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小半徑曲線防磨護軌是針對火車提速而設(shè)計的一種新產(chǎn)品，火車提速對道軌和車輪提出了更高的要求，特別是在轉(zhuǎn)彎處，由于受到離心力F的作用，車輪A面會對道軌B面產(chǎn)生巨大壓力，由此將引起兩輪之間磨擦力的增加。在長時間磨擦力的作用下lL會減小，lG會增大(lL指兩車輪A面間距離，lG指兩道軌B面間距離)，當兩者相差到一定數(shù)值時，會引起火車運行不平穩(wěn)甚至脫軌。針對這種情況，提出了小半徑曲線防磨護軌的設(shè)計，其工作原理圖如圖所示。
設(shè)計要求：材料50號鑄鋼，許用應(yīng)力420MPa，D點最大變形不超過3mm。為保正產(chǎn)品設(shè)計的合理性、經(jīng)濟性、可靠性，我們對其進行了有限元分析并提出了優(yōu)化設(shè)計。
根據(jù)護軌結(jié)構(gòu)特點，采用了三維塊單元模型。有限元模型必須保正節(jié)點相連，而護軌形狀很不規(guī)則，這給單元劃分帶來困難。為此，建模時對護軌沿XY平面進行了分層，分層點選取YZ平面內(nèi)形狀變化點，在每一層平面上進行網(wǎng)格劃分，再將各層模型疊加，形成一個完整的有限元三維模型，如圖所示。
護軌依靠螺栓預(yù)緊力壓緊楔形鐵而固定于道軌1上。螺栓預(yù)緊力應(yīng)保正使其傳遞到楔形鐵上，產(chǎn)生的楔緊力壓緊護軌與道軌1，并在外載荷(離心力F)作用到最大值時使得在3點及4點連線上護軌與道軌1不脫開。因而在分析剛度時，沿1點、2點、3點、4點連線上所有節(jié)點設(shè)定為全約束，這樣處理約束對強度分析不妥當，因為在3點及4點處存在變形的趨勢，如圖所示。所以分析強度時，在4點處，設(shè)定其約束為Y向及Z向有位移約束，X向及Y向有轉(zhuǎn)動約束，放開X方向的位移約束及繞Z軸的轉(zhuǎn)動約束；在2點及3點連線上節(jié)點處限定其在Y方向只有負方向的位移；1點及2點設(shè)定為全約束。這樣處理，將強度計算與剛度計算分開進行，使有限元模型更能描述現(xiàn)實問題。護軌受力可分為兩部分：一是火車在轉(zhuǎn)彎處產(chǎn)生的離心力F；二是楔形鐵產(chǎn)生的楔緊力(螺栓2產(chǎn)生的預(yù)緊力只對護軌局部有影響，可忽略不計)。楔形鐵產(chǎn)生的楔緊力如果單獨處理比較困難，將離心力F乘以一個系數(shù)來考慮楔緊力。在轉(zhuǎn)彎處道軌曲率R緩慢變化，根據(jù)離心力F也緩慢變化，因而對本問題采用靜力分析，載荷取離心力F的最大值，將F乘以系數(shù)K均布于D點沿Z方向的9個節(jié)點上。
變形發(fā)生的最大點為點D，ΔX=2.634mm，ΔY=0.975mm，ΔZ=0mm，變形在要求的范圍之內(nèi)。由圖可知，在D-E線上從0 mm到100mm，長100 mm范圍X方向變形為1.13 mm；從100mm到180 mm，長80 mm范圍X方向變形為1.50mm；因而g部對護軌剛度影響較小，在滿足強度要求的前提下，可以減小g部尺寸。
護軌產(chǎn)生最大拉應(yīng)力的部位為沿Z軸方向的i部區(qū)域，應(yīng)力值為1338 MPa，遠遠超出了材料的許用拉應(yīng)力。應(yīng)力分布如圖所示。各部的應(yīng)力值為由圖可知，各區(qū)應(yīng)力分布不均勻，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差超過1300MPa；7區(qū)應(yīng)力小于100MPa，基本處于不受力狀態(tài)，材料利用不充分。
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