摘　要：本文闡述了水平振動式搗固裝置振動的工作原理，分析了振動軸斷裂的原因，并從振動軸的結構和約束上進行優化，采用有限元方法對優化措施進行驗證，實際應用結果表明振動軸使用壽命得到了極大的延長。
　　關鍵詞：振動軸；有限元分析；優化
　　1　前言
　　水平振動式搗固裝置是引進美國Hasrco Rail公司技術生產的一種新型搗固裝置，在國內投入使用后，在作業約100km左右時頻繁出現內側振動軸斷裂的故障，斷裂位置集中在振動軸底部R4圓角處。
　　2　水平振動式搗固裝置振動工作原理
　　水平振動式搗固裝置激振器總成工作原理圖如圖1所示。液壓馬達通過聯軸器與偏心軸相連，為搗鎬提供50Hz的擺動頻率，在此頻率下搗鎬振動產生正位移振幅約為9.5mm。
　　3　振動軸斷裂原因分析
　　水平振動式搗固裝置振動軸部位結構如圖2所示，結合整個搗固裝置框架分析，作業時搗鎬下插力和夾持力的反作用力傳遞路線為搗鎬—搗鎬座—振動軸—軸承座—潤滑油箱—殼體支撐板—夾持銷軸—搗固框架。 　　從振動軸斷裂狀態分析，主要原因如下：
　　（1）整個振動軸在R4的圓角上半部分由軸承座和軸承對其進行約束，而振動軸R4圓角以下部分與軸承座之間沒有支撐，只有一個油封，在R4圓角位置是懸臂結構，而R4圓角位置是一個應力集中點。
　　（2）搗固裝置在下插和夾持過程中，由于下插角度及夾持力的存在，振動軸受到一個橫向的剪切力，在長時間的交變應力作用下或在板結地段作業工況比較惡劣的情況下均可能導致振動軸疲勞斷裂。
　　（3）與連桿搖擺振動式搗固裝置相比，本水平振動式搗固裝置內側搗鎬采用2把搗鎬背靠背組成兩排的形式，作業時搗鎬背靠背排列會將4把搗鎬與其中間的石砟形成一個封閉的矩形（如圖3所示），這樣在搗鎬下插時會推著中間的石砟向下運動，增加了下插阻力，同時兩排相鄰搗鎬間的振動也會通過夾在搗鎬間的石砟互相傳遞，使得搗鎬之間收到了額外的附加載荷。 　　4　振動軸斷裂處理方式
　　經以上分析并結合搗固裝置實際情況，為改善振動軸作業過程的受力狀況，從以下兩個方面對振動軸進行處理，如圖4所示。
　　（1）對振動軸結構進行改進，將R4的圓角改為R6，從而改善圓角處的應力集中情況。
　　（2）加長軸承座，在軸承座與搗鎬座之間部位（即懸臂部分）加裝支撐軸承，減小懸臂長度，使夾持力的反作用力通過此軸承傳遞至整個搗固裝置箱體，使受力Z大的位置避開了應力集中點。 　　5　有限元分析
　　5.1　原方案分析
　　在ANSYS中建立振動軸實體模型，采用自適應智能網格的劃分方法，局部區域人工干預，底架共離散為185780個節點，形成solid 185號實體單元15986個。實體模型和有限元模型如圖5所示。 　　振動軸所承受的載荷為17kN的徑向夾持力和12.5kN的軸向下插力，根據其結構特點在滾動軸承處約束徑向位移，在兩個臺階限位處施加軸向約束。 　　分析結果如圖6所示，振動軸Z大等效應力為53.6MPa，位于搗鎬座端過渡圓弧處。
　　5.2　改進后方案分析
　　按改進后的振動軸結構及安裝方式重新建立振動軸的有限元模型，在原約束的基礎上增加搗鎬座處軸承位的徑向約束。
　　新方案搗鎬座應力36.6MPa，Z大應力所處的位置不變，應力值與原方案相比降低了32%（如圖7所示）。 　　6　改進后振動軸試驗情況
　　改進完成之后的搗固裝置在泰安新線進行了作業考核，ZG4412和ZG5222兩臺DCL-32x型連續式搗固車分別作業337km和322km，改進后的振動軸表現良好，均未再出現上述斷裂故障。
　　7　結束語
　　水平振動式搗固裝置內側振動軸斷裂的兩個主要因素為：一是振動軸R4圓角下部缺乏約束，致使整個軸成為一個懸臂結構，在長時間、頻繁的交變應力作用下從薄弱處發生斷裂；二是搗鎬排列形式大大增加了搗固裝置下插阻力，使振動軸受力情況較為惡劣。
　　基于以上分析所采取的改進措施，大大延長了振動軸的使用壽命；同時也說明國產化搗固裝置由于使用環境等發生重大變化，仍具有很多可以改進完善的空間。