摘　要：本文闡述了水平振動(dòng)式搗固裝置振動(dòng)的工作原理，分析了振動(dòng)軸斷裂的原因，并從振動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)和約束上進(jìn)行優(yōu)化，采用有限元方法對(duì)優(yōu)化措施進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明振動(dòng)軸使用壽命得到了極大的延長(zhǎng)。
　　關(guān)鍵詞：振動(dòng)軸；有限元分析；優(yōu)化
　　1　前言
　　水平振動(dòng)式搗固裝置是引進(jìn)美國(guó)Hasrco Rail公司技術(shù)生產(chǎn)的一種新型搗固裝置，在國(guó)內(nèi)投入使用后，在作業(yè)約100km左右時(shí)頻繁出現(xiàn)內(nèi)側(cè)振動(dòng)軸斷裂的故障，斷裂位置集中在振動(dòng)軸底部R4圓角處。
　　2　水平振動(dòng)式搗固裝置振動(dòng)工作原理
　　水平振動(dòng)式搗固裝置激振器總成工作原理圖如圖1所示。液壓馬達(dá)通過(guò)聯(lián)軸器與偏心軸相連，為搗鎬提供50Hz的擺動(dòng)頻率，在此頻率下?lián)v鎬振動(dòng)產(chǎn)生正位移振幅約為9.5mm。
　　3　振動(dòng)軸斷裂原因分析
　　水平振動(dòng)式搗固裝置振動(dòng)軸部位結(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)合整個(gè)搗固裝置框架分析，作業(yè)時(shí)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(dòng)軸—軸承座—潤(rùn)滑油箱—殼體支撐板—夾持銷(xiāo)軸—搗固框架。 　　從振動(dòng)軸斷裂狀態(tài)分析，主要原因如下：
　　（1）整個(gè)振動(dòng)軸在R4的圓角上半部分由軸承座和軸承對(duì)其進(jìn)行約束，而振動(dòng)軸R4圓角以下部分與軸承座之間沒(méi)有支撐，只有一個(gè)油封，在R4圓角位置是懸臂結(jié)構(gòu)，而R4圓角位置是一個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)。
　　（2）搗固裝置在下插和夾持過(guò)程中，由于下插角度及夾持力的存在，振動(dòng)軸受到一個(gè)橫向的剪切力，在長(zhǎng)時(shí)間的交變應(yīng)力作用下或在板結(jié)地段作業(yè)工況比較惡劣的情況下均可能導(dǎo)致振動(dòng)軸疲勞斷裂。
　　（3）與連桿搖擺振動(dòng)式搗固裝置相比，本水平振動(dòng)式搗固裝置內(nèi)側(cè)搗鎬采用2把搗鎬背靠背組成兩排的形式，作業(yè)時(shí)搗鎬背靠背排列會(huì)將4把搗鎬與其中間的石砟形成一個(gè)封閉的矩形（如圖3所示），這樣在搗鎬下插時(shí)會(huì)推著中間的石砟向下運(yùn)動(dòng)，增加了下插阻力，同時(shí)兩排相鄰搗鎬間的振動(dòng)也會(huì)通過(guò)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(dòng)軸斷裂處理方式
　　經(jīng)以上分析并結(jié)合搗固裝置實(shí)際情況，為改善振動(dòng)軸作業(yè)過(guò)程的受力狀況，從以下兩個(gè)方面對(duì)振動(dòng)軸進(jìn)行處理，如圖4所示。
　　（1）對(duì)振動(dòng)軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將R4的圓角改為R6，從而改善圓角處的應(yīng)力集中情況。
　　（2）加長(zhǎng)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(zhǎng)度，使夾持力的反作用力通過(guò)此軸承傳遞至整個(gè)搗固裝置箱體，使受力Z大的位置避開(kāi)了應(yīng)力集中點(diǎn)。 　　5　有限元分析
　　5.1　原方案分析
　　在ANSYS中建立振動(dòng)軸實(shí)體模型，采用自適應(yīng)智能網(wǎng)格的劃分方法，局部區(qū)域人工干預(yù)，底架共離散為185780個(gè)節(jié)點(diǎn)，形成solid 185號(hào)實(shí)體單元15986個(gè)。實(shí)體模型和有限元模型如圖5所示。 　　振動(dòng)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(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在滾動(dòng)軸承處約束徑向位移，在兩個(gè)臺(tái)階限位處施加軸向約束。 　　分析結(jié)果如圖6所示，振動(dòng)軸Z大等效應(yīng)力為53.6MPa，位于搗鎬座端過(guò)渡圓弧處。
　　5.2　改進(jìn)后方案分析
　　按改進(jìn)后的振動(dòng)軸結(jié)構(gòu)及安裝方式重新建立振動(dòng)軸的有限元模型，在原約束的基礎(chǔ)上增加搗鎬座處軸承位的徑向約束。
　　新方案搗鎬座應(yīng)力36.6MPa，Z大應(yīng)力所處的位置不變，應(yīng)力值與原方案相比降低了32%（如圖7所示）。 　　6　改進(jìn)后振動(dòng)軸試驗(yàn)情況
　　改進(jìn)完成之后的搗固裝置在泰安新線進(jìn)行了作業(yè)考核，ZG4412和ZG5222兩臺(tái)DCL-32x型連續(xù)式搗固車(chē)分別作業(yè)337km和322km，改進(jìn)后的振動(dòng)軸表現(xiàn)良好，均未再出現(xiàn)上述斷裂故障。
　　7　結(jié)束語(yǔ)
　　水平振動(dòng)式搗固裝置內(nèi)側(cè)振動(dòng)軸斷裂的兩個(gè)主要因素為：一是振動(dòng)軸R4圓角下部缺乏約束，致使整個(gè)軸成為一個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)時(shí)間、頻繁的交變應(yīng)力作用下從薄弱處發(fā)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(dòng)軸受力情況較為惡劣。
　　基于以上分析所采取的改進(jìn)措施，大大延長(zhǎng)了振動(dòng)軸的使用壽命；同時(shí)也說(shuō)明國(guó)產(chǎn)化搗固裝置由于使用環(huán)境等發(fā)生重大變化，仍具有很多可以改進(jìn)完善的空間。