翟仕乐
摘 要：简要介绍捣固装置的发展历程，分析捣固装置的主要结构和工作原理。对其中受力较大的零件——镐臂进行受力分析，找出结构的薄弱环节，并提出在维修保养时进行针对性的检查和修复，防止结构损坏影响施工。
关键词：捣固装置；镐臂；受力分析；检查预防
1 概述
根据国家中长期政策目标，最新《中长期铁路网规划》中提出：计划到2020年前后，会建成投产大批标志性项目，铁路网规模将达到15万公里，其中高速铁路超过3万公里，覆盖中国80%以上的大城市。目前，300km/h的高速铁路多为无碴线路，200～250km/h的动车仍采用有碴轨道。随着我国铁路运输逐步向高速重载方向发展，线路养护的重要性越来越凸显出来，成为铁路运输的关键项目之一。
捣固车作为大型养路机械中的关键装备，全国共有一千多台。在我国线路上使用的主要车型有：DC-32捣固车、DCL-32连续走行捣固车、CDC-16道岔捣固车和DWL-48连续走行捣固稳定车等。
捣固装置是捣固车的主要工作装置，也是该车的核心部件之一。其主要作用是打散板结道床，捣固钢轨两侧的轨枕底部的道砟，提高轨枕底部道砟的密实度，并与起拨道装置等配合作业，使轨道方向、左右水平和前后高低均恢复到线路设计标准的要求，增加了轨道的平顺性和稳定性，进而保证了列车安全运行。
2 捣固装置的发展历程
在上世纪五十年代以前，道砟捣固主要是通过大批人工用叉子、铁锹和捣镐来完成的。每根轨枕都必须先用千斤顶等工具抬到预定高度，再用捣镐等工具将道砟塞进轨枕的下方，以保证达到统一的高度。整个过程耗费了大量的人力物力，而线路的精度和耐久度却无法保证。
随着技术的发展，发明家们开始研究用机械取代人工进行线路捣固。1893年，埃文斯先生首先在美国的专利中介绍了一种机械装置，这种装置可以在轨道上行驶，使用许多把捣镐将道砟推到轨枕下方。但这种装置对整个轨枕下方都进行捣固，超出了所需的捣固范围。
随后，更多的发明家开始注册了关于捣固机械的专利。1933年由舒切尔先生在瑞士注册的一种作业装置对现代捣固机械的产生最为重要。他的机构主要有两种运动，一种是捣固工具的振动，这种振动由偏心机构生成；第二种运动是利用捣固工具的合紧，将道砟挤压到轨枕的下方。整个机构可以作为整体来升起和下降，从而将捣镐插入到道床中，并通过冲击力将板结的道床打散，该机构靠电力驱动。
舒切尔先生的机构奠定了现代捣固装置的结构基础。1953年，奥地利的普拉萨·陶伊尔在此基础上发明了一种新的捣固机械：PlasserVKR01型。该专利第一次提到由液压作为机构的动力，驱动捣镐的合紧动作。由于液压的特性，可以在不同的捣镐上产生同样的合紧力，每个捣镐都可以实现独立的动作。这种捣镐独立动作被称为异步捣固模式，这种捣固模式可以使道砟在轨枕下面的密实性更加均匀。目前，世界上主要有Plasser、MATIS、HTT三家公司生产捣固装置，其中以Plasser公司生产的捣固装置技术最为成熟，应用最为广泛。
3 捣固装置结构及工作原理简介
3.1 捣固装置的主要结构
虽然捣固装置有多种型号，但他们的结构组成是相似的。以DCL-32型捣固装置为例，捣固装置主要由以下几大部件组成（如图1所示）：
（1）箱体部件。箱体属于机架部分，由铸钢件和钢板等零件焊接而成。其上安装其他各部件，并承受各部件的作用力。
（2）振动轴部件。振动轴部件的作用是产生振动，主要由偏心轴和一系列振动轴承组成，安装有单耳内油缸和叉形内油缸。
（3）油缸部件。油缸部件一方面与振动轴的偏心档、镐臂和箱体组成连杆机构，将振动轴偏心档的旋转转化为镐臂的摇摆振动，另一方面通过活塞杆的伸缩驱动镐臂完成夹持动作。
（4）镐臂部件。根据安装位置的不同，分为内镐臂和外镐臂。镐臂下部安装有捣镐，将振动力和加持力传递给捣镐，同时承受捣镐的反作用力。
（5）导柱部件。为捣固装置的提升和下降动作提供导向。
（6）分配体部件。实际是一个由液压油路和压缩空气管路组成的分配块，将捣固装置上各处液压和气动管路汇总，方便与整车接口。
（7）行程限制部件。通过调整油缸活塞杆的行程来改变捣镐的下插位置，来适应不同的轨枕间距。
（8）支承臂及油箱部件。一方面为各稀油润滑部位供油；另一方面作为飞轮罩，起到安全防护作用。
3.2 捣固装置的工作原理
捣固装置的工作原理主要分为两方面：振动发生原理和异步稳压原理。
振动轴的直档部分与箱体铰接，偏心档部分与油缸的一端铰接，油缸的另一端与镐臂的上端铰接，镐臂的中部与箱体铰接。这样，箱体、振动轴、油缸、镐臂组成了曲柄摇杆机构，当振动轴做定轴旋转时，连杆机构将偏心档的圆周运动转化成镐臂的微幅摆动。此为捣固装置的振动发生原理。
镐臂的夹持动作是由液压油缸来驱动的，根据液压油路的特性，油缸产生的加持力是相同的。而线路各处的道砟疏密程度是不同的，所以道砟疏松的地方捣镐所受阻力就小，捣镐夹持速度就快，道砟密实的地方捣镐所受阻力就大，捣镐夹持速度就慢，此为异步原理。夹持动作最终结束时，捣镐的夹持力与道砟的阻力实现平衡。由于各油缸的夹持力是相同的，所以线路各处道砟的阻力也是相同的，即密实效果是相同的，此为稳压原理。异步稳压原理的优势在于，通过液压特性对捣镐的夹持运动进行自动调整，最终使各处道砟达到相同的密实程度。
4 受力分析
4.1 捣固装置动力学分析
动力学模拟用专业软件ADAMS进行。考虑运算时间等其它因素，将内镐臂、外镐臂、内油缸、外油缸和偏心轴5个部件视为刚体，将箱体模拟为缺省系统坐标系。
建模时，内镐臂、外镐臂、内油缸、外油缸和偏心轴部件等属性通过Body元素来定义，之间的销轴连接等约束来定义，动力学模型如图2，3所示。
偏心轴以35Hz的频率进行旋转运动，由于偏心2.5mm，所以机构产生周期性的振动。线路工况中一个工作周期的负荷变化分布图4，表1所示，以此为根据，选取线路工况在总的里程中比例，编辑成完整的随机载荷谱。
镐臂销轴孔节点的x向和y向分力时间载荷历程如图5所示。
4.2 镐臂有限元分析
镐臂承担捣固装置的传递所有作用力，而且其捣固工作状态下环境更为恶劣，因此必须具备足够的强度承受捣镐捣固地面时作用于镐臂静载荷和动载荷。作为捣固装置的重要工作部件，其强度直接关系到捣固车运行的安全性、可靠性、稳定性等。捣固装置的镐臂分为外镐臂和内镐臂。外镐臂外观平直，内镐臂造型复杂，因而内镐臂的内力情况更为复杂，应力集中情况更多。内镐臂分为对称内镐臂和不对称内镐臂两种，显然不对称内镐臂的受力情况更为恶劣，故本节以不对称内镐臂为对象进行静强度分析。
4.2.1 非线性有限元处理方法
镐臂为低合金铸钢件，采用ANSYS中梁单元BEAM188模拟销轴和只受压不受拉的杆单元LINK180模拟镐臂与镐臂孔的连接，采用大变形计算方法。
4.2.2 单元介绍
BEAM188-3-D线性有限应变梁：
BEAM188适用于分析细长梁。各元素基于Timoshenko 梁理论。具有扭切变形效果。
BEAM188 是一个二节点三维线性梁。BEAM188在每个节点上有6或7个自由度，数目的变化，由KEYOPT（1）来控制。当KEYOPT（1）=0时，每个节点有6个自由度。分别沿x轴、y轴、z轴的位移及绕其轴的转动。当KEYOPT（1）=1时，会增加一个自由度（即第七自由度翘曲量）。这个元素能很好地应用于线性（分析）中，大偏转、大应力的非线性（分析）。
BEAM188包含了应力刚度，在默认的情况下，在某些分析中，用 NLGEOM来打开。当进行弯曲（flexural）、侧向弯曲（lateral）、扭转稳定性（torsional stability）分析的时候，应力刚度是被打开的。
BEAM188能够采用SECTYPE，SECDATA，SECOFFSET，SECWRITE和SECREAD来定义任何形状的截面。弹性、蠕变、和塑性模型都是允许的（其中不考虑次截面的形状）。
在整体（偏移）距离（不是单个元素）的情况下，记录下这个比值是非常重要的。当悬臂梁受到向下的负载时，悬臂梁的向下负载会产生横向切应变的一个估评。虽然这样的结果还不能外推到所有的情况，却可以作为指导。推荐细长比大于30时。
扭转变形的St.Venant翘曲，决定了一个综合状态，它能使材料在屈服后的切应力变得平均。ANSYS不提供对横截面上扭切分布情况的换算。所以，因扭转负载引起的大的非弹性变形，应当进行讨论。（ANSYS）会检查并给出警告。在这种情况下，推荐用实体或壳模型来代替，在默认的情况下，BEAM188元素假设横截面上的弯曲很小，可以被忽略（KEYOPT（1）=0）。可以使用KEYOPT（1）=1，打开弯曲度的自由度。
LINK180——三维有限应变杆（或桁架）单元：
LINK180三维有限应变杆单元，是被广泛应用的杆单元，用它可以模拟弹簧、缆索、连杆、桁架等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点都有三个自由度：沿节点坐标系X轴Y轴Z轴方向的平动。如同铰接结构一样，此单元不承受弯矩，具有蠕变、旋转、塑性、大应变、大变形等功能。在默认的情况下，能进行任何假设分析，当用命令NLGEOM，ON的时候，LINK180单元的应力刚化效应开关被打开。同时该单元还具有各向同性塑性硬化、Hill（各向异性塑性）、动力塑性硬化、Chaboche（非线性塑性硬化）、弹性、以及蠕变等性能。仅受拉或仅受压，杆单元详见LINK10。
图8给出了该单元的几何图形、节点坐标及单元坐标系。单元通过两个节点、横截面的面积（AREA）、单位长度的质量（ADDMAS）以及材料的属性来定义。该单元的X轴是沿节点I到节点J的单元长度方向。LINK180单元允许通过改变截面面积来实现轴向伸长的功能。缺省时，单元的截面面积改变，但体积保持不变，即使变形后亦是如此，缺省值适用于弹、塑性分析。也可以通过设置KEYOPT（2），使截面面积保持不变（或刚性）。单元的结果输出有两种形式：
（1）包括所有节点解的节点位移；（2）附加的单元输出，如图9 Stress Output。
杆单元假定是一直杆，轴向载荷作用在末端，从杆的一端到另一端，均为同一属性。杆长大于零，所以节点I和J不重合。面积大于零。假定温度沿杆长线性变化，则：位移函数在杆上具有相同的应力。
在有限元的建模过程中，内镐臂离散的节点数为：229762，单位个数为147946， 弹性模量为190GPa， 泊松比为 0.25。实体模型及有限元模型，如图10所示。
4.2.3 静强度计算工况及载荷的确定
捣固装置在作业过程中，要经过捣固、保持和松开三种计算工况。各工况的载荷计算方法，通过ADAMS随机载荷曲线的极限值，提取参数。作用于箱体上的作用力，方向和位置，如图11（箱体机械载荷作用位置和方向），表2（工况载荷）所示。
低合金铸钢的机械性能见表3。为确保安全，取安全系数S=2.0，进行许用应力校核。
从图12到图17中可以看出，不同载荷工况最大von Mises应力均小于各区域对应的各材料许用应力，因此镐臂满足静强度评定要求。载荷分别加载时，在三种工况下，最大von Mises应力均出现在镐臂板与凸台连接区域如图18所示。
5 维护保养和检查预防
裂纹对于镐臂来说是较常见且对结构的强度造成较大影响的损坏方式。一方面在振动和冲击的情况下本身容易产生疲劳裂纹，另一方面裂纹产生时极为隐蔽较难发现，一旦裂纹发展扩大将无法修复甚至在施工中直接断裂。而其他损坏例如铰接孔磨损和捣镐安装孔磨损对结构强度和施工都影响较小，而且大修时可进行修复。
因此，及时发现裂纹并进行修复处理可以减少设备的故障率，减少内镐臂报废的数量从而降低设备维护成本。
根据受力分析，裂纹可能发生在板形结构与块形结构的交接位置。在日常维护保养时，应重点关注这些位置，发现裂纹及时上报和处理，以免裂纹进一步扩大，造成零件报废和影响施工进度。在捣固装置检修时，需对以下位置进行磁粉探伤（见图19）。同理推断，需对对称内镐臂的相应位置进行磁粉探伤。
探伤发现裂纹后，检查裂纹扩展情况，如果裂纹较浅，可进行焊补修复。但必须将裂纹打磨消除后（如图20），才可进行焊补。如果裂纹扩展较深，难以打磨消除干净，焊接无法满足强度要求，镐臂报废。
6 结束语
捣固作业历经了由人工作业发展到大型机械化作业的漫长过程，其结构和工作原理日趋成熟。但由于作业的工况恶劣，机构受力复杂，其机械部件难免出现损坏，镐臂就是其中的一种。在捣固作业过程中，镐臂不仅本身进行受迫高频振动，还要承受下插时的冲击力和加持时的弯矩。其中的内镐臂由于外形结构比外镐臂复杂，受力情况更为恶劣。
考虑到内镐臂制造成本高，且在现场更换困难，需要在大修时尽可能多的发现问题并进行修复，以减少零件报废，避免影响施工进度和现场维修，从而降低设备使用维护成本。使用有限元的方法对零件受力进行仿真计算，找到结构的薄弱之处，为探伤检查的位置提供了理论指导。为同类产品的设计生产提供参考依据。
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