一种锁钩结构尺寸对其强度的影响规律研究

2018-12-18田爽

中国设备工程 2018年23期

田爽

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

典型的道岔外锁闭装置如图1所示，由图中可以看出当外锁闭装置工作时，外接动力机构将带动锁闭杆发生往返运动（即沿图中的左右方向运动），迫使锁闭杆与锁钩接触面发生改变引起锁钩产生运动，带动尖轨与基本轨在斥离与密贴状态相互转换，同时在锁钩完成转换后，需要保障当有机车车辆通过道岔时，密贴的基本轨与尖轨不发生斥离。通过以上对外锁闭装置分析可以发现，锁钩的结构强度是保障机车车辆行车安全的重要指标。

图1 典型的道岔外锁装置

针对改变机械结构尺寸影响结构性能的研究，国内外学者已经有了一些研究。郑若瑜等对一种碳钢车体为研究对象，对部分结构板的厚度进行了模拟计算获得了车体的最优化方案；张钦修等对一种气缸盖结构的鼻梁区的宽度进行了计算，获得了一种性能较好的气缸盖结构，为设计提供理论依据；李美玲等对不均匀尺寸库壁体受力所产生的负面影响进行分析，获得了结构的可靠性；洪盛远等利用有限元手段对预制块道面板的尺寸，厚度等进行了分析获得了结构设计参数对结构的影响规律。

虽然对结构尺寸影响结构的性能方面已经有了很多研究成果，但是对外锁闭装置锁钩尺寸的改变影响结构性能方面的研究较少。鉴于以上原因，本文综合考虑结构的三个基本尺寸：长度、宽度以及高度，对结构受力的影响规律进行分析，分析结果可以为锁钩的设计提供了理论依据。

1 锁钩整体受力分析

为了对不同锁钩结构尺寸对其力学性能影响规律进行研究，必须首先对锁钩在使用中受力情况进行分析。由图1可以看出当机车车辆通过外锁闭装置处的道岔区时，由于车轮将碾压基本轨而通过，因此斥离状态下的锁钩不受斥离侧车轮的影响。相反，车轮碾压密贴处的基本轨时，密贴状态下的锁钩将受到车轮碾压力的影响。因此本文将针对密贴处的锁钩进行受力分析。

由于锁钩重力相对于机车车辆通过时产生的轮-轨接触力较小，因此我们在分析锁钩受力情况时忽略锁钩的重力，通过受力分析可以发现，锁钩在密贴时主要受到三个外力，受力情况如图2所示。

图2 锁钩密贴时受力情况

图中Fi（i=1，2，3）表示锁钩所受的外力，由于锁钩在密贴处为平衡状态，根据平面力系汇交原理，这三个外力方向必然相交于一点，即图2中所示M点，且合力。三个外力中F1的水平分力Fx表示结构密贴时产生的密贴力，Fy为尖轨对锁钩产生的抬升力；F2为锁钩锁闭时与基本轨锁闭装置之间产生的接触力，方向垂直于锁钩斜面，F3为锁闭杆与锁钩之间产生的接触力，方向垂直于两者接触面。这时我们结合锁钩的具体尺寸，可以获得F1与水平方向的夹角θ的具体数值。

由于锁钩在锁闭后必须有一定的密贴力才能保证尖轨与基本轨保持密贴状态，这个密贴力是图2所示的F1的水平分力Fx，由受力分解相关知识可以获得F1与Fx的关系为：F1=Fx/cosθ，其中密贴力Fx可以根据相关现场相关需求予以确定，而结构夹角θ的改变将影响结构的受力。

2 三个结构尺寸对锁钩的力学性能影响分析

为了获得不同结构尺寸对锁钩受力的影响规律，本文采用有限元手段对不同结构尺寸的锁钩建立了分析模型，通过计算获得其相关规律。为了清楚介绍本文所研究的三个尺寸，给出了如图3所示的三个结构尺寸标注，图中l表示长度方向分析依据，h表示高度方向分析依据，t表示宽度方向分析依据。

图3 锁钩关键结构尺寸示意图

建立的有限元分析模型见图4所示，其中锁钩网格划分采用六面体单元，单元编号为SOLID45，锁钩的弹性模量为E=210GPa，泊松比为0.3；边界条件参考上一节中对锁钩的整体受力分析，定义图4参考面A，B分别为固定支撑，圆孔处加载轴承力，方向为沿着不同结构的夹角θ，取值大小根据标准[5]予以确定，这里取值为15000N。

图4 锁钩有限元分析模型

2.1 长度方向尺寸对锁钩力学性能的影响

当长度方向尺寸值如图3所示的l值发生改变时，结构夹角见图2所示θ值将发生改变，进一步影响结构的整体受力。鉴于该原因，我们分别取l值为83mm、85mm、87mm、89mm、91mm作为研究对象，对锁钩分别进行有限元建模进行计算。通过对不同l值对应的应力分布情况进行计算，因为锁钩的约束条件相同，所以计算获得的应力分布相近，只是数值不同，如图5所示为l=91mm时的应力分布情况。

由图中可以看出锁钩结构受到力F1作用的孔处受力较大，这是因为其离力作用端较近的原因。观察整个锁钩的计算结果，发现锁钩如图6所示的部分应力相对较大，而该处属于结构的变截面薄弱位置，在结构设计中应该加以重视，因此我们分别提取不同尺寸锁钩在该位置产生的最大应力值，其结果见图7所示。

图5 l=91mm时锁钩有限元计算应力分布云图

图6 锁钩变截面应力提取部分示意图

图7 不同长度锁钩变截面应力值

分析图7可以发现，长度值l越大，锁钩在危险面的最大应力越大，这是因为l值越大，锁钩尺寸增大，锁钩刚度降低，因此内部应力增大，锁钩越容易发生破坏，所以在对锁钩l尺寸设计时应该采用较小的尺寸。

2.2 高度方向尺寸对锁钩受力的影响

通过对结构受力分析我们可以发现如果锁钩的高度尺寸值如图3所示的h值发生改变，那么结构的夹角θ将发生改变，进一步影响结构的受力情况。鉴于以上原因，我们分别取h值为58mm，60mm，62mm，64mm，66mm作为研究对象，对锁钩分别建立有限元模型，其采用的模型见上一节这里不再加以描述。通过计算获得锁钩的应力分布情况，如图8所示为h=66mm时产生的应力分布情况，其他h值由于边界条件相同，所以应力分布相近，这里不再给出。通过提取如图6所示的危险面产生的最大应力，获得其变化情况如图9所示。

图8 h=66mm时锁钩有限元计算应力分布云图

图9 不同高度锁钩变截面应力值

由图9可以看出随着高度h值增大，锁钩危险面最大应力值增大，当h值增大到一定值后，锁钩危险面应力降低，当继续增大h时，危险面应力增大不再明显。这是因为锁钩的应力受到其刚度的影响，当h值增大时，锁钩由于h方向增高刚度降低，因此危险面产生的应力增大，但当锁钩h值增大到一定值后，锁钩的刚度重新分布h方向的刚度将对其刚度影响减小，因此锁钩危险面应力变化不大。

2.3 宽度方向尺寸对锁钩受力的影响

通过对锁钩结构分析可以发现，锁钩的宽度如图3所示的t值增大，虽然不改变平面力系的受力角度，但会使结构的刚度增加。因此这里我们分别取宽度t值为84mm、86mm、88mm、90mm、92mm作为研究对象，对锁钩进行有限元建模获得结构的相关规律。建立的有限元分析模型与边界条件上面已经叙述过，这里不再加以描述。如图10所示为锁钩t=92mm时产生的应力分布情况，由图中可以看出由于边界条件一样，所以结构的应力分布与不同l值与h值相同。将不同t值危险面的最大应力提取出来获得如图11所示的计算结果。