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有關(guān)文獻(xiàn)指出，我國(guó)已有鐵路普遍提高列車(chē)運(yùn)行速度的主要限制因素是小曲率半徑彎道和部分道岔。道岔是鐵路結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，是使列車(chē)從一股軌道轉(zhuǎn)入另一股軌道所必須的線路設(shè)備。文獻(xiàn)中指出，由于道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是幾何不平順度大，當(dāng)車(chē)輪通過(guò)道岔時(shí)將會(huì)引起強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng)，導(dǎo)致道岔主要部件使用壽命縮短。道岔的外鎖閉裝置是轉(zhuǎn)移與固結(jié)不同股軌道的關(guān)鍵裝置。當(dāng)列車(chē)駛過(guò)道岔時(shí)，不同股軌道(在道岔處，其橫截面形狀沿軌長(zhǎng)方向各不相同)因剛度不同而變形各異，且變形隨車(chē)輪與軌道的相對(duì)位置變化而變化；而鎖閉裝置在第一、二、三牽引點(diǎn)處約束它們，將可動(dòng)的心軌與基本軌連接在一起，從而使鎖閉裝置中出現(xiàn)很大的局部應(yīng)力。當(dāng)列車(chē)提速時(shí)，車(chē)輪作用于軌道的慣性力(特別是道岔處的橫向慣性力)增大，從而使鎖閉裝置中的應(yīng)力增大，疲勞壽命下降。為適應(yīng)列車(chē)提速的需要，北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院改善了18號(hào)單開(kāi)道岔外鎖閉裝置的設(shè)計(jì)，課題組按照其要求，對(duì)有關(guān)部件的應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析。
圖1、圖2分別給出第二與第三牽引點(diǎn)處鎖閉裝置的橫截面圖，第一牽引點(diǎn)與第二牽引點(diǎn)處的鎖閉裝置結(jié)構(gòu)類(lèi)似。
初步的分析與實(shí)測(cè)表明，當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)道岔時(shí)，鎖閉裝置中最主要的受力元件是鎖閉鉤。首先分析一下鎖閉鉤如何將心軌固定到翼軌上，如圖1所示。當(dāng)鎖閉桿向右拉動(dòng)時(shí)，其右端的突起B(yǎng)上抬，頂住鎖閉鉤右端下方，使鎖閉鉤的右端上方C點(diǎn)處的斜面上抬，頂在鎖閉鐵上，而鎖閉鐵是固定在翼軌上的；同時(shí)，鎖閉鉤的A點(diǎn)卡住心軌連接鐵，使心軌不能向左運(yùn)動(dòng)。當(dāng)車(chē)輪通過(guò)心軌時(shí)，心軌和翼軌各自發(fā)生不同的彈性變形，如果這種變形使與A點(diǎn)接觸的心軌連接鐵產(chǎn)生向左的位移，那么鎖閉鉤就會(huì)受力。圖2所示的第三牽引點(diǎn)的鎖閉裝置與第一、第二牽引點(diǎn)的區(qū)別是鎖閉鉤通過(guò)銷(xiāo)軸與固定在心軌軌腰的連接鐵相連。銷(xiāo)軸與連接鐵和鎖閉鉤上的銷(xiāo)孔都是接觸傳力的。其鎖閉鉤的端部情況和第一、二牽引點(diǎn)的相同。
筆者所關(guān)心的是鎖閉鉤的強(qiáng)度問(wèn)題，而鎖閉鉤所受心軌與翼軌的作用力取決于在車(chē)輪作用下兩者的變形差，如果認(rèn)為車(chē)輪作用力是已知載荷，鎖閉鉤的受力卻受到很多因素的影響，無(wú)法直接給出。為了比較準(zhǔn)確地分析鎖閉鉤的受力，本文建立了圖3所示的力學(xué)模型，其要點(diǎn)如下。
(1)計(jì)算模型包括翼軌，長(zhǎng)心軌，短心軌，第一、二、三牽引點(diǎn)鎖閉裝置中的鎖閉鉤，連接鐵，銷(xiāo)軸，頂鐵等元件。鎖閉裝置中的鎖閉鐵與翼軌固接，而翼軌固結(jié)于枕木上，變形較小，故略去鎖閉鐵的變形，認(rèn)為鎖鉤上的C點(diǎn)處斜面與翼軌剛性連接。
(2)長(zhǎng)、短心軌與翼軌沿軌長(zhǎng)均按其實(shí)際的變截面建立三維有限元模型，以保證準(zhǔn)確計(jì)算其剛度。模型從心軌理論尖端起算，此端面處心軌假設(shè)為自由面。長(zhǎng)心軌止于與枕木固結(jié)處，假設(shè)該端面固定。短心軌取至心軌彈性可彎中心，假設(shè)該端面沿軌長(zhǎng)方向自由，其他方向固定。取翼軌比心軌兩端各長(zhǎng)2 m左右。假設(shè)其端面沿軌長(zhǎng)方向自由，其他方向固定。短心軌與翼軌之間的頂鐵一端固結(jié)于翼軌上，另一端與短心軌為單面接觸傳力。長(zhǎng)短心軌之間每隔一定距離通過(guò)螺栓和墊鐵固結(jié)。
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