电动转辙机挤岔保护装置结构强度分析

魏 凯

（潞安化工集团铁路运营公司电务段， 山西 长治 046000）

引言

我国的铁路运输发达，铺设有大量的轨道，对我国的经济发展起着重要的作用。在铁路轨道中，道岔是其中一个重要的结构组成部分，用于实现列车两个轨道之间的切换，对轨道及列车的安全具有重要作用。转辙机是进行道岔转换、保证行车安全的综合电气设备，其质量及性能是我国铁路发展的关键因素[1]。在转辙机长期使用过程中，发现存在着传动效率低、摩擦连接不稳定、挤岔保护装置疲劳断裂等问题[2]，对铁路轨道的使用造成一定的影响。

本文针对广泛使用的挤岔保护装置进行挤切结构的优化，并采用有限元仿真的形式对其强度进行分析，从而提高挤岔保护装置的使用性能，从而保证铁路轨道的安全使用，提高我国铁路建设的发展使用水平。

1 挤岔保护装置的结构优化

挤岔保护装置作为转辙机的保护机构，主要有挤切和挤脱两种方式，其中挤切型挤岔保护装置发生挤岔时，转辙机的杆件移动不可控，容易造成转换设备的损坏。挤切结构采用挤切销的形式对动作杆及齿条块进行刚性连接，结构较为简单，在承受冲击的作用下，容易发生挤切销疲劳断裂或出现挤切时切削不断的问题[3]，在实际使用中需对挤切销进行及时的维护保养工作，工作量较大。

针对挤切型保护装置存在的问题，对其结构进行一定的优化，将挤切销转变为预压的碟簧和滚棒实现挤岔保护装置的连接与挤岔保护，如图1 所示，并由此转变为挤脱型保护装置，使用稳定可靠[4]，避免了大量的维护工作。采用挤脱型的保护装置，当发生应急的使用后，在没有零件损伤的情况下，将滚棒重新推入动作杆内即可恢复保护，使用维护较为简单。

图1 结构优化后的挤岔保护装置示意图

2 挤岔保护装置仿真模型的建立

针对优化后的挤岔保护装置，采用有限元仿真的形式对其结构强度进行分析，以确定其使用性能。采用广泛使用的Altair HyperWorks 软件进行结构强度的有限元分析，Altair HyperWorks 具有多元化模块，可以进行模型有限元分析的前后处理，确保计算过程的快速简便及结构的准确性。

采用三维建模软件建立挤岔保护装置的结构模型，将其结构模型以stp 文件的格式可方便地导入Altair HyperWorks 中。在道岔的转换过程中，主要通过滚棒及动作杆的接触实现机构的转换，滚棒通过碟簧压入动作杆内。在进行有限元分析的过程中，将碟簧组件进行忽略处理，仅对动作杆及滚棒的受力表现进行分析，验证其强度能否满足材料自身的力学要求，并通过相互的位移曲线[5]，对保护装置的稳定性进行分析。

对Altair HyperWorks 中的模型进行网格划分处理，为提高计算分析的精度，对滚棒采用六面体的结构进行网格划分，对动作杆采用四面体的结构进行网格划分，得到挤岔保护装置的网格划分模型，如下页图2 所示。依据设计使用的材料，设定动作杆的材质为40Cr、滚棒的材质为GCr15，为模拟相互之间的接触摩擦，在滚棒和动作杆的实体网格中设置一层摩擦接触单元，将其固接到接触实体单元中，选取滚棒与动作杆之间的接触类型为滑动接触。对挤岔保护装置动作杆进行固定约束，限制6 个方向的自由度，对滚棒约束释放X 方向的移动自由度，滚棒与动作杆之间做水平运动[6]，在X 方向上施加集中力载荷进行仿真过程分析。

图2 挤岔保护装置网格划分模型

3 挤岔保护装置结构强度有限元分析

对挤岔保护装置的接触强度进行求解分析，并将结果进行后处理分析，可得动作杆及滚棒的接触应力变化分别如图3-1、3-2 所示。模型进行加载后，滚棒沿着水平方向移动，滚棒与动作杆之间的接触面间隙消除后，两者之间开始耦合，引起位移的同步变化，即可表示挤岔保护装置的整体刚度变化。从图3 中可以看出，动作杆的最大应力为638 MPa，小于屈服应力785 MPa；滚棒的最大应力为495 MPa，同样小于屈服应力1080 MPa。由此可知，动作杆及滚棒在进行道岔转换的过程中，其承受的应力没有达到材料的屈服强度，可满足使用的需求。

图3 挤岔保护装置的有限元分析结果

对计算的动作杆接触面的接触力进行统计，并进行拟合，可以得到动作杆接触面的接触力随位移变化的曲线，如图4 所示。从图4 中可以看出，在初始的0.01 mm 以内，可以看作是动作杆与滚棒消除间隙的过程，0.01～0.06 mm 两者之间的接触力逐渐增加，并且相互耦合产生的位移变形也随之增大，达到最大的接触应力，此时挤岔保护装置的接触力-位移曲线基本呈线性变化的趋势，由于整个装置的最大应力小于材料的屈服极限，此时处于线弹性变形区域，挤岔保护装置满足强度使用的需求，同时在线弹性区域内循环使用，保证了转辙机具有较好的稳定性及抗疲劳性。

图4 接触力-位移变化曲线

4 结论

转辙机对铁路轨道的运输安全具有重要的作用，挤岔保护装置作为转辙机的重要保护结构，其使用性能及稳定性对轨道运输具有重要的影响。针对挤岔保护装置使用中存在的疲劳断裂、维护工作量大等问题，对挤岔保护装置的结构进行优化设计，使挤切型保护转变为挤脱型保护，可简便操作，减少使用过程中的维护工作。

采用有限元分析的方式，对优化后的挤岔保护装置进行结构强度分析，建立有限元分析模型，通过计算得到动作杆及滚棒的应力变化，使用过程中均没有超过材料的屈服极限，满足使用需求。对动作杆接触面的接触力进行分析，挤岔保护装置在使用过程中处于线弹性变形区域内，满足强度的使用需求。采用优化后的挤岔保护装置可以方便地进行操作，对转辙机进行有效的保护，提高铁路轨道使用的安全性。