捣固装置箱体裂纹的分析与改进

于晓伟　李冬冬　陈　建

中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司



捣固装置箱体裂纹的分析与改进

于晓伟李冬冬陈建

中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司

通过对捣固装置箱体裂纹产生的位置、原因和机理进行分析，优选出更为合理的箱体结构方案并加以改进，有效延长捣固装置箱体使用周期，降低捣固装置使用保养费用。

箱体裂纹机理优选方案使用周期

0　引言

随着捣固作业在铁路线路养护工作中的日益普及，捣固装置市场保有量不断攀升。从现场售后服务和返厂修理工作中发现，有相当一部分捣固装置箱体存在着不同程度的裂纹。作为捣固装置的基础性部件，箱体裂纹不仅提高了捣固装置的维修难度，而且也存在着导致箱体断裂风险，为捣固作业带来了相当大的安全隐患。

1　捣固装置箱体裂纹的存在形式

通过对捣固装置箱体裂纹进行梳理和归类，发现捣固装置箱体的裂纹主要存在两种形式。第一种裂纹形式(如图1所示)主要出现在箱体端板位置，裂纹从端板过渡圆角处开始扩展，沿着与水平约30°角方向向端板内部扩展。第二种形式裂纹(如图2所示)为焊接热影响区的裂纹，该种形式的裂纹沿着焊缝进行分布和延伸。

当前，捣固装置箱体有两种构型(如图3所示)，第一种箱体构型的焊接位置为支撑梁侧面与端板侧边，只有一条焊缝，称为单焊缝箱体。另一种箱体构型有两条焊缝，分别位于支撑梁与端板的侧面位置和上边位置，称为双焊缝箱体[1]。

图1　捣固装置端板位置裂纹Cracks in the end-plate of the tamping device

图2　端板焊接热影响区裂纹

图3　捣固装置两种箱体构型焊缝位置对比Comparison of the welding seam position in two different cabinets

通过对裂纹存在形式的分析和对比，发现第一种裂纹形式主要存在于单焊缝箱体结构中，第二种裂纹形式主要存在于双焊缝箱体结构中。

2　捣固装置箱体裂纹产生的原因分析

为了进一步分析结构差异对箱体强度带来的影响，根据捣固装置工作时的三种工况(捣固状态、夹持状态和松开状态)[2]，分别对单焊缝箱体结构和双焊缝箱体结构建立了应力分布模型。单焊缝箱体结构分析结果如图4a-4c所示，双焊缝箱体结构分析结果如图4d-4f所示。

单焊缝箱体在捣固、夹持和松开状态下，最大von Mises应力分别为68 MPa、57 MPa、60 MPa，均出现在端板与横梁的楔块连接位置。捣固装置箱体材料的许用应力ss≥230 MPa，因此，不同载荷工况最大von Mises应力均小于各区域对应的材料许用应力，单焊缝箱体满足静强度评定要求。

双焊缝箱体在捣固状态下，最大von Mises应力55 MPa出现在振动轴轴承座的凸台区域，保持和松开状态下箱体的最大von Mises应力58 MPa和51 MPa均出现在端板与横梁的楔块连接位置。同样，捣固装置箱体材料的许用应力ss≥230 MPa，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，双焊缝箱体满足静强度评定要求。

4a 单焊缝箱体捣固状态von Mises分布The von Mises distribution under tamping state of the single welded seam cabinet

4b 单焊缝箱体夹持状态von Mises分布The von Mises distribution under clamping state of the single welded seam cabinet

4c 单焊缝箱体松开状态von Mises分布

The von Mises distribution under releasing state of the single welded seam cabinet

4d 双焊缝箱体捣固状态von Mises分布

The von Mises distribution under tamping state of the double welded seam cabinet

4e 双焊缝箱体夹持状态von Mises分布The von Mises distribution under clamping state of the double welded seam cabinet

4f 双焊缝箱体松开状态von Mises分布The von Mises distribution under releasing state of the double welded seam cabinet 图4　三种状态下两型捣固装置箱体的应力分析

计算表明，捣固装置箱体裂纹不是由于材料强度不足引起塑形变形引起的，需进一步分析。

现利用准静态方法结合线弹性有限元分析，按照最大主应力准则分析单元和节点应力，采用雨流计数法考虑材料的记忆效应，最后经过Goodman平均应力修正，结合表面加工的材料S-N曲线，基于线性累计损伤理论[3]，最终得到箱体损伤及疲劳寿命结果，如图5所示。

图5　箱体疲劳寿命分析Fatigue lifetime analysis of the tamping device cabinet

通过箱体疲劳寿命分析发现，捣固装置端板上的圆弧过渡位置，以及端板与横梁的焊接位置为箱体易损位置，表明该处箱体裂纹主要由疲劳引起。

3　捣固装置箱体结构改进方案

通过疲劳寿命模拟计算可发现，双焊缝箱体的端板与横梁位置有两条焊缝，作用力作用于两条焊缝上，其产生的应力中值比单焊缝箱体结构要小20%左右，本身其疲劳寿命大约比单焊缝箱体结构要高20%～30%。而且，如要改善捣固装置箱体易损部位的疲劳状况，则需要在易损部位进行相应的结构改进。但是单焊缝箱体已经没有足够空间可以提供优化，而对于双焊缝箱体结构，则可以在端板与横梁上外镐臂的安装孔之间加焊连接块(如图6所示)，改善施工中外端板与横梁铰接位置的受力情况以提高其使用寿命。 所以，综合来看，双焊缝箱体结构更加合理有效。

图6　加焊连接块后的箱体

经过结构优化之后的双焊缝箱体可以有效避免单焊缝箱体的缺陷，端板上的圆弧过渡位置以及端板与横梁的焊接位置的薄弱环节得到了有效加强，这与实际情况相契合。从实际使用效果来看，焊接良好的单焊缝箱体使用寿命一般为5年左右，而经过优化的双焊缝箱体使用寿命则可以达到8年左右。

进一步发现，经过加焊连接块的双焊缝箱体易在连接块位置出现裂纹，如前图2所示。而箱体的应力分析和疲劳分析结果均表明该位置非易损部位，通过对该位置的构型进行焊接模拟实验分析发现，按照图纸设计尺寸焊接后的接头(如图7所示)，在焊块底部存在未焊透的区域，而这往往成为裂纹产生的疲劳源。这主要是由于端板与支承梁组装后，其接头位置形成了约24°的开坡口的对接焊缝，加上端板位置有约10 mm的倒角，使得其焊接接头形式为：根部的开坡口角焊缝+上部的斜V形坡口对接焊缝。由于根部角焊缝的焊接可达空间较小，在施焊时，焊料不能与母材完全熔合，易造成根部未焊透和角焊缝两侧未熔合的焊接缺陷。这种带有缺陷的焊缝，在承受较大载荷和交变应力时易在缺陷处产生应力集中，形成裂纹，在载荷作用下，产生裂纹并扩展，最终导致箱体失效。

图7　焊接接头剖面The profile of the welded joint

为了解决这个问题，可将焊缝更改为斜V形坡口对接焊缝(如图8所示)，坡口角度增大，焊接可操作性好，能实现对接焊缝与母材的有效熔合，在不减小焊缝厚度的情况下，确保焊缝根部的熔深及焊缝与母材有效熔合，从而获得无缺陷的良好的承载焊缝。

图8　改进后的焊接接头剖面The profile of the improved welded joint.

4　结论

综上所述，双焊缝箱体结构在工作时的内部应力以及疲劳寿命均优于单焊缝箱体结构。双焊缝箱体经过连接块加固，以及支承梁与端板的焊接接头形式改进之后，其使用寿命以及常见的裂纹损坏都得到了明显的改善，证明双焊缝箱体结构改进和工艺优化之后更为合理、有效，切实的提高了产品的使用寿命，有效降低了作业使用风险和修理难度。

[1]刘国斌.捣固装置作业特性分析及新型捣固装置研制[D].浙江大学,2011.

[2]PLASSER BAHNBAUMASCH FRANZ(AT).Tamping machine for tamping ballast under the sleepers of a railway track[P].欧洲专利:Ep1070787，2001-01-24.

[3]刘晓娟.基于累计损伤理论的焊接球节点网架结构疲劳寿命估算[D].太原理工大学,2010.

Analysis and Improvement of the Cracks in Tamping Device Cabinet

YuXiaoweiLiDongdongChenJian

CRRCQishuyanInstituteCo.,Ltd.

Through analyzing the position, the reason and the mechanism of cracks in the tamping device cabinet, the thesis aims at optimizing a more reasonable cabinet structure scheme in order to extend the service cycle of the tamping device and reduce its maintenance costs.

cabinet; crack; mechanics; optimum scheme; service cycle.

1006-8244(2016)01-032-04

TH132.41

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