搗固裝置箱體裂紋的分析與改進(jìn)

于曉偉　李冬冬　陳　建

中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司

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搗固裝置箱體裂紋的分析與改進(jìn)

于曉偉李冬冬陳建

中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司

通過對(duì)搗固裝置箱體裂紋產(chǎn)生的位置、原因和機(jī)理進(jìn)行分析，優(yōu)選出更為合理的箱體結(jié)構(gòu)方案并加以改進(jìn)，有效延長(zhǎng)搗固裝置箱體使用周期，降低搗固裝置使用保養(yǎng)費(fèi)用。

箱體裂紋機(jī)理優(yōu)選方案使用周期

0　引言

隨著搗固作業(yè)在鐵路線路養(yǎng)護(hù)工作中的日益普及，搗固裝置市場(chǎng)保有量不斷攀升。從現(xiàn)場(chǎng)售后服務(wù)和返廠修理工作中發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)一部分搗固裝置箱體存在著不同程度的裂紋。作為搗固裝置的基礎(chǔ)性部件，箱體裂紋不僅提高了搗固裝置的維修難度，而且也存在著導(dǎo)致箱體斷裂風(fēng)險(xiǎn)，為搗固作業(yè)帶來(lái)了相當(dāng)大的安全隱患。

1　搗固裝置箱體裂紋的存在形式

通過對(duì)搗固裝置箱體裂紋進(jìn)行梳理和歸類，發(fā)現(xiàn)搗固裝置箱體的裂紋主要存在兩種形式。第一種裂紋形式(如圖1所示)主要出現(xiàn)在箱體端板位置，裂紋從端板過渡圓角處開始擴(kuò)展，沿著與水平約30°角方向向端板內(nèi)部擴(kuò)展。第二種形式裂紋(如圖2所示)為焊接熱影響區(qū)的裂紋，該種形式的裂紋沿著焊縫進(jìn)行分布和延伸。

當(dāng)前，搗固裝置箱體有兩種構(gòu)型(如圖3所示)，第一種箱體構(gòu)型的焊接位置為支撐梁側(cè)面與端板側(cè)邊，只有一條焊縫，稱為單焊縫箱體。另一種箱體構(gòu)型有兩條焊縫，分別位于支撐梁與端板的側(cè)面位置和上邊位置，稱為雙焊縫箱體[1]。

圖1　搗固裝置端板位置裂紋Cracks in the end-plate of the tamping device

圖2　端板焊接熱影響區(qū)裂紋

圖3　搗固裝置兩種箱體構(gòu)型焊縫位置對(duì)比Comparison of the welding seam position in two different cabinets

通過對(duì)裂紋存在形式的分析和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)第一種裂紋形式主要存在于單焊縫箱體結(jié)構(gòu)中，第二種裂紋形式主要存在于雙焊縫箱體結(jié)構(gòu)中。

2　搗固裝置箱體裂紋產(chǎn)生的原因分析

為了進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)差異對(duì)箱體強(qiáng)度帶來(lái)的影響，根據(jù)搗固裝置工作時(shí)的三種工況(搗固狀態(tài)、夾持狀態(tài)和松開狀態(tài))[2]，分別對(duì)單焊縫箱體結(jié)構(gòu)和雙焊縫箱體結(jié)構(gòu)建立了應(yīng)力分布模型。單焊縫箱體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如圖4a-4c所示，雙焊縫箱體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如圖4d-4f所示。

單焊縫箱體在搗固、夾持和松開狀態(tài)下，最大von Mises應(yīng)力分別為68 MPa、57 MPa、60 MPa，均出現(xiàn)在端板與橫梁的楔塊連接位置。搗固裝置箱體材料的許用應(yīng)力ss≥230 MPa，因此，不同載荷工況最大von Mises應(yīng)力均小于各區(qū)域?qū)?yīng)的材料許用應(yīng)力，單焊縫箱體滿足靜強(qiáng)度評(píng)定要求。

雙焊縫箱體在搗固狀態(tài)下，最大von Mises應(yīng)力55 MPa出現(xiàn)在振動(dòng)軸軸承座的凸臺(tái)區(qū)域，保持和松開狀態(tài)下箱體的最大von Mises應(yīng)力58 MPa和51 MPa均出現(xiàn)在端板與橫梁的楔塊連接位置。同樣，搗固裝置箱體材料的許用應(yīng)力ss≥230 MPa，不同載荷工況最大von Mises應(yīng)力均小于各區(qū)域?qū)?yīng)的各材料許用應(yīng)力，雙焊縫箱體滿足靜強(qiáng)度評(píng)定要求。

4a 單焊縫箱體搗固狀態(tài)von Mises分布The von Mises distribution under tamping state of the single welded seam cabinet

4b 單焊縫箱體夾持狀態(tài)von Mises分布The von Mises distribution under clamping state of the single welded seam cabinet

4c 單焊縫箱體松開狀態(tài)von Mises分布

The von Mises distribution under releasing state of the single welded seam cabinet

4d 雙焊縫箱體搗固狀態(tài)von Mises分布

The von Mises distribution under tamping state of the double welded seam cabinet

4e 雙焊縫箱體夾持狀態(tài)von Mises分布The von Mises distribution under clamping state of the double welded seam cabinet

4f 雙焊縫箱體松開狀態(tài)von Mises分布The von Mises distribution under releasing state of the double welded seam cabinet 圖4　三種狀態(tài)下兩型搗固裝置箱體的應(yīng)力分析

計(jì)算表明，搗固裝置箱體裂紋不是由于材料強(qiáng)度不足引起塑形變形引起的，需進(jìn)一步分析。

現(xiàn)利用準(zhǔn)靜態(tài)方法結(jié)合線彈性有限元分析，按照最大主應(yīng)力準(zhǔn)則分析單元和節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，采用雨流計(jì)數(shù)法考慮材料的記憶效應(yīng)，最后經(jīng)過Goodman平均應(yīng)力修正，結(jié)合表面加工的材料S-N曲線，基于線性累計(jì)損傷理論[3]，最終得到箱體損傷及疲勞壽命結(jié)果，如圖5所示。

圖5　箱體疲勞壽命分析Fatigue lifetime analysis of the tamping device cabinet

通過箱體疲勞壽命分析發(fā)現(xiàn)，搗固裝置端板上的圓弧過渡位置，以及端板與橫梁的焊接位置為箱體易損位置，表明該處箱體裂紋主要由疲勞引起。

3　搗固裝置箱體結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

通過疲勞壽命模擬計(jì)算可發(fā)現(xiàn)，雙焊縫箱體的端板與橫梁位置有兩條焊縫，作用力作用于兩條焊縫上，其產(chǎn)生的應(yīng)力中值比單焊縫箱體結(jié)構(gòu)要小20%左右，本身其疲勞壽命大約比單焊縫箱體結(jié)構(gòu)要高20%～30%。而且，如要改善搗固裝置箱體易損部位的疲勞狀況，則需要在易損部位進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。但是單焊縫箱體已經(jīng)沒有足夠空間可以提供優(yōu)化，而對(duì)于雙焊縫箱體結(jié)構(gòu)，則可以在端板與橫梁上外鎬臂的安裝孔之間加焊連接塊(如圖6所示)，改善施工中外端板與橫梁鉸接位置的受力情況以提高其使用壽命。 所以，綜合來(lái)看，雙焊縫箱體結(jié)構(gòu)更加合理有效。

圖6　加焊連接塊后的箱體

經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后的雙焊縫箱體可以有效避免單焊縫箱體的缺陷，端板上的圓弧過渡位置以及端板與橫梁的焊接位置的薄弱環(huán)節(jié)得到了有效加強(qiáng)，這與實(shí)際情況相契合。從實(shí)際使用效果來(lái)看，焊接良好的單焊縫箱體使用壽命一般為5年左右，而經(jīng)過優(yōu)化的雙焊縫箱體使用壽命則可以達(dá)到8年左右。

進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過加焊連接塊的雙焊縫箱體易在連接塊位置出現(xiàn)裂紋，如前圖2所示。而箱體的應(yīng)力分析和疲勞分析結(jié)果均表明該位置非易損部位，通過對(duì)該位置的構(gòu)型進(jìn)行焊接模擬實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸焊接后的接頭(如圖7所示)，在焊塊底部存在未焊透的區(qū)域，而這往往成為裂紋產(chǎn)生的疲勞源。這主要是由于端板與支承梁組裝后，其接頭位置形成了約24°的開坡口的對(duì)接焊縫，加上端板位置有約10 mm的倒角，使得其焊接接頭形式為：根部的開坡口角焊縫+上部的斜V形坡口對(duì)接焊縫。由于根部角焊縫的焊接可達(dá)空間較小，在施焊時(shí)，焊料不能與母材完全熔合，易造成根部未焊透和角焊縫兩側(cè)未熔合的焊接缺陷。這種帶有缺陷的焊縫，在承受較大載荷和交變應(yīng)力時(shí)易在缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋，在載荷作用下，產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致箱體失效。

圖7　焊接接頭剖面The profile of the welded joint

為了解決這個(gè)問題，可將焊縫更改為斜V形坡口對(duì)接焊縫(如圖8所示)，坡口角度增大，焊接可操作性好，能實(shí)現(xiàn)對(duì)接焊縫與母材的有效熔合，在不減小焊縫厚度的情況下，確保焊縫根部的熔深及焊縫與母材有效熔合，從而獲得無(wú)缺陷的良好的承載焊縫。

圖8　改進(jìn)后的焊接接頭剖面The profile of the improved welded joint.

4　結(jié)論

綜上所述，雙焊縫箱體結(jié)構(gòu)在工作時(shí)的內(nèi)部應(yīng)力以及疲勞壽命均優(yōu)于單焊縫箱體結(jié)構(gòu)。雙焊縫箱體經(jīng)過連接塊加固，以及支承梁與端板的焊接接頭形式改進(jìn)之后，其使用壽命以及常見的裂紋損壞都得到了明顯的改善，證明雙焊縫箱體結(jié)構(gòu)改進(jìn)和工藝優(yōu)化之后更為合理、有效，切實(shí)的提高了產(chǎn)品的使用壽命，有效降低了作業(yè)使用風(fēng)險(xiǎn)和修理難度。

[1]劉國(guó)斌.搗固裝置作業(yè)特性分析及新型搗固裝置研制[D].浙江大學(xué),2011.

[2]PLASSER BAHNBAUMASCH FRANZ(AT).Tamping machine for tamping ballast under the sleepers of a railway track[P].歐洲專利:Ep1070787，2001-01-24.

[3]劉曉娟.基于累計(jì)損傷理論的焊接球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算[D].太原理工大學(xué),2010.

Analysis and Improvement of the Cracks in Tamping Device Cabinet

YuXiaoweiLiDongdongChenJian

CRRCQishuyanInstituteCo.,Ltd.

Through analyzing the position, the reason and the mechanism of cracks in the tamping device cabinet, the thesis aims at optimizing a more reasonable cabinet structure scheme in order to extend the service cycle of the tamping device and reduce its maintenance costs.

cabinet; crack; mechanics; optimum scheme; service cycle.

1006-8244(2016)01-032-04

TH132.41

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