2021-4-9 | 机械制造论文
本文阐述了捣固装置的发展概况，重点论述了捣固装置激振技术研究现状，最后，指出了目前存在的问题，并对解决方法进行了探讨。
国内外捣固装置现状和研究概况
国际捣固车的发展过程经历了由步进式发展为连续式，单枕捣固到双枕捣固乃至多枕捣固，单一的捣固模式到多种作业模式，检测方式由弦线检测发展到光学检测，由线路几何参数相对基准的检测发展到线路几何参数绝对基准检测。捣固技术一直是沿着提高作业效率、提高作业控制精度、提高作业质量的轨迹发展。国外Plasser公司、Matisa公司和Harsco三家公司产品技术已趋成熟，生产的捣固机械大多为重型、高效、多功能等形式。Plasser公司成立于1953年，总部在奥地利，是当今全球最著名的铁路工程机械制造商之一；是专门从事对铁路线路、道岔和接触网的新建、大修与养护作业的机械和车辆的研究、开发、制造和销售的专业厂家。目前，所制造的D09-32型捣固车采用连续式捣固作业，弦线检测方式，能以三点或四点法引导作业，其捣固装置采用偏心轴连杆摇摆式激振方式。Matisa公司是世界著名的大型养路机械制造商，从1945年在瑞士正式成立以来，以生产捣固机驰名世界。振动、夹持捣固法就是它的专利。该公司产品一度垄断国际市场，行销世界各地。主要产品有抄平、起拨道捣固机及其他大型养路机械等，目前作业检测采用光学检测方式，作业精度高，其捣固装置采用双轴椭圆激振方式。Harsco公司是美国专业生产铁路养路机械，具有100年的历史，在美国南卡罗来纳、密歇根、明尼苏达、和澳大利亚及英国有生产基地。其主要产品有MARK系列捣固车及其它线路维修车，所制造的捣固车在北美洲拥有大部分市场，目前作业检测采用光学检测方式，控制系统采用总性控制技术，其捣固装置采用水平面扭转激振方式。有关国外这方面的相关技术多查询于国外专利，因为在该方面相关的研究文献及技术资料涉及到企业生存发展，所以相关研究资料鲜有公开。
目前，国外捣固机械的主要发展研究方向如下：（1）向高效率发展。捣固装置向同时捣固多根轨枕的方向发展以提高作业效率。当今，捣固车作业效率可达2000m/h。（2）向综合作业发展。捣固车大都设有抄平装置、起拨道装置，有的还装有枕端夯实装置，故可同时完成多项作业任务。（3）向高精度、自动化发展。大多数捣固车都应用激光抄平、光电转换、计算机控制捣固起拨道装置，使线路高度差在0.8～1.0mm。（4）向高运行速度发展。捣固机械在作业时采取不间歇的连续运行方式；区间运行速度可达到80km/h。联挂列车运行时，允许速度达到100km/h。我国是从20世纪50年代开始使用机械捣固的，捣固机械的发展大致经历了三个阶段：20世纪50～70年代，以电动捣固机为主，依据操纵方式分为手提式和上架式两种；20世纪70～80年代，发展液压中小型捣固机，仅适用于新建铁路或线路大修捣固作业，在列车密度不大的区段亦可用于线路维修；20世纪80～90年代，国内开始引进国外先进技术，制造大型高效综合作业捣固机械。目前，襄樊金鹰重型工程机械有限公司和昆明中铁大型养路机械集团有限责任公司通过引进技术、消化吸收再创新，打破国外技术壁垒，开发出了一批具有自主知识产权的新产品，并创立了符合国情的大型养路机械发展模式和技术体系，站在国内铁路养路机械技术的最前沿，但现有产品关键技术和核心元件基本依赖引进。随着国内对国外三家公司各种捣固车的引进，不同类型捣固装置的技术理论研究也不断在深入，主要集中在捣固装置的振动方式、振动频率、振幅、结构组成与激振原理等方面。1997年，韩志青分析了D08-32型双枕捣固车的捣固装置[3]，捣固镐振动原理为偏心连杆摇摆式机械强迫振动，方式为简谐振动[4]，同时论文依据“振动对道床效应”试验报告认为，振动器与道床道碴的谐振频率为42Hz。2003年，李毅松和翁敏红对D09-32型捣固车捣固装置进行了分析研究，并系统阐述了该捣固装置的功能特点、结构组成、振动夹持方式以及异步稳压捣固原理[6]。2005年，高兵、王有虹就CD08-475型道岔捣固车捣固装置的结构原理进行了总结分析，阐述了异步定压力捣固原理及其压实过程，认为捣固镐头最佳振动频率为35Hz，在一定激振力下，轨枕随捣固频率的变化而变化，在35Hz左右对轨枕有小幅的提升作用。经验认为最佳捣固振幅为3～5mm，最佳挤压时间为0.8～1.2s。2008年，应立军等介绍了国外捣稳一体化设备研制的新进展。文献[9]分析了捣固、稳定联合作业模式的工作原理，文献同时分析了Matisa捣固装置的捣实机理，指出采用双轴椭圆振动的捣固装置能对道碴产生竖直和水平双向的振动，能有效提高道碴的密实度，改善道床的稳定性，并对捣固频率的选择进行了探讨，依据Plasser公司提供的轨枕随捣固频率的变化图得出轨枕的下沉量在60Hz附近最大，高频率的振动下，道碴流动性强，轨道下沉量明显，有助于提高轨枕稳定性。在捣固机理方面，赵明华、李夕兵等人用振动波理论来解释振动机理，阐述了横波、纵波对道碴的作用。利用振动波理论提出了一种推论：在初始的振动、捣固次数增加时，道碴的密实度有所提高，道碴密实度提高到一定程度后，随着振动、捣固次数的增加，道碴密实度反而减小。总的来说，国内高校及企业对捣固装置技术的研究仅停留在对已有捣固装置的技术参数及结构方面的分析，没有形成对捣固装置的技术参数及结构优化理论的指导，更未解决强迫振动加速捣固镐磨损、捣固镐振动产生夹持液压缸摆动和捣固镐振幅和频率不能无级可调的问题。
捣固装置激振形式
激振器是附加在某些机械和设备上用以产生激励力的装置，是产生机械振动的重要部件。激振器能使被激物体获得一定形式和强度的振动，实现振动模拟或利用振动完成捣固、破碎等任务，已广泛应用于地震模拟、汽车、航空航天、机电系统及其零部件性能和寿命试验，以及机械捣固、振动破岩和钻孔等领域。从振动动力元件的工作原理上看，按激励形式的不同，激振形式分为机械式、电动式、液压式、电致或磁致伸缩效应式和气动式等形式。现有各类振动激振装备的性能特点如下。（1）机械式：主要分为离心式和直接作用式两类。离心式机械振动装置的频率范围一般为5～100Hz，负载为50～10000N；直接作用式机械振动装置的频率范围为1～200Hz，可得到很大的推力和较大的振幅。这类振动装置结构简单、成本低，但上限频率较低，广泛应用于各种低频振动场合。（2）电动式：能产生复杂的振动波形，具有波形失真度较小、工作频率范围大等优点，由于受到固有磁饱和的限制，不易获得大激振力，此外，设备结构复杂、振动位移有限并需要辅助冷却装置，因此，主要应用于振动试验台。小型电磁式振动台的频率范围为0～10kHz，大型电动式振动台频率范围为0～2kHz，主要应用于航空、航天及国防等领域。（3）液压式：广泛地应用于振动打桩、振动锻造、振动造型、振动剪切、振动压实、振动输送、振动筛、农业机械和振动试验台等。（4）电致或磁致伸缩效应式：最新发展的一类微型振动器[19]，能达到极高的振动频率，可实现超声振动，振动波形基本不失真，但输出振幅及功率都很小，目前的振动辅助加工大都采用此类振动器，也成功地应用于非圆车削。（5）气动式：主要应用于振动台，与常规电动振动台相比，气动式振动台能够产生一种超高斯幅值分布的宽带随机振动，其振动激励的最高频率可达10000Hz，有效频带约为20~6000Hz[22-,23]。图1所示为5类振动装备振动频率及振幅范围比较，激振频率范围皆可满足捣固装置。不同激振方式各具特点，在一定程度上能满足不同的需要。下面将阐述应用不同激振技术捣固装置的工作原理。全球捣固装置核心技术主要由Plasser，Matisa和Harsco三家国外公司所掌握，它们分别一直沿用其传统的机械机构来实现捣固镐的振动，进而夯实捣固石碴，其各自工作原理如下：