捣固机械激振技术现状与展望

Present Status and Prospect of Tamping Device Exciting TechnologyLIU Yi GONG Guofang MIN Chaoqing(The State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control，Zhejiang University，Hangzhou 3 1 0027)Abstract：Tamping machine is a kind of special engineering equipment which is used for milway construction.Tam ping device beingused to compact balast is the key part of tamping machine，with which two main tamping processes，clam ping and vibrating，couldbe carried out.Clamping squeezes the stones to flow under the sleeper andbrating compresses ballast.The development of tampingdevice is briefly introduced，and then the current status of tamping device and the exciting technology are discussed indetail.Combining with project practice，the problems concerning excitation technology of tamping device in high frequency andadjustable amplitude are analyzed，and the new electro-hydraulic excitation for tamping device is proposed.The novelelectro-hydraulic exciter Can increase the export force，realize high am plitude during certain frequency range and solve the problemofbiasimpacttothe cylinder.Itskeytechn ologyis realizingthe control ofexcitationfrequencyand amplitudethroughthe rotationvalve spool which is driven by step motor and the hydraulic cylinder changing direction lead by the high frequent oil flow direction。

To meet the needs of diferent operating conditions，overcome the strong swing problem of the clam ping cylinder generated bytamping bar vibration and the wear of tamping bar by forced vibration，excitng techn ology of load ssing and stepless regulation offrequency and am plitude is the trend oftamping device vibration development。

Key words：Tamping device Exciting technology Electro-hyraulic excitation Vibration frequency Oscilating am plitude0 前言捣固车是广泛用于在新建铁路、铁路大修和维修作业中高速度、高质量地完成线路捣固、起拔道、整平等作业的养路机械。随着发达国家经济、科技的发展，铁路工程大规模的投入建设，促使捣固技国家自然科学基金资助项I(50975252)。20120903收到初稿，20130412收到修改稿术取得了长足的发展，而我国还处于捣固车的引进消化吸收阶段。捣固装置是捣固车的核心部件，它是利用加压、冲击或振动的原理使得枕底部的道碴重新排列，紧固密实，并使枕下支撑力量均衡的-种专用机械装置uJ。影响枕底部的道床捣固效果的因数分二方面，-方面为道唇面的客观条件，体现在碎石材料、碎石形状、碎石级配、碎石粒径及道床的厚度，另-方面捣固装置方面，撒于可人2013年 8月 刘 毅等：捣固机械激振技术现状与展望 l39为控制的捣固频率、振幅、捣固力、捣固路径、捣固持续时间。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，且产品性能各有所长，但这些装置存在强迫振动加速捣固镐磨损及捣镐振动产生夹持液压缸摆动的问题。捣固装置激振方式改进是实现铁路线路的平整性、-致性和均匀性的关键技术基础，其施工的高效率、高精度和稳定性仍是需要突破的技术难题。

为使捣固车高精、高效的施工和线路维护，实现整个捣固装置装备高度的自动化、智能化，激振技术的研究已成为近年来振动领域-个新的热点。

激振技术决定着振动机械和各类模拟振动台的技术水平，是-项不可或缺的基醇术。激振器性能的好坏，技术水平的高低直接影响到航空航天、建筑、机械制造等工业领域的进步和发展，同时也是衡量- 个国家的工业技术发展水平的重要标志之-。

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。

1 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-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-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-；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亿式激振方式。Matisa公司是世界著名的大型养路机械制造商，从 1 945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-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、密执安、明尼苏达、和澳大利亚及英国有生产基地。其主要产品有MARK系列捣固车及其他线路维修车，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。

(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 2 000m/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 0.8～1.0 mil。

(4)向高运行速度发展。捣固机械在作业时采取不问歇的连续运行方式；区间运行速度可达到80km/h。联挂列车运行时，允许速度达到 100 km/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 5O～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-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3 分析了 D08.32型双枕捣固车的捣固装置，捣固镐振动原理为偏心连杆亿式机械强迫振动，方式为简谐振动4J，同时论文依据振动对道床效应”试验报告认为，振动器与道床道机 械 工 程 学 报 第49卷第 16期碴的谐振频率为42 HzL5j。2003年，李毅松等oJ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。2005年，高兵就 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 35 Hz，在- 定激振力下，轨枕随捣固频率的变化而变化，在35 Hz左右对轨枕有小幅的提升作用。经验认为最佳捣固振幅为3～5 mnl，最佳挤压时间为0.8～1.2 s。

2008年，应立军等[8-9]介绍了国外捣稳-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Mafisa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 60 Hz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，赵明华等[IO-IH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-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-定程度后，随着振动、捣固次数的增加，道碴密实度反而减校总的来说，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。

2 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-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-般为5～100Hz，负载为50"-"10 000 N；直接作用式机械振动装置的频率范围为 l"-200 Hz，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诚Ll引。

(2)电动式：能产生复杂的振动波形，具有波形失真度较孝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J J，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 0h10 kHz，大型电动式振动台频率范围为 0～2 kHz，主要应用于航空、航天及国防等领域[15-16]。

(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 7-18]0(4)电致或磁致伸缩效应式：最新发展的-类微型振动器J ，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L2 。

(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-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 10 000Hz，有效频带约为 20～6 000Hzz J。

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-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。

≥ 锝替蘑.兰镰斗<嚼蛊 10g测宰lO10-0 10o 101 102 103 104 105频率/Hz图1 五种类型振动设备应用区域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-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。

机 械 工 程 学 报 第49卷第 16期(3)部分产品中多个捣固臂共用-个振动偏心轴，该振动偏心轴和某-捣固臂若出现故障将影响其他捣固臂的工作，造成捣固装置使用和维修的不便。

(4)各捣固装置的捣固镐振动是机械式的强迫振动，加快捣固镐磨损速度。

因此，捣固装置的可靠性和作业效率主要撒于该装备所能产生的激振频率和波形，并针对不同的道碴特性进行调整优化的能力，激振技术是此类装备性能进-步提高的关键。

针对捣固装置对激振力、频宽和波形等的要求，考虑到应用在捣固机械控制元件的经济性，研制出-种能提高液压激振系统的大推力、频率和流量 的 阀 芯 旋 转 式 四 通 高速 换 向 阀 (专 利 号20101010305.1)以及-种自动限位的微行程双作用激 振 液 压 缸 (专 利 号 201110229855.8 和201110229924.5)。该阀是采用旋转式阀芯和阀套的配合结构，利用电动机带动阀芯的旋转运动来实现液压缸瞬间运动换向，液压缸中的活塞杆设有限位孔和单向阀来实现液压缸小幅高频振动和 自动限位。基于阀芯旋转式大功率电液激振技术研究，利用激振液压缸带动捣固臂来回振动以替代原有捣固机械的激振方式，开发两种各具特色的新型捣固装置：液压激振与夹持运动独立的捣固装置(专利号201010104672.9)和液压直接激振捣固装置(专利号201010104678.6)，其中，液压激振负载自适应特性解决了传统捣固装置机械强迫振动的问题，降低捣固镐的磨损速度，液压激振与夹持运动独立的捣固装置结构也解决捣固头振动产生的夹持液压缸的摆动问题。

在此基础上，利用计算流体动力学数字模拟和模型样机物理试验相结合，研究新型电液激振器内流体流动，揭示阀芯转速、振动、阀口结构尺寸、液动力等的变化规律，通过找到阀芯液动力、摩擦阻力等非线性因素对转速稳定性的影响规律，提出以转速可控和稳定为目标的液动力补偿办法，实现阀芯转速的稳定控制，满足不同工况下，捣固频率和振幅的无级调节。因此，阀芯旋转式大功率电液激振技术在捣固装置的应用实现了捣固装置在激振技术上的跨越式发展，这也是捣固装置未来发展的趋势[ 4引。

5 结论为了实现拥有自主知识产权的捣固车，提高我国大型养路机械整体水平，克服强迫振动加速捣固镐磨损及捣镐振动产生夹持液压缸摆动的问题，采用负载 自适应、频率和振幅的无级调节的液压激振技术是捣固装置发展的趋势。随着科学技术的迅速发展，电液激振技术应用的越来越广泛，尤其在工程机械领域，电液激振的理论研究和实际工程应用都取得了巨大进步，但是对于满足电液激振器在高频率区域增大输出推力、实现大流量，还存在诸多技术难题和科学挑战，捣固效果与捣固装置结构参数、工作参数和道碴特性的相关关系也需要进-步深入研究，尤其以适应不同的工况要求、实现 自动化、液压负载自适应以及有利于提高综合作业精度和捣镐寿命的新型捣固装置激振技术开发问题是亟待解决的重大技术难题。