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浅析小型内燃捣固镐径向振动与轴向振动的区别

  近年来,小型内燃捣固镐逐步为基层工务单位所采用,是线路小修临修的常备设备,现场保有量很大。由于其使用便利、不拖曳电缆、上下道方便、安全性好等优点受到现场欢迎。目前各地在用的小型内燃捣固镐有国产以及进口的种类繁多。经常是一个单位多种机型同时存在,我段据不完全统计有小型内燃捣固镐各类机型六、七种之多,使维修和管理工作的成本加大。其使用效能、使用寿命、价格、可维修性等选择性因素,都很重要,相互纠缠不能一下子整理清晰,有时候为本单位选择一种合适的产品型号,常常令人颇为困惑。
  我段为了强化管理和降低成本,保证线路养护作业标准化,组织了由主管副段长牵头,相关技术负责人、维修车间有关人员组成的专门班子,专题研讨论证选型的相关课题,对有关技术参数和各选择性因素逐一剖析、筛选。经过一段时间深入探讨,现将我们的理解和思考阐述如下;
  从工作原理分析、研究它们的技术区别主要是振动方式不同,而其振动方式大致可以分为两种;分别是径向振动和轴向振动。其两种振动方式区别甚大,不同设备的结构特征完全不同。下面从两种振动方式的区别入手,试分析其工作原理、使用效果和选择条件。
振动方式:
轴向振动是指等断面的振动体沿轴线往复运动,主要表现为冲击力。
径向振动是指偏心振动体沿轴线旋转,不平衡力在与轴线成垂直的面上径向运动,主要表现为扰动力。
轴向振动捣固机结构特征是双曲柄,双活塞结构,用空气传递动力,使汽油机输出的旋转运动转变成直线往复运动。通过前导杆捣头完成冲击作业,可以用于工程破碎,也可以用于铁路道床碴石捣固。轴向振动捣固机多见于进口设备;比如德国的“威克”、“眼镜蛇”。还有使用液压作动力源的轴向振动捣固机等。
径向振动捣固机是沿汽油机输出轴线方向直接传递到前端振动体,振动体是棒形偏心块,高速旋转时产生不平衡力(即法向离心力,计算上一般采用达朗伯尔定律法向力计算公式)沿不重合等圆三角形轨迹运动,产生垂直于轴线方向的扰动力,只用于铁路道床碴石捣固。而径向振动捣固机产品只见于国内生产。
使用效果;
轴向振动捣固机下插比较快、一次捣固下插时间一般小于3 S,对轨枕有一定的抬升效果。进口产品的质量优良,性能稳定,使用寿命比较好。下插快能使操作者感觉捣固下插作业顺畅。我段曾引进一批“威克”,而该类型设备即属于轴向振动捣固机,其优点如上面所述。其缺点是单机重量过大、机型高大更适合于欧洲人高大健壮的体格,亚洲人体型来操作明显有些吃力。由于运转动作结构精密,也相对复杂。该机也存在有时自动熄火难启动,油壶油嘴不配套、机体温度高等毛病,维修标准高,基层单位维修较困难。
径向机一次捣固下插时间一般约4 S左右,下插速度稍慢不如轴向机利落。质量、寿命因制造工艺水平的差距,也不如轴向机长,对轨枕抬升效果不如轴向机。但是对碴石捣固的密实程度要明显优于轴向机,捣固后碴石对枕木的承载力大大优于轴向机的作业效果。根据试验用透明枕木观察;径向机捣固后碴石排列密实,枕木底面约有90%是与碴石的一个面接触。而轴向振动捣固机捣固后,碴石与枕木底面的面接触率不超过40%,多是角点接触空隙很大,现场操作人员的习惯称为“顶门杠”,后期的反映效果是轨枕回降很快。也反映为捣固周期缩短。但是大多数径向机的缺点表现为质量不稳定,使用寿命太短维修量太大。
综合分析:
两种类型的内燃捣固镐各有优缺点,下面分别予以分析叙述:
分析工作效率;
“威克”和“眼镜蛇”虽然下插很快,但是捣固效果并不好,在发动机功率相仿的情况下,下插快的原因是冲击力的方向与下插方向一致负载阻力小,捣头冲击下插时基本只作用于一块碴石,一次捣固作业将一块碴石以45度角强行楔入到轨枕的下面。由于力量集中,所以下插速度快,但冲击作用只限于一条线一个点,几无径向作用力,一次捣固作业影响区域较小,碴石密实均匀程度远不如径向振动捣固机。轴向振动捣固机对轨枕有着看起来稍好的抬升效果,这是一个有着虚假成分的感觉表象。其实对碴石捣固的密实效果并不好。实际情况是斜向楔入的轴向力会产生一个向上的力的分量,这个向上的“顶门杠”支撑面较小,一至数个支点可以抬起轨枕,但碴石的密度不均匀,在列车的振动下轨枕回降会很快。应当说国外设计的这个产品主要是用于工程破碎,到中国来改作碴石捣固确有些勉为其难。
径向机在发动机功率相仿的情况下;下插慢的原因是扰动力的作用方向与下插方向并不一致,下插过程不是冲击下去的,而是在振动作用下拨开碴石压下去的。由于扰动力的作用是一个面,作用区域相对比较大,因而负载阻力也大,所以下插较慢。径向扰动力的作用区域是一个较大的环形面,碴石在扰动力的作用影响下,呈现“流化床”现象,碴石”流动”起来,空隙得以填充,最后达到均匀密实状态。而且径向机前镐体也比较粗,当下插到标准深度时,(对碴石的最小横向推送距离应是其镐头断面大小的1/2)由于断面大一倍以上,横向推送能力也就比轴向振动捣固机高一倍以上,但向上的力的分量很小。(以上论断来自各自镐头横断面对比,仅指静态断面,尚未考虑径向力因素。)
再分析各自的缺点;
轴向振动捣固机由于结构复杂导致重量过重,“威克”的实际重量实测达到30kg,而不是标称的24kg,这是因为部颁标准(CRCC)要求的重量上限就是24kg。承认超重也就等于失去入围资格。如此高的重量确实使操作者劳动强度过高。笔者曾实际体验了“威克”捣固作业,笔者身高175cm、体重近80kg不算太瘦小,仍要用小腹用力顶着机体,双手用力向上才能提起这个大家伙,要倒着拖行才好移动到下一个轨枕作业,虽然下插相对轻松,整体感觉还相当吃力。替现场工人着想,过大的重量,即便两人轮流操作,仍然有些吃不消。另外冲击捣固力量很大且基本集中在一块碴石上,经常会导致碴石碎裂,多次重复作业,必将影响碴石道床质量。另外每个轨枕头的每个面捣固作业时,轴向机要比径向机多下插1-2次,才能基本完成捣固作业要求,因此工作效率并不比径向机更高。
径向振动捣固机的缺点也很突出;由于机体较轻,受多种因素影响,容易机体共振。发生这一现象轻则振手,重则损坏机体结构,这一现象常会不规律出现。分析可能的原因有1、活塞运行方向与偏振铁旋转面近似平行,当两者相对运行到某一特定角度时,离心力与活塞惯性力叠加,可能产生共振。2、如果高速运转时,机体自由伴随振动的频率恰好是偏心铁稳态受迫振动频率的整数倍时,比较容易产生共振。
径向振动捣固机还有一个致命的使用寿命问题,多数径向机使用寿命不理想,个别的早期产品寿命甚至低于两小时。
这就是很多工务单位包括我段在较早的一段时间里,对选用此类产品顾虑所在。
这大概也是国外产品大多不愿采用这一结构的原因吧。高转速、强冲击载荷是机械设计尽可能避免的,振动机械也一直是机械设计范畴一个较难的领域。
结论:
经过长时间的使用观察和比较分析,权衡各项因素;我段参加论证的各有关人员的理解认识慢慢清晰,逐步统一了共识,基本都倾向于采用径向振动捣固机。并总结出径向振动捣固机以下的几种优势:
1、捣固效果好,捣固质量明显优于轴向捣固机。
2、价格低廉,只相当于进口产品“威克”机价格的1/6左右,设备资产总量大大减少。
3、重量轻,操作便利,小于14kg的重量,相比威克的30kg要轻巧得多,更适合于中国工人使用。
4、结构简单,维修也相对容易,更适应中国国情。
很多单位选用进口产品,也是因为早期的国产内燃小捣固镐,质量太差超过了可以容忍的程度。不得不把质量稳定的进口设备作为首选。近些年国产径向捣固镐亦有了长足的进步,有的厂家产品已经在各种参数上大有提高,使用寿命已经接近进口产品水平。基本上可以满足使用要求。我们最后选用的一个厂家产品,已经达到了我们要求基本标准,个别参数已经接近进口产品水平。如果厂家进一步努力加强质量控制,严格工艺标准,避免无谓的低价位、低标准恶性竞争,都有可能提高产品的稳定性和可靠性,提高产品的质量等级,为工务一线单位提供一种可以长期使用,成熟可靠的线上小修临修作业机具。
以上是我段对小型内燃捣固镐选型过程中思考和心得体会,提出来与业内专家商榷。