電動轉轍機擠岔保護裝置結構強度分析

魏 凱

（潞安化工集團鐵路運營公司電務段， 山西 長治 046000）

引言

我國的鐵路運輸發達，鋪設有大量的軌道，對我國的經濟發展起著重要的作用。在鐵路軌道中，道岔是其中一個重要的結構組成部分，用于實現列車兩個軌道之間的切換，對軌道及列車的安全具有重要作用。轉轍機是進行道岔轉換、保證行車安全的綜合電氣設備，其質量及性能是我國鐵路發展的關鍵因素[1]。在轉轍機長期使用過程中，發現存在著傳動效率低、摩擦連接不穩定、擠岔保護裝置疲勞斷裂等問題[2]，對鐵路軌道的使用造成一定的影響。

本文針對廣泛使用的擠岔保護裝置進行擠切結構的優化，并采用有限元仿真的形式對其強度進行分析，從而提高擠岔保護裝置的使用性能，從而保證鐵路軌道的安全使用，提高我國鐵路建設的發展使用水平。

1 擠岔保護裝置的結構優化

擠岔保護裝置作為轉轍機的保護機構，主要有擠切和擠脫兩種方式，其中擠切型擠岔保護裝置發生擠岔時，轉轍機的桿件移動不可控，容易造成轉換設備的損壞。擠切結構采用擠切銷的形式對動作桿及齒條塊進行剛性連接，結構較為簡單，在承受沖擊的作用下，容易發生擠切銷疲勞斷裂或出現擠切時切削不斷的問題[3]，在實際使用中需對擠切銷進行及時的維護保養工作，工作量較大。

針對擠切型保護裝置存在的問題，對其結構進行一定的優化，將擠切銷轉變為預壓的碟簧和滾棒實現擠岔保護裝置的連接與擠岔保護，如圖1 所示，并由此轉變為擠脫型保護裝置，使用穩定可靠[4]，避免了大量的維護工作。采用擠脫型的保護裝置，當發生應急的使用后，在沒有零件損傷的情況下，將滾棒重新推入動作桿內即可恢復保護，使用維護較為簡單。

圖1 結構優化后的擠岔保護裝置示意圖

2 擠岔保護裝置仿真模型的建立

針對優化后的擠岔保護裝置，采用有限元仿真的形式對其結構強度進行分析，以確定其使用性能。采用廣泛使用的Altair HyperWorks 軟件進行結構強度的有限元分析，Altair HyperWorks 具有多元化模塊，可以進行模型有限元分析的前后處理，確保計算過程的快速簡便及結構的準確性。

采用三維建模軟件建立擠岔保護裝置的結構模型，將其結構模型以stp 文件的格式可方便地導入Altair HyperWorks 中。在道岔的轉換過程中，主要通過滾棒及動作桿的接觸實現機構的轉換，滾棒通過碟簧壓入動作桿內。在進行有限元分析的過程中，將碟簧組件進行忽略處理，僅對動作桿及滾棒的受力表現進行分析，驗證其強度能否滿足材料自身的力學要求，并通過相互的位移曲線[5]，對保護裝置的穩定性進行分析。

對Altair HyperWorks 中的模型進行網格劃分處理，為提高計算分析的精度，對滾棒采用六面體的結構進行網格劃分，對動作桿采用四面體的結構進行網格劃分，得到擠岔保護裝置的網格劃分模型，如下頁圖2 所示。依據設計使用的材料，設定動作桿的材質為40Cr、滾棒的材質為GCr15，為模擬相互之間的接觸摩擦，在滾棒和動作桿的實體網格中設置一層摩擦接觸單元，將其固接到接觸實體單元中，選取滾棒與動作桿之間的接觸類型為滑動接觸。對擠岔保護裝置動作桿進行固定約束，限制6 個方向的自由度，對滾棒約束釋放X 方向的移動自由度，滾棒與動作桿之間做水平運動[6]，在X 方向上施加集中力載荷進行仿真過程分析。

圖2 擠岔保護裝置網格劃分模型

3 擠岔保護裝置結構強度有限元分析

對擠岔保護裝置的接觸強度進行求解分析，并將結果進行后處理分析，可得動作桿及滾棒的接觸應力變化分別如圖3-1、3-2 所示。模型進行加載后，滾棒沿著水平方向移動，滾棒與動作桿之間的接觸面間隙消除后，兩者之間開始耦合，引起位移的同步變化，即可表示擠岔保護裝置的整體剛度變化。從圖3 中可以看出，動作桿的最大應力為638 MPa，小于屈服應力785 MPa；滾棒的最大應力為495 MPa，同樣小于屈服應力1080 MPa。由此可知，動作桿及滾棒在進行道岔轉換的過程中，其承受的應力沒有達到材料的屈服強度，可滿足使用的需求。

圖3 擠岔保護裝置的有限元分析結果

對計算的動作桿接觸面的接觸力進行統計，并進行擬合，可以得到動作桿接觸面的接觸力隨位移變化的曲線，如圖4 所示。從圖4 中可以看出，在初始的0.01 mm 以內，可以看作是動作桿與滾棒消除間隙的過程，0.01～0.06 mm 兩者之間的接觸力逐漸增加，并且相互耦合產生的位移變形也隨之增大，達到最大的接觸應力，此時擠岔保護裝置的接觸力-位移曲線基本呈線性變化的趨勢，由于整個裝置的最大應力小于材料的屈服極限，此時處于線彈性變形區域，擠岔保護裝置滿足強度使用的需求，同時在線彈性區域內循環使用，保證了轉轍機具有較好的穩定性及抗疲勞性。

圖4 接觸力-位移變化曲線

4 結論

轉轍機對鐵路軌道的運輸安全具有重要的作用，擠岔保護裝置作為轉轍機的重要保護結構，其使用性能及穩定性對軌道運輸具有重要的影響。針對擠岔保護裝置使用中存在的疲勞斷裂、維護工作量大等問題，對擠岔保護裝置的結構進行優化設計，使擠切型保護轉變為擠脫型保護，可簡便操作，減少使用過程中的維護工作。

采用有限元分析的方式，對優化后的擠岔保護裝置進行結構強度分析，建立有限元分析模型，通過計算得到動作桿及滾棒的應力變化，使用過程中均沒有超過材料的屈服極限，滿足使用需求。對動作桿接觸面的接觸力進行分析，擠岔保護裝置在使用過程中處于線彈性變形區域內，滿足強度的使用需求。采用優化后的擠岔保護裝置可以方便地進行操作，對轉轍機進行有效的保護，提高鐵路軌道使用的安全性。