一種內燃搗固鎬的設計與優化

摘 要：本文主要針對我國鐵路行車密度不斷加大，傳統小型液壓搗固機難以獲得足夠“天窗”點作業時間的問題，在討論了工務維修手段變革趨勢的基礎上，就一種內燃搗固鎬的設計與優化進行了研究和分析。

關鍵詞：內燃；搗固鎬；研究；應用

前言

我國鐵路經過六次大面積提速后，繁忙干線上列車運行的間隔時間越來越短。就有砟線路搗固作業而言，傳統小型液壓搗固機群作業受到越來越大的沖擊，既不能利用列車行駛間隔時間上道，也很難獲得充足的“天窗”時間進行搗固作業，因此，我國近年來加快了大型搗固車的投入，但在大型養路機械普及率及使用頻率還不是很高的情況下，完全依賴大機作業還不能達到線路維護要求。加之在諸如抗洪搶險、零星線路維護過程中，無論是小型液壓搗固機，還是大型養路機械都受到時間和空間的限制。所以必然需要一種輕便、靈活的搗固鎬類機具作為工務維修的輔助手段。本文所述內燃搗固鎬的研制正是在這種背景下提出的。

1.原理和方案

根據上述需求研制的ZCD-300型內燃搗固鎬選用汽油發動機作動力（見圖1），采用高速偏心激振和橡膠減振原理，通過機體和操作者對扶手施加的外力，在不扒砟的情況下使鎬頭順利插入道砟，道砟受到強烈的高頻激振，相互間的摩擦阻力減小，呈現流動狀態，并在相互運動中排列密實；同時整機重量和操作者對扶手施加的外力對道砟形成擠壓力，把流動的石砟搗入枕底，填滿枕下空隙，達到搗固目的。采用橡膠減振器對扶手和汽油機進行減振，以達到保護汽油機和提高操作者手感舒適度的目的。

該內燃搗固鎬由搗固裝置、減振裝置、傳動裝置、發動機及扶手部分組成。搗固裝置振動部分由鎬體、偏心振動體及鎬頭組成。傳動裝置由離合器、傳動軟軸組成；支架部分由減振裝置及扶手組成。發動機通過聯接管、減振器與搗固裝置彈性聯接，其輸出軸通過傳動裝置驅動鎬體內的偏心振動體轉動，產生高頻激振力，發動機油門操作手柄和熄火開關按鈕安裝在扶手上。

2.主要參數設計及計算

本機采用的汽油機最大輸出功率時轉速為7000rpm，經過試驗，在此條件下要達到良好的搗固效果并兼顧發動機工況要求，搗固鎬的激振力F宜設計在3000N左右，因此整機設計以n=7000r/min、F=3000N做為額定轉速和激振力。

根據整機結構取：偏心鐵偏心半徑r=0.003m，傳動比i=1。

此外：發動機最大允許轉速nmax=8500 r/min

2.1偏心質量計算

激振力F=m×r×ω2

式中：m—偏心質量（kg）

r—偏心半徑（m）

ω—回轉角速度（r/min）

則m=F/（r×ω2）

=3000/[0.003×（7000×2π/60）2]

=1.9kg

2.2最大激振力計算

Fmax=m×r×ωmax2

=1.9×0.003×（8500×2π/60）2

=4423.05N

3.優化設計

由于該設備自身為激振振源，故其自身零部件工況非常惡劣，尤其對發動機和軸承的使用壽命影響非常大。在前期投入市場的產品中，發生過發動機缸體薄弱部位開裂等故障，經拆機分析發現主要原因是振動模型欠佳所致。為改進上述問題，對減震器件和扶手安裝點等方面進行了優化設計，其中重點是調整扶手安裝點至設備零振點。

零振點的確定采用間接測量法：如圖2所示，搗鎬工作正常后，把加速度傳感器探頭與所要測量的振動部位和距鎬尖約為三分之二長度位置上焊接座固連。按下式（1）計算零振點到鎬頭尖端的距離L 0：

式中：L 1—鎬尖端到測點1傳感器的距離，mm。

經改進設計后，在扶手減振方面進行了大量試驗和調試，最終使扶手支撐點設置在整機零振點，實現了良好的主動隔振結構，扶手和發動機減振效果得到較大改善。整機完成300小時滿負荷連續耐久試驗未再出現前述問題，并通過為期1年的用戶反饋情況分析，未出現因設備自身原因導致的發動機缸體損壞現象。

4.試驗驗證

4.1作業效率

為了測試機器的作業效率，試驗選取了一處Ⅲ型軌枕、一級道砟線路。搗固形式為：不填砟；平均起道量20mm；4臺搗固鎬為一組，分別同時負責搗固軌枕與鋼軌交叉的四個搗固點。

經測試單根鋼軌連續10根軌枕搗固總時間為3分35秒，則平均每根軌枕搗固時間（鎬頭從下插開始到轉移至下一搗固位置所需時間）為21.5秒，因而在此條件下的平均作業效率為2.8根/分。根據現場了解同樣條件下，4人操作手工洋鎬平均效率約為1根/分；4臺傳統DDG300電鎬平均搗固效率約為2根/分；1臺XYD-2小型液壓搗固機平均效率約為4根/分。因此，該設備生產效率雖不及液壓搗固機，但相對于傳統電鎬或手工洋鎬而言其作業效率更具優勢。

4.2最小列車間隔要求

為了考察該搗固鎬對最短作業時間的要求，筆者測試了完成最小作業量的最小列車間隔時間T。T是上道時間ts、下道時間tx、避讓列車時間tb以及完成最小的作業量所需時間tz的總和。其中上道時間為防護員發出上道作業指令時計時開始，到搗固鎬鎬頭置于作業點所需的時間；下道時間為施工防護員發出下道指令，到機器撤離至路肩并放穩所需的時間；避讓列車時間為下道完畢到列車尾部通過作業地點所需的時間；完成最小作業量所需時間在此以一次搗固普通道床大約5根Ⅲ型軌枕的作業時間來計算，經隨機測量后統計計算得

由此可見內燃搗固鎬可能作業的最小列車間隔不大于5分鐘。雖然提速后主要干線車流密集，但5分鐘以上的列車間隔還是容易保證的，因而在繁忙干線上利用列車間隔采用該內燃搗固鎬進行局部臨時搶修作業是具備潛力的。

4.3作業質量

為了考察該搗固鎬的實用性，在一鐵路線路對該設備進行了搗固作業試驗，測試了搗固作業24小時 （該線路點通常過17趟車） 后10個測試點的下沉量，結果見表1。

根據現場了解到的經驗數據表明，該段線路手工洋鎬相同條件下搗固后平均下沉量約為10mm，小型液壓搗固機平均下沉量約為5mm。由表2結果看ZCD-300型內燃搗固鎬平均下沉量約為7.6mm，可知該搗固鎬搗固作業效果與XYD-2型小型液壓搗固機械作業有一定差距，但較洋鎬作業有較大幅度提高。說明搗固質量較好，能夠滿足現場作業需要。

5.結束語

綜上所述，經優化設計的ZCD-300型內燃搗固鎬不論從操作性、方便性、機動性、上下道安全性方面，還是搗固質量、效率等方面都符合現有工務維修要求，特別適用于道岔、隧道、橋涵、抗洪搶險等大中型養路機械不能作業的道床區域性機動養護作業，因此，該設備潛在著較大的應用空間。

參考文獻：

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[4]閔耀興.既有鐵路列車提速.鐵道出版社，1997年4月第1版

作者簡介：張代軍，（1979.05-）男，民族：漢，籍貫（精確到市）：四川大竹，研究方向：機械、液壓，作者單位：什邡瑞邦機械有限責任公司。