某型内燃捣固镐的创新设计

2013-12-23牛钊文孙付春张治斌

机械工程与自动化 2013年2期

牛钊文，孙付春，张治斌

（1.成都大学工业制造学院，四川成都 610106；2.成都新宇工务机具有限公司，四川成都 610052）

0 引言

铁路综合维修及大修主要靠大型养路机械作业，但在某些特殊场合还需要小型机具配合作业［1］。捣固镐就是广泛用于铁路道床道砟捣固作业的专用小型养路机具，对提高线路设备质量、延长轨枕使用寿命等有着重要的意义。内燃捣固镐没有电动捣固镐冗长的电缆线，也不需要液压捣固镐那样配属专门的液压设备［2］，且具有结构紧凑、上下道方便、操作轻便、作业时间机动灵活而不必专门封锁线路来作业的特点，特别适用于道岔、隧道、桥涵等大中型养路机械不能作业的道床区域性养路作业［3］。本文设计研制的这款内燃振动捣固镐旨在做这类专用小型养路机具中的佼佼者。

1 总体结构及原理

捣固镐作为一种常用的捣固机具，在使用中需要工人手持操作，因此要求机具具有重量轻、机身振动小、操作舒适方便、机动灵活、经济适用等特点。本文设计的ND－4800 内燃振动捣固镐采用偏心产生振动，它主要由发动机、传动装置、减振装置、振动捣固装置及夹持装置5部分组成，其结构如图1所示。

发动机是动力源，为整个机具提供动力；传动装置由离合器和传动软轴组成，将发动机的动力根据需要传递给振动捣固装置；偏心振动装置（即偏心转动轴）置于镐体内，与镐头及镐体共同组成振动捣固装置来产生激振力；拥有专利设计的减振装置连接发动机和振动捣固装置，用于提高操作舒适性；夹持装置包括提手、扶手和压板等，用来固定和连接发动机、传动装置、振动捣固装置和减振装置等。

该捣固镐总体的工作原理为：发动机输出的动力通过传动装置传输到振动捣固装置中的偏心振动轴上，由偏心振动轴产生高速振动并传递到特殊设计的镐头上，镐头插入到道碴中，通过高速振动将道碴打紧并抬升轨枕使两根钢轨保持平衡从而保证行车安全。

图1 ND－4800内燃捣固镐结构图

基于捣固镐的工作要求，具体设计工作分别从动力装置的选配、传动装置的结构、机具零部件材料和生产工艺确定、减振结构设计、捣固装置设计等方面展开。动力选配方面，鉴于成本、维护方便性等方面的考虑，放弃了一些传统捣固镐所用的进口发动机而选用针对机具专门设计的国产发动机。综合考虑机具整体质量、使用寿命、设备维护等方面，镐头采用低合金锻造而成，经特殊的热处理后特别耐磨［4，5］；缸筒采用棒材掏孔制成，经特殊的热处理后耐磨抗振且不易破裂。结构方面采用独特的减振球及四级减振设计，减少了机具的螺纹连接点，使整机结构更简单可靠，而在不得不使用螺纹连接的地方采用了独特的防松设计。

2 镐头设计

镐头性能的好坏直接影响到对道碴的紧固效果。传统的捣固镐镐头采用对称结构，在现场作业过程中发现，振动会使得捣固镐整体向下移动，降低了振动产生的压力以及作业效率，同时增加了捣固镐的作业负荷。为克服上述缺点，将镐头设计成如图2所示的结构，工作面上采用内凹弧形面、背面斜面、前端部三齿两槽，以获得更好的捣固效果。

图2 镐头结构简图

镐头正工作面采用内凹弧形设计，这种表面结构能够利用振动作业时位于内凹面内的道碴对镐头产生反冲击力以有效降低捣固镐整体下沉深度。镐头的后工作面采用斜面设计使得作业时镐头易于斜插入道碴中，后工作面的突出部分能够利用振动作业时与工作面接触的道碴对镐头产生的反冲击力进一步降低捣固镐整体下沉深度，从而提高捣固镐的作业效率并延长捣固镐使用寿命。镐头前端部通过齿槽的设计有效地降低了现场作业时道碴由于振动而改变移动方向所产生的侧移现象，并减小捣固镐的下插阻力，同时增强镐头对道碴的作用力，将道碴压紧并推至轨枕下面，使轨枕升高，达到铁轨平衡要求。

镐头受力仿真分析如图3所示。从图3中可以看出，在镐头最薄弱的地方受到的力相对于工作面其他部分要小，因此这种内凹弧面设计结构能够满足设计要求。同时通过理论分析和现场反复实验，合理确定镐头的结构尺寸，使采用三齿两槽结构形式的镐头能够达到最优的使用效果，在实际现场使用过程中很少发生断齿现象。

3 镐体设计

内燃振动捣固镐的镐体起着动力传递和承载振动源的作用。国内外不少同类产品主要采用振动源与镐体分离的设计方式，与镐头相距较远，存在着动力传递繁琐和效率低的问题，同时增加了作业时反馈到扶手和其他装置上的振动波幅值，增加了作业人员的劳动强度并降低了捣固镐的寿命。

为了降低反馈到发动机和作业扶手上的振动，提高振动效率，将振动源下移到镐体内，以增加振动波向捣固镐发动机与作业扶手方向传递的时间和行程，使其到达发动机和扶手时振幅得到最大的衰减。缸筒设计中将振动源（偏心铁）下移至缸筒的最下端，使第一个振动点位置深入镐体从而使振动产生在镐体内并使振动直接作用于镐头，从而大大提高了振动效率，使得振动力相较一般的传统结构而言更大。将镐头与缸筒做成一个整体以防止缸筒与镐头的脱落，为了便于安装偏心振动轴，在镐头底部设计了一定的斜角。

图3 镐头受力分析简图

综上所述，镐体中将振动源下移，振动力直接作用于镐头，使得在提升捣固效率的同时改善了操作的舒适性和便利性。

4 减振设计

减振装置是降低作业者劳动强度、提高作业效率、延长捣固镐寿命的关键部件［6］。国内同类型捣固镐多采用金属减振或者仅依靠橡胶手套与减振扶手进行减振，其减振效果较差。而这款捣固镐采用4级减振结构设计，4级减振结构减少了机具的螺纹连接点，在达到减振要求的情况下，最大限度地降低捣固作业时带来的振动反馈，提高了整机的使用寿命和可靠性，降低了现场工作人员的工作强度。

该型捣固镐4级减振结构主要由减振球组件、支座与减振球弹性连接组件、扶手支架与支座的弹性连接以及符合人体工程学设计并配有减振手套的扶手部分组成。在整个减振体系中，减振球组件起主要减振作用，其采用上下两端悬空设计，减振球以金属构件为刚性骨架进行橡胶填充，下端采用碗状设计，球形结构中间通过软轴进行动力传递。该结构具有很好的减振作用，同时起到镐体和扶手支架的连接作用。减振球组件结构如图4所示。