牛釗文，孫付春，張治斌

（1.成都大學(xué) 工業(yè)制造學(xué)院，四川 成都 610106；2.成都新宇工務(wù)機(jī)具有限公司，四川 成都 610052）

0 引言

鐵路綜合維修及大修主要靠大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)，但在某些特殊場(chǎng)合還需要小型機(jī)具配合作業(yè)［1］。搗固鎬就是廣泛用于鐵路道床道砟搗固作業(yè)的專用小型養(yǎng)路機(jī)具，對(duì)提高線路設(shè)備質(zhì)量、延長(zhǎng)軌枕使用壽命等有著重要的意義。內(nèi)燃搗固鎬沒有電動(dòng)搗固鎬冗長(zhǎng)的電纜線，也不需要液壓搗固鎬那樣配屬專門的液壓設(shè)備［2］，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、上下道方便、操作輕便、作業(yè)時(shí)間機(jī)動(dòng)靈活而不必專門封鎖線路來作業(yè)的特點(diǎn)，特別適用于道岔、隧道、橋涵等大中型養(yǎng)路機(jī)械不能作業(yè)的道床區(qū)域性養(yǎng)路作業(yè)［3］。本文設(shè)計(jì)研制的這款內(nèi)燃振動(dòng)搗固鎬旨在做這類專用小型養(yǎng)路機(jī)具中的佼佼者。

1 總體結(jié)構(gòu)及原理

搗固鎬作為一種常用的搗固機(jī)具，在使用中需要工人手持操作，因此要求機(jī)具具有重量輕、機(jī)身振動(dòng)小、操作舒適方便、機(jī)動(dòng)靈活、經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的ND－4800 內(nèi)燃振動(dòng)搗固鎬采用偏心產(chǎn)生振動(dòng)，它主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、減振裝置、振動(dòng)搗固裝置及夾持裝置5部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)是動(dòng)力源，為整個(gè)機(jī)具提供動(dòng)力；傳動(dòng)裝置由離合器和傳動(dòng)軟軸組成，將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力根據(jù)需要傳遞給振動(dòng)搗固裝置；偏心振動(dòng)裝置（即偏心轉(zhuǎn)動(dòng)軸）置于鎬體內(nèi)，與鎬頭及鎬體共同組成振動(dòng)搗固裝置來產(chǎn)生激振力；擁有專利設(shè)計(jì)的減振裝置連接發(fā)動(dòng)機(jī)和振動(dòng)搗固裝置，用于提高操作舒適性；夾持裝置包括提手、扶手和壓板等，用來固定和連接發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、振動(dòng)搗固裝置和減振裝置等。

該搗固鎬總體的工作原理為：發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力通過傳動(dòng)裝置傳輸?shù)秸駝?dòng)搗固裝置中的偏心振動(dòng)軸上，由偏心振動(dòng)軸產(chǎn)生高速振動(dòng)并傳遞到特殊設(shè)計(jì)的鎬頭上，鎬頭插入到道碴中，通過高速振動(dòng)將道碴打緊并抬升軌枕使兩根鋼軌保持平衡從而保證行車安全。

圖1 ND－4800內(nèi)燃搗固鎬結(jié)構(gòu)圖

基于搗固鎬的工作要求，具體設(shè)計(jì)工作分別從動(dòng)力裝置的選配、傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)、機(jī)具零部件材料和生產(chǎn)工藝確定、減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、搗固裝置設(shè)計(jì)等方面展開。動(dòng)力選配方面，鑒于成本、維護(hù)方便性等方面的考慮，放棄了一些傳統(tǒng)搗固鎬所用的進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)而選用針對(duì)機(jī)具專門設(shè)計(jì)的國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。綜合考慮機(jī)具整體質(zhì)量、使用壽命、設(shè)備維護(hù)等方面，鎬頭采用低合金鍛造而成，經(jīng)特殊的熱處理后特別耐磨［4，5］；缸筒采用棒材掏孔制成，經(jīng)特殊的熱處理后耐磨抗振且不易破裂。結(jié)構(gòu)方面采用獨(dú)特的減振球及四級(jí)減振設(shè)計(jì)，減少了機(jī)具的螺紋連接點(diǎn)，使整機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單可靠，而在不得不使用螺紋連接的地方采用了獨(dú)特的防松設(shè)計(jì)。

2 鎬頭設(shè)計(jì)

鎬頭性能的好壞直接影響到對(duì)道碴的緊固效果。傳統(tǒng)的搗固鎬鎬頭采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)會(huì)使得搗固鎬整體向下移動(dòng)，降低了振動(dòng)產(chǎn)生的壓力以及作業(yè)效率，同時(shí)增加了搗固鎬的作業(yè)負(fù)荷。為克服上述缺點(diǎn)，將鎬頭設(shè)計(jì)成如圖2所示的結(jié)構(gòu)，工作面上采用內(nèi)凹弧形面、背面斜面、前端部三齒兩槽，以獲得更好的搗固效果。

圖2 鎬頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

鎬頭正工作面采用內(nèi)凹弧形設(shè)計(jì)，這種表面結(jié)構(gòu)能夠利用振動(dòng)作業(yè)時(shí)位于內(nèi)凹面內(nèi)的道碴對(duì)鎬頭產(chǎn)生反沖擊力以有效降低搗固鎬整體下沉深度。鎬頭的后工作面采用斜面設(shè)計(jì)使得作業(yè)時(shí)鎬頭易于斜插入道碴中，后工作面的突出部分能夠利用振動(dòng)作業(yè)時(shí)與工作面接觸的道碴對(duì)鎬頭產(chǎn)生的反沖擊力進(jìn)一步降低搗固鎬整體下沉深度，從而提高搗固鎬的作業(yè)效率并延長(zhǎng)搗固鎬使用壽命。鎬頭前端部通過齒槽的設(shè)計(jì)有效地降低了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)道碴由于振動(dòng)而改變移動(dòng)方向所產(chǎn)生的側(cè)移現(xiàn)象，并減小搗固鎬的下插阻力，同時(shí)增強(qiáng)鎬頭對(duì)道碴的作用力，將道碴壓緊并推至軌枕下面，使軌枕升高，達(dá)到鐵軌平衡要求。

鎬頭受力仿真分析如圖3所示。從圖3中可以看出，在鎬頭最薄弱的地方受到的力相對(duì)于工作面其他部分要小，因此這種內(nèi)凹弧面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，合理確定鎬頭的結(jié)構(gòu)尺寸，使采用三齒兩槽結(jié)構(gòu)形式的鎬頭能夠達(dá)到最優(yōu)的使用效果，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用過程中很少發(fā)生斷齒現(xiàn)象。

3 鎬體設(shè)計(jì)

內(nèi)燃振動(dòng)搗固鎬的鎬體起著動(dòng)力傳遞和承載振動(dòng)源的作用。國(guó)內(nèi)外不少同類產(chǎn)品主要采用振動(dòng)源與鎬體分離的設(shè)計(jì)方式，與鎬頭相距較遠(yuǎn)，存在著動(dòng)力傳遞繁瑣和效率低的問題，同時(shí)增加了作業(yè)時(shí)反饋到扶手和其他裝置上的振動(dòng)波幅值，增加了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度并降低了搗固鎬的壽命。

為了降低反饋到發(fā)動(dòng)機(jī)和作業(yè)扶手上的振動(dòng)，提高振動(dòng)效率，將振動(dòng)源下移到鎬體內(nèi)，以增加振動(dòng)波向搗固鎬發(fā)動(dòng)機(jī)與作業(yè)扶手方向傳遞的時(shí)間和行程，使其到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)和扶手時(shí)振幅得到最大的衰減。缸筒設(shè)計(jì)中將振動(dòng)源（偏心鐵）下移至缸筒的最下端，使第一個(gè)振動(dòng)點(diǎn)位置深入鎬體從而使振動(dòng)產(chǎn)生在鎬體內(nèi)并使振動(dòng)直接作用于鎬頭，從而大大提高了振動(dòng)效率，使得振動(dòng)力相較一般的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言更大。將鎬頭與缸筒做成一個(gè)整體以防止缸筒與鎬頭的脫落，為了便于安裝偏心振動(dòng)軸，在鎬頭底部設(shè)計(jì)了一定的斜角。

圖3 鎬頭受力分析簡(jiǎn)圖

綜上所述，鎬體中將振動(dòng)源下移，振動(dòng)力直接作用于鎬頭，使得在提升搗固效率的同時(shí)改善了操作的舒適性和便利性。

4 減振設(shè)計(jì)

減振裝置是降低作業(yè)者勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率、延長(zhǎng)搗固鎬壽命的關(guān)鍵部件［6］。國(guó)內(nèi)同類型搗固鎬多采用金屬減振或者僅依靠橡膠手套與減振扶手進(jìn)行減振，其減振效果較差。而這款搗固鎬采用4級(jí)減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，4級(jí)減振結(jié)構(gòu)減少了機(jī)具的螺紋連接點(diǎn)，在達(dá)到減振要求的情況下，最大限度地降低搗固作業(yè)時(shí)帶來的振動(dòng)反饋，提高了整機(jī)的使用壽命和可靠性，降低了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的工作強(qiáng)度。

該型搗固鎬4級(jí)減振結(jié)構(gòu)主要由減振球組件、支座與減振球彈性連接組件、扶手支架與支座的彈性連接以及符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)并配有減振手套的扶手部分組成。在整個(gè)減振體系中，減振球組件起主要減振作用，其采用上下兩端懸空設(shè)計(jì)，減振球以金屬構(gòu)件為剛性骨架進(jìn)行橡膠填充，下端采用碗狀設(shè)計(jì)，球形結(jié)構(gòu)中間通過軟軸進(jìn)行動(dòng)力傳遞。該結(jié)構(gòu)具有很好的減振作用，同時(shí)起到鎬體和扶手支架的連接作用。減振球組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

從各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)的檢測(cè)結(jié)果和用戶試用的情況來看，這款ND－4800內(nèi)燃搗固鎬可以很好地完成道床搗固作業(yè)?？傮w而言，該型搗固鎬有如下特點(diǎn)：

（1）可靠性好、故障率低、作業(yè)效率高、性價(jià)比高。

圖4 減振球組件結(jié)構(gòu)示意圖

（2）在動(dòng)力源選配方面，可根據(jù)用戶的具體需求來選配四沖程或二沖程汽油機(jī)以進(jìn)一步降低噪聲、污染及油耗。

（3）通過符合人體工程學(xué)原理的扶手設(shè)計(jì)并配合特殊的4級(jí)減振結(jié)構(gòu)，使操作者工作時(shí)不易疲勞，同時(shí)所用的防松技術(shù)也解決了同類產(chǎn)品螺紋易松動(dòng)問題。

（4）拓展性好，對(duì)搗固鎬本體做適當(dāng)改造后還可開發(fā)出破碎機(jī)等其他特種產(chǎn)品。

［1］ 李錫章，王慶禮.小型養(yǎng)路機(jī)械在一般線路維修中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，1998（11）：29－31.

［2］ 徐建明，劉紹先.養(yǎng)路機(jī)械化［J］.鐵道知識(shí)，2000（2）：28－29.

［3］ 孫付春，張樹忠，李宏穆.淺談小型養(yǎng)路機(jī)械的開發(fā)［J］.建筑機(jī)械化，2005（9）：28－29.

［4］ 周忠毅.高耐磨搗鎬的研制［J］.機(jī)車車輛工藝，2009（5）：11－13.

［5］ 張良剛，張漢斌，左清軍.新型高強(qiáng)度鐵路路基搗固鎬頭的研發(fā)［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2011（2）：48－51.

［6］ 楊成美，王貴成.新型內(nèi)燃搗固機(jī)的振動(dòng)分析［J］.機(jī)車車輛工藝，2004（2）：29－30.