陳麗煙 上海鐵路局上海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)公司

周漭森 徐 春 上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院

搗鎬結(jié)構(gòu)的有限元模擬及研究

陳麗煙 上海鐵路局上海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)公司

周漭森 徐 春 上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院

采用商用軟件ABAQUS對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式的搗鎬進(jìn)行數(shù)值分析，模擬了搗鎬在實(shí)際搗固工作狀態(tài)的各部分應(yīng)力應(yīng)變的狀態(tài)，對(duì)比研究了危險(xiǎn)斷面的應(yīng)力分布，由此確定出具有較長(zhǎng)使用壽命的搗鎬結(jié)構(gòu)形式，并進(jìn)行了鐵路搗固作業(yè)的實(shí)際驗(yàn)證，結(jié)果證實(shí)模擬結(jié)果符合實(shí)際使用情況。

搗鎬；數(shù)值模擬；應(yīng)力應(yīng)變

隨著鐵路速度不斷提高，鐵路養(yǎng)護(hù)越來(lái)越重要。搗固車(chē)是鐵路養(yǎng)護(hù)的重要工具，用于密實(shí)道床石碴，提高鐵路道軌穩(wěn)定性。搗鎬是搗固車(chē)中的關(guān)鍵零件，由于工作環(huán)境惡劣，其損耗嚴(yán)重，一般搗鎬使用壽命不到80 km。因此，鐵路設(shè)備制造廠商將搗鎬作為重要的研究對(duì)象。

目前鐵路上廣泛使用的搗鎬，鎬體為整體鑄造或鍛造，鎬掌表面覆蓋硬質(zhì)合金片。根據(jù)鎬掌頂部結(jié)構(gòu)和硬質(zhì)合金塊覆蓋方式不同可分為內(nèi)嵌與外鑲兩種。國(guó)內(nèi)主要采用外鑲而國(guó)外采用內(nèi)嵌。然而這兩種搗鎬搗固作業(yè)的受力情況、使用壽命與結(jié)構(gòu)的關(guān)系尚未研究。為優(yōu)化搗鎬結(jié)構(gòu)，提高壽命，降低鐵路養(yǎng)護(hù)成本，本文使用有限元模擬結(jié)合實(shí)際搗固作業(yè)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式的搗鎬進(jìn)行了分析與比較。

本文采用FEM軟件ABAQUS/Explicit dynamic動(dòng)力學(xué)模塊，參照搗鎬實(shí)際工況對(duì)搗鎬進(jìn)行模擬分析，為優(yōu)化搗鎬結(jié)構(gòu)提供理論參考。

1 模型建立

1.1 搗鎬模型

將Pro/E中繪制的搗鎬三維裝配模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，搗鎬尾部為C3D8單元八面體網(wǎng)格，搗鎬頭部為C3D10單元，四面體網(wǎng)格（見(jiàn)圖1）。搗鎬材料參數(shù)如表1所示。

圖1 有限元網(wǎng)格模型及約束與加載

表1 有限元材料參數(shù)

圖2 (a)外鑲和(b)內(nèi)嵌搗鎬鎬掌實(shí)物圖

圖3 (a)外鑲和(b)內(nèi)嵌搗鎬鎬掌模型

圖2為兩種鎬掌結(jié)構(gòu)實(shí)物圖，可見(jiàn)外鑲鎬鎬掌結(jié)構(gòu)為直角形，底面硬質(zhì)合金厚片向上斜面鉤起，保護(hù)鎬尖免受磨損，而斜面則由硬質(zhì)合金薄片覆蓋。內(nèi)嵌搗鎬鎬掌為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，兩側(cè)斜面由硬質(zhì)合金薄片覆蓋，鎬尖插入一片前寬后窄的硬質(zhì)合金厚片以承受道碴的沖擊和磨損。鎬掌結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖3，鎬掌基體與硬質(zhì)合金片之間焊合，硬質(zhì)合金片間留有間隙。

1.2 邊界條件

搗鎬尾部固定在搗固車(chē)上，作業(yè)時(shí)搗鎬插入鐵路道碴中，深度達(dá)560 mm，同時(shí)振動(dòng)并向中部移動(dòng)以?shī)A持道碴，振動(dòng)頻率為35 Hz，振幅3 mm～6.6 mm，完成夾持后搗鎬升起，如此循環(huán)作業(yè)。因此，在搗鎬尾部施加全約束，在鎬掌頂部與一側(cè)分別加載30 000 N與15 200 N力，加載時(shí)間均為0.002 s，如圖1所示。

2 模擬結(jié)果分析

圖4 (a)外鑲和(b)內(nèi)嵌搗鎬應(yīng)力分布

圖4為搗鎬鎬體應(yīng)力分析結(jié)果。兩種搗鎬結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均出現(xiàn)在鎬柄尾部夾具固定處，外鑲搗鎬的最大應(yīng)力為116MPa，內(nèi)嵌搗鎬為316 MPa。作業(yè)時(shí)搗鎬以35 Hz在道碴中振動(dòng)，鎬柄及夾具固定處受到循環(huán)加載，極易產(chǎn)生疲勞、形成裂紋并最終斷裂。搗鎬一旦斷裂，即刻失去搗固作用，搗固車(chē)需立刻停止作業(yè)并更換搗鎬。斷鎬卸載所需工時(shí)與難度遠(yuǎn)大于裝載新鎬，若搗固車(chē)作業(yè)時(shí)搗鎬頻繁折斷，將極大降低鐵路養(yǎng)護(hù)效率并提高養(yǎng)護(hù)成本，故斷鎬在搗固作業(yè)中是絕不允許出現(xiàn)的。因此從鎬柄受力角度判斷，外鑲鎬結(jié)構(gòu)優(yōu)于內(nèi)嵌鎬。

圖5 (a)外鑲和(b)內(nèi)嵌搗鎬鎬掌頂部硬質(zhì)合金厚片應(yīng)力分布

碳化鎢硬質(zhì)合金由WC與粘結(jié)金屬Co燒結(jié)而成，具有高硬度、高耐磨性但抗彎強(qiáng)度低、易斷裂。搗鎬鎬頭在作業(yè)過(guò)程中反復(fù)與道碴相互沖擊與摩擦，承受剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，硬質(zhì)合金中Co相在應(yīng)力作用下發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變并與硬質(zhì)相脫離[7]。在循環(huán)沖擊載荷作用下，這種脫離增加擴(kuò)展形成微裂紋，并最終導(dǎo)致硬質(zhì)合金的破碎和局部剝落。微裂紋的形成發(fā)展與晶粒和應(yīng)力的分布有關(guān)。

如圖5所示，外鑲鎬頂部硬質(zhì)合金片的最大應(yīng)力為40 MPa，且集中于其內(nèi)側(cè)與基體尖部貼合的彎鉤處，該位置極易引起斷裂。若頂部硬質(zhì)合金在此處斷裂掉落，則基體尖部失去保護(hù)，斜側(cè)面硬質(zhì)合金彎折剝落，鎬掌磨損，搗鎬插入深度減小，失去搗固作用。內(nèi)嵌鎬頂部硬質(zhì)合金的應(yīng)力分布較為均勻且最大應(yīng)力為33 MPa，稍小于外鑲鎬，且位于硬質(zhì)合金中部和尾部，因其焊合并嵌于鎬掌中心，即使發(fā)生斷裂，也不會(huì)對(duì)搗鎬使用壽命造成巨大影響。

從搗鎬基體與頂部硬質(zhì)合金厚片的應(yīng)力分析的結(jié)果可知，在相同大小力的作用下，內(nèi)嵌鎬應(yīng)力分布更為均勻，結(jié)構(gòu)形式更為合理，使用壽命應(yīng)優(yōu)于外鑲鎬。

3 搗鎬作業(yè)試驗(yàn)

圖6 (a)外鑲鎬(c)內(nèi)嵌鎬搗固試驗(yàn)作業(yè)結(jié)果

將圖2所示外鑲、內(nèi)嵌兩種結(jié)構(gòu)形式的搗鎬安裝在搗固車(chē)上，在鐵路工務(wù)段進(jìn)行實(shí)際作業(yè)。外鑲鎬作業(yè)80 km后的磨損情況如圖6(a)所示，斜側(cè)面硬質(zhì)合金薄片未見(jiàn)顯著磨損，但鎬掌頭部破壞嚴(yán)重。搗鎬在作業(yè)過(guò)程中頂部硬質(zhì)合金折斷，鎬尖基體失去保護(hù)而被快速磨損，斜面硬質(zhì)合金相繼剝落，留下貝狀斷口，鎬掌插入道碴的深度劇減，失去搗固作用。而內(nèi)嵌鎬在搗固車(chē)上連續(xù)作業(yè)10 km后即有斷鎬情況發(fā)生，其鎬掌硬質(zhì)合金尚未磨損，但鎬柄在尾部夾具固定處斷裂，斷裂位置與作業(yè)模擬所指出的應(yīng)力集中處相符。圖6(b)所示為內(nèi)嵌鎬斷口宏觀形貌，由圖可推斷鎬柄在單向彎曲疲勞載荷作用下于內(nèi)側(cè)表面應(yīng)力最大處首先形成疲勞源，然后在疲勞載荷下相內(nèi)擴(kuò)展并最終斷裂，斷口瞬斷區(qū)面積較大，可知載荷較高。大量實(shí)際搗固作業(yè)結(jié)果表明內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)鎬鎬掌耐磨性遠(yuǎn)優(yōu)于外鑲結(jié)構(gòu)鎬，硬質(zhì)合金片斷裂情況鮮有發(fā)生，但斷鎬情況較為頻繁。針對(duì)鎬柄尾部疲勞斷裂問(wèn)題，可以通過(guò)改進(jìn)鎬體成型工藝，以鍛造代替精鑄或改進(jìn)鎬柄設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)添加加強(qiáng)筋的方法來(lái)提高鎬柄尾部強(qiáng)度。

4 總結(jié)

（1）通過(guò)施加相同力對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式的搗鎬作業(yè)受力狀況進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)外鑲鎬基體與頂部硬質(zhì)合金最大應(yīng)力均遠(yuǎn)大于內(nèi)嵌鎬。

（2）通過(guò)鐵路工務(wù)段搗固作業(yè)，證實(shí)外鑲結(jié)構(gòu)搗鎬易在鎬頭硬質(zhì)合金處斷裂，驗(yàn)證了有限元數(shù)值模擬結(jié)果。

（3）內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的搗鎬鎬頭在作業(yè)中應(yīng)力分布更均勻，極大發(fā)揮了硬質(zhì)合金耐磨特性，但鎬柄尾部存在應(yīng)力集中問(wèn)題，易疲勞折斷。內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)鎬的疲勞斷裂問(wèn)題可以通過(guò)改進(jìn)鎬柄設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與成型工藝避免。

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責(zé)任編輯：宋 飛

來(lái)稿時(shí)間：2015-8-18