稳定装置现场修复技术浅析

翟仕乐

(中国神华轨道机械化维护分公司肃宁工务机械段,河北 肃宁 062350)

稳定装置现场修复技术浅析

翟仕乐

(中国神华轨道机械化维护分公司肃宁工务机械段,河北 肃宁 062350)

稳定装置是稳定车主要工作装置之一.本文介绍了稳定装置的主要结构,在稳定装置使用中,箱体出现裂纹,提供了一种稳定装置现场更换的方法,当施工任务安排紧张时,现场更换稳定装置不受场地条件限制,可迅速更换稳定装置,对稳定装置箱体受力进行分析,并采用合理的焊接方式对更换下的稳定装置箱体进行修复.

稳定装置;现场更换;箱体修复

1 概述

稳定装置是稳定车的主要工 作装置之一.其作用是使大、中修后的铁道线路通过稳定装置作业能够迅速地提高线路的横向阻力和道床的整体稳定性,从而为取消线路作业后列车慢行创造条件.稳定装置是模拟列车对轨道的动力作用原理而设计的.其工作时,由一台液压马达驱动前后两个稳定装置的两激振器高速同步旋转,产生水平振动力,与此同时,位于每条钢轨两侧的两只垂直油缸,自动地对每条钢轨施加所需要的垂直下压力,通过水平油缸作用,滚轮轮缘紧靠在钢轨的内侧,通过夹钳油缸作用,夹钳轮夹紧在钢轨的外侧,使稳定装置、轨排和道床成为一体,同时振动.道碴在二力的同时作用下,相互移动、充填和密实.密实后不仅人为地使轨道下沉,而且更好的效果在于轨枕和高度密实的道床结构之间会产生较高的平坦的粘着力,从而使轨道的横向阻力达到最大程度.提高线路的横向阻力和稳定性,使线路维修间隔时间延长,保养费用降低.

目前常采用的线路维修作业机组,包括一台连续式捣固车(09-32捣固车)或两台08-32自动抄平起拨道捣固车(08-32捣固车),一台配碴整形车(SPZ-200配碴车)和一台动力稳定车(WD320稳定车),简称MDZ机组,进行联合作业.

2 稳定装置主要结构特点

稳定装置是模拟列车对轨道的动力作用原理而设计的.两稳定装置位于车架下方,通过带有橡胶减振器的纵向四杆机构和垂直油缸柔性地连接在车架上.两激振器之间用万向传动轴连接,这种用机械的连接方式将两激振器连接在一起,就可以准确、可靠地保持前后稳定装置的相位,实现同步振动.每个稳定装置由一个箱体、一个激振器部件、两个夹钳轮部件、四个滚轮部件、四只夹钳油缸和两只水平油缸等部件组成如图1所示.

图1 稳定装置示意图

在作业时,由一台液压马达通过传动轴同时驱动两个激振器,使其产生同步水平振动.调节液压马达的转速,可以改变激振器的振动频率,液压马达的频率为无级可调0~45Hz.振动频率和振幅分别由安装在稳定装置上的频率传感器和加速度传感器检测.在作业过程中,一旦作业走行突然停止,振动也自动停止.

激振器如图2是整个稳定装置的关键部件.它由振动轴、齿轮、偏心块、轴承、轴承座、骨架油封等零件组成.激振器采用全封闭,两轴平行、上下水平布置.两轴通过轴承座内的轴承支承在箱体上,每根轴上对称安装着两个偏心块,每根轴中间安装着参数相同的直齿圆柱齿轮,齿轮和轴承的采用飞溅润滑,两轴上的偏心块必须保证成镜面对称布置.

激振器工作时液压马达带动主动轴旋转,由啮合齿轮驱动从动轴同步旋转.通过分析可得出:两轴上偏心块产生的激振力在垂直方向相互抵消,水平方向相互叠加,大小为p= P1+ P2=2 meω2cosωt,其中m为偏心块质量,e为偏心块偏心距,ω为偏心块角速度.因此激振器产生的激振力为水平方向的间谐激振力,频率为45Hz时的激振力F:两只稳定装置总激振力F总=8XF=8X55kN=440kN.

图2 稳定装置激振器示意图

3 稳定装置现场修复技术

稳定装置的滚轮轮缘紧靠在钢轨的内侧,夹钳轮夹紧在钢轨的外侧,将稳定装置、轨排和道床成为一体,向道床施加激振力.稳定装置箱体是整个激振器的承载的框架,一台进口稳定装置在外销轴处出现裂缝,整个稳定装置无法工作.施工任务安排紧张时,需迅速更换稳定装置,并修复箱体,以满足施工要求.

3.1 稳定装置施工现场更换方法

现场更换稳定装置时,由于更换现场没有地坑、落轮机,起吊设备.稳定装置安装在车架下,空间有限.以前更换稳定装置,需进出检修库进行更换,但一般检修库离现场距离较远,需来回调车,稳定装置更换周期长,费用高,带来资源浪费,因此,如何能将稳定装置现场更换显得尤为重要.

现场更换稳定装置拆解和组装时,需利用2根50#钢轨,作为稳定装置支承和移出移入时的滑移轨道;同时,由于稳定车车体下方空间有限,50#钢轨高度低,为稳定装置的移出移入节省空间,50#钢轨在更换现场比较容易获得.稳定装置现场更换步骤如下.

步骤1:按稳定装置滚轮部件及夹钳轮部件位置,横向布置两根50#钢轨,把50#钢轨翻转90°放置于线路钢轨上,将稳定装置落于50#钢轨上方,拆下稳定装置.(稳定装置拆下的主要步骤:落下稳定装置→拆除稳定装置哈弗块上的内六角螺钉并使垂直油缸活塞杆伸出,使垂直油缸上的销轴脱离稳定装置哈弗块→卸掉各个油缸的压力→拆解各个传感器里的线并做好标记→把各个传感器的线从线管里抽出并捆扎在整车上的安全位置→拆除夹钳油缸以及水平油缸上的油管并做好标记,用接头堵住油管接头以及油缸管接头,防止液压油浪费和污染环境→拆除牵引杆、保持架及传动轴→拆除水平油缸、夹钳油缸及垂直油缸的油管管夹,并做好标记,把油管安全捆扎在整车上→拆除垂直油缸的销轴,卸下垂直油缸→移出稳定装置).

步骤2:把新的稳定装置用铲车或叉车运至稳定车下方50#钢轨的上面,稳定装置枕梁与50#钢轨接触处,涂抹黄油,将稳定装置用葫芦沿钢轨拉至稳定车车体的正下方,并微调稳定装置的位置.

步骤3:将稳定装置组装至整车上,调整稳定装置前后牵引杆,保证稳定装置收放正常.(稳定装置组装的主要步骤:安装垂直油缸,敲入销轴→安装牵引杆、传动轴及保持架→安装水平油缸、夹钳油缸及垂直油缸的油管→调整牵引杆使连杆机构调至平行→按照规定把传感器的线依次接好).

3.2 稳定装置箱体修复技术

稳定装置箱体结构见图3的设计.在满足箱体功能要求的前提下,应使力的传递路线更加合理,减小箱体薄弱零部件所受的应力.整个箱体采用箱式闭式结构,箱体的刚度得到了提高.稳定装置产生的水平激振力的反作用力、水平油缸撑紧力的反作用力和垂直油缸下压力的反作用力通过钢轨、滚轮、滚轮轴、固定销轴传至枕梁.枕梁成为整个箱体的主要受力部件,枕梁厚实,强度高,箱体底板基本上只起支撑作用,这样整个力的传递路线就比较合理.

稳定装置箱体是整个激振器的框架,采用优质板材经过压型后,焊接而成.箱体结构复杂,且稳定装置作业工况恶劣、振动频率大、载荷重,箱体容易产生疲劳裂纹,因此箱体焊接质量尤为重要,必须严格控制箱体焊接工艺.所有焊接部位都应按照要求或开带钝边V形或双V形坡口;采用负压、二氧化碳气体保护焊;焊前应预热,提高箱体的焊接质量;箱体焊后进行去应力退火,最大程度的消除焊接应力;并对箱体焊缝进行磁粉探伤,检查箱体焊接质量.稳定装置箱体结构的设计在满足箱体功能要求的前提下,应使力的传递路线更加合理,减小箱体薄弱零部件所受的应力.整个箱体采用箱式闭式结构,箱体的刚度得到了提高.

图3 稳定装置箱体

3.2.1 技术分析

稳定装置作业工况恶劣、振动频率大、载荷重,进口的稳定装置经过使用,箱体一侧外销轴处出现裂缝,现场更换后,返回修复时,箱体经表面磁粉探伤,另一侧销轴也出现裂纹.

针对进口箱体探伤出现裂纹的现象,首先使用Ansys workbench对稳定装置箱体进行有限元分析,确定稳定装置箱体切割位置,再进行补焊处理.Ansys workbench是有限元软件平台,它能够很好的与CAD系统连接,对CAD模型进行有限元分析.ANSYS Workbench与Pro/e软件的数据交互接口的兼容性强,以项目流程图的方式,将各种数值模拟方法集成到统一平台中,进而实现不同软件之间的无缝连接;而且,每个分析系统的界面都是独立的,通过可以互联的数据,将复杂的CAD三维模型所构造的有限元模型导入分析系统中,然后进行参数设置、载荷的施加和定义约束后,通过内置求解器进行分析计算.稳定装置箱体承受水平激振力、垂直油缸压力、夹钳油缸对箱体作用力、杠杆板对箱体作用力、夹钳体对箱体作用力、水平油缸对滚轮轴作用力.

根据稳定装置的对称关系,取稳定装置的1/4作为模型,并施加对称边界约束,另外忽略模型中与力学计算无关的细节,如小孔和凸台等.对模型的网格划分所示,得到126147个节点和66137个单元,经过有限元分析得出稳定装置箱体应力分布图如图4所示.

图4 稳定装置箱体受力分析

图5 稳定装置箱体切割示意图

经过有限元分析,根据箱体外销轴处应力分布状态,确定稳定装置承受应力较小位置,在应力最小位置进行切割,这样可以保证在同等焊接的条件下,提高稳定装置箱体的使用寿命.通过按图示位置切割钢板,然后进行补焊(图5).

3.2.2 焊接修复

二氧化碳气体保护焊在焊接前必须做好准备工作,焊件的坡口加工、待加工部位的表面清理、焊接的装配以及工件焊前焊后的处理等.待焊部件的清理,焊件主要是去除锈蚀、油污及水分,防止细孔的产生,一般用喷砂、喷丸方法和手工清理.必要时用火焰烘烤待焊部件,以保证待焊部位的表面铁锈氧化皮、油污等清理干净.清理范围应该是在坡口两侧20mm区域内.

合理选择和设计接头的坡口尺寸,使之有利于坡口加工和焊透,提高整体的焊接质量.焊件的坡口加工,首先把焊前准备维修的稳定装置箱体需要维修的地方用角向砂轮机打磨一个四方形ABCD,然后把这块需要补上去的四边形板重叠上去,然后用石笔划线,再用火焰气割沿着线的内侧进行切割.切割完毕后,用砂轮机修边,一定要修的横平竖直.然后用氧乙炔进行坡口切割,最后再次用砂轮机进行细加工,装配成X型坡口.

焊接前对箱体预热.焊接前调好打底参数后进行焊接,二氧化碳气体保护焊一般应采用细焊丝、小电流焊接,熔滴以短路形式过渡.焊接时仔细观察熔孔,并根据间隙和熔孔直径的变化调整横向摆动幅度和焊接速度,当坡口间隙和熔孔增大时,焊枪横向摆动幅度也要加宽,焊丝端部应始终在熔池前半部燃烧,焊丝不得脱离熔池,尽可能的维持熔孔直径不变.以此获得宽度和高低均匀的反面焊缝,就此正面打底结束.

焊接时仔细观察熔孔,并根据间隙和熔孔直径的变化调整横向摆动幅度和焊接速度,当坡口间隙和熔孔增大时,焊枪横向摆动幅度也要加宽,焊丝端部应始终在熔池前半部燃烧,焊丝不得脱离熔池,尽可能的维持熔孔直径不变.填充焊时,焊枪横向摆动幅度要稍大一些.焊接时应注意熔池两侧的熔合情况,保证焊道表面平整并稍下凹.如此正背面反复焊接到最后一道是盖面焊.

盖面焊的方法与工艺与填充焊是一样的,但需要注意以下事项:保持喷嘴的高度,特别注意观察熔池的边缘,熔池边缘必须超过坡口表面棱边0.5~1.5mm、并防止咬边.焊枪的横向摆动幅度比填充焊稍大,尽量保持焊机速度均匀使焊缝外型美观.收弧时特别注意,一定要填满弧坑并使弧坑尽量短,防止产生弧坑和裂纹.

通过该方法进行补焊,稳定装置修复后经探伤,无缺陷,经装车试验,性能达到新造稳定装置箱体的要求.稳定装置箱体大修技术的运用,具有较好的经济效益,同时缩短了稳定装置修理周期.

4 结语

现场更换稳定装置所需的设备简单,避免了进出检修库进行更换稳定装置带来的资源浪费,现场更换稳定装置周期短,场地限制少,可缩短更换时间,费用比较低.在施工现场,已成功更换了稳定装置,该方法可广泛运用到现场更换稳定装置.

拆卸后的稳定装置进行探伤检查,针对箱体受力最小部位进行切割和焊补修复,通过制定合理的焊接工艺,使修复后的稳定装置箱体满足使用要求.经稳定装置修复和组装完成后,进行装车试验,运用情况良好,满足稳定车作业要求.

[1]赵凤德.动力稳定车[M].北京:中国铁道出版社,1995.

[2]许京荆.Ansys Workbench 工程实例详解[M].北京:人民邮电出版社,2015.

[2]孙建英.WD320型稳定装置振动分析[J].机车车辆工艺,2007.12.

U216.63+1

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1671-0711(2017)11(上)-0149-03