小半径曲线防磨护轨是针对火车提速而设计的一种新产品，火车提速对道轨和车轮提出了更高的要求，特别是在转弯处，由于受到离心力F的作用，车轮A面会对道轨B面产生巨大压力，由此将引起两轮之间磨擦力的增加。在长时间磨擦力的作用下lL会减小，lG会增大(lL指两车轮A面间距离，lG指两道轨B面间距离)，当两者相差到一定数值时，会引起火车运行不平稳甚至脱轨。针对这种情况，提出了小半径曲线防磨护轨的设计，其工作原理图如图所示。
      设计要求：材料50号铸钢，许用应力420MPa，D点最大变形不超过3mm。为保正产品设计的合理性、经济性、可靠性，我们对其进行了有限元分析并提出了优化设计。
      根据护轨结构特点，采用了三维块单元模型。有限元模型必须保正节点相连，而护轨形状很不规则，这给单元划分带来困难。为此，建模时对护轨沿XY平面进行了分层，分层点选取YZ平面内形状变化点，在每一层平面上进行网格划分，再将各层模型叠加，形成一个完整的有限元三维模型，如图所示。
      护轨依靠螺栓预紧力压紧楔形铁而固定于道轨1上。螺栓预紧力应保正使其传递到楔形铁上，产生的楔紧力压紧护轨与道轨1，并在外载荷(离心力F)作用到最大值时使得在3点及4点连线上护轨与道轨1不脱开。因而在分析刚度时，沿1点、2点、3点、4点连线上所有节点设定为全约束，这样处理约束对强度分析不妥当，因为在3点及4点处存在变形的趋势，如图所示。所以分析强度时，在4点处，设定其约束为Y向及Z向有位移约束，X向及Y向有转动约束，放开X方向的位移约束及绕Z轴的转动约束；在2点及3点连线上节点处限定其在Y方向只有负方向的位移；1点及2点设定为全约束。这样处理，将强度计算与刚度计算分开进行，使有限元模型更能描述现实问题。护轨受力可分为两部分：一是火车在转弯处产生的离心力F；二是楔形铁产生的楔紧力(螺栓2产生的预紧力只对护轨局部有影响，可忽略不计)。楔形铁产生的楔紧力如果单独处理比较困难，将离心力F乘以一个系数来考虑楔紧力。在转弯处道轨曲率R缓慢变化，根据离心力F也缓慢变化，因而对本问题采用静力分析，载荷取离心力F的最大值，将F乘以系数K均布于D点沿Z方向的9个节点上。
      变形发生的最大点为点D，ΔX=2.634mm，ΔY=0.975mm，ΔZ=0mm，变形在要求的范围之内。由图可知，在D-E线上从0 mm到100mm，长100 mm范围X方向变形为1.13 mm；从100mm到180 mm，长80 mm范围X方向变形为1.50mm；因而g部对护轨刚度影响较小，在满足强度要求的前提下，可以减小g部尺寸。
      护轨产生最大拉应力的部位为沿Z轴方向的i部区域，应力值为1338 MPa，远远超出了材料的许用拉应力。应力分布如图所示。各部的应力值为由图可知，各区应力分布不均匀，最大应力与最小应力之差超过1300MPa；7区应力小于100MPa，基本处于不受力状态，材料利用不充分。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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