鋼軌扣件扣壓力檢測裝置專用夾具優化設計分析

朱洪濤，高玉和

(南昌大學機電工程學院，南昌 330031)

1 鋼軌W型彈條扣件介紹

W型彈條扣件是目前國內應用最廣泛的鋼軌扣件之一，主要由彈條、螺旋道釘、軌距擋板、擋板座、橡膠墊板等組成，彈條的主要作用是對鋼軌施力和定位［1］。如圖1 所示。

扣件主要性能體現為對鋼軌的抗拔力和扣壓力，其中抗拔力的作用是將扣件固定在混凝土軌枕上，扣壓力的作用是固定鋼軌位置，保持鋼軌不發生偏移。

2 扣件扣壓力檢測裝置

圖1 W型彈條扣件

目前扣件扣壓力的檢測方式主要為實驗室的獨立檢測與在線的螺栓扭矩檢測。實驗室的獨立檢測是針對扣件的整體檢測，雖然對于扣件自身的檢測比較準確，但只停留在理想環境下，不能反映扣件在實際工作中的狀態。在線的螺栓扭矩檢測，快速簡單，但實際扣壓力的作用位置在彈條上，檢測螺栓扭矩不能夠準確反映扣壓力［2］。想要準確快速地檢測出工作中的扣件扣壓力，必須設計出一套全新的檢測裝置。該檢測裝置的檢測對象為扣件彈條，檢測位置為彈條與鋼軌的接觸端，可以實現扣件扣壓力的在線檢測，檢測結果準確、高效。利用力轉移法將扣件系統作用在鋼軌上的扣壓力轉移到檢測裝置上，通過傳感器檢測出扣件的扣壓力。由于W型彈條扣件與鋼軌接觸時，彈條與鋼軌的內壁空間比較小，而彈條的直徑一般為10～15 mm，并且作用力為10 kN左右，要對其直接高效精確檢測有一定的難度，所以需要設計一種專用夾具，通過力的傳遞性完成檢測。

3 專用夾具設計

夾具的現場裝配體如圖2所示。該夾具的主要組成部分為大支架、導向板、導向銷、2個鉗口、鉗口連接銷、鉗支架、鎖緊塊、提升液壓缸連接銷［3］。

圖2 夾具裝配體

夾具在普通狀態下鉗口是保持張開的，當夾具下降接觸到鋼軌時，由于鉗口可以移動，所以導向銷將沿著導向板向上移動，此時鉗口將閉合夾住彈條，但并沒有夾緊，需要手動向下移動鎖緊銷，與鉗口上端的鍥型扣靠緊。此時由于鎖緊塊的作用，使鉗口無法向下移動，故達到鎖緊的目的，當檢測完后，液壓缸卸荷，夾具不再受力，上提鎖緊塊，即可松開夾具［4］。

4 夾具鉗口安全強度檢測

夾具的設計雖然經歷了前期的計算校核，但是為了更接近現實環境，需要用計算機輔助工程設計——CAE來仿真。其中有限元分析是CAE之中最重要的方法之一。

4.1 SolidWorks有限元分析

Solidworks不單有繪圖建模的功能，還有設計分析工具——Cosmosxpress［5］。由于夾具需要承受較大的力，并且需要良好的機加工性能，依據所需條件選用結構鋼中的中碳結構鋼。在Cosmosxpress中對應的是鑄造碳鋼。首先是添加約束，對于鉗口的約束是在鉗口與定位銷接觸的楔形面上和與鉗口連接銷配合的連接孔上，如圖3所示。然后是確定載荷，載荷作用在扣件彈條扣壓端和鉗口的下表面，經過計算扣件彈條扣壓端與鉗口的最大接觸面積為659.4 mm2，由于夾具的鉗口有2個，且2個鉗口完全對稱，故鉗口的作用力與作用面平均分配到2個鉗口上，其中作用力為彈條的扣壓力10 kN，作用在鉗口的位置如圖4所示，作用力為5 kN。下一步是分析，最重要的部分——網格的劃分，網格的劃分大小決定了分析結果的精確度［6］。網格劃分信息如表1所示。

表1 網格信息

圖3 約束

圖4 鉗口部位作用力

分析結果中包括模型中的應力分布、位移分布、形狀變形，其中應力分布和位移分布數據如表2、表3所示。鉗口在受到扣件彈條作用的拉力時，鉗口內部同時具有拉力和壓力的內力作用。對于鉗口的破壞力為拉應力，所以主要針對鉗口的內部拉應力討論。

表2 鉗口1的應力分布和位移分布

表3 鉗口2的拉應力分布和位移分布

最終分析結果如圖5～圖8所示。

圖5 鉗口1靜態節應力分布

圖6 鉗口2靜態節應力分布

圖7 鉗口1靜態位移分布

圖8 鉗口2靜態位移分布

4.2 ANSYS Workbench有限元檢測

目前ansys軟件添加了workbench開發環境，Ansys workbench與ansys相比，可以與CAD軟件實現無縫連接，并且完全采用windows操作界面，更加人性化和直觀［7］。

對于夾具的鉗口，鋼軌扣件對其的作用力相當于靜態作用，所以選擇Workbench中的靜態模擬分析，即選擇Static Structural(ANSYS)選項，選項中總共分為7大塊，按順序進行，Engineering Date—Geometry—Model—Setup—Solution—Results［8-9］

第一步選擇輸入模型的材料。由于是夾具鉗口，需要選擇中碳結構鋼。

第二步為Geometry即導入實體模型。直接添加用CAD工具所建立的模型即可。

第三步為Model對模型的網格劃分。由于鉗口的尺寸基本在4～60 mm，所以劃分網格的尺寸Model Size為2 mm，可以覆蓋到零件的所有面，實現所有面的受力分析。網格劃分如圖9所示。

第四步為Setup約束和加載力的設置。首先設置約束，鉗口的主要約束在于與鉗口連接銷之間的通孔，還有鎖緊塊與鉗口相接觸的楔形面。然后是加載，鉗口直接與彈條接觸，并且是承受作用力的第一對象。加載位置為鉗口與彈條的接觸處，加載為2個鉗口平均分配，所以每個鉗口所受的作用力為5 kN。

圖9 零件的網格劃分

第五步為Solution即開始仿真的過程。針對鉗口，主要需要拉應力和形變的數據，所以選擇拉應力強度(Stress Intensity)和整體形變(Total Deformation)，得出計算結果見表4。

表4 拉應力和變形計算結果

最終分析結果如圖10～圖13所示。

圖10 鉗口1應力強度分布

圖11 鉗口2應力強度分布

圖12 鉗口1整體變形分布

圖13 鉗口2整體變形分布

5 總結

通過Solidworks Cosmosxpress和Ansys Workbench對鉗口的分析和數據處理［10］，最后進行試驗數據對比。通過表5和表6中數據對比可以得出，Solidworks Cosmosxpress和Ansys Workbench所計算出的數據比較相似［11］，說明在整體的計算結構中Solidworks Cosmosxpress和Ansys Workbench的計算方法是相同的，二者在受力加載的大小和位置都是相同的，唯一的差別就是在約束方面。由于Solidworks Cosmosxpress的分析在約束方面沒有詳細給出約束種類，只給出了約束位置，而Ansys Workbench在約束上將種類劃分的十分詳細，可以明確的選出具體位置上所受的具體約束類型，所以 Ansys Workbench更加符合實際工作情況。

表5 應力強度對比 MPa

表6 變形對比 mm

6 結語

通過運用Solidworks Cosmosxpress和Ansys Workbench分別對鉗口1和鉗口2的分析可以得知，鉗口主要的應力集中在鉗口與彈條的接觸處和鉗口與連接銷連接處的外輪廓小角面。鉗口與彈條的接觸處產生較大應力的主要原因在于其接觸面為直接受力區。鉗口與連接銷連接處的外輪廓小角面由于跟外輪廓的直徑相比相差較多，所以容易產生應力集中，并且由于直接作用力的方向并非與鉗口的主體在同一平面內，且外輪廓的小角面距離作用點較遠，故產生較大彎矩。然而這幾個位置只是在鉗口的表面，沒有產生大范圍的過大應力，所以需要在鉗口做表面處理，以增強表面強度，進而避免局部過大的應力對鉗口的表面破壞。根據分析，鉗口的最大位移為0.1 mm左右，由于彈條檢測的有效結果為彈條與鋼軌分離距離為1 mm，鉗口的變形為檢測有效距離的1/10，鉗口的變形在允許的范圍之內，可以保證檢測的準確性，其0.1 mm的變形可以通過電子檢測系統的設定彌補變形量。

［1］盧祖文.我國鐵路的鋼軌扣件［J］.中國鐵路，2005(7):25-27.

［2］方火根.STCK-Ⅲ型扣件扣壓力測量儀［P］.上海鐵道科技，2001(2):47.

［3］鄒定強，田長海，穆恩生.鐵路扣件彈條疲勞試驗夾具和實驗技術［J］.北京科技大學學報，2001(23):170-171.

［4］歐陽博涵，錢俊峰，盛寶安.彈條Ⅲ型扣件拆裝機具的研究與應用［J］.機械動力，2005(6):114-116.

［5］劉麗娟，任建平.SolidWork二次開發的應用［J］.機械管理開發，2005(1):10-11.

［6］時公賀，梁崗.基于SolidWorks和ANSYS的大型全回轉架梁起重機結構強度分析［J］.計算機輔助工程，2009，18(1):60-65.

［7］李宗坤，張宏洋.SolidWorks建模以及與ANSYS的接口問題探討［J］.中國農村水利水電，2007(9):82-84.

［8］閔希春，楊廣衍.基于ANSYS的刮板輸送機圓環鏈的有限元分析［J］.機械設計與制造，2011(6):106-107.

［9］施剛，劉釗.高強度鋼材軸心受壓構件局部穩定的有限元分析［J］.沈陽建筑大學學報:自然科學版，2010(6):1046-1051.

［10］常虹，時彬彬，寧國河.應用SolidWorks和ANSYS的零件有限元分析對比［J］.廣西大學學報:自然科學版，2007(32):4-7.

［11］唐鑫，鄧遠超.基于ANSYS Workbench和SolidWorks整體硬質合金絲錐的模態分析［J］.工具技術，2011，45(4):33-34.