搗鎬結構的有限元模擬及研究

陳麗煙 上海鐵路局上海經濟開發公司

周漭森 徐 春 上海應用技術學院

搗鎬結構的有限元模擬及研究

陳麗煙 上海鐵路局上海經濟開發公司

周漭森 徐 春 上海應用技術學院

采用商用軟件ABAQUS對兩種結構形式的搗鎬進行數值分析，模擬了搗鎬在實際搗固工作狀態的各部分應力應變的狀態，對比研究了危險斷面的應力分布，由此確定出具有較長使用壽命的搗鎬結構形式，并進行了鐵路搗固作業的實際驗證，結果證實模擬結果符合實際使用情況。

搗鎬；數值模擬；應力應變

隨著鐵路速度不斷提高，鐵路養護越來越重要。搗固車是鐵路養護的重要工具，用于密實道床石碴，提高鐵路道軌穩定性。搗鎬是搗固車中的關鍵零件，由于工作環境惡劣，其損耗嚴重，一般搗鎬使用壽命不到80 km。因此，鐵路設備制造廠商將搗鎬作為重要的研究對象。

目前鐵路上廣泛使用的搗鎬，鎬體為整體鑄造或鍛造，鎬掌表面覆蓋硬質合金片。根據鎬掌頂部結構和硬質合金塊覆蓋方式不同可分為內嵌與外鑲兩種。國內主要采用外鑲而國外采用內嵌。然而這兩種搗鎬搗固作業的受力情況、使用壽命與結構的關系尚未研究。為優化搗鎬結構，提高壽命，降低鐵路養護成本，本文使用有限元模擬結合實際搗固作業對兩種結構形式的搗鎬進行了分析與比較。

本文采用FEM軟件ABAQUS/Explicit dynamic動力學模塊，參照搗鎬實際工況對搗鎬進行模擬分析，為優化搗鎬結構提供理論參考。

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行網格劃分，搗鎬尾部為C3D8單元八面體網格，搗鎬頭部為C3D10單元，四面體網格（見圖1）。搗鎬材料參數如表1所示。

圖1 有限元網格模型及約束與加載

表1 有限元材料參數

圖2 (a)外鑲和(b)內嵌搗鎬鎬掌實物圖

圖3 (a)外鑲和(b)內嵌搗鎬鎬掌模型

圖2為兩種鎬掌結構實物圖，可見外鑲鎬鎬掌結構為直角形，底面硬質合金厚片向上斜面鉤起，保護鎬尖免受磨損，而斜面則由硬質合金薄片覆蓋。內嵌搗鎬鎬掌為對稱結構，兩側斜面由硬質合金薄片覆蓋，鎬尖插入一片前寬后窄的硬質合金厚片以承受道碴的沖擊和磨損。鎬掌結構有限元模型見圖3，鎬掌基體與硬質合金片之間焊合，硬質合金片間留有間隙。

1.2 邊界條件

搗鎬尾部固定在搗固車上，作業時搗鎬插入鐵路道碴中，深度達560 mm，同時振動并向中部移動以夾持道碴，振動頻率為35 Hz，振幅3 mm～6.6 mm，完成夾持后搗鎬升起，如此循環作業。因此，在搗鎬尾部施加全約束，在鎬掌頂部與一側分別加載30 000 N與15 200 N力，加載時間均為0.002 s，如圖1所示。

2 模擬結果分析

圖4 (a)外鑲和(b)內嵌搗鎬應力分布

圖4為搗鎬鎬體應力分析結果。兩種搗鎬結構最大應力均出現在鎬柄尾部夾具固定處，外鑲搗鎬的最大應力為116MPa，內嵌搗鎬為316 MPa。作業時搗鎬以35 Hz在道碴中振動，鎬柄及夾具固定處受到循環加載，極易產生疲勞、形成裂紋并最終斷裂。搗鎬一旦斷裂，即刻失去搗固作用，搗固車需立刻停止作業并更換搗鎬。斷鎬卸載所需工時與難度遠大于裝載新鎬，若搗固車作業時搗鎬頻繁折斷，將極大降低鐵路養護效率并提高養護成本，故斷鎬在搗固作業中是絕不允許出現的。因此從鎬柄受力角度判斷，外鑲鎬結構優于內嵌鎬。

圖5 (a)外鑲和(b)內嵌搗鎬鎬掌頂部硬質合金厚片應力分布

碳化鎢硬質合金由WC與粘結金屬Co燒結而成，具有高硬度、高耐磨性但抗彎強度低、易斷裂。搗鎬鎬頭在作業過程中反復與道碴相互沖擊與摩擦，承受剪切應力和彎曲應力，硬質合金中Co相在應力作用下發生晶體結構轉變并與硬質相脫離[7]。在循環沖擊載荷作用下，這種脫離增加擴展形成微裂紋，并最終導致硬質合金的破碎和局部剝落。微裂紋的形成發展與晶粒和應力的分布有關。

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

從搗鎬基體與頂部硬質合金厚片的應力分析的結果可知，在相同大小力的作用下，內嵌鎬應力分布更為均勻，結構形式更為合理，使用壽命應優于外鑲鎬。

3 搗鎬作業試驗

圖6 (a)外鑲鎬(c)內嵌鎬搗固試驗作業結果

將圖2所示外鑲、內嵌兩種結構形式的搗鎬安裝在搗固車上，在鐵路工務段進行實際作業。外鑲鎬作業80 km后的磨損情況如圖6(a)所示，斜側面硬質合金薄片未見顯著磨損，但鎬掌頭部破壞嚴重。搗鎬在作業過程中頂部硬質合金折斷，鎬尖基體失去保護而被快速磨損，斜面硬質合金相繼剝落，留下貝狀斷口，鎬掌插入道碴的深度劇減，失去搗固作用。而內嵌鎬在搗固車上連續作業10 km后即有斷鎬情況發生，其鎬掌硬質合金尚未磨損，但鎬柄在尾部夾具固定處斷裂，斷裂位置與作業模擬所指出的應力集中處相符。圖6(b)所示為內嵌鎬斷口宏觀形貌，由圖可推斷鎬柄在單向彎曲疲勞載荷作用下于內側表面應力最大處首先形成疲勞源，然后在疲勞載荷下相內擴展并最終斷裂，斷口瞬斷區面積較大，可知載荷較高。大量實際搗固作業結果表明內嵌結構鎬鎬掌耐磨性遠優于外鑲結構鎬，硬質合金片斷裂情況鮮有發生，但斷鎬情況較為頻繁。針對鎬柄尾部疲勞斷裂問題，可以通過改進鎬體成型工藝，以鍛造代替精鑄或改進鎬柄設計結構添加加強筋的方法來提高鎬柄尾部強度。

4 總結

（1）通過施加相同力對兩種結構形式的搗鎬作業受力狀況進行模擬，發現外鑲鎬基體與頂部硬質合金最大應力均遠大于內嵌鎬。

（2）通過鐵路工務段搗固作業，證實外鑲結構搗鎬易在鎬頭硬質合金處斷裂，驗證了有限元數值模擬結果。

（3）內嵌結構的搗鎬鎬頭在作業中應力分布更均勻，極大發揮了硬質合金耐磨特性，但鎬柄尾部存在應力集中問題，易疲勞折斷。內嵌結構鎬的疲勞斷裂問題可以通過改進鎬柄設計結構與成型工藝避免。

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責任編輯：宋 飛

來稿時間：2015-8-18