钢轨扣件扣压力检测装置专用夹具优化设计分析

朱洪涛，高玉和

(南昌大学机电工程学院，南昌 330031)

1 钢轨W型弹条扣件介绍

W型弹条扣件是目前国内应用最广泛的钢轨扣件之一，主要由弹条、螺旋道钉、轨距挡板、挡板座、橡胶垫板等组成，弹条的主要作用是对钢轨施力和定位［1］。如图1 所示。

扣件主要性能体现为对钢轨的抗拔力和扣压力，其中抗拔力的作用是将扣件固定在混凝土轨枕上，扣压力的作用是固定钢轨位置，保持钢轨不发生偏移。

2 扣件扣压力检测装置

图1 W型弹条扣件

目前扣件扣压力的检测方式主要为实验室的独立检测与在线的螺栓扭矩检测。实验室的独立检测是针对扣件的整体检测，虽然对于扣件自身的检测比较准确，但只停留在理想环境下，不能反映扣件在实际工作中的状态。在线的螺栓扭矩检测，快速简单，但实际扣压力的作用位置在弹条上，检测螺栓扭矩不能够准确反映扣压力［2］。想要准确快速地检测出工作中的扣件扣压力，必须设计出一套全新的检测装置。该检测装置的检测对象为扣件弹条，检测位置为弹条与钢轨的接触端，可以实现扣件扣压力的在线检测，检测结果准确、高效。利用力转移法将扣件系统作用在钢轨上的扣压力转移到检测装置上，通过传感器检测出扣件的扣压力。由于W型弹条扣件与钢轨接触时，弹条与钢轨的内壁空间比较小，而弹条的直径一般为10～15 mm，并且作用力为10 kN左右，要对其直接高效精确检测有一定的难度，所以需要设计一种专用夹具，通过力的传递性完成检测。

3 专用夹具设计

夹具的现场装配体如图2所示。该夹具的主要组成部分为大支架、导向板、导向销、2个钳口、钳口连接销、钳支架、锁紧块、提升液压缸连接销［3］。

图2 夹具装配体

夹具在普通状态下钳口是保持张开的，当夹具下降接触到钢轨时，由于钳口可以移动，所以导向销将沿着导向板向上移动，此时钳口将闭合夹住弹条，但并没有夹紧，需要手动向下移动锁紧销，与钳口上端的锲型扣靠紧。此时由于锁紧块的作用，使钳口无法向下移动，故达到锁紧的目的，当检测完后，液压缸卸荷，夹具不再受力，上提锁紧块，即可松开夹具［4］。

4 夹具钳口安全强度检测

夹具的设计虽然经历了前期的计算校核，但是为了更接近现实环境，需要用计算机辅助工程设计——CAE来仿真。其中有限元分析是CAE之中最重要的方法之一。

4.1 SolidWorks有限元分析

Solidworks不单有绘图建模的功能，还有设计分析工具——Cosmosxpress［5］。由于夹具需要承受较大的力，并且需要良好的机加工性能，依据所需条件选用结构钢中的中碳结构钢。在Cosmosxpress中对应的是铸造碳钢。首先是添加约束，对于钳口的约束是在钳口与定位销接触的楔形面上和与钳口连接销配合的连接孔上，如图3所示。然后是确定载荷，载荷作用在扣件弹条扣压端和钳口的下表面，经过计算扣件弹条扣压端与钳口的最大接触面积为659.4 mm2，由于夹具的钳口有2个，且2个钳口完全对称，故钳口的作用力与作用面平均分配到2个钳口上，其中作用力为弹条的扣压力10 kN，作用在钳口的位置如图4所示，作用力为5 kN。下一步是分析，最重要的部分——网格的划分，网格的划分大小决定了分析结果的精确度［6］。网格划分信息如表1所示。

表1 网格信息

图3 约束

图4 钳口部位作用力

分析结果中包括模型中的应力分布、位移分布、形状变形，其中应力分布和位移分布数据如表2、表3所示。钳口在受到扣件弹条作用的拉力时，钳口内部同时具有拉力和压力的内力作用。对于钳口的破坏力为拉应力，所以主要针对钳口的内部拉应力讨论。

表2 钳口1的应力分布和位移分布

表3 钳口2的拉应力分布和位移分布

最终分析结果如图5～图8所示。

图5 钳口1静态节应力分布

图6 钳口2静态节应力分布

图7 钳口1静态位移分布

图8 钳口2静态位移分布

4.2 ANSYS Workbench有限元检测

目前ansys软件添加了workbench开发环境，Ansys workbench与ansys相比，可以与CAD软件实现无缝连接，并且完全采用windows操作界面，更加人性化和直观［7］。

对于夹具的钳口，钢轨扣件对其的作用力相当于静态作用，所以选择Workbench中的静态模拟分析，即选择Static Structural(ANSYS)选项，选项中总共分为7大块，按顺序进行，Engineering Date—Geometry—Model—Setup—Solution—Results［8-9］

第一步选择输入模型的材料。由于是夹具钳口，需要选择中碳结构钢。

第二步为Geometry即导入实体模型。直接添加用CAD工具所建立的模型即可。

第三步为Model对模型的网格划分。由于钳口的尺寸基本在4～60 mm，所以划分网格的尺寸Model Size为2 mm，可以覆盖到零件的所有面，实现所有面的受力分析。网格划分如图9所示。

第四步为Setup约束和加载力的设置。首先设置约束，钳口的主要约束在于与钳口连接销之间的通孔，还有锁紧块与钳口相接触的楔形面。然后是加载，钳口直接与弹条接触，并且是承受作用力的第一对象。加载位置为钳口与弹条的接触处，加载为2个钳口平均分配，所以每个钳口所受的作用力为5 kN。

图9 零件的网格划分

第五步为Solution即开始仿真的过程。针对钳口，主要需要拉应力和形变的数据，所以选择拉应力强度(Stress Intensity)和整体形变(Total Deformation)，得出计算结果见表4。

表4 拉应力和变形计算结果

最终分析结果如图10～图13所示。

图10 钳口1应力强度分布

图11 钳口2应力强度分布

图12 钳口1整体变形分布

图13 钳口2整体变形分布

5 总结

通过Solidworks Cosmosxpress和Ansys Workbench对钳口的分析和数据处理［10］，最后进行试验数据对比。通过表5和表6中数据对比可以得出，Solidworks Cosmosxpress和Ansys Workbench所计算出的数据比较相似［11］，说明在整体的计算结构中Solidworks Cosmosxpress和Ansys Workbench的计算方法是相同的，二者在受力加载的大小和位置都是相同的，唯一的差别就是在约束方面。由于Solidworks Cosmosxpress的分析在约束方面没有详细给出约束种类，只给出了约束位置，而Ansys Workbench在约束上将种类划分的十分详细，可以明确的选出具体位置上所受的具体约束类型，所以 Ansys Workbench更加符合实际工作情况。

表5 应力强度对比 MPa

表6 变形对比 mm

6 结语

通过运用Solidworks Cosmosxpress和Ansys Workbench分别对钳口1和钳口2的分析可以得知，钳口主要的应力集中在钳口与弹条的接触处和钳口与连接销连接处的外轮廓小角面。钳口与弹条的接触处产生较大应力的主要原因在于其接触面为直接受力区。钳口与连接销连接处的外轮廓小角面由于跟外轮廓的直径相比相差较多，所以容易产生应力集中，并且由于直接作用力的方向并非与钳口的主体在同一平面内，且外轮廓的小角面距离作用点较远，故产生较大弯矩。然而这几个位置只是在钳口的表面，没有产生大范围的过大应力，所以需要在钳口做表面处理，以增强表面强度，进而避免局部过大的应力对钳口的表面破坏。根据分析，钳口的最大位移为0.1 mm左右，由于弹条检测的有效结果为弹条与钢轨分离距离为1 mm，钳口的变形为检测有效距离的1/10，钳口的变形在允许的范围之内，可以保证检测的准确性，其0.1 mm的变形可以通过电子检测系统的设定弥补变形量。

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