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水平振动式捣固装置振动轴断裂故障分析及优化

2020-06-12
王亚虎
(金鹰重型工程机械有限公司)
  摘 要:本文阐述了水平振动式捣固装置振动的工作原理,分析了振动轴断裂的原因,并从振动轴的结构和约束上进行优化,采用有限元方法对优化措施进行验证,实际应用结果表明振动轴使用寿命得到了极大的延长。
  关键词:振动轴;有限元分析;优化
  1 前言
  水平振动式捣固装置是引进美国Hasrco Rail公司技术生产的一种新型捣固装置,在国内投入使用后,在作业约100km左右时频繁出现内侧振动轴断裂的故障,断裂位置集中在振动轴底部R4圆角处。
  2 水平振动式捣固装置振动工作原理
  水平振动式捣固装置激振器总成工作原理图如图1所示。液压马达通过联轴器与偏心轴相连,为捣镐提供50Hz的摆动频率,在此频率下捣镐振动产生正位移振幅约为9.5mm。
  3 振动轴断裂原因分析
  水平振动式捣固装置振动轴部位结构如图2所示,结合整个捣固装置框架分析,作业时捣镐下插力和夹持力的反作用力传递路线为捣镐—捣镐座—振动轴—轴承座—润滑油箱—壳体支撑板—夹持销轴—捣固框架。
图1 水平振动式捣固装置振动工作原理
图2 振动轴部位结构图
  从振动轴断裂状态分析,主要原因如下:
  (1)整个振动轴在R4的圆角上半部分由轴承座和轴承对其进行约束,而振动轴R4圆角以下部分与轴承座之间没有支撑,只有一个油封,在R4圆角位置是悬臂结构,而R4圆角位置是一个应力集中点。
  (2)捣固装置在下插和夹持过程中,由于下插角度及夹持力的存在,振动轴受到一个横向的剪切力,在长时间的交变应力作用下或在板结地段作业工况比较恶劣的情况下均可能导致振动轴疲劳断裂。
  (3)与连杆摇摆振动式捣固装置相比,本水平振动式捣固装置内侧捣镐采用2把捣镐背靠背组成两排的形式,作业时捣镐背靠背排列会将4把捣镐与其中间的石砟形成一个封闭的矩形(如图3所示),这样在捣镐下插时会推着中间的石砟向下运动,增加了下插阻力,同时两排相邻捣镐间的振动也会通过夹在捣镐间的石砟互相传递,使得捣镐之间收到了额外的附加载荷。
图3 内镐排列形式简图
  4 振动轴断裂处理方式
  经以上分析并结合捣固装置实际情况,为改善振动轴作业过程的受力状况,从以下两个方面对振动轴进行处理,如图4所示。
  (1)对振动轴结构进行改进,将R4的圆角改为R6,从而改善圆角处的应力集中情况。
  (2)加长轴承座,在轴承座与捣镐座之间部位(即悬臂部分)加装支撑轴承,减小悬臂长度,使夹持力的反作用力通过此轴承传递至整个捣固装置箱体,使受力最大的位置避开了应力集中点。
图4 改进结构示意图
  5 有限元分析
  5.1 原方案分析
  在ANSYS中建立振动轴实体模型,采用自适应智能网格的划分方法,局部区域人工干预,底架共离散为185780个节点,形成solid 185号实体单元15986个。实体模型和有限元模型如图5所示。
图5 振动轴实体模型和有限元模型
  振动轴所承受的载荷为17kN的径向夹持力和12.5kN的轴向下插力,根据其结构特点在滚动轴承处约束径向位移,在两个台阶限位处施加轴向约束。
图6 原方案振动轴等效应力云图
  分析结果如图6所示,振动轴最大等效应力为53.6MPa,位于捣镐座端过渡圆弧处。
  5.2 改进后方案分析
  按改进后的振动轴结构及安装方式重新建立振动轴的有限元模型,在原约束的基础上增加捣镐座处轴承位的径向约束。
  新方案捣镐座应力36.6MPa,最大应力所处的位置不变,应力值与原方案相比降低了32%(如图7所示)。
图7 新方案振动轴等效应力云图
  6 改进后振动轴试验情况
  改进完成之后的捣固装置在泰安新线进行了作业考核,ZG4412和ZG5222两台DCL-32x型连续式捣固车分别作业337km和322km,改进后的振动轴表现良好,均未再出现上述断裂故障。
  7 结束语
  水平振动式捣固装置内侧振动轴断裂的两个主要因素为:一是振动轴R4圆角下部缺乏约束,致使整个轴成为一个悬臂结构,在长时间、频繁的交变应力作用下从薄弱处发生断裂;二是捣镐排列形式大大增加了捣固装置下插阻力,使振动轴受力情况较为恶劣。
  基于以上分析所采取的改进措施,大大延长了振动轴的使用寿命;同时也说明国产化捣固装置由于使用环境等发生重大变化,仍具有很多可以改进完善的空间。
(来源:大型养路机械)
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