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(jié)構(gòu)和約束上進行優(yōu)化，采用有限元方法對優(yōu)化措施進行驗證，實際應用結(jié)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(yōu)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(chǎn)的一種新型搗固裝置，在國內(nèi)投入使用后，在作業(yè)約100km左右時頻繁出現(xiàn)內(nèi)側(cè)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(lián)軸器與偏心軸相連，為搗鎬提供50Hz的擺動頻率，在此頻率下?lián)v鎬振動產(chǎn)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(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)合整個搗固裝置框架分析，作業(yè)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(tài)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(jié)構(gòu)，而R4圓角位置是一個應力集中點。
　?。?）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(jié)地段作業(yè)工況比較惡劣的情況下均可能導致振動軸疲勞斷裂。
　?。?）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(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(jīng)以上分析并結(jié)合搗固裝置實際情況，為改善振動軸作業(yè)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。
　?。?）對振動軸結(jié)構(gòu)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。
　?。?）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(wǎng)格的劃分方法，局部區(qū)域人工干預，底架共離散為185780個節(jié)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(jù)其結(jié)構(gòu)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(jié)果如圖6所示，振動軸等效應力為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(jié)構(gòu)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，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(yè)考核，ZG4412和ZG5222兩臺DCL-32x型連續(xù)式搗固車分別作業(yè)337km和322km，改進后的振動軸表現(xiàn)良好，均未再出現(xiàn)上述斷裂故障。
　　7　結(jié)束語
　　水平振動式搗固裝置內(nèi)側(cè)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(jié)構(gòu)，在長時間、頻繁的交變應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(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完善的空間。