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近年來，隨著國民經濟的高速發(fā)展，鐵路運力愈發(fā)緊張，對客、貨運速度的要求也越來越高，鐵路已經經歷了幾次大規(guī)模的提速.列車的提速對于原有的鐵路設備提出了新的要求，不僅需要增添新設備，一些原有設備的適用性也需要重新評價。單開道岔外鎖閉轉換裝置是鐵路道岔必不可少的部件，在鐵路提速之前，其適用性經過檢驗是可以滿足要求的；但在提速后，其中的外鎖閉鐵發(fā)生了多次斷裂現(xiàn)象，應北京全路通信信號研究設計院要求，本文對該部件在正常工作狀況下的承載能力做了一個基本的有限元分析評估。
從工程力學的角度來說，這是一個結構的強度問題，為此需要首先確定外鎖閉鐵在正常工況下的應力場，此外因為該部件受到的主要載荷是列車經過時的脈動力，所以還需要考慮動力效應的影響。本文首先用有限元法計算了外鎖閉鐵在工作載荷下的應力場;然后用脈動載荷下的強度理論解釋了該結構的破壞原因，并給出了容許的最大工作載荷，以及對鎖閉鐵涉及改造的建議。
圖分別是外鎖閉鐵的后視圖和前視圖，B，C為2個半徑12的圓孔，通過它們，外鎖閉鐵將被固定在鐵軌上。當列車經過鎖閉鐵所在的鐵軌時，鎖閉機構中的鎖閉桿將振動起來，不斷拍打鎖閉鐵后方A點處，這就是鎖閉鐵最主要的載荷工況。因為外鎖閉鐵的結構復雜，用解析解的方法來求解其應力場是不可行的，而有限單元法則適用于求解此類問題，圖為該結構的有限元網格劃分，一共劃分了19288個六面體等參單元，共計24035個節(jié)點，總自由度數達72105為簡便起見，圓孔B，C在網格模型中被略去，但是在相應的網格處固定了節(jié)點的自由度，所以并不會影響有限元計算的結果。此外，遠離應力集中區(qū)域的較小的幾何細節(jié)也有所簡化，而應力集中區(qū)域則用精細的網格予以劃分，以求得準確的應力值.模型的外載荷為A點處受到的敲擊力P，P=9 800 N，外鎖閉鐵材料為鑄鋼(牌號ZG270-500 )，其材料性質參見表。
本文首先計算了在準靜態(tài)的外力P作用下結構的應力場，所用軟件為商業(yè)有限元程序。圖為計算得到的關于Mises等效應力的等值線圖，為清楚起見，其中應力小于50 MPa的區(qū)域。圖表明，在9800 N的外力作用下，外鎖閉鐵大部分區(qū)域的應力都很小，只有①、②、③、④4個角點處有很大的應力集中，經過比較，發(fā)現(xiàn)角點①處的應力最大，圖為角點①的局部放大圖，其中應力集中區(qū)1的Mises應力值達407 MPa這個部位也正是大量外鎖閉鐵產生裂縫的起始部位�？紤]到列車每通過一次，鎖閉桿就要反復地敲擊外鎖閉鐵幾十次，故這種情況下所受載荷屬于脈動式的沖擊載荷。對于這種沖擊載荷，在進行強度校核時，應考慮動荷系數，若取動荷系數則每噸鎖閉桿敲擊力引起的動應力(指Mises等效應力)為：最大應力6maX-448 MPG平均應力6m=224MPG應力幅值6a =224 MPa。
在脈動載荷下，材料的破壞強度將和表中的靜態(tài)實驗所得到的強度數據不同，根據前人所做的大量實驗，在非對稱循環(huán)載荷作用下材料的破壞應力幅值。暇可以按以下公式計算實驗說明，Gerber的拋物線關系式有時不夠安全，而Goodman的線性關系式比拋物線關系式偏于安全。
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