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單趾彈條扣件是城市軌道交通中扣件系統(tǒng)的一種，屬于彈性分開式扣件，適用于鋪設60kg/m鋼軌的無作軌道線路。其結構主要由單趾彈條(PR彈條)、鐵墊板、橡膠墊板(軌下墊板及鐵墊板下墊板)、軌距塊、螺釘、螺母、塑料套管等部件組成，見圖1。其中，單趾彈條采用60Si2Mn熱軋彈簧鋼，設計彈程為14.1mm，結構形式見圖。單趾彈條扣件通過彈條與鐵墊板之間的組裝配合，以彎、扭、剪的彈性變形實現(xiàn)對鋼軌的扣壓，彈性變形的大小直接影響著扣壓力的大小和彈條的應力水平，直接關系到扣件的使用壽命及列車運行安全。采用有限元分析單趾彈條在設計狀態(tài)下的扣壓力大小和應力水平，并結合其在不同的彈程、彈簧鋼半徑、中肢約束長度條件下進行強度分析。
在城市軌道交通的運營過程中，扣件系統(tǒng)承受著復雜的受力狀態(tài)。單趾彈條相當于一根三維空間曲梁，除了承受彎、扭、剪的相互作用外，還與鐵墊板插孔、軌距塊之間發(fā)生擠壓作用。采用一般的解析方法難以準確分析其在各種工況下的應力狀態(tài)，而三維實體有限元法對復雜結構的受力分析較能夠獲得比較滿意的結果。因此，分析以空間三維彈性力學有限元理論為基礎，采用ANSYS有限元軟件，先建立彈條的三維實體模型，然后運用solid92單元將實體模型離散成三維實體有限元模型，離散后的有限元模型由17225個節(jié)點、10599個單元構成，相鄰單元通過共用節(jié)點進行相互作用。單趾彈條的計算參數(shù):采用60Si2Mn材料、直徑20.6mm的熱軋彈簧鋼，其屈服強度為1200MPa，極限強度為1300MPa。彈性模量取為2.06GPa，泊松比取為0.3。設計要求彈條在彈程為14.1mm時，單個彈條扣壓力為5.6-8.4kN。
在設計工作狀態(tài)下，扣件安裝就位后，彈條趾端扣壓在軌距塊上，跟端扣壓在鐵墊板插孔座上。彈條趾端的垂向位移達到設計彈程為14.1mm，彈條中肢插入鐵墊板插孔的長度大于72mm，小于76mm，保證中肢不外露，并與插孔呈線性接觸狀態(tài)。根據(jù)設計工況，利用彈條各部位的位移約束作為邊界條件，采用solid92單元計算單趾彈條在第四強度理論計算中的等效應力分布，并與相關文獻的計算結果進行對比。同時，也采用了beaml88單元進行計算，進一步驗證有限元方法的正確性和solid92計算結果的合理性。
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