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有關(guān)文獻(xiàn)指出，我國(guó)已有鐵路普遍提高列車運(yùn)行速度的主要限制因素是小曲率半徑彎道和部分道岔。道岔是鐵路結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，是使列車從一股軌道轉(zhuǎn)入另一股軌道所必須的線路設(shè)備。文獻(xiàn)中指出，由于道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是幾何不平順度大，當(dāng)車輪通過(guò)道岔時(shí)將會(huì)引起強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng)，導(dǎo)致道岔主要部件使用壽命縮短。道岔的外鎖閉裝置是轉(zhuǎn)移與固結(jié)不同股軌道的關(guān)鍵裝置。當(dāng)列車駛過(guò)道岔時(shí)，不同股軌道(在道岔處，其橫截面形狀沿軌長(zhǎng)方向各不相同)因剛度不同而變形各異，且變形隨車輪與軌道的相對(duì)位置變化而變化；而鎖閉裝置在第一、二、三牽引點(diǎn)處約束它們，將可動(dòng)的心軌與基本軌連接在一起，從而使鎖閉裝置中出現(xiàn)很大的局部應(yīng)力。當(dāng)列車提速時(shí)，車輪作用于軌道的慣性力(特別是道岔處的橫向慣性力)增大，從而使鎖閉裝置中的應(yīng)力增大，疲勞壽命下降。為適應(yīng)列車提速的需要，北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院改善了18號(hào)單開(kāi)道岔外鎖閉裝置的設(shè)計(jì)，課題組按照其要求，對(duì)有關(guān)部件的應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析。
圖1、圖2分別給出第二與第三牽引點(diǎn)處鎖閉裝置的橫截面圖，第一牽引點(diǎn)與第二牽引點(diǎn)處的鎖閉裝置結(jié)構(gòu)類似。
初步的分析與實(shí)測(cè)表明，當(dāng)列車經(jīng)過(guò)道岔時(shí)，鎖閉裝置中最主要的受力元件是鎖閉鉤。首先分析一下鎖閉鉤如何將心軌固定到翼軌上，如圖1所示。當(dāng)鎖閉桿向右拉動(dòng)時(shí)，其右端的突起B(yǎng)上抬，頂住鎖閉鉤右端下方，使鎖閉鉤的右端上方C點(diǎn)處的斜面上抬，頂在鎖閉鐵上，而鎖閉鐵是固定在翼軌上的；同時(shí)，鎖閉鉤的A點(diǎn)卡住心軌連接鐵，使心軌不能向左運(yùn)動(dòng)。當(dāng)車輪通過(guò)心軌時(shí)，心軌和翼軌各自發(fā)生不同的彈性變形，如果這種變形使與A點(diǎn)接觸的心軌連接鐵產(chǎn)生向左的位移，那么鎖閉鉤就會(huì)受力。圖2所示的第三牽引點(diǎn)的鎖閉裝置與第一、第二牽引點(diǎn)的區(qū)別是鎖閉鉤通過(guò)銷軸與固定在心軌軌腰的連接鐵相連。銷軸與連接鐵和鎖閉鉤上的銷孔都是接觸傳力的。其鎖閉鉤的端部情況和第一、二牽引點(diǎn)的相同。
筆者所關(guān)心的是鎖閉鉤的強(qiáng)度問(wèn)題，而鎖閉鉤所受心軌與翼軌的作用力取決于在車輪作用下兩者的變形差，如果認(rèn)為車輪作用力是已知載荷，鎖閉鉤的受力卻受到很多因素的影響，無(wú)法直接給出。為了比較準(zhǔn)確地分析鎖閉鉤的受力，本文建立了圖3所示的力學(xué)模型，其要點(diǎn)如下。
(1)計(jì)算模型包括翼軌，長(zhǎng)心軌，短心軌，第一、二、三牽引點(diǎn)鎖閉裝置中的鎖閉鉤，連接鐵，銷軸，頂鐵等元件。鎖閉裝置中的鎖閉鐵與翼軌固接，而翼軌固結(jié)于枕木上，變形較小，故略去鎖閉鐵的變形，認(rèn)為鎖鉤上的C點(diǎn)處斜面與翼軌剛性連接。
(2)長(zhǎng)、短心軌與翼軌沿軌長(zhǎng)均按其實(shí)際的變截面建立三維有限元模型，以保證準(zhǔn)確計(jì)算其剛度。模型從心軌理論尖端起算，此端面處心軌假設(shè)為自由面。長(zhǎng)心軌止于與枕木固結(jié)處，假設(shè)該端面固定。短心軌取至心軌彈性可彎中心，假設(shè)該端面沿軌長(zhǎng)方向自由，其他方向固定。取翼軌比心軌兩端各長(zhǎng)2 m左右。假設(shè)其端面沿軌長(zhǎng)方向自由，其他方向固定。短心軌與翼軌之間的頂鐵一端固結(jié)于翼軌上，另一端與短心軌為單面接觸傳力。長(zhǎng)短心軌之間每隔一定距離通過(guò)螺栓和墊鐵固結(jié)。
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