摩擦表面為一般加工表面且無(wú)潤(rùn)滑的使用條件查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》而定。預(yù)緊力取153.3 KN，摩擦系數(shù)Mu按照偏安全計(jì)算原則取為0.15。

2.3 螺栓強(qiáng)度校核

經(jīng)過(guò)接觸非線性計(jì)算，得到該擋車器結(jié)構(gòu)在預(yù)定載荷工況下9個(gè)M20螺栓上的軸向力和橫向力。表1為壓縮工況下9個(gè)螺栓受力情況。

表1 壓縮工況螺栓受力情況 N

2.3.1 M20螺栓拉伸強(qiáng)度

2.3.2 M20螺栓剪切強(qiáng)度

由計(jì)算結(jié)果可知，9個(gè)M20螺栓中的7號(hào)螺栓合成橫向力最大，為19332.55 N，于是計(jì)算得到τ=82.30 MPa,τ≤[τ]=360 MPa，安全系數(shù)為4.37。由此可知，擋車器結(jié)構(gòu)中的螺栓滿足剪切強(qiáng)度要求且剪切應(yīng)力較小。

采用理論計(jì)算方法校核螺栓強(qiáng)度，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中螺栓拉伸和剪切強(qiáng)度計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果可知，該擋車器結(jié)構(gòu)中的螺栓均滿足強(qiáng)度要求。該結(jié)構(gòu)中螺栓軸向拉應(yīng)力雖然滿足強(qiáng)度條件，但軸向應(yīng)力接近極限應(yīng)力，這是由于庫(kù)外固定式擋車器主要承受軌道列車在制動(dòng)并滑行一段距離，而仍未停止時(shí)的靜載荷，螺栓桿較大的軸向應(yīng)力反映出載荷在傳遞路徑上對(duì)螺栓桿軸向影響較大。

3 改進(jìn)方案螺栓強(qiáng)度校核

基于原方案的計(jì)算結(jié)果，為降低螺栓桿軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力，采取增大1號(hào)和2號(hào)螺栓冒處墊圈的橫截面面積的措施。結(jié)構(gòu)改進(jìn)如圖3所示。

(a)原墊圈 (b)新墊圈圖3 改進(jìn)方案

由于預(yù)緊力對(duì)螺栓桿內(nèi)力情況的影響較大[7]，將螺栓預(yù)緊力取為100 KN。經(jīng)過(guò)接觸非線性計(jì)算，得到改進(jìn)方案在相同載荷工況下9個(gè)M20螺栓上的軸向力和橫向力。表2為壓縮工況下改進(jìn)方案9個(gè)螺栓受力情況。

表2 改進(jìn)方案螺栓受力情況 N

3.1 M20螺栓拉伸強(qiáng)度

螺栓的最大軸向力FZ98939.02 N，發(fā)生于2號(hào)螺栓，于是計(jì)算得到σca=547.56 MPa，σca≤σs=900 MPa，安全系數(shù)為1.64。改進(jìn)方案螺栓的最大拉伸應(yīng)力較原方案降低了34.8%，有效增加了安全裕量。

3.2 M20螺栓剪切強(qiáng)度

由計(jì)算結(jié)果可知，9個(gè)M20螺栓中的5號(hào)螺栓合成橫向力最大，為16132.11 N，與原始方案最大合成橫向力的7號(hào)螺栓處于對(duì)稱位置，于是計(jì)算得到τ=68.68 MPa，τ≤[τ]=360 MPa，安全系數(shù)為5.24。改進(jìn)方案螺栓的最大剪切應(yīng)力較原方案減小16.5%，但較許用剪切應(yīng)力仍有較大的安全裕量。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)建立庫(kù)外固定式擋車器結(jié)構(gòu)三維模型，在考慮接觸非線性等因素后，采用數(shù)值模擬方法對(duì)螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行接觸非線性計(jì)算，分別提取螺栓的軸向力和橫向力，按照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)螺栓強(qiáng)度進(jìn)行校核，原方案螺栓最大拉伸應(yīng)力σca=839.18 Mpa，σca≤σs=900 MPa，最大剪切應(yīng)力τ=82.30 MPa，τ≤[τ]=360 MPa?？芍狹20(10.9級(jí))螺栓的軸向拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均滿足強(qiáng)度要求。

(2)改進(jìn)方案的螺栓最大拉伸應(yīng)力σca=547.56 MPa，σca≤σs=900 MPa，最大剪切應(yīng)力τ=68.68 MPa，τ≤[τ]=360 MPa。改進(jìn)方案螺栓的最大拉伸應(yīng)力較原方案降低了34.8%，同時(shí)改進(jìn)方案螺栓的最大剪切應(yīng)力較原方案減小16.5%，有效增加了安全裕量。

(3)改進(jìn)方案減小了所有螺栓預(yù)緊力,同時(shí)增大了1號(hào)和2號(hào)螺栓墊片面積。該庫(kù)外固定式擋車器承受158.1 t軸向載荷時(shí)，螺栓的拉伸安全系數(shù)為1.64，剪切安全系數(shù)為5.24，較原始方案都有所增加。庫(kù)外固定式擋車器螺栓連接處應(yīng)采用較小的擰緊力矩,并采用增大螺栓墊片面積來(lái)提高整體安全性能。