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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價。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)北京全路通信信號研究設(shè)計院要求，本文對該部件在正常工作狀況下的承載能力做了一個基本的有限元分析評估。
從工程力學(xué)的角度來說，這是一個結(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，此外因?yàn)樵摬考艿降闹饕d荷是列車經(jīng)過時的脈動力，所以還需要考慮動力效應(yīng)的影響。本文首先用有限元法計算了外鎖閉鐵在工作載荷下的應(yīng)力場;然后用脈動載荷下的強(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，鎖閉機(jī)構(gòu)中的鎖閉桿將振動起來，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個六面體等參單元，共計24035個節(jié)點(diǎn)，總自由度數(shù)達(dá)72105為簡便起見，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，所以并不會影響有限元計算的結(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ZG270-500 )，其材料性質(zhì)參見表。
本文首先計算了在準(zhǔn)靜態(tài)的外力P作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場，所用軟件為商業(yè)有限元程序。圖為計算得到的關(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這個部位也正是大量外鎖閉鐵產(chǎn)生裂縫的起始部位�？紤]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式的沖擊載荷。對于這種沖擊載荷，在進(jìn)行強(qiáng)度校核時，應(yīng)考慮動荷系數(shù)，若取動荷系數(shù)則每噸鎖閉桿敲擊力引起的動應(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算實(shí)驗(yàn)說明，Gerber的拋物線關(guān)系式有時不夠安全，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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