某型內(nèi)燃搗固鎬的創(chuàng)新設(shè)計

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)路機械作業(yè)，但在某些特殊場合還需要小型機具配合作業(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)路機具，對提高線路設(shè)備質(zhì)量、延長軌枕使用壽命等有著重要的意義。內(nèi)燃搗固鎬沒有電動搗固鎬冗長的電纜線，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)時間機動靈活而不必專門封鎖線路來作業(yè)的特點，特別適用于道岔、隧道、橋涵等大中型養(yǎng)路機械不能作業(yè)的道床區(qū)域性養(yǎng)路作業(yè)［3］。本文設(shè)計研制的這款內(nèi)燃振動搗固鎬旨在做這類專用小型養(yǎng)路機具中的佼佼者。

1 總體結(jié)構(gòu)及原理

搗固鎬作為一種常用的搗固機具，在使用中需要工人手持操作，因此要求機具具有重量輕、機身振動小、操作舒適方便、機動靈活、經(jīng)濟適用等特點。本文設(shè)計的ND－4800 內(nèi)燃振動搗固鎬采用偏心產(chǎn)生振動，它主要由發(fā)動機、傳動裝置、減振裝置、振動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)動機是動力源，為整個機具提供動力；傳動裝置由離合器和傳動軟軸組成，將發(fā)動機的動力根據(jù)需要傳遞給振動搗固裝置；偏心振動裝置（即偏心轉(zhuǎn)動軸）置于鎬體內(nèi)，與鎬頭及鎬體共同組成振動搗固裝置來產(chǎn)生激振力；擁有專利設(shè)計的減振裝置連接發(fā)動機和振動搗固裝置，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)動機、傳動裝置、振動搗固裝置和減振裝置等。

該搗固鎬總體的工作原理為：發(fā)動機輸出的動力通過傳動裝置傳輸?shù)秸駝訐v固裝置中的偏心振動軸上，由偏心振動軸產(chǎn)生高速振動并傳遞到特殊設(shè)計的鎬頭上，鎬頭插入到道碴中，通過高速振動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)計工作分別從動力裝置的選配、傳動裝置的結(jié)構(gòu)、機具零部件材料和生產(chǎn)工藝確定、減振結(jié)構(gòu)設(shè)計、搗固裝置設(shè)計等方面展開。動力選配方面，鑒于成本、維護方便性等方面的考慮，放棄了一些傳統(tǒng)搗固鎬所用的進口發(fā)動機而選用針對機具專門設(shè)計的國產(chǎn)發(fā)動機。綜合考慮機具整體質(zhì)量、使用壽命、設(shè)備維護等方面，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)方面采用獨特的減振球及四級減振設(shè)計，減少了機具的螺紋連接點，使整機結(jié)構(gòu)更簡單可靠，而在不得不使用螺紋連接的地方采用了獨特的防松設(shè)計。

2 鎬頭設(shè)計

鎬頭性能的好壞直接影響到對道碴的緊固效果。傳統(tǒng)的搗固鎬鎬頭采用對稱結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，振動會使得搗固鎬整體向下移動，降低了振動產(chǎn)生的壓力以及作業(yè)效率，同時增加了搗固鎬的作業(yè)負荷。為克服上述缺點，將鎬頭設(shè)計成如圖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)簡圖

鎬頭正工作面采用內(nèi)凹弧形設(shè)計，這種表面結(jié)構(gòu)能夠利用振動作業(yè)時位于內(nèi)凹面內(nèi)的道碴對鎬頭產(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)計使得作業(yè)時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作業(yè)時與工作面接觸的道碴對鎬頭產(chǎn)生的反沖擊力進一步降低搗固鎬整體下沉深度，從而提高搗固鎬的作業(yè)效率并延長搗固鎬使用壽命。鎬頭前端部通過齒槽的設(shè)計有效地降低了現(xiàn)場作業(yè)時道碴由于振動而改變移動方向所產(chǎn)生的側(cè)移現(xiàn)象，并減小搗固鎬的下插阻力，同時增強鎬頭對道碴的作用力，將道碴壓緊并推至軌枕下面，使軌枕升高，達到鐵軌平衡要求。

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于工作面其他部分要小，因此這種內(nèi)凹弧面設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計要求。同時通過理論分析和現(xiàn)場反復(fù)實驗，合理確定鎬頭的結(jié)構(gòu)尺寸，使采用三齒兩槽結(jié)構(gòu)形式的鎬頭能夠達到最優(yōu)的使用效果，在實際現(xiàn)場使用過程中很少發(fā)生斷齒現(xiàn)象。

3 鎬體設(shè)計

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

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

圖3 鎬頭受力分析簡圖

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

4 減振設(shè)計

減振裝置是降低作業(yè)者勞動強度、提高作業(yè)效率、延長搗固鎬壽命的關(guān)鍵部件［6］。國內(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行減振，其減振效果較差。而這款搗固鎬采用4級減振結(jié)構(gòu)設(shè)計，4級減振結(jié)構(gòu)減少了機具的螺紋連接點，在達到減振要求的情況下，最大限度地降低搗固作業(yè)時帶來的振動反饋，提高了整機的使用壽命和可靠性，降低了現(xiàn)場工作人員的工作強度。

該型搗固鎬4級減振結(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)計并配有減振手套的扶手部分組成。在整個減振體系中，減振球組件起主要減振作用，其采用上下兩端懸空設(shè)計，減振球以金屬構(gòu)件為剛性骨架進行橡膠填充，下端采用碗狀設(shè)計，球形結(jié)構(gòu)中間通過軟軸進行動力傳遞。該結(jié)構(gòu)具有很好的減振作用，同時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

從各項測試數(shù)據(jù)的檢測結(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)。總體而言，該型搗固鎬有如下特點：

（1）可靠性好、故障率低、作業(yè)效率高、性價比高。

圖4 減振球組件結(jié)構(gòu)示意圖

（2）在動力源選配方面，可根據(jù)用戶的具體需求來選配四沖程或二沖程汽油機以進一步降低噪聲、污染及油耗。

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

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

［1］ 李錫章，王慶禮.小型養(yǎng)路機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)路機械化［J］.鐵道知識，2000（2）：28－29.

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

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

［5］ 張良剛，張漢斌，左清軍.新型高強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)燃搗固機的振動分析［J］.機車車輛工藝，2004（2）：29－30.