DCL—32搗固裝置內鎬臂裂紋失效分析及預防

摘 要：簡要介紹搗固裝置的發展歷程，分析搗固裝置的主要結構和工作原理。對其中受力較大的零件——鎬臂進行受力分析，找出結構的薄弱環節，并提出在維修保養時進行針對性的檢查和修復，防止結構損壞影響施工。

關鍵詞：搗固裝置；鎬臂；受力分析；檢查預防

1 概述

根據國家中長期政策目標，最新《中長期鐵路網規劃》中提出：計劃到2020年前后，會建成投產大批標志性項目，鐵路網規模將達到15萬公里，其中高速鐵路超過3萬公里，覆蓋中國80%以上的大城市。目前，300km/h的高速鐵路多為無碴線路，200～250km/h的動車仍采用有碴軌道。隨著我國鐵路運輸逐步向高速重載方向發展，線路養護的重要性越來越凸顯出來，成為鐵路運輸的關鍵項目之一。

搗固車作為大型養路機械中的關鍵裝備，全國共有一千多臺。在我國線路上使用的主要車型有：DC-32搗固車、DCL-32連續走行搗固車、CDC-16道岔搗固車和DWL-48連續走行搗固穩定車等。

搗固裝置是搗固車的主要工作裝置，也是該車的核心部件之一。其主要作用是打散板結道床，搗固鋼軌兩側的軌枕底部的道砟，提高軌枕底部道砟的密實度，并與起撥道裝置等配合作業，使軌道方向、左右水平和前后高低均恢復到線路設計標準的要求，增加了軌道的平順性和穩定性，進而保證了列車安全運行。

2 搗固裝置的發展歷程

在上世紀五十年代以前，道砟搗固主要是通過大批人工用叉子、鐵鍬和搗鎬來完成的。每根軌枕都必須先用千斤頂等工具抬到預定高度，再用搗鎬等工具將道砟塞進軌枕的下方，以保證達到統一的高度。整個過程耗費了大量的人力物力，而線路的精度和耐久度卻無法保證。

隨著技術的發展，發明家們開始研究用機械取代人工進行線路搗固。1893年，埃文斯先生首先在美國的專利中介紹了一種機械裝置，這種裝置可以在軌道上行駛，使用許多把搗鎬將道砟推到軌枕下方。但這種裝置對整個軌枕下方都進行搗固，超出了所需的搗固范圍。

隨后，更多的發明家開始注冊了關于搗固機械的專利。1933年由舒切爾先生在瑞士注冊的一種作業裝置對現代搗固機械的產生最為重要。他的機構主要有兩種運動，一種是搗固工具的振動，這種振動由偏心機構生成；第二種運動是利用搗固工具的合緊，將道砟擠壓到軌枕的下方。整個機構可以作為整體來升起和下降，從而將搗鎬插入到道床中，并通過沖擊力將板結的道床打散，該機構靠電力驅動。

舒切爾先生的機構奠定了現代搗固裝置的結構基礎。1953年，奧地利的普拉薩·陶伊爾在此基礎上發明了一種新的搗固機械：PlasserVKR01型。該專利第一次提到由液壓作為機構的動力，驅動搗鎬的合緊動作。由于液壓的特性，可以在不同的搗鎬上產生同樣的合緊力，每個搗鎬都可以實現獨立的動作。這種搗鎬獨立動作被稱為異步搗固模式，這種搗固模式可以使道砟在軌枕下面的密實性更加均勻。目前，世界上主要有Plasser、MATIS、HTT三家公司生產搗固裝置，其中以Plasser公司生產的搗固裝置技術最為成熟，應用最為廣泛。

3 搗固裝置結構及工作原理簡介

3.1 搗固裝置的主要結構

雖然搗固裝置有多種型號，但他們的結構組成是相似的。以DCL-32型搗固裝置為例，搗固裝置主要由以下幾大部件組成（如圖1所示）：

（1）箱體部件。箱體屬于機架部分，由鑄鋼件和鋼板等零件焊接而成。其上安裝其他各部件，并承受各部件的作用力。

（2）振動軸部件。振動軸部件的作用是產生振動，主要由偏心軸和一系列振動軸承組成，安裝有單耳內油缸和叉形內油缸。

（3）油缸部件。油缸部件一方面與振動軸的偏心檔、鎬臂和箱體組成連桿機構，將振動軸偏心檔的旋轉轉化為鎬臂的搖擺振動，另一方面通過活塞桿的伸縮驅動鎬臂完成夾持動作。

（4）鎬臂部件。根據安裝位置的不同，分為內鎬臂和外鎬臂。鎬臂下部安裝有搗鎬，將振動力和加持力傳遞給搗鎬，同時承受搗鎬的反作用力。

（5）導柱部件。為搗固裝置的提升和下降動作提供導向。

（6）分配體部件。實際是一個由液壓油路和壓縮空氣管路組成的分配塊，將搗固裝置上各處液壓和氣動管路匯總，方便與整車接口。

（7）行程限制部件。通過調整油缸活塞桿的行程來改變搗鎬的下插位置，來適應不同的軌枕間距。

（8）支承臂及油箱部件。一方面為各稀油潤滑部位供油；另一方面作為飛輪罩，起到安全防護作用。

3.2 搗固裝置的工作原理

搗固裝置的工作原理主要分為兩方面：振動發生原理和異步穩壓原理。

振動軸的直檔部分與箱體鉸接，偏心檔部分與油缸的一端鉸接，油缸的另一端與鎬臂的上端鉸接，鎬臂的中部與箱體鉸接。這樣，箱體、振動軸、油缸、鎬臂組成了曲柄搖桿機構，當振動軸做定軸旋轉時，連桿機構將偏心檔的圓周運動轉化成鎬臂的微幅擺動。此為搗固裝置的振動發生原理。

鎬臂的夾持動作是由液壓油缸來驅動的，根據液壓油路的特性，油缸產生的加持力是相同的。而線路各處的道砟疏密程度是不同的，所以道砟疏松的地方搗鎬所受阻力就小，搗鎬夾持速度就快，道砟密實的地方搗鎬所受阻力就大，搗鎬夾持速度就慢，此為異步原理。夾持動作最終結束時，搗鎬的夾持力與道砟的阻力實現平衡。由于各油缸的夾持力是相同的，所以線路各處道砟的阻力也是相同的，即密實效果是相同的，此為穩壓原理。異步穩壓原理的優勢在于，通過液壓特性對搗鎬的夾持運動進行自動調整，最終使各處道砟達到相同的密實程度。

4 受力分析

4.1 搗固裝置動力學分析

動力學模擬用專業軟件ADAMS進行。考慮運算時間等其它因素，將內鎬臂、外鎬臂、內油缸、外油缸和偏心軸5個部件視為剛體，將箱體模擬為缺省系統坐標系。

建模時，內鎬臂、外鎬臂、內油缸、外油缸和偏心軸部件等屬性通過Body元素來定義，之間的銷軸連接等約束來定義，動力學模型如圖2，3所示。

偏心軸以35Hz的頻率進行旋轉運動，由于偏心2.5mm，所以機構產生周期性的振動。線路工況中一個工作周期的負荷變化分布圖4，表1所示，以此為根據，選取線路工況在總的里程中比例，編輯成完整的隨機載荷譜。

鎬臂銷軸孔節點的x向和y向分力時間載荷歷程如圖5所示。

4.2 鎬臂有限元分析

鎬臂承擔搗固裝置的傳遞所有作用力，而且其搗固工作狀態下環境更為惡劣，因此必須具備足夠的強度承受搗鎬搗固地面時作用于鎬臂靜載荷和動載荷。作為搗固裝置的重要工作部件，其強度直接關系到搗固車運行的安全性、可靠性、穩定性等。搗固裝置的鎬臂分為外鎬臂和內鎬臂。外鎬臂外觀平直，內鎬臂造型復雜，因而內鎬臂的內力情況更為復雜，應力集中情況更多。內鎬臂分為對稱內鎬臂和不對稱內鎬臂兩種，顯然不對稱內鎬臂的受力情況更為惡劣，故本節以不對稱內鎬臂為對象進行靜強度分析。

4.2.1 非線性有限元處理方法

鎬臂為低合金鑄鋼件，采用ANSYS中梁單元BEAM188模擬銷軸和只受壓不受拉的桿單元LINK180模擬鎬臂與鎬臂孔的連接，采用大變形計算方法。

4.2.2 單元介紹

BEAM188-3-D線性有限應變梁：

BEAM188適用于分析細長梁。各元素基于Timoshenko 梁理論。具有扭切變形效果。

BEAM188 是一個二節點三維線性梁。BEAM188在每個節點上有6或7個自由度，數目的變化，由KEYOPT（1）來控制。當KEYOPT（1）=0時，每個節點有6個自由度。分別沿x軸、y軸、z軸的位移及繞其軸的轉動。當KEYOPT（1）=1時，會增加一個自由度（即第七自由度翹曲量）。這個元素能很好地應用于線性（分析）中，大偏轉、大應力的非線性（分析）。

BEAM188包含了應力剛度，在默認的情況下，在某些分析中，用 NLGEOM來打開。當進行彎曲（flexural）、側向彎曲（lateral）、扭轉穩定性（torsional stability）分析的時候，應力剛度是被打開的。

BEAM188能夠采用SECTYPE，SECDATA，SECOFFSET，SECWRITE和SECREAD來定義任何形狀的截面。彈性、蠕變、和塑性模型都是允許的（其中不考慮次截面的形狀）。

在整體（偏移）距離（不是單個元素）的情況下，記錄下這個比值是非常重要的。當懸臂梁受到向下的負載時，懸臂梁的向下負載會產生橫向切應變的一個估評。雖然這樣的結果還不能外推到所有的情況，卻可以作為指導。推薦細長比大于30時。

扭轉變形的St.Venant翹曲，決定了一個綜合狀態，它能使材料在屈服后的切應力變得平均。ANSYS不提供對橫截面上扭切分布情況的換算。所以，因扭轉負載引起的大的非彈性變形，應當進行討論。（ANSYS）會檢查并給出警告。在這種情況下，推薦用實體或殼模型來代替，在默認的情況下，BEAM188元素假設橫截面上的彎曲很小，可以被忽略（KEYOPT（1）=0）。可以使用KEYOPT（1）=1，打開彎曲度的自由度。

LINK180——三維有限應變桿（或桁架）單元：

LINK180三維有限應變桿單元，是被廣泛應用的桿單元，用它可以模擬彈簧、纜索、連桿、桁架等。這種三維桿單元是桿軸方向的拉壓單元，每個節點都有三個自由度：沿節點坐標系X軸Y軸Z軸方向的平動。如同鉸接結構一樣，此單元不承受彎矩，具有蠕變、旋轉、塑性、大應變、大變形等功能。在默認的情況下，能進行任何假設分析，當用命令NLGEOM，ON的時候，LINK180單元的應力剛化效應開關被打開。同時該單元還具有各向同性塑性硬化、Hill（各向異性塑性）、動力塑性硬化、Chaboche（非線性塑性硬化）、彈性、以及蠕變等性能。僅受拉或僅受壓，桿單元詳見LINK10。

圖8給出了該單元的幾何圖形、節點坐標及單元坐標系。單元通過兩個節點、橫截面的面積（AREA）、單位長度的質量（ADDMAS）以及材料的屬性來定義。該單元的X軸是沿節點I到節點J的單元長度方向。LINK180單元允許通過改變截面面積來實現軸向伸長的功能。缺省時，單元的截面面積改變，但體積保持不變，即使變形后亦是如此，缺省值適用于彈、塑性分析。也可以通過設置KEYOPT（2），使截面面積保持不變（或剛性）。單元的結果輸出有兩種形式：

（1）包括所有節點解的節點位移；（2）附加的單元輸出，如圖9 Stress Output。

桿單元假定是一直桿，軸向載荷作用在末端，從桿的一端到另一端，均為同一屬性。桿長大于零，所以節點I和J不重合。面積大于零。假定溫度沿桿長線性變化，則：位移函數在桿上具有相同的應力。

在有限元的建模過程中，內鎬臂離散的節點數為：229762，單位個數為147946， 彈性模量為190GPa， 泊松比為 0.25。實體模型及有限元模型，如圖10所示。

4.2.3 靜強度計算工況及載荷的確定

搗固裝置在作業過程中，要經過搗固、保持和松開三種計算工況。各工況的載荷計算方法，通過ADAMS隨機載荷曲線的極限值，提取參數。作用于箱體上的作用力，方向和位置，如圖11（箱體機械載荷作用位置和方向），表2（工況載荷）所示。

低合金鑄鋼的機械性能見表3。為確保安全，取安全系數S=2.0，進行許用應力校核。

從圖12到圖17中可以看出，不同載荷工況最大von Mises應力均小于各區域對應的各材料許用應力，因此鎬臂滿足靜強度評定要求。載荷分別加載時，在三種工況下，最大von Mises應力均出現在鎬臂板與凸臺連接區域如圖18所示。

5 維護保養和檢查預防

裂紋對于鎬臂來說是較常見且對結構的強度造成較大影響的損壞方式。一方面在振動和沖擊的情況下本身容易產生疲勞裂紋，另一方面裂紋產生時極為隱蔽較難發現，一旦裂紋發展擴大將無法修復甚至在施工中直接斷裂。而其他損壞例如鉸接孔磨損和搗鎬安裝孔磨損對結構強度和施工都影響較小，而且大修時可進行修復。

因此，及時發現裂紋并進行修復處理可以減少設備的故障率，減少內鎬臂報廢的數量從而降低設備維護成本。

根據受力分析，裂紋可能發生在板形結構與塊形結構的交接位置。在日常維護保養時，應重點關注這些位置，發現裂紋及時上報和處理，以免裂紋進一步擴大，造成零件報廢和影響施工進度。在搗固裝置檢修時，需對以下位置進行磁粉探傷（見圖19）。同理推斷，需對對稱內鎬臂的相應位置進行磁粉探傷。

探傷發現裂紋后，檢查裂紋擴展情況，如果裂紋較淺，可進行焊補修復。但必須將裂紋打磨消除后（如圖20），才可進行焊補。如果裂紋擴展較深，難以打磨消除干凈，焊接無法滿足強度要求，鎬臂報廢。

6 結束語

搗固作業歷經了由人工作業發展到大型機械化作業的漫長過程，其結構和工作原理日趨成熟。但由于作業的工況惡劣，機構受力復雜，其機械部件難免出現損壞，鎬臂就是其中的一種。在搗固作業過程中，鎬臂不僅本身進行受迫高頻振動，還要承受下插時的沖擊力和加持時的彎矩。其中的內鎬臂由于外形結構比外鎬臂復雜，受力情況更為惡劣。

考慮到內鎬臂制造成本高，且在現場更換困難，需要在大修時盡可能多的發現問題并進行修復，以減少零件報廢，避免影響施工進度和現場維修，從而降低設備使用維護成本。使用有限元的方法對零件受力進行仿真計算，找到結構的薄弱之處，為探傷檢查的位置提供了理論指導。為同類產品的設計生產提供參考依據。

參考文獻

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