DCL—32搗固裝置內(nèi)鎬臂裂紋失效分析及預(yù)防

翟仕樂

摘 要：簡要介紹搗固裝置的發(fā)展歷程，分析搗固裝置的主要結(jié)構(gòu)和工作原理。對其中受力較大的零件——鎬臂進(jìn)行受力分析，找出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，并提出在維修保養(yǎng)時(shí)進(jìn)行針對性的檢查和修復(fù)，防止結(jié)構(gòu)損壞影響施工。

關(guān)鍵詞：搗固裝置；鎬臂；受力分析；檢查預(yù)防

1 概述

根據(jù)國家中長期政策目標(biāo)，最新《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中提出：計(jì)劃到2020年前后，會(huì)建成投產(chǎn)大批標(biāo)志性項(xiàng)目，鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)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(dòng)車仍采用有碴軌道。隨著我國鐵路運(yùn)輸逐步向高速重載方向發(fā)展，線路養(yǎng)護(hù)的重要性越來越凸顯出來，成為鐵路運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵項(xiàng)目之一。

搗固車作為大型養(yǎng)路機(jī)械中的關(guān)鍵裝備，全國共有一千多臺(tái)。在我國線路上使用的主要車型有：DC-32搗固車、DCL-32連續(xù)走行搗固車、CDC-16道岔搗固車和DWL-48連續(xù)走行搗固穩(wěn)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(jié)道床，搗固鋼軌兩側(cè)的軌枕底部的道砟，提高軌枕底部道砟的密實(shí)度，并與起撥道裝置等配合作業(yè)，使軌道方向、左右水平和前后高低均恢復(fù)到線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，增加了軌道的平順性和穩(wěn)定性，進(jìn)而保證了列車安全運(yùn)行。

2 搗固裝置的發(fā)展歷程

在上世紀(jì)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?shù)裙ぞ咛У筋A(yù)定高度，再用搗鎬等工具將道砟塞進(jìn)軌枕的下方，以保證達(dá)到統(tǒng)一的高度。整個(gè)過程耗費(fèi)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(shù)的發(fā)展，發(fā)明家們開始研究用機(jī)械取代人工進(jìn)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(jī)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(gè)軌枕下方都進(jìn)行搗固，超出了所需的搗固范圍。

隨后，更多的發(fā)明家開始注冊了關(guān)于搗固機(jī)械的專利。1933年由舒切爾先生在瑞士注冊的一種作業(yè)裝置對現(xiàn)代搗固機(jī)械的產(chǎn)生最為重要。他的機(jī)構(gòu)主要有兩種運(yùn)動(dòng)，一種是搗固工具的振動(dòng)，這種振動(dòng)由偏心機(jī)構(gòu)生成；第二種運(yùn)動(dòng)是利用搗固工具的合緊，將道砟擠壓到軌枕的下方。整個(gè)機(jī)構(gòu)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(jié)的道床打散，該機(jī)構(gòu)靠電力驅(qū)動(dòng)。

舒切爾先生的機(jī)構(gòu)奠定了現(xiàn)代搗固裝置的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。1953年，奧地利的普拉薩·陶伊爾在此基礎(chǔ)上發(fā)明了一種新的搗固機(jī)械：PlasserVKR01型。該專利第一次提到由液壓作為機(jī)構(gòu)的動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)搗鎬的合緊動(dòng)作。由于液壓的特性，可以在不同的搗鎬上產(chǎn)生同樣的合緊力，每個(gè)搗鎬都可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的動(dòng)作。這種搗鎬獨(dú)立動(dòng)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(shí)性更加均勻。目前，世界上主要有Plasser、MATIS、HTT三家公司生產(chǎn)搗固裝置，其中以Plasser公司生產(chǎn)的搗固裝置技術(shù)最為成熟，應(yīng)用最為廣泛。

3 搗固裝置結(jié)構(gòu)及工作原理簡介

3.1 搗固裝置的主要結(jié)構(gòu)

雖然搗固裝置有多種型號，但他們的結(jié)構(gòu)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(jī)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(dòng)軸部件。振動(dòng)軸部件的作用是產(chǎn)生振動(dòng)，主要由偏心軸和一系列振動(dòng)軸承組成，安裝有單耳內(nèi)油缸和叉形內(nèi)油缸。

（3）油缸部件。油缸部件一方面與振動(dòng)軸的偏心檔、鎬臂和箱體組成連桿機(jī)構(gòu)，將振動(dòng)軸偏心檔的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為鎬臂的搖擺振動(dòng)，另一方面通過活塞桿的伸縮驅(qū)動(dòng)鎬臂完成夾持動(dòng)作。

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

（5）導(dǎo)柱部件。為搗固裝置的提升和下降動(dòng)作提供導(dǎo)向。

（6）分配體部件。實(shí)際是一個(gè)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(dòng)管路匯總，方便與整車接口。

（7）行程限制部件。通過調(diào)整油缸活塞桿的行程來改變搗鎬的下插位置，來適應(yīng)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(hù)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(dòng)發(fā)生原理和異步穩(wěn)壓原理。

振動(dòng)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(dòng)軸、油缸、鎬臂組成了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)振動(dòng)軸做定軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)將偏心檔的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成鎬臂的微幅擺動(dòng)。此為搗固裝置的振動(dòng)發(fā)生原理。

鎬臂的夾持動(dòng)作是由液壓油缸來驅(qū)動(dòng)的，根據(jù)液壓油路的特性，油缸產(chǎn)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(shí)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(dòng)作最終結(jié)束時(shí)，搗鎬的夾持力與道砟的阻力實(shí)現(xiàn)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(shí)效果是相同的，此為穩(wěn)壓原理。異步穩(wěn)壓原理的優(yōu)勢在于，通過液壓特性對搗鎬的夾持運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，最終使各處道砟達(dá)到相同的密實(shí)程度。

4 受力分析

4.1 搗固裝置動(dòng)力學(xué)分析

動(dòng)力學(xué)模擬用專業(yè)軟件ADAMS進(jìn)行?？紤]運(yùn)算時(shí)間等其它因素，將內(nèi)鎬臂、外鎬臂、內(nèi)油缸、外油缸和偏心軸5個(gè)部件視為剛體，將箱體模擬為缺省系統(tǒng)坐標(biāo)系。

建模時(shí)，內(nèi)鎬臂、外鎬臂、內(nèi)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(dòng)力學(xué)模型如圖2，3所示。

偏心軸以35Hz的頻率進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于偏心2.5mm，所以機(jī)構(gòu)產(chǎn)生周期性的振動(dòng)。線路工況中一個(gè)工作周期的負(fù)荷變化分布圖4，表1所示，以此為根據(jù)，選取線路工況在總的里程中比例，編輯成完整的隨機(jī)載荷譜。

鎬臂銷軸孔節(jié)點(diǎn)的x向和y向分力時(shí)間載荷歷程如圖5所示。

4.2 鎬臂有限元分析

鎬臂承擔(dān)搗固裝置的傳遞所有作用力，而且其搗固工作狀態(tài)下環(huán)境更為惡劣，因此必須具備足夠的強(qiáng)度承受搗鎬搗固地面時(shí)作用于鎬臂靜載荷和動(dòng)載荷。作為搗固裝置的重要工作部件，其強(qiáng)度直接關(guān)系到搗固車運(yùn)行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性等。搗固裝置的鎬臂分為外鎬臂和內(nèi)鎬臂。外鎬臂外觀平直，內(nèi)鎬臂造型復(fù)雜，因而內(nèi)鎬臂的內(nèi)力情況更為復(fù)雜，應(yīng)力集中情況更多。內(nèi)鎬臂分為對稱內(nèi)鎬臂和不對稱內(nèi)鎬臂兩種，顯然不對稱內(nèi)鎬臂的受力情況更為惡劣，故本節(jié)以不對稱內(nèi)鎬臂為對象進(jìn)行靜強(qiáng)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(jì)算方法。

4.2.2 單元介紹

BEAM188-3-D線性有限應(yīng)變梁：

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

BEAM188 是一個(gè)二節(jié)點(diǎn)三維線性梁。BEAM188在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有6或7個(gè)自由度，數(shù)目的變化，由KEYOPT（1）來控制。當(dāng)KEYOPT（1）=0時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度。分別沿x軸、y軸、z軸的位移及繞其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)KEYOPT（1）=1時(shí)，會(huì)增加一個(gè)自由度（即第七自由度翹曲量）。這個(gè)元素能很好地應(yīng)用于線性（分析）中，大偏轉(zhuǎn)、大應(yīng)力的非線性（分析）。

BEAM188包含了應(yīng)力剛度，在默認(rèn)的情況下，在某些分析中，用 NLGEOM來打開。當(dāng)進(jìn)行彎曲（flexural）、側(cè)向彎曲（lateral）、扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性（torsional stability）分析的時(shí)候，應(yīng)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(gè)元素）的情況下，記錄下這個(gè)比值是非常重要的。當(dāng)懸臂梁受到向下的負(fù)載時(shí)，懸臂梁的向下負(fù)載會(huì)產(chǎn)生橫向切應(yīng)變的一個(gè)估評。雖然這樣的結(jié)果還不能外推到所有的情況，卻可以作為指導(dǎo)。推薦細(xì)長比大于30時(shí)。

扭轉(zhuǎn)變形的St.Venant翹曲，決定了一個(gè)綜合狀態(tài)，它能使材料在屈服后的切應(yīng)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(zhuǎn)負(fù)載引起的大的非彈性變形，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行討論。（ANSYS）會(huì)檢查并給出警告。在這種情況下，推薦用實(shí)體或殼模型來代替，在默認(rèn)的情況下，BEAM188元素假設(shè)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(yīng)變桿（或桁架）單元：

LINK180三維有限應(yīng)變桿單元，是被廣泛應(yīng)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(gè)節(jié)點(diǎn)都有三個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X軸Y軸Z軸方向的平動(dòng)。如同鉸接結(jié)構(gòu)一樣，此單元不承受彎矩，具有蠕變、旋轉(zhuǎn)、塑性、大應(yīng)變、大變形等功能。在默認(rèn)的情況下，能進(jìn)行任何假設(shè)分析，當(dāng)用命令NLGEOM，ON的時(shí)候，LINK180單元的應(yīng)力剛化效應(yīng)開關(guān)被打開。同時(shí)該單元還具有各向同性塑性硬化、Hill（各向異性塑性）、動(dòng)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(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及單元坐標(biāo)系。單元通過兩個(gè)節(jié)點(diǎn)、橫截面的面積（AREA）、單位長度的質(zhì)量（ADDMAS）以及材料的屬性來定義。該單元的X軸是沿節(jié)點(diǎn)I到節(jié)點(diǎn)J的單元長度方向。LINK180單元允許通過改變截面面積來實(shí)現(xiàn)軸向伸長的功能。缺省時(shí)，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(shè)置KEYOPT（2），使截面面積保持不變（或剛性）。單元的結(jié)果輸出有兩種形式：

（1）包括所有節(jié)點(diǎn)解的節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)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(shù)在桿上具有相同的應(yīng)力。

在有限元的建模過程中，內(nèi)鎬臂離散的節(jié)點(diǎn)數(shù)為：229762，單位個(gè)數(shù)為147946， 彈性模量為190GPa， 泊松比為 0.25。實(shí)體模型及有限元模型，如圖10所示。

4.2.3 靜強(qiáng)度計(jì)算工況及載荷的確定

搗固裝置在作業(yè)過程中，要經(jīng)過搗固、保持和松開三種計(jì)算工況。各工況的載荷計(jì)算方法，通過ADAMS隨機(jī)載荷曲線的極限值，提取參數(shù)。作用于箱體上的作用力，方向和位置，如圖11（箱體機(jī)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(jī)械性能見表3。為確保安全，取安全系數(shù)S=2.0，進(jìn)行許用應(yīng)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(yīng)力均小于各區(qū)域?qū)?yīng)的各材料許用應(yīng)力，因此鎬臂滿足靜強(qiáng)度評定要求。載荷分別加載時(shí)，在三種工況下，最大von Mises應(yīng)力均出現(xiàn)在鎬臂板與凸臺(tái)連接區(qū)域如圖18所示。

5 維護(hù)保養(yǎng)和檢查預(yù)防

裂紋對于鎬臂來說是較常見且對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度造成較大影響的損壞方式。一方面在振動(dòng)和沖擊的情況下本身容易產(chǎn)生疲勞裂紋，另一方面裂紋產(chǎn)生時(shí)極為隱蔽較難發(fā)現(xiàn)，一旦裂紋發(fā)展擴(kuò)大將無法修復(fù)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度和施工都影響較小，而且大修時(shí)可進(jìn)行修復(fù)。

因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋并進(jìn)行修復(fù)處理可以減少設(shè)備的故障率，減少內(nèi)鎬臂報(bào)廢的數(shù)量從而降低設(shè)備維護(hù)成本。

根據(jù)受力分析，裂紋可能發(fā)生在板形結(jié)構(gòu)與塊形結(jié)構(gòu)的交接位置。在日常維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些位置，發(fā)現(xiàn)裂紋及時(shí)上報(bào)和處理，以免裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大，造成零件報(bào)廢和影響施工進(jìn)度。在搗固裝置檢修時(shí)，需對以下位置進(jìn)行磁粉探傷（見圖19）。同理推斷，需對對稱內(nèi)鎬臂的相應(yīng)位置進(jìn)行磁粉探傷。

探傷發(fā)現(xiàn)裂紋后，檢查裂紋擴(kuò)展情況，如果裂紋較淺，可進(jìn)行焊補(bǔ)修復(fù)。但必須將裂紋打磨消除后（如圖20），才可進(jìn)行焊補(bǔ)。如果裂紋擴(kuò)展較深，難以打磨消除干凈，焊接無法滿足強(qiáng)度要求，鎬臂報(bào)廢。

6 結(jié)束語

搗固作業(yè)歷經(jīng)了由人工作業(yè)發(fā)展到大型機(jī)械化作業(yè)的漫長過程，其結(jié)構(gòu)和工作原理日趨成熟。但由于作業(yè)的工況惡劣，機(jī)構(gòu)受力復(fù)雜，其機(jī)械部件難免出現(xiàn)損壞，鎬臂就是其中的一種。在搗固作業(yè)過程中，鎬臂不僅本身進(jìn)行受迫高頻振動(dòng)，還要承受下插時(shí)的沖擊力和加持時(shí)的彎矩。其中的內(nèi)鎬臂由于外形結(jié)構(gòu)比外鎬臂復(fù)雜，受力情況更為惡劣。

考慮到內(nèi)鎬臂制造成本高，且在現(xiàn)場更換困難，需要在大修時(shí)盡可能多的發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行修復(fù)，以減少零件報(bào)廢，避免影響施工進(jìn)度和現(xiàn)場維修，從而降低設(shè)備使用維護(hù)成本。使用有限元的方法對零件受力進(jìn)行仿真計(jì)算，找到結(jié)構(gòu)的薄弱之處，為探傷檢查的位置提供了理論指導(dǎo)。為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

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