電動轉(zhuǎn)轍機擠岔保護裝置結構強度分析

魏 凱

（潞安化工集團鐵路運營公司電務段， 山西 長治 046000）

引言

我國的鐵路運輸發(fā)達，鋪設有大量的軌道，對我國的經(jīng)濟發(fā)展起著重要的作用。在鐵路軌道中，道岔是其中一個重要的結構組成部分，用于實現(xiàn)列車兩個軌道之間的切換，對軌道及列車的安全具有重要作用。轉(zhuǎn)轍機是進行道岔轉(zhuǎn)換、保證行車安全的綜合電氣設備，其質(zhì)量及性能是我國鐵路發(fā)展的關鍵因素[1]。在轉(zhuǎn)轍機長期使用過程中，發(fā)現(xiàn)存在著傳動效率低、摩擦連接不穩(wěn)定、擠岔保護裝置疲勞斷裂等問題[2]，對鐵路軌道的使用造成一定的影響。

本文針對廣泛使用的擠岔保護裝置進行擠切結構的優(yōu)化，并采用有限元仿真的形式對其強度進行分析，從而提高擠岔保護裝置的使用性能，從而保證鐵路軌道的安全使用，提高我國鐵路建設的發(fā)展使用水平。

1 擠岔保護裝置的結構優(yōu)化

擠岔保護裝置作為轉(zhuǎn)轍機的保護機構，主要有擠切和擠脫兩種方式，其中擠切型擠岔保護裝置發(fā)生擠岔時，轉(zhuǎn)轍機的桿件移動不可控，容易造成轉(zhuǎn)換設備的損壞。擠切結構采用擠切銷的形式對動作桿及齒條塊進行剛性連接，結構較為簡單，在承受沖擊的作用下，容易發(fā)生擠切銷疲勞斷裂或出現(xiàn)擠切時切削不斷的問題[3]，在實際使用中需對擠切銷進行及時的維護保養(yǎng)工作，工作量較大。

針對擠切型保護裝置存在的問題，對其結構進行一定的優(yōu)化，將擠切銷轉(zhuǎn)變?yōu)轭A壓的碟簧和滾棒實現(xiàn)擠岔保護裝置的連接與擠岔保護，如圖1 所示，并由此轉(zhuǎn)變?yōu)閿D脫型保護裝置，使用穩(wěn)定可靠[4]，避免了大量的維護工作。采用擠脫型的保護裝置，當發(fā)生應急的使用后，在沒有零件損傷的情況下，將滾棒重新推入動作桿內(nèi)即可恢復保護，使用維護較為簡單。

圖1 結構優(yōu)化后的擠岔保護裝置示意圖

2 擠岔保護裝置仿真模型的建立

針對優(yōu)化后的擠岔保護裝置，采用有限元仿真的形式對其結構強度進行分析，以確定其使用性能。采用廣泛使用的Altair HyperWorks 軟件進行結構強度的有限元分析，Altair HyperWorks 具有多元化模塊，可以進行模型有限元分析的前后處理，確保計算過程的快速簡便及結構的準確性。

采用三維建模軟件建立擠岔保護裝置的結構模型，將其結構模型以stp 文件的格式可方便地導入Altair HyperWorks 中。在道岔的轉(zhuǎn)換過程中，主要通過滾棒及動作桿的接觸實現(xiàn)機構的轉(zhuǎn)換，滾棒通過碟簧壓入動作桿內(nèi)。在進行有限元分析的過程中，將碟簧組件進行忽略處理，僅對動作桿及滾棒的受力表現(xiàn)進行分析，驗證其強度能否滿足材料自身的力學要求，并通過相互的位移曲線[5]，對保護裝置的穩(wěn)定性進行分析。

對Altair HyperWorks 中的模型進行網(wǎng)格劃分處理，為提高計算分析的精度，對滾棒采用六面體的結構進行網(wǎng)格劃分，對動作桿采用四面體的結構進行網(wǎng)格劃分，得到擠岔保護裝置的網(wǎng)格劃分模型，如下頁圖2 所示。依據(jù)設計使用的材料，設定動作桿的材質(zhì)為40Cr、滾棒的材質(zhì)為GCr15，為模擬相互之間的接觸摩擦，在滾棒和動作桿的實體網(wǎng)格中設置一層摩擦接觸單元，將其固接到接觸實體單元中，選取滾棒與動作桿之間的接觸類型為滑動接觸。對擠岔保護裝置動作桿進行固定約束，限制6 個方向的自由度，對滾棒約束釋放X 方向的移動自由度，滾棒與動作桿之間做水平運動[6]，在X 方向上施加集中力載荷進行仿真過程分析。

圖2 擠岔保護裝置網(wǎng)格劃分模型

3 擠岔保護裝置結構強度有限元分析

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

圖3 擠岔保護裝置的有限元分析結果

對計算的動作桿接觸面的接觸力進行統(tǒng)計，并進行擬合，可以得到動作桿接觸面的接觸力隨位移變化的曲線，如圖4 所示。從圖4 中可以看出，在初始的0.01 mm 以內(nèi)，可以看作是動作桿與滾棒消除間隙的過程，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，達到最大的接觸應力，此時擠岔保護裝置的接觸力-位移曲線基本呈線性變化的趨勢，由于整個裝置的最大應力小于材料的屈服極限，此時處于線彈性變形區(qū)域，擠岔保護裝置滿足強度使用的需求，同時在線彈性區(qū)域內(nèi)循環(huán)使用，保證了轉(zhuǎn)轍機具有較好的穩(wěn)定性及抗疲勞性。

圖4 接觸力-位移變化曲線

4 結論

轉(zhuǎn)轍機對鐵路軌道的運輸安全具有重要的作用，擠岔保護裝置作為轉(zhuǎn)轍機的重要保護結構，其使用性能及穩(wěn)定性對軌道運輸具有重要的影響。針對擠岔保護裝置使用中存在的疲勞斷裂、維護工作量大等問題，對擠岔保護裝置的結構進行優(yōu)化設計，使擠切型保護轉(zhuǎn)變?yōu)閿D脫型保護，可簡便操作，減少使用過程中的維護工作。

采用有限元分析的方式，對優(yōu)化后的擠岔保護裝置進行結構強度分析，建立有限元分析模型，通過計算得到動作桿及滾棒的應力變化，使用過程中均沒有超過材料的屈服極限，滿足使用需求。對動作桿接觸面的接觸力進行分析，擠岔保護裝置在使用過程中處于線彈性變形區(qū)域內(nèi)，滿足強度的使用需求。采用優(yōu)化后的擠岔保護裝置可以方便地進行操作，對轉(zhuǎn)轍機進行有效的保護，提高鐵路軌道使用的安全性。