本文闡述了搗固裝置的發(fā)展概況，重點論述了搗固裝置激振技術(shù)研究現(xiàn)狀，最后，指出了目前存在的問題，并對解決方法進(jìn)行了探討。

國內(nèi)外搗固裝置現(xiàn)狀和研究概況

國際搗固車的發(fā)展過程經(jīng)歷了由步進(jìn)式發(fā)展為連續(xù)式，單枕搗固到雙枕搗固乃至多枕搗固，單一的搗固模式到多種作業(yè)模式，檢測方式由弦線檢測發(fā)展到光學(xué)檢測，由線路幾何參數(shù)相對基準(zhǔn)的檢測發(fā)展到線路幾何參數(shù)絕對基準(zhǔn)檢測。搗固技術(shù)一直是沿著提高作業(yè)效率、提高作業(yè)控制精度、提高作業(yè)質(zhì)量的軌跡發(fā)展。國外Plasser公司、Matisa公司和Harsco三家公司產(chǎn)品技術(shù)已趨成熟，生產(chǎn)的搗固機(jī)械大多為重型、高效、多功能等形式。Plasser公司成立于1953年，總部在奧地利，是當(dāng)今全球最著名的鐵路工程機(jī)械制造商之一；是專門從事對鐵路線路、道岔和接觸網(wǎng)的新建、大修與養(yǎng)護(hù)作業(yè)的機(jī)械和車輛的研究、開發(fā)、制造和銷售的專業(yè)廠家。目前，所制造的D09-32型搗固車采用連續(xù)式搗固作業(yè)，弦線檢測方式，能以三點或四點法引導(dǎo)作業(yè)，其搗固裝置采用偏心軸連桿搖擺式激振方式。Matisa公司是世界著名的大型養(yǎng)路機(jī)械制造商，從1945年在瑞士正式成立以來，以生產(chǎn)搗固機(jī)馳名世界。振動、夾持搗固法就是它的專利。該公司產(chǎn)品一度壟斷國際市場，行銷世界各地。主要產(chǎn)品有抄平、起撥道搗固機(jī)及其他大型養(yǎng)路機(jī)械等，目前作業(yè)檢測采用光學(xué)檢測方式，作業(yè)精度高，其搗固裝置采用雙軸橢圓激振方式。Harsco公司是美國專業(yè)生產(chǎn)鐵路養(yǎng)路機(jī)械，具有100年的歷史，在美國南卡羅來納、密歇根、明尼蘇達(dá)、和澳大利亞及英國有生產(chǎn)基地。其主要產(chǎn)品有MARK系列搗固車及其它線路維修車，所制造的搗固車在北美洲擁有大部分市場，目前作業(yè)檢測采用光學(xué)檢測方式，控制系統(tǒng)采用總性控制技術(shù)，其搗固裝置采用水平面扭轉(zhuǎn)激振方式。有關(guān)國外這方面的相關(guān)技術(shù)多查詢于國外專利，因為在該方面相關(guān)的研究文獻(xiàn)及技術(shù)資料涉及到企業(yè)生存發(fā)展，所以相關(guān)研究資料鮮有公開。

目前，國外搗固機(jī)械的主要發(fā)展研究方向如下：（1）向高效率發(fā)展。搗固裝置向同時搗固多根軌枕的方向發(fā)展以提高作業(yè)效率。當(dāng)今，搗固車作業(yè)效率可達(dá)2000m/h。（2）向綜合作業(yè)發(fā)展。搗固車大都設(shè)有抄平裝置、起撥道裝置，有的還裝有枕端夯實裝置，故可同時完成多項作業(yè)任務(wù)。（3）向高精度、自動化發(fā)展。大多數(shù)搗固車都應(yīng)用激光抄平、光電轉(zhuǎn)換、計算機(jī)控制搗固起撥道裝置，使線路高度差在0.8～1.0mm。（4）向高運行速度發(fā)展。搗固機(jī)械在作業(yè)時采取不間歇的連續(xù)運行方式；區(qū)間運行速度可達(dá)到80km/h。聯(lián)掛列車運行時，允許速度達(dá)到100km/h。我國是從20世紀(jì)50年代開始使用機(jī)械搗固的，搗固機(jī)械的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：20世紀(jì)50～70年代，以電動搗固機(jī)為主，依據(jù)操縱方式分為手提式和上架式兩種；20世紀(jì)70～80年代，發(fā)展液壓中小型搗固機(jī)，僅適用于新建鐵路或線路大修搗固作業(yè)，在列車密度不大的區(qū)段亦可用于線路維修；20世紀(jì)80～90年代，國內(nèi)開始引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，制造大型高效綜合作業(yè)搗固機(jī)械。目前，襄樊金鷹重型工程機(jī)械有限公司和昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限責(zé)任公司通過引進(jìn)技術(shù)、消化吸收再創(chuàng)新，打破國外技術(shù)壁壘，開發(fā)出了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品，并創(chuàng)立了符合國情的大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)展模式和技術(shù)體系，站在國內(nèi)鐵路養(yǎng)路機(jī)械技術(shù)的最前沿，但現(xiàn)有產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)和核心元件基本依賴引進(jìn)。隨著國內(nèi)對國外三家公司各種搗固車的引進(jìn)，不同類型搗固裝置的技術(shù)理論研究也不斷在深入，主要集中在搗固裝置的振動方式、振動頻率、振幅、結(jié)構(gòu)組成與激振原理等方面。1997年，韓志青分析了D08-32型雙枕搗固車的搗固裝置[3]，搗固鎬振動原理為偏心連桿搖擺式機(jī)械強(qiáng)迫振動，方式為簡諧振動[4]，同時論文依據(jù)“振動對道床效應(yīng)”試驗報告認(rèn)為，振動器與道床道碴的諧振頻率為42Hz。2003年，李毅松和翁敏紅對D09-32型搗固車搗固裝置進(jìn)行了分析研究，并系統(tǒng)闡述了該搗固裝置的功能特點、結(jié)構(gòu)組成、振動夾持方式以及異步穩(wěn)壓搗固原理[6]。2005年，高兵、王有虹就CD08-475型道岔搗固車搗固裝置的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了總結(jié)分析，闡述了異步定壓力搗固原理及其壓實過程，認(rèn)為搗固鎬頭最佳振動頻率為35Hz，在一定激振力下，軌枕隨搗固頻率的變化而變化，在35Hz左右對軌枕有小幅的提升作用。經(jīng)驗認(rèn)為最佳搗固振幅為3～5mm，最佳擠壓時間為0.8～1.2s。2008年，應(yīng)立軍等介紹了國外搗穩(wěn)一體化設(shè)備研制的新進(jìn)展。文獻(xiàn)[9]分析了搗固、穩(wěn)定聯(lián)合作業(yè)模式的工作原理，文獻(xiàn)同時分析了Matisa搗固裝置的搗實機(jī)理，指出采用雙軸橢圓振動的搗固裝置能對道碴產(chǎn)生豎直和水平雙向的振動，能有效提高道碴的密實度，改善道床的穩(wěn)定性，并對搗固頻率的選擇進(jìn)行了探討，依據(jù)Plasser公司提供的軌枕隨搗固頻率的變化圖得出軌枕的下沉量在60Hz附近最大，高頻率的振動下，道碴流動性強(qiáng)，軌道下沉量明顯，有助于提高軌枕穩(wěn)定性。在搗固機(jī)理方面，趙明華、李夕兵等人用振動波理論來解釋振動機(jī)理，闡述了橫波、縱波對道碴的作用。利用振動波理論提出了一種推論：在初始的振動、搗固次數(shù)增加時，道碴的密實度有所提高，道碴密實度提高到一定程度后，隨著振動、搗固次數(shù)的增加，道碴密實度反而減小。總的來說，國內(nèi)高校及企業(yè)對搗固裝置技術(shù)的研究僅停留在對已有搗固裝置的技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)方面的分析，沒有形成對搗固裝置的技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論的指導(dǎo)，更未解決強(qiáng)迫振動加速搗固鎬磨損、搗固鎬振動產(chǎn)生夾持液壓缸擺動和搗固鎬振幅和頻率不能無級可調(diào)的問題。

搗固裝置激振形式

激振器是附加在某些機(jī)械和設(shè)備上用以產(chǎn)生激勵力的裝置，是產(chǎn)生機(jī)械振動的重要部件。激振器能使被激物體獲得一定形式和強(qiáng)度的振動，實現(xiàn)振動模擬或利用振動完成搗固、破碎等任務(wù)，已廣泛應(yīng)用于地震模擬、汽車、航空航天、機(jī)電系統(tǒng)及其零部件性能和壽命試驗，以及機(jī)械搗固、振動破巖和鉆孔等領(lǐng)域。從振動動力元件的工作原理上看，按激勵形式的不同，激振形式分為機(jī)械式、電動式、液壓式、電致或磁致伸縮效應(yīng)式和氣動式等形式。現(xiàn)有各類振動激振裝備的性能特點如下。（1）機(jī)械式：主要分為離心式和直接作用式兩類。離心式機(jī)械振動裝置的頻率范圍一般為5～100Hz，負(fù)載為50～10000N；直接作用式機(jī)械振動裝置的頻率范圍為1～200Hz，可得到很大的推力和較大的振幅。這類振動裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但上限頻率較低，廣泛應(yīng)用于各種低頻振動場合。（2）電動式：能產(chǎn)生復(fù)雜的振動波形，具有波形失真度較小、工作頻率范圍大等優(yōu)點，由于受到固有磁飽和的限制，不易獲得大激振力，此外，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、振動位移有限并需要輔助冷卻裝置，因此，主要應(yīng)用于振動試驗臺。小型電磁式振動臺的頻率范圍為0～10kHz，大型電動式振動臺頻率范圍為0～2kHz，主要應(yīng)用于航空、航天及國防等領(lǐng)域。（3）液壓式：廣泛地應(yīng)用于振動打樁、振動鍛造、振動造型、振動剪切、振動壓實、振動輸送、振動篩、農(nóng)業(yè)機(jī)械和振動試驗臺等。（4）電致或磁致伸縮效應(yīng)式：最新發(fā)展的一類微型振動器[19]，能達(dá)到極高的振動頻率，可實現(xiàn)超聲振動，振動波形基本不失真，但輸出振幅及功率都很小，目前的振動輔助加工大都采用此類振動器，也成功地應(yīng)用于非圓車削。（5）氣動式：主要應(yīng)用于振動臺，與常規(guī)電動振動臺相比，氣動式振動臺能夠產(chǎn)生一種超高斯幅值分布的寬帶隨機(jī)振動，其振動激勵的最高頻率可達(dá)10000Hz，有效頻帶約為20~6000Hz[22-,23]。圖1所示為5類振動裝備振動頻率及振幅范圍比較，激振頻率范圍皆可滿足搗固裝置。不同激振方式各具特點，在一定程度上能滿足不同的需要。下面將闡述應(yīng)用不同激振技術(shù)搗固裝置的工作原理。全球搗固裝置核心技術(shù)主要由Plasser，Matisa和Harsco三家國外公司所掌握，它們分別一直沿用其傳統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)搗固鎬的振動，進(jìn)而夯實搗固石碴，其各自工作原理如下：