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單趾彈條扣件是城市軌道交通中扣件系統(tǒng)的一種，屬于彈性分開(kāi)式扣件，適用于鋪設(shè)60kg/m鋼軌的無(wú)作軌道線路。其結(jié)構(gòu)主要由單趾彈條(PR彈條)、鐵墊板、橡膠墊板(軌下墊板及鐵墊板下墊板)、軌距塊、螺釘、螺母、塑料套管等部件組成，見(jiàn)圖1。其中，單趾彈條采用60Si2Mn熱軋彈簧鋼，設(shè)計(jì)彈程為14.1mm，結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖。單趾彈條扣件通過(guò)彈條與鐵墊板之間的組裝配合，以彎、扭、剪的彈性變形實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌的扣壓，彈性變形的大小直接影響著扣壓力的大小和彈條的應(yīng)力水平，直接關(guān)系到扣件的使用壽命及列車運(yùn)行安全。采用有限元分析單趾彈條在設(shè)計(jì)狀態(tài)下的扣壓力大小和應(yīng)力水平，并結(jié)合其在不同的彈程、彈簧鋼半徑、中肢約束長(zhǎng)度條件下進(jìn)行強(qiáng)度分析。
在城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，扣件系統(tǒng)承受著復(fù)雜的受力狀態(tài)。單趾彈條相當(dāng)于一根三維空間曲梁，除了承受彎、扭、剪的相互作用外，還與鐵墊板插孔、軌距塊之間發(fā)生擠壓作用。采用一般的解析方法難以準(zhǔn)確分析其在各種工況下的應(yīng)力狀態(tài)，而三維實(shí)體有限元法對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力分析較能夠獲得比較滿意的結(jié)果。因此，分析以空間三維彈性力學(xué)有限元理論為基礎(chǔ)，采用ANSYS有限元軟件，先建立彈條的三維實(shí)體模型，然后運(yùn)用solid92單元將實(shí)體模型離散成三維實(shí)體有限元模型，離散后的有限元模型由17225個(gè)節(jié)點(diǎn)、10599個(gè)單元構(gòu)成，相鄰單元通過(guò)共用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相互作用。單趾彈條的計(jì)算參數(shù):采用60Si2Mn材料、直徑20.6mm的熱軋彈簧鋼，其屈服強(qiáng)度為1200MPa，極限強(qiáng)度為1300MPa。彈性模量取為2.06GPa，泊松比取為0.3。設(shè)計(jì)要求彈條在彈程為14.1mm時(shí)，單個(gè)彈條扣壓力為5.6-8.4kN。
在設(shè)計(jì)工作狀態(tài)下，扣件安裝就位后，彈條趾端扣壓在軌距塊上，跟端扣壓在鐵墊板插孔座上。彈條趾端的垂向位移達(dá)到設(shè)計(jì)彈程為14.1mm，彈條中肢插入鐵墊板插孔的長(zhǎng)度大于72mm，小于76mm，保證中肢不外露，并與插孔呈線性接觸狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計(jì)工況，利用彈條各部位的位移約束作為邊界條件，采用solid92單元計(jì)算單趾彈條在第四強(qiáng)度理論計(jì)算中的等效應(yīng)力分布，并與相關(guān)文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)，也采用了beaml88單元進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)一步驗(yàn)證有限元方法的正確性和solid92計(jì)算結(jié)果的合理性。
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