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铁道外锁闭铁在脉动载荷下的有限元分析

发布于:2020-02-26 20:33
有限元分析

       近年来,随着国民经济的高速发展,铁路运力愈发紧张,对客、货运速度的要求也越来越高,铁路已经经历了几次大规模的提速.列车的提速对于原有的铁路设备提出了新的要求,不仅需要增添新设备,一些原有设备的适用性也需要重新评价。单开道岔外锁闭转换装置是铁路道岔必不可少的部件,在铁路提速之前,其适用性经过检验是可以满足要求的;但在提速后,其中的外锁闭铁发生了多次断裂现象,应北京全路通信信号研究设计院要求,本文对该部件在正常工作状况下的承载能力做了一个基本的有限元分析评估。
       从工程力学的角度来说,这是一个结构的强度问题,为此需要首先确定外锁闭铁在正常工况下的应力场,此外因为该部件受到的主要载荷是列车经过时的脉动力,所以还需要考虑动力效应的影响。本文首先用有限元法计算了外锁闭铁在工作载荷下的应力场;然后用脉动载荷下的强度理论说明了该结构的破坏原因,并给出了容许的最大工作载荷,以及对锁闭铁涉及改造的建议。
       图分别是外锁闭铁的后视图和前视图,B,C为2个半径12的圆孔,通过它们,外锁闭铁将被固定在铁轨上。当列车经过锁闭铁所在的铁轨时,锁闭机构中的锁闭杆将振动起来,不断拍打锁闭铁后方A点处,这就是锁闭铁最主要的载荷工况。因为外锁闭铁的结构复杂,用解析解的方法来求解其应力场是不可行的,而有限单元法则适用于求解此类问题,图为该结构的有限元网格划分,一共划分了19288个六面体等参单元,共计24035个节点,总自由度数达72105为简便起见,圆孔B,C在网格模型中被略去,但是在相应的网格处固定了节点的自由度,所以并不会影响有限元计算的结果。此外,远离应力集中区域的较小的几何细节也有所简化,而应力集中区域则用精细的网格予以划分,以求得准确的应力值.模型的外载荷为A点处受到的敲击力P,P=9 800 N,外锁闭铁材料为铸钢(牌号ZG270-500 ),其材料性质参见表。
       本文首先计算了在准静态的外力P作用下结构的应力场,所用App为商业有限元程序。图为计算得到的关于Mises等效应力的等值线图,为清楚起见,其中应力小于50 MPa的区域。图表明,在9800 N的外力作用下,外锁闭铁大部分区域的应力都很小,只有①、②、③、④4个角点处有很大的应力集中,经过比较,发现角点①处的应力最大,图为角点①的局部放大图,其中应力集中区1的Mises应力值达407 MPa这个部位也正是大量外锁闭铁产生裂缝的起始部位。考虑到列车每通过一次,锁闭杆就要反复地敲击外锁闭铁几十次,故这种情况下所受载荷属于脉动式的冲击载荷。对于这种冲击载荷,在进行强度校核时,应考虑动荷系数,若取动荷系数则每吨锁闭杆敲击力引起的动应力(指Mises等效应力)为:最大应力6maX-448 MPG平均应力6m=224MPG应力幅值6a =224 MPa。
       在脉动载荷下,材料的破坏强度将和表中的静态实验所得到的强度数据不同,根据前人所做的大量实验,在非对称循环载荷作用下材料的破坏应力幅值。暇可以按以下公式计算实验说明,Gerber的抛物线关系式有时不够安全,而Goodman的线性关系式比抛物线关系式偏于安全。


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