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摘 要：本文主要针对我国铁路行车密度不断加大，传统小型液压捣固机难以获得足够“天窗”点作业时间的问题，在讨论了工务维修手段变革趋势的基础上，就一种内燃捣固镐的设计与优化进行了研究和分析。
关键词：内燃；捣固镐；研究；应用
前言
我国铁路经过六次大面积提速后，繁忙干线上列车运行的间隔时间越来越短。就有砟线路捣固作业而言，传统小型液压捣固机群作业受到越来越大的冲击，既不能利用列车行驶间隔时间上道，也很难获得充足的“天窗”时间进行捣固作业，因此，我国近年来加快了大型捣固车的投入，但在大型养路机械普及率及使用频率还不是很高的情况下，完全依赖大机作业还不能达到线路维护要求。加之在诸如抗洪抢险、零星线路维护过程中，无论是小型液压捣固机，还是大型养路机械都受到时间和空间的限制。所以必然需要一种轻便、灵活的捣固镐类机具作为工务维修的辅助手段。本文所述内燃捣固镐的研制正是在这种背景下提出的。
1.原理和方案
根据上述需求研制的ZCD-300型内燃捣固镐选用汽油发动机作动力（见图1），采用高速偏心激振和橡胶减振原理，通过机体和操作者对扶手施加的外力，在不扒砟的情况下使镐头顺利插入道砟，道砟受到强烈的高频激振，相互间的摩擦阻力减小，呈现流动状态，并在相互运动中排列密实；同时整机重量和操作者对扶手施加的外力对道砟形成挤压力，把流动的石砟捣入枕底，填满枕下空隙，达到捣固目的。采用橡胶减振器对扶手和汽油机进行减振，以达到保护汽油机和提高操作者手感舒适度的目的。
该内燃捣固镐由捣固装置、减振装置、传动装置、发动机及扶手部分组成。捣固装置振动部分由镐体、偏心振动体及镐头组成。传动装置由离合器、传动软轴组成；支架部分由减振装置及扶手组成。发动机通过联接管、减振器与捣固装置弹性联接，其输出轴通过传动装置驱动镐体内的偏心振动体转动，产生高频激振力，发动机油门操作手柄和熄火开关按钮安装在扶手上。
2.主要参数设计及计算
本机采用的汽油机最大输出功率时转速为7000rpm，经过试验，在此条件下要达到良好的捣固效果并兼顾发动机工况要求，捣固镐的激振力F宜设计在3000N左右，因此整机设计以n=7000r/min、F=3000N做为额定转速和激振力。
根据整机结构取：偏心铁偏心半径r=0.003m，传动比i=1。
此外：发动机最大允许转速nmax=8500 r/min
2.1偏心质量计算
激振力F=m×r×ω2
式中：m—偏心质量（kg）
r—偏心半径（m）
ω—回转角速度（r/min）
则m=F/（r×ω2）
=3000/[0.003×（7000×2π/60）2]
=1.9kg
2.2最大激振力计算
Fmax=m×r×ωmax2
=1.9×0.003×（8500×2π/60）2
=4423.05N
3.优化设计
由于该设备自身为激振振源，故其自身零部件工况非常恶劣，尤其对发动机和轴承的使用寿命影响非常大。在前期投入市场的产品中，发生过发动机缸体薄弱部位开裂等故障，经拆机分析发现主要原因是振动模型欠佳所致。为改进上述问题，对减震器件和扶手安装点等方面进行了优化设计，其中重点是调整扶手安装点至设备零振点。
零振点的确定采用间接测量法：如图2所示，搗镐工作正常后，把加速度传感器探头与所要测量的振动部位和距镐尖约为三分之二长度位置上焊接座固连。按下式（1）计算零振点到镐头尖端的距离L 0：
式中：L 1—镐尖端到测点1传感器的距离，mm。
经改进设计后，在扶手减振方面进行了大量试验和调试，最终使扶手支撑点设置在整机零振点，实现了良好的主动隔振结构，扶手和发动机减振效果得到较大改善。整机完成300小时满负荷连续耐久试验未再出现前述问题，并通过为期1年的用户反馈情况分析，未出现因设备自身原因导致的发动机缸体损坏现象。
4.试验验证
4.1作业效率
为了测试机器的作业效率，试验选取了一处Ⅲ型轨枕、一级道砟线路。捣固形式为：不填砟；平均起道量20mm；4台捣固镐为一组，分别同时负责捣固轨枕与钢轨交叉的四个捣固点。
经测试单根钢轨连续10根轨枕捣固总时间为3分35秒，则平均每根轨枕捣固时间（镐头从下插开始到转移至下一捣固位置所需时间）为21.5秒，因而在此条件下的平均作业效率为2.8根/分。根据现场了解同样条件下，4人操作手工洋镐平均效率约为1根/分；4台传统DDG300电镐平均捣固效率约为2根/分；1台XYD-2小型液压捣固机平均效率约为4根/分。因此，该设备生产效率虽不及液压捣固机，但相对于传统电镐或手工洋镐而言其作业效率更具优势。
4.2最小列车间隔要求
为了考察该捣固镐对最短作业时间的要求，笔者测试了完成最小作业量的最小列车间隔时间T。T是上道时间ts、下道时间tx、避让列车时间tb以及完成最小的作业量所需时间tz的总和。其中上道时间为防护员发出上道作业指令时计时开始，到捣固镐镐头置于作业点所需的时间；下道时间为施工防护员发出下道指令，到机器撤离至路肩并放稳所需的时间；避让列车时间为下道完毕到列车尾部通过作业地点所需的时间；完成最小作业量所需时间在此以一次捣固普通道床大约5根Ⅲ型轨枕的作业时间来计算，经随机测量后统计计算得
由此可见内燃捣固镐可能作业的最小列车间隔不大于5分钟。虽然提速后主要干线车流密集，但5分钟以上的列车间隔还是容易保证的，因而在繁忙干线上利用列车间隔采用该内燃捣固镐进行局部临时抢修作业是具备潜力的。
4.3作业质量
为了考察该捣固镐的实用性，在一铁路线路对该设备进行了捣固作业试验，测试了捣固作业24小时 （该线路点通常过17趟车） 后10个测试点的下沉量，结果见表1。
根据现场了解到的经验数据表明，该段线路手工洋镐相同条件下捣固后平均下沉量约为10mm，小型液压捣固机平均下沉量约为5mm。由表2结果看ZCD-300型内燃捣固镐平均下沉量约为7.6mm，可知该捣固镐捣固作业效果与XYD-2型小型液压捣固机械作业有一定差距，但较洋镐作业有较大幅度提高。说明捣固质量较好，能够满足现场作业需要。
5.结束语
综上所述，经优化设计的ZCD-300型内燃捣固镐不论从操作性、方便性、机动性、上下道安全性方面，还是捣固质量、效率等方面都符合现有工务维修要求，特别适用于道岔、隧道、桥涵、抗洪抢险等大中型养路机械不能作业的道床区域性机动养护作业，因此，该设备潜在着较大的应用空间。
参考文献：
[1]闻邦椿等.振动机械的理论与动态设计方法.机械工业出版社，2002年01月第1版
[2]铁道部.中华人民共和国铁道部铁路线路修理规则.铁道出版社，2006年8月
[3]铁兰州铁路局劳资处.路劳动定额工作概论.铁道出版社，1996年04月第1版
[4]闵耀兴.既有铁路列车提速.铁道出版社，1997年4月第1版
作者简介：张代军，（1979.05-）男，民族：汉，籍贯（精确到市）：四川大竹，研究方向：机械、液压，作者单位：什邡瑞邦机械有限责任公司。
关键词：内燃；捣固镐；研究；应用
前言
我国铁路经过六次大面积提速后，繁忙干线上列车运行的间隔时间越来越短。就有砟线路捣固作业而言，传统小型液压捣固机群作业受到越来越大的冲击，既不能利用列车行驶间隔时间上道，也很难获得充足的“天窗”时间进行捣固作业，因此，我国近年来加快了大型捣固车的投入，但在大型养路机械普及率及使用频率还不是很高的情况下，完全依赖大机作业还不能达到线路维护要求。加之在诸如抗洪抢险、零星线路维护过程中，无论是小型液压捣固机，还是大型养路机械都受到时间和空间的限制。所以必然需要一种轻便、灵活的捣固镐类机具作为工务维修的辅助手段。本文所述内燃捣固镐的研制正是在这种背景下提出的。
1.原理和方案
根据上述需求研制的ZCD-300型内燃捣固镐选用汽油发动机作动力（见图1），采用高速偏心激振和橡胶减振原理，通过机体和操作者对扶手施加的外力，在不扒砟的情况下使镐头顺利插入道砟，道砟受到强烈的高频激振，相互间的摩擦阻力减小，呈现流动状态，并在相互运动中排列密实；同时整机重量和操作者对扶手施加的外力对道砟形成挤压力，把流动的石砟捣入枕底，填满枕下空隙，达到捣固目的。采用橡胶减振器对扶手和汽油机进行减振，以达到保护汽油机和提高操作者手感舒适度的目的。
该内燃捣固镐由捣固装置、减振装置、传动装置、发动机及扶手部分组成。捣固装置振动部分由镐体、偏心振动体及镐头组成。传动装置由离合器、传动软轴组成；支架部分由减振装置及扶手组成。发动机通过联接管、减振器与捣固装置弹性联接，其输出轴通过传动装置驱动镐体内的偏心振动体转动，产生高频激振力，发动机油门操作手柄和熄火开关按钮安装在扶手上。
2.主要参数设计及计算
本机采用的汽油机最大输出功率时转速为7000rpm，经过试验，在此条件下要达到良好的捣固效果并兼顾发动机工况要求，捣固镐的激振力F宜设计在3000N左右，因此整机设计以n=7000r/min、F=3000N做为额定转速和激振力。
根据整机结构取：偏心铁偏心半径r=0.003m，传动比i=1。
此外：发动机最大允许转速nmax=8500 r/min
2.1偏心质量计算
激振力F=m×r×ω2
式中：m—偏心质量（kg）
r—偏心半径（m）
ω—回转角速度（r/min）
则m=F/（r×ω2）
=3000/[0.003×（7000×2π/60）2]
=1.9kg
2.2最大激振力计算
Fmax=m×r×ωmax2
=1.9×0.003×（8500×2π/60）2
=4423.05N
3.优化设计
由于该设备自身为激振振源，故其自身零部件工况非常恶劣，尤其对发动机和轴承的使用寿命影响非常大。在前期投入市场的产品中，发生过发动机缸体薄弱部位开裂等故障，经拆机分析发现主要原因是振动模型欠佳所致。为改进上述问题，对减震器件和扶手安装点等方面进行了优化设计，其中重点是调整扶手安装点至设备零振点。
零振点的确定采用间接测量法：如图2所示，搗镐工作正常后，把加速度传感器探头与所要测量的振动部位和距镐尖约为三分之二长度位置上焊接座固连。按下式（1）计算零振点到镐头尖端的距离L 0：
式中：L 1—镐尖端到测点1传感器的距离，mm。
经改进设计后，在扶手减振方面进行了大量试验和调试，最终使扶手支撑点设置在整机零振点，实现了良好的主动隔振结构，扶手和发动机减振效果得到较大改善。整机完成300小时满负荷连续耐久试验未再出现前述问题，并通过为期1年的用户反馈情况分析，未出现因设备自身原因导致的发动机缸体损坏现象。
4.试验验证
4.1作业效率
为了测试机器的作业效率，试验选取了一处Ⅲ型轨枕、一级道砟线路。捣固形式为：不填砟；平均起道量20mm；4台捣固镐为一组，分别同时负责捣固轨枕与钢轨交叉的四个捣固点。
经测试单根钢轨连续10根轨枕捣固总时间为3分35秒，则平均每根轨枕捣固时间（镐头从下插开始到转移至下一捣固位置所需时间）为21.5秒，因而在此条件下的平均作业效率为2.8根/分。根据现场了解同样条件下，4人操作手工洋镐平均效率约为1根/分；4台传统DDG300电镐平均捣固效率约为2根/分；1台XYD-2小型液压捣固机平均效率约为4根/分。因此，该设备生产效率虽不及液压捣固机，但相对于传统电镐或手工洋镐而言其作业效率更具优势。
4.2最小列车间隔要求
为了考察该捣固镐对最短作业时间的要求，笔者测试了完成最小作业量的最小列车间隔时间T。T是上道时间ts、下道时间tx、避让列车时间tb以及完成最小的作业量所需时间tz的总和。其中上道时间为防护员发出上道作业指令时计时开始，到捣固镐镐头置于作业点所需的时间；下道时间为施工防护员发出下道指令，到机器撤离至路肩并放稳所需的时间；避让列车时间为下道完毕到列车尾部通过作业地点所需的时间；完成最小作业量所需时间在此以一次捣固普通道床大约5根Ⅲ型轨枕的作业时间来计算，经随机测量后统计计算得
由此可见内燃捣固镐可能作业的最小列车间隔不大于5分钟。虽然提速后主要干线车流密集，但5分钟以上的列车间隔还是容易保证的，因而在繁忙干线上利用列车间隔采用该内燃捣固镐进行局部临时抢修作业是具备潜力的。
4.3作业质量
为了考察该捣固镐的实用性，在一铁路线路对该设备进行了捣固作业试验，测试了捣固作业24小时 （该线路点通常过17趟车） 后10个测试点的下沉量，结果见表1。
根据现场了解到的经验数据表明，该段线路手工洋镐相同条件下捣固后平均下沉量约为10mm，小型液压捣固机平均下沉量约为5mm。由表2结果看ZCD-300型内燃捣固镐平均下沉量约为7.6mm，可知该捣固镐捣固作业效果与XYD-2型小型液压捣固机械作业有一定差距，但较洋镐作业有较大幅度提高。说明捣固质量较好，能够满足现场作业需要。
5.结束语
综上所述，经优化设计的ZCD-300型内燃捣固镐不论从操作性、方便性、机动性、上下道安全性方面，还是捣固质量、效率等方面都符合现有工务维修要求，特别适用于道岔、隧道、桥涵、抗洪抢险等大中型养路机械不能作业的道床区域性机动养护作业，因此，该设备潜在着较大的应用空间。
参考文献：
[1]闻邦椿等.振动机械的理论与动态设计方法.机械工业出版社，2002年01月第1版
[2]铁道部.中华人民共和国铁道部铁路线路修理规则.铁道出版社，2006年8月
[3]铁兰州铁路局劳资处.路劳动定额工作概论.铁道出版社，1996年04月第1版
[4]闵耀兴.既有铁路列车提速.铁道出版社，1997年4月第1版
作者简介：张代军，（1979.05-）男，民族：汉，籍贯（精确到市）：四川大竹，研究方向：机械、液压，作者单位：什邡瑞邦机械有限责任公司。