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近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鐵路運(yùn)力愈發(fā)緊張，對(duì)客、貨運(yùn)速度的要求也越來越高，鐵路已經(jīng)經(jīng)歷了幾次大規(guī)模的提速.列車的提速對(duì)于原有的鐵路設(shè)備提出了新的要求，不僅需要增添新設(shè)備，一些原有設(shè)備的適用性也需要重新評(píng)價(jià)。單開道岔外鎖閉轉(zhuǎn)換裝置是鐵路道岔必不可少的部件，在鐵路提速之前，其適用性經(jīng)過檢驗(yàn)是可以滿足要求的；但在提速后，其中的外鎖閉鐵發(fā)生了多次斷裂現(xiàn)象，應(yīng)北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院要求，本文對(duì)該部件在正常工作狀況下的承載能力做了一個(gè)基本的有限元分析評(píng)估。
從工程力學(xué)的角度來說，這是一個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題，為此需要首先確定外鎖閉鐵在正常工況下的應(yīng)力場(chǎng)，此外因?yàn)樵摬考艿降闹饕d荷是列車經(jīng)過時(shí)的脈動(dòng)力，所以還需要考慮動(dòng)力效應(yīng)的影響。本文首先用有限元法計(jì)算了外鎖閉鐵在工作載荷下的應(yīng)力場(chǎng);然后用脈動(dòng)載荷下的強(qiáng)度理論解釋了該結(jié)構(gòu)的破壞原因，并給出了容許的最大工作載荷，以及對(duì)鎖閉鐵涉及改造的建議。
圖分別是外鎖閉鐵的后視圖和前視圖，B，C為2個(gè)半徑12的圓孔，通過它們，外鎖閉鐵將被固定在鐵軌上。當(dāng)列車經(jīng)過鎖閉鐵所在的鐵軌時(shí)，鎖閉機(jī)構(gòu)中的鎖閉桿將振動(dòng)起來，不斷拍打鎖閉鐵后方A點(diǎn)處，這就是鎖閉鐵最主要的載荷工況。因?yàn)橥怄i閉鐵的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用解析解的方法來求解其應(yīng)力場(chǎng)是不可行的，而有限單元法則適用于求解此類問題，圖為該結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格劃分，一共劃分了19288個(gè)六面體等參單元，共計(jì)24035個(gè)節(jié)點(diǎn)，總自由度數(shù)達(dá)72105為簡(jiǎn)便起見，圓孔B，C在網(wǎng)格模型中被略去，但是在相應(yīng)的網(wǎng)格處固定了節(jié)點(diǎn)的自由度，所以并不會(huì)影響有限元計(jì)算的結(jié)果。此外，遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)域的較小的幾何細(xì)節(jié)也有所簡(jiǎn)化，而應(yīng)力集中區(qū)域則用精細(xì)的網(wǎng)格予以劃分，以求得準(zhǔn)確的應(yīng)力值.模型的外載荷為A點(diǎn)處受到的敲擊力P，P=9 800 N，外鎖閉鐵材料為鑄鋼(牌號(hào)ZG270-500 )，其材料性質(zhì)參見表。
本文首先計(jì)算了在準(zhǔn)靜態(tài)的外力P作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)，所用軟件為商業(yè)有限元程序。圖為計(jì)算得到的關(guān)于Mises等效應(yīng)力的等值線圖，為清楚起見，其中應(yīng)力小于50 MPa的區(qū)域。圖表明，在9800 N的外力作用下，外鎖閉鐵大部分區(qū)域的應(yīng)力都很小，只有①、②、③、④4個(gè)角點(diǎn)處有很大的應(yīng)力集中，經(jīng)過比較，發(fā)現(xiàn)角點(diǎn)①處的應(yīng)力最大，圖為角點(diǎn)①的局部放大圖，其中應(yīng)力集中區(qū)1的Mises應(yīng)力值達(dá)407 MPa這個(gè)部位也正是大量外鎖閉鐵產(chǎn)生裂縫的起始部位。考慮到列車每通過一次，鎖閉桿就要反復(fù)地敲擊外鎖閉鐵幾十次，故這種情況下所受載荷屬于脈動(dòng)式的沖擊載荷。對(duì)于這種沖擊載荷，在進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，應(yīng)考慮動(dòng)荷系數(shù)，若取動(dòng)荷系數(shù)則每噸鎖閉桿敲擊力引起的動(dòng)應(yīng)力(指Mises等效應(yīng)力)為：最大應(yīng)力6maX-448 MPG平均應(yīng)力6m=224MPG應(yīng)力幅值6a =224 MPa。
在脈動(dòng)載荷下，材料的破壞強(qiáng)度將和表中的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)所得到的強(qiáng)度數(shù)據(jù)不同，根據(jù)前人所做的大量實(shí)驗(yàn)，在非對(duì)稱循環(huán)載荷作用下材料的破壞應(yīng)力幅值。暇可以按以下公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)說明，Gerber的拋物線關(guān)系式有時(shí)不夠安全，而Goodman的線性關(guān)系式比拋物線關(guān)系式偏于安全。
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