一種鎖鉤結構尺寸對其強度的影響規律研究

田爽

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

典型的道岔外鎖閉裝置如圖1所示，由圖中可以看出當外鎖閉裝置工作時，外接動力機構將帶動鎖閉桿發生往返運動（即沿圖中的左右方向運動），迫使鎖閉桿與鎖鉤接觸面發生改變引起鎖鉤產生運動，帶動尖軌與基本軌在斥離與密貼狀態相互轉換，同時在鎖鉤完成轉換后，需要保障當有機車車輛通過道岔時，密貼的基本軌與尖軌不發生斥離。通過以上對外鎖閉裝置分析可以發現，鎖鉤的結構強度是保障機車車輛行車安全的重要指標。

圖1 典型的道岔外鎖裝置

針對改變機械結構尺寸影響結構性能的研究，國內外學者已經有了一些研究。鄭若瑜等對一種碳鋼車體為研究對象，對部分結構板的厚度進行了模擬計算獲得了車體的最優化方案；張欽修等對一種氣缸蓋結構的鼻梁區的寬度進行了計算，獲得了一種性能較好的氣缸蓋結構，為設計提供理論依據；李美玲等對不均勻尺寸庫壁體受力所產生的負面影響進行分析，獲得了結構的可靠性；洪盛遠等利用有限元手段對預制塊道面板的尺寸，厚度等進行了分析獲得了結構設計參數對結構的影響規律。

雖然對結構尺寸影響結構的性能方面已經有了很多研究成果，但是對外鎖閉裝置鎖鉤尺寸的改變影響結構性能方面的研究較少。鑒于以上原因，本文綜合考慮結構的三個基本尺寸：長度、寬度以及高度，對結構受力的影響規律進行分析，分析結果可以為鎖鉤的設計提供了理論依據。

1 鎖鉤整體受力分析

為了對不同鎖鉤結構尺寸對其力學性能影響規律進行研究，必須首先對鎖鉤在使用中受力情況進行分析。由圖1可以看出當機車車輛通過外鎖閉裝置處的道岔區時，由于車輪將碾壓基本軌而通過，因此斥離狀態下的鎖鉤不受斥離側車輪的影響。相反，車輪碾壓密貼處的基本軌時，密貼狀態下的鎖鉤將受到車輪碾壓力的影響。因此本文將針對密貼處的鎖鉤進行受力分析。

由于鎖鉤重力相對于機車車輛通過時產生的輪-軌接觸力較小，因此我們在分析鎖鉤受力情況時忽略鎖鉤的重力，通過受力分析可以發現，鎖鉤在密貼時主要受到三個外力，受力情況如圖2所示。

圖2 鎖鉤密貼時受力情況

圖中Fi（i=1，2，3）表示鎖鉤所受的外力，由于鎖鉤在密貼處為平衡狀態，根據平面力系匯交原理，這三個外力方向必然相交于一點，即圖2中所示M點，且合力。三個外力中F1的水平分力Fx表示結構密貼時產生的密貼力，Fy為尖軌對鎖鉤產生的抬升力；F2為鎖鉤鎖閉時與基本軌鎖閉裝置之間產生的接觸力，方向垂直于鎖鉤斜面，F3為鎖閉桿與鎖鉤之間產生的接觸力，方向垂直于兩者接觸面。這時我們結合鎖鉤的具體尺寸，可以獲得F1與水平方向的夾角θ的具體數值。

由于鎖鉤在鎖閉后必須有一定的密貼力才能保證尖軌與基本軌保持密貼狀態，這個密貼力是圖2所示的F1的水平分力Fx，由受力分解相關知識可以獲得F1與Fx的關系為：F1=Fx/cosθ，其中密貼力Fx可以根據相關現場相關需求予以確定，而結構夾角θ的改變將影響結構的受力。

2 三個結構尺寸對鎖鉤的力學性能影響分析

為了獲得不同結構尺寸對鎖鉤受力的影響規律，本文采用有限元手段對不同結構尺寸的鎖鉤建立了分析模型，通過計算獲得其相關規律。為了清楚介紹本文所研究的三個尺寸，給出了如圖3所示的三個結構尺寸標注，圖中l表示長度方向分析依據，h表示高度方向分析依據，t表示寬度方向分析依據。

圖3 鎖鉤關鍵結構尺寸示意圖

建立的有限元分析模型見圖4所示，其中鎖鉤網格劃分采用六面體單元，單元編號為SOLID45，鎖鉤的彈性模量為E=210GPa，泊松比為0.3；邊界條件參考上一節中對鎖鉤的整體受力分析，定義圖4參考面A，B分別為固定支撐，圓孔處加載軸承力，方向為沿著不同結構的夾角θ，取值大小根據標準[5]予以確定，這里取值為15000N。

圖4 鎖鉤有限元分析模型

2.1 長度方向尺寸對鎖鉤力學性能的影響

當長度方向尺寸值如圖3所示的l值發生改變時，結構夾角見圖2所示θ值將發生改變，進一步影響結構的整體受力。鑒于該原因，我們分別取l值為83mm、85mm、87mm、89mm、91mm作為研究對象，對鎖鉤分別進行有限元建模進行計算。通過對不同l值對應的應力分布情況進行計算，因為鎖鉤的約束條件相同，所以計算獲得的應力分布相近，只是數值不同，如圖5所示為l=91mm時的應力分布情況。

由圖中可以看出鎖鉤結構受到力F1作用的孔處受力較大，這是因為其離力作用端較近的原因。觀察整個鎖鉤的計算結果，發現鎖鉤如圖6所示的部分應力相對較大，而該處屬于結構的變截面薄弱位置，在結構設計中應該加以重視，因此我們分別提取不同尺寸鎖鉤在該位置產生的最大應力值，其結果見圖7所示。

圖5 l=91mm時鎖鉤有限元計算應力分布云圖

圖6 鎖鉤變截面應力提取部分示意圖

圖7 不同長度鎖鉤變截面應力值

分析圖7可以發現，長度值l越大，鎖鉤在危險面的最大應力越大，這是因為l值越大，鎖鉤尺寸增大，鎖鉤剛度降低，因此內部應力增大，鎖鉤越容易發生破壞，所以在對鎖鉤l尺寸設計時應該采用較小的尺寸。

2.2 高度方向尺寸對鎖鉤受力的影響

通過對結構受力分析我們可以發現如果鎖鉤的高度尺寸值如圖3所示的h值發生改變，那么結構的夾角θ將發生改變，進一步影響結構的受力情況。鑒于以上原因，我們分別取h值為58mm，60mm，62mm，64mm，66mm作為研究對象，對鎖鉤分別建立有限元模型，其采用的模型見上一節這里不再加以描述。通過計算獲得鎖鉤的應力分布情況，如圖8所示為h=66mm時產生的應力分布情況，其他h值由于邊界條件相同，所以應力分布相近，這里不再給出。通過提取如圖6所示的危險面產生的最大應力，獲得其變化情況如圖9所示。

圖8 h=66mm時鎖鉤有限元計算應力分布云圖

圖9 不同高度鎖鉤變截面應力值

由圖9可以看出隨著高度h值增大，鎖鉤危險面最大應力值增大，當h值增大到一定值后，鎖鉤危險面應力降低，當繼續增大h時，危險面應力增大不再明顯。這是因為鎖鉤的應力受到其剛度的影響，當h值增大時，鎖鉤由于h方向增高剛度降低，因此危險面產生的應力增大，但當鎖鉤h值增大到一定值后，鎖鉤的剛度重新分布h方向的剛度將對其剛度影響減小，因此鎖鉤危險面應力變化不大。

2.3 寬度方向尺寸對鎖鉤受力的影響

通過對鎖鉤結構分析可以發現，鎖鉤的寬度如圖3所示的t值增大，雖然不改變平面力系的受力角度，但會使結構的剛度增加。因此這里我們分別取寬度t值為84mm、86mm、88mm、90mm、92mm作為研究對象，對鎖鉤進行有限元建模獲得結構的相關規律。建立的有限元分析模型與邊界條件上面已經敘述過，這里不再加以描述。如圖10所示為鎖鉤t=92mm時產生的應力分布情況，由圖中可以看出由于邊界條件一樣，所以結構的應力分布與不同l值與h值相同。將不同t值危險面的最大應力提取出來獲得如圖11所示的計算結果。

圖10 t=92時鎖鉤有限元計算應力分布云圖

圖11 不同寬度鎖鉤變截面應力值

由圖中計算結果可以發現，危險面的最大應力值隨t值增大而減小，這是由于t值越大，鎖鉤的剛度增大，結構內部產生的應力減小。

3 結語

通過建立的有限元分析模型，對不同結構尺寸的鎖鉤受到外力時產生的應力情況加以分析獲得的結果如下：

鎖鉤在密貼處受力符合平面匯交力系原則，受力方向將相交與一點；

鎖鉤長度增大，寬度減小將使鎖鉤的剛度降低，當鎖鉤受到密貼力時，其內部產生的應力將增大，導致結構強度降低；

鎖鉤高度增大到臨界值之前，會減小鎖鉤剛度，當高度值超過臨界值后鎖鉤剛度將不再受到高度值的影響。