王亞虎（hǔ）
（金鷹重型工程機械（xiè）有限公司）
摘 要：本文闡述了水平振動式搗固裝置振動的（de）工作原理，分析了（le）振動軸（zhóu）斷裂的原因，並從振動軸（zhóu）的結構和約束上進行優化，采用有（yǒu）限元方法對優化措（cuò）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（zhèn）動軸（zhóu）；有限元（yuán）分析；優化
1 前言
水平（píng）振動式搗（dǎo）固裝置是引進（jìn）美（měi）國Hasrco Rail公司技術生（shēng）產的一種新型搗固裝置，在國內投入使用後，在作業約100km左（zuǒ）右時頻（pín）繁（fán）出現內側振動軸斷裂的故障，斷（duàn）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（suǒ）示（shì）。液壓馬達通過聯軸器（qì）與偏心軸相連，為搗（dǎo）鎬提供50Hz的擺（bǎi）動頻率，在（zài）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（zhóu）部位結構如圖2所示，結合（hé）整個（gè）搗固（gù）裝置框架分析，作業時搗鎬下插力和夾持力（lì）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。
圖1 水（shuǐ）平振動式搗固裝置振動工作原理
圖2 振動（dòng）軸部位結構圖
從振動軸斷裂狀態分（fèn）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（zhóu）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，隻有一個油封，在（zài）R4圓角位置（zhì）是懸臂結（jié）構，而（ér）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（yóu）於下插角度及夾持力的存在，振動軸受到一個橫向的剪切（qiē）力，在長時間的交變應力作用下或在（zài）板結地段作（zuò）業工況比較惡劣的情況下均可能導（dǎo）致振動軸疲勞斷裂。
（3）與連杆搖擺振動式搗固裝（zhuāng）置相（xiàng）比，本（běn）水平振動式搗固裝置內側搗鎬采用2把（bǎ）搗鎬背靠（kào）背組成（chéng）兩排（pái）的形式，作業時（shí）搗鎬背（bèi）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（zài）搗鎬下插時會推著中（zhōng）間（jiān）的石砟向（xiàng）下運動，增加了（le）下插阻力，同時兩排相鄰（lín）搗鎬間的振動（dòng）也（yě）會通過夾在搗鎬間的石砟互相傳遞，使得（dé）搗鎬之間收到了額外的附加載荷。
圖3 內鎬排列形式簡圖
4 振動軸斷裂處理方式
經以上分（fèn）析並結合搗固裝（zhuāng）置（zhì）實際情況，為改善振動軸（zhóu）作業過程（chéng）的受力狀況，從以下（xià）兩個方麵對振動軸進（jìn）行處理，如圖（tú）4所示。
（1）對振動軸結構進行改進，將R4的圓（yuán）角改為R6，從（cóng）而改善圓角處的應力集（jí）中情況。
（2）加長軸承座，在軸承座與搗鎬座之間部（bù）位（即懸臂部分）加裝（zhuāng）支撐軸承，減小懸臂長度，使夾持力（lì）的反作用力（lì）通過此軸承傳遞至整個（gè）搗固裝置箱體，使受力Z大（dà）的位置（zhì）避開了應力（lì）集中點。
圖（tú）4 改進結構示意圖
5 有限元分析
5.1 原方案分析
在（zài）ANSYS中建（jiàn）立振動（dòng）軸實體模型，采用自適應智能網格的劃分方法，局部區域人工幹預，底架共離散為185780個（gè）節點，形（xíng）成solid 185號實體單（dān）元15986個。實體模型和有（yǒu）限元模型如圖5所示。
圖5 振動軸實體模型和有限元模型（xíng）
振動軸所承受的載荷為17kN的（de）徑向夾持力和12.5kN的軸向下插力，根據其結（jié）構特點在滾（gǔn）動軸承處（chù）約束徑向位移，在兩個台階限位處施加軸向約束。
圖6 原方案（àn）振動軸等效應力雲（yún）圖
分析結果如圖6所示，振動軸Z大等效應力為53.6MPa，位（wèi）於搗鎬座端過渡圓弧處。
5.2 改進後方案（àn）分（fèn）析
按改（gǎi）進後（hòu）的振動軸結構及（jí）安裝方式重新建立振動軸的有（yǒu）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（xīn）方案搗鎬座應力36.6MPa，Z大應力所處的位置（zhì）不變，應力值與原方案（àn）相比降（jiàng）低了32%（如圖7所示）。
圖7 新（xīn）方案振動軸等（děng）效應力雲圖
6 改進後振（zhèn）動軸試（shì）驗情況
改進完成（chéng）之後的搗（dǎo）固裝置在泰安新線進行了作業（yè）考核，ZG4412和ZG5222兩台DCL-32x型連續（xù）式搗固車分別作業337km和322km，改進後的振動軸表現良好，均未再出現上（shàng）述斷裂故障。
7 結束語（yǔ）
水平振（zhèn）動式搗固裝置內側振動軸斷裂的兩個（gè）主要因素為：一是振動軸R4圓角下部缺（quē）乏（fá）約束，致使整個軸（zhóu）成為（wéi）一個懸臂結構（gòu），在長時間、頻繁的交變應（yīng）力作用（yòng）下從薄弱處發生斷（duàn）裂；二是搗鎬排列形式大大增加了（le）搗固裝置下插阻力，使振動軸受力情況較為（wéi）惡劣。
基於以上分析（xī）所（suǒ）采取的改進措施，大大延長了振動軸（zhóu）的（de）使用壽命；同時也說明國產化搗固裝置由於使用環境等發生重大變化，仍具有很多可以改進（jìn）完善的空間。
（來源：大型養路機械）
