魏 凱

（潞安化工集團(tuán)鐵路運(yùn)營(yíng)公司電務(wù)段， 山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

我國(guó)的鐵路運(yùn)輸發(fā)達(dá)，鋪設(shè)有大量的軌道，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要的作用。在鐵路軌道中，道岔是其中一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)組成部分，用于實(shí)現(xiàn)列車(chē)兩個(gè)軌道之間的切換，對(duì)軌道及列車(chē)的安全具有重要作用。轉(zhuǎn)轍機(jī)是進(jìn)行道岔轉(zhuǎn)換、保證行車(chē)安全的綜合電氣設(shè)備，其質(zhì)量及性能是我國(guó)鐵路發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]。在轉(zhuǎn)轍機(jī)長(zhǎng)期使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在著傳動(dòng)效率低、摩擦連接不穩(wěn)定、擠岔保護(hù)裝置疲勞斷裂等問(wèn)題[2]，對(duì)鐵路軌道的使用造成一定的影響。

本文針對(duì)廣泛使用的擠岔保護(hù)裝置進(jìn)行擠切結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并采用有限元仿真的形式對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行分析，從而提高擠岔保護(hù)裝置的使用性能，從而保證鐵路軌道的安全使用，提高我國(guó)鐵路建設(shè)的發(fā)展使用水平。

1 擠岔保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

擠岔保護(hù)裝置作為轉(zhuǎn)轍機(jī)的保護(hù)機(jī)構(gòu)，主要有擠切和擠脫兩種方式，其中擠切型擠岔保護(hù)裝置發(fā)生擠岔時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)的桿件移動(dòng)不可控，容易造成轉(zhuǎn)換設(shè)備的損壞。擠切結(jié)構(gòu)采用擠切銷(xiāo)的形式對(duì)動(dòng)作桿及齒條塊進(jìn)行剛性連接，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，在承受沖擊的作用下，容易發(fā)生擠切銷(xiāo)疲勞斷裂或出現(xiàn)擠切時(shí)切削不斷的問(wèn)題[3]，在實(shí)際使用中需對(duì)擠切銷(xiāo)進(jìn)行及時(shí)的維護(hù)保養(yǎng)工作，工作量較大。

針對(duì)擠切型保護(hù)裝置存在的問(wèn)題，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化，將擠切銷(xiāo)轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)壓的碟簧和滾棒實(shí)現(xiàn)擠岔保護(hù)裝置的連接與擠岔保護(hù)，如圖1 所示，并由此轉(zhuǎn)變?yōu)閿D脫型保護(hù)裝置，使用穩(wěn)定可靠[4]，避免了大量的維護(hù)工作。采用擠脫型的保護(hù)裝置，當(dāng)發(fā)生應(yīng)急的使用后，在沒(méi)有零件損傷的情況下，將滾棒重新推入動(dòng)作桿內(nèi)即可恢復(fù)保護(hù)，使用維護(hù)較為簡(jiǎn)單。

圖1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的擠岔保護(hù)裝置示意圖

2 擠岔保護(hù)裝置仿真模型的建立

針對(duì)優(yōu)化后的擠岔保護(hù)裝置，采用有限元仿真的形式對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，以確定其使用性能。采用廣泛使用的Altair HyperWorks 軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析，Altair HyperWorks 具有多元化模塊，可以進(jìn)行模型有限元分析的前后處理，確保計(jì)算過(guò)程的快速簡(jiǎn)便及結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。

采用三維建模軟件建立擠岔保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)模型，將其結(jié)構(gòu)模型以stp 文件的格式可方便地導(dǎo)入Altair HyperWorks 中。在道岔的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，主要通過(guò)滾棒及動(dòng)作桿的接觸實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，滾棒通過(guò)碟簧壓入動(dòng)作桿內(nèi)。在進(jìn)行有限元分析的過(guò)程中，將碟簧組件進(jìn)行忽略處理，僅對(duì)動(dòng)作桿及滾棒的受力表現(xiàn)進(jìn)行分析，驗(yàn)證其強(qiáng)度能否滿(mǎn)足材料自身的力學(xué)要求，并通過(guò)相互的位移曲線(xiàn)[5]，對(duì)保護(hù)裝置的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

對(duì)Altair HyperWorks 中的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，為提高計(jì)算分析的精度，對(duì)滾棒采用六面體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)動(dòng)作桿采用四面體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到擠岔保護(hù)裝置的網(wǎng)格劃分模型，如下頁(yè)圖2 所示。依據(jù)設(shè)計(jì)使用的材料，設(shè)定動(dòng)作桿的材質(zhì)為40Cr、滾棒的材質(zhì)為GCr15，為模擬相互之間的接觸摩擦，在滾棒和動(dòng)作桿的實(shí)體網(wǎng)格中設(shè)置一層摩擦接觸單元，將其固接到接觸實(shí)體單元中，選取滾棒與動(dòng)作桿之間的接觸類(lèi)型為滑動(dòng)接觸。對(duì)擠岔保護(hù)裝置動(dòng)作桿進(jìn)行固定約束，限制6 個(gè)方向的自由度，對(duì)滾棒約束釋放X 方向的移動(dòng)自由度，滾棒與動(dòng)作桿之間做水平運(yùn)動(dòng)[6]，在X 方向上施加集中力載荷進(jìn)行仿真過(guò)程分析。

圖2 擠岔保護(hù)裝置網(wǎng)格劃分模型

3 擠岔保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

對(duì)擠岔保護(hù)裝置的接觸強(qiáng)度進(jìn)行求解分析，并將結(jié)果進(jìn)行后處理分析，可得動(dòng)作桿及滾棒的接觸應(yīng)力變化分別如圖3-1、3-2 所示。模型進(jìn)行加載后，滾棒沿著水平方向移動(dòng)，滾棒與動(dòng)作桿之間的接觸面間隙消除后，兩者之間開(kāi)始耦合，引起位移的同步變化，即可表示擠岔保護(hù)裝置的整體剛度變化。從圖3 中可以看出，動(dòng)作桿的最大應(yīng)力為638 MPa，小于屈服應(yīng)力785 MPa；滾棒的最大應(yīng)力為495 MPa，同樣小于屈服應(yīng)力1080 MPa。由此可知，動(dòng)作桿及滾棒在進(jìn)行道岔轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，其承受的應(yīng)力沒(méi)有達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，可滿(mǎn)足使用的需求。

圖3 擠岔保護(hù)裝置的有限元分析結(jié)果

對(duì)計(jì)算的動(dòng)作桿接觸面的接觸力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行擬合，可以得到動(dòng)作桿接觸面的接觸力隨位移變化的曲線(xiàn)，如圖4 所示。從圖4 中可以看出，在初始的0.01 mm 以?xún)?nèi)，可以看作是動(dòng)作桿與滾棒消除間隙的過(guò)程，0.01～0.06 mm 兩者之間的接觸力逐漸增加，并且相互耦合產(chǎn)生的位移變形也隨之增大，達(dá)到最大的接觸應(yīng)力，此時(shí)擠岔保護(hù)裝置的接觸力-位移曲線(xiàn)基本呈線(xiàn)性變化的趨勢(shì)，由于整個(gè)裝置的最大應(yīng)力小于材料的屈服極限，此時(shí)處于線(xiàn)彈性變形區(qū)域，擠岔保護(hù)裝置滿(mǎn)足強(qiáng)度使用的需求，同時(shí)在線(xiàn)彈性區(qū)域內(nèi)循環(huán)使用，保證了轉(zhuǎn)轍機(jī)具有較好的穩(wěn)定性及抗疲勞性。

圖4 接觸力-位移變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

轉(zhuǎn)轍機(jī)對(duì)鐵路軌道的運(yùn)輸安全具有重要的作用，擠岔保護(hù)裝置作為轉(zhuǎn)轍機(jī)的重要保護(hù)結(jié)構(gòu)，其使用性能及穩(wěn)定性對(duì)軌道運(yùn)輸具有重要的影響。針對(duì)擠岔保護(hù)裝置使用中存在的疲勞斷裂、維護(hù)工作量大等問(wèn)題，對(duì)擠岔保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使擠切型保護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿D脫型保護(hù)，可簡(jiǎn)便操作，減少使用過(guò)程中的維護(hù)工作。

采用有限元分析的方式，對(duì)優(yōu)化后的擠岔保護(hù)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，建立有限元分析模型，通過(guò)計(jì)算得到動(dòng)作桿及滾棒的應(yīng)力變化，使用過(guò)程中均沒(méi)有超過(guò)材料的屈服極限，滿(mǎn)足使用需求。對(duì)動(dòng)作桿接觸面的接觸力進(jìn)行分析，擠岔保護(hù)裝置在使用過(guò)程中處于線(xiàn)彈性變形區(qū)域內(nèi)，滿(mǎn)足強(qiáng)度的使用需求。采用優(yōu)化后的擠岔保護(hù)裝置可以方便地進(jìn)行操作，對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行有效的保護(hù)，提高鐵路軌道使用的安全性。