基于CATIA 的鋼軌道岔扭轉加工裝置的設計

孫明，劉靜

( 江南大學機械工程學院，江蘇無錫214122)

目前我國的高鐵發展很快，高鐵的發展給人們的生活帶來了方便［1］，但火車在一次次提速的同時也帶來了新的技術難題。火車速度提高了，在拐彎時火車的拐彎角度必然要加大，否則容易引起火車脫軌、側翻，因此對叉道處或者拐彎處的鐵軌加工提出了新的要求。為了適應高速行駛的火車，拐彎處的鐵軌在加工時要讓鐵軌繞軸線方向偏轉一個小的角度，以使火車在拐彎時能夠平穩過渡［2］。到目前為止，鐵軌的這種小角度偏轉加工都是通過熱軋形成的，而這些熱軋的設備并不是為鐵軌偏轉加工而設計的，因此加工精度低，加工過程也不能控制。針對以上問題，參照鐵軌的加工工藝要求［3－5］，作者提出了一種專門用于鐵軌扭轉加工的裝置。

1 簡化模型及有限元模型的建立

1.1 對鋼軌扭轉加工裝置的初步分析

首先，要實現鋼軌的扭轉變形，而且是發生永久塑性變形，可以在鋼軌上施加扭矩，要保證施加在鋼軌上的扭矩必須使鋼軌所承受的應力值超過其屈服強度;其次，在施加載荷時，可以使鋼軌的一端固定，在另一端施加載荷，讓鋼軌發生扭轉變形;最后，選擇施加載荷的動力系統。由于液壓傳動具有傳動平穩、承載能力大、能實現無級變速等優點，初步選定液壓驅動的方式來施加載荷。

1.2 簡化模型的建立

建立鋼軌扭轉加工裝置三維簡化模型是實現有限元分析的關鍵步驟之一。根據對裝置的初步分析及鋼軌截面圖(圖1)尺寸，利用CATIA V5 R19 中零件設計模塊建立簡化模型，如圖2 所示。

圖1 鋼軌截面圖

這里把夾具簡化為兩個長方體，并且假設夾具的材料與鋼軌的材料相同，均為高錳鋼，σs≥784 MPa，這樣做使得模型更為簡化;另外由于只要知道夾具的應力情況，給具體的夾具設計提供參考就行，所以這里使用同一種材料，也給分析帶來很大方便。兩個長方體中其中一個長方體的兩端被固定，另一個長方體的兩端被施加載荷，初步設計長方體的長為2 000 mm、寬為200 mm、高為300 mm。另外，根據加工要求兩個長方體之間的距離為448 mm。

圖2 三維簡化模型

1.3 約束及受力分析

在三維簡化模型的基礎之上，可以進一步對模型進行約束和受力分析。在其中一個長方體的兩端及后面添加固定約束，這樣，整個模型的自由度就為1;在另外一個長方體的兩端建立方向相反的，大小相等的兩個均布載荷，并且它們的方向與長方體的長度方向垂直。加載方案見圖3，施加約束后的模型見圖4。則有下列關系式:

T = 2F·(L/2)式中:F 為施加的均布載荷;

T 為對力偶構成的扭矩;

L/2 為力臂。

式中的L 即為扭轉臂的總長度;F 的大小也就是液壓油缸的升力和拉力的大小。

圖3 加載方案

圖4 施加約束載荷后的模型

2 有限元分析模型的建立

2.1 有限元分析前處理

根據三維簡化模型和力學模型，可以建立有限元分析模型。

進行有限元分析的步驟為［6－7］:(1)將零件設計模塊中的三維簡化模型導入到有限元分析模塊中;(2)添加材質;(3)劃分網格、設置邊界約束條件，施加載荷;(4)計算分析。

查閱相關資料有:

碳鋼和錳鋼的E 為196 ～216 GPa，一般按210 GPa 計;μ 為0.25 ～0.33，一 般 按0.3 計;α 為12.3 ×106。

力學性能［1］:抗拉強度σb(MPa):≥980(100);屈服強度σs(MPa):≥784 (80);伸長率δ10(%):≥8;斷面收縮率ψ (%):≥30;硬度:熱軋時，不大于HB302;冷拉+ 熱處理時，不大于HB321。

因此材料定義如圖5 所示。

圖5 材料定義及網格劃分

另外，有限元分析中網格的劃分十分重要，它對運算結果的精確性有很大的影響。網格劃分越細，計算越精確，但是所用的時間也越長，占用的內存也越大。考慮到計算速度，另外此模型的尺寸較大，所以網格不宜劃分太細。CATIA 本身自帶根據尺寸自動劃分網格的功能，可以利用這一功能對該模型進行網格劃分。

2.2 有限元分析結果

通過CATIA 的顯示功能，分別顯示出模型的米塞斯應力圖和變形位移云圖，再與高錳鋼的屈服極限比較，一步步改變施加載荷F 的大小，直到F 足夠大到能使鋼軌發生塑性變形。當F 達到38 000 N 時，分析結果如圖6 所示。

圖6 米塞斯應力圖

由分析結果可以看出:此時的應力最大值達到808 MPa，略大于高錳鋼的屈服極限784 MPa (當F值取到55 000 N 時，最大應力為1 170 MPa)，因此可以取油缸的推力為大于38 000 N 的一個適當的值，這也就為油缸的設計提供了參考。

另外可以看出長方體模型側面的應力值也達到了0.013 7 MPa，也就是說在扭轉的同時旋轉臂可能會退讓，因此必須在側面再加以固定，可以考慮借助鎖銷來固定旋轉臂。根據分析結果，再利用CATIA 高級建模功能以及裝配功能可以初步設計出整個鋼軌扭轉加工裝置的裝配結構圖，見圖7。

圖7 鋼軌扭轉加工裝置總裝配圖

工作原理:首先鋼軌被放到兩對夾具中;然后夾具夾緊鋼軌，鎖銷上移鎖住夾具，防止退讓;兩個扭轉油缸開始帶動扭轉臂轉動，一直轉動到需要的角度。夾緊及松開鋼軌動作由夾緊油缸控制，鎖銷的動作由鎖銷油缸控制，扭轉臂的扭轉由兩個扭轉油缸控制。

3 總結

利用CATIA V5 的有限元分析功能先對鋼軌扭轉加工裝置簡化模型進行受力分析，為油缸的工作載荷提供參考數據，也為扭轉臂和鎖銷的材料性能提供參考，從而為整個裝置的設計提供了合理的依據。在此基礎之上，利用CATIA 的高級建模功能和裝配功能將裝置的零部件設計并裝配起來，將整個裝置更加直觀地描述出來，也為設計的合理性、裝置的合理性提供了一定的參考。

【1】任安超，吉玉，周桂峰，等. 鐵路用鋼軌及其制造技術［J］.特殊鋼，2010，31(5):22 －25.

【2】毛一凡.淺談鋼軌接頭病害的成因和整治措施［J］. 同煤科技，2009(4):13 －14.

【3】任安超，吉玉，周桂峰，等.國內客運專線用鋼軌及其生產工藝［J］.鋼鐵研究，2010，38(5):49 －52.

【4】張永興，練松良.鋼軌扭轉時的水平位移分析［J］.上海鐵道大學學報，1997，18(3):19 －23.

【5】董永剛，張志文，宋建峰.鋼軌萬能軋制過程金屬延伸規律的理論與實驗研究［J］.機械工程學報，2010，46(6):87 －92.

【6】劉鶴，洪惠平.60 kg/m 鋼軌萬能軋制過程有限元模擬研究［J］.鞍鋼技術，2009(6):33 －36.

【7】張勇，張樹生，張開興.基于CATIA 減速器輸出軸有限元分析［J］.機械與電子，2010(6):11 －13.