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本文闡述了搗固裝置的發展概況，重點論述了搗固裝置激振技術研究現狀，最后，指出了目前存在的問題，并對解決方法進行了探討。
國內外搗固裝置現狀和研究概況
國際搗固車的發展過程經歷了由步進式發展為連續式，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模式，檢測方式由弦線檢測發展到光學檢測，由線路幾何參數相對基準的檢測發展到線路幾何參數絕對基準檢測。搗固技術一直是沿著提高作業效率、提高作業控制精度、提高作業質量的軌跡發展。國外Plasser公司、Matisa公司和Harsco三家公司產品技術已趨成熟，生產的搗固機械大多為重型、高效、多功能等形式。Plasser公司成立于1953年，總部在奧地利，是當今全球最著名的鐵路工程機械制造商之一；是專門從事對鐵路線路、道岔和接觸網的新建、大修與養護作業的機械和車輛的研究、開發、制造和銷售的專業廠家。目前，所制造的D09-32型搗固車采用連續式搗固作業，弦線檢測方式，能以三點或四點法引導作業，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路機械制造商，從1945年在瑞士正式成立以來，以生產搗固機馳名世界。振動、夾持搗固法就是它的專利。該公司產品一度壟斷國際市場，行銷世界各地。主要產品有抄平、起撥道搗固機及其他大型養路機械等，目前作業檢測采用光學檢測方式，作業精度高，其搗固裝置采用雙軸橢圓激振方式。Harsco公司是美國專業生產鐵路養路機械，具有100年的歷史，在美國南卡羅來納、密歇根、明尼蘇達、和澳大利亞及英國有生產基地。其主要產品有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，目前作業檢測采用光學檢測方式，控制系統采用總性控制技術，其搗固裝置采用水平面扭轉激振方式。有關國外這方面的相關技術多查詢于國外專利，因為在該方面相關的研究文獻及技術資料涉及到企業生存發展，所以相關研究資料鮮有公開。
目前，國外搗固機械的主要發展研究方向如下：（1）向高效率發展。搗固裝置向同時搗固多根軌枕的方向發展以提高作業效率。當今，搗固車作業效率可達2000m/h。（2）向綜合作業發展。搗固車大都設有抄平裝置、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任務。（3）向高精度、自動化發展。大多數搗固車都應用激光抄平、光電轉換、計算機控制搗固起撥道裝置，使線路高度差在0.8～1.0mm。（4）向高運行速度發展。搗固機械在作業時采取不間歇的連續運行方式；區間運行速度可達到80km/h。聯掛列車運行時，允許速度達到100km/h。我國是從20世紀50年代開始使用機械搗固的，搗固機械的發展大致經歷了三個階段：20世紀50～70年代，以電動搗固機為主，依據操縱方式分為手提式和上架式兩種；20世紀70～80年代，發展液壓中小型搗固機，僅適用于新建鐵路或線路大修搗固作業，在列車密度不大的區段亦可用于線路維修；20世紀80～90年代，國內開始引進國外先進技術，制造大型高效綜合作業搗固機械。目前，襄樊金鷹重型工程機械有限公司和昆明中鐵大型養路機械集團有限責任公司通過引進技術、消化吸收再創新，打破國外技術壁壘，開發出了一批具有自主知識產權的新產品，并創立了符合國情的大型養路機械發展模式和技術體系，站在國內鐵路養路機械技術的最前沿，但現有產品關鍵技術和核心元件基本依賴引進。隨著國內對國外三家公司各種搗固車的引進，不同類型搗固裝置的技術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、結構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械強迫振動，方式為簡諧振動[4]，同時論文依據“振動對道床效應”試驗報告認為，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行了分析研究，并系統闡述了該搗固裝置的功能特點、結構組成、振動夾持方式以及異步穩壓搗固原理[6]。2005年，高兵、王有虹就CD08-475型道岔搗固車搗固裝置的結構原理進行了總結分析，闡述了異步定壓力搗固原理及其壓實過程，認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。經驗認為最佳搗固振幅為3～5mm，最佳擠壓時間為0.8～1.2s。2008年，應立軍等介紹了國外搗穩一體化設備研制的新進展。文獻[9]分析了搗固、穩定聯合作業模式的工作原理，文獻同時分析了Matisa搗固裝置的搗實機理，指出采用雙軸橢圓振動的搗固裝置能對道碴產生豎直和水平雙向的振動，能有效提高道碴的密實度，改善道床的穩定性，并對搗固頻率的選擇進行了探討，依據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，軌道下沉量明顯，有助于提高軌枕穩定性。在搗固機理方面，趙明華、李夕兵等人用振動波理論來解釋振動機理，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、搗固次數的增加，道碴密實度反而減小?？偟膩碚f，國內高校及企業對搗固裝置技術的研究僅停留在對已有搗固裝置的技術參數及結構方面的分析，沒有形成對搗固裝置的技術參數及結構優化理論的指導，更未解決強迫振動加速搗固鎬磨損、搗固鎬振動產生夾持液壓缸擺動和搗固鎬振幅和頻率不能無級可調的問題。
搗固裝置激振形式
激振器是附加在某些機械和設備上用以產生激勵力的裝置，是產生機械振動的重要部件。激振器能使被激物體獲得一定形式和強度的振動，實現振動模擬或利用振動完成搗固、破碎等任務，已廣泛應用于地震模擬、汽車、航空航天、機電系統及其零部件性能和壽命試驗，以及機械搗固、振動破巖和鉆孔等領域。從振動動力元件的工作原理上看，按激勵形式的不同，激振形式分為機械式、電動式、液壓式、電致或磁致伸縮效應式和氣動式等形式?，F有各類振動激振裝備的性能特點如下。（1）機械式：主要分為離心式和直接作用式兩類。離心式機械振動裝置的頻率范圍一般為5～100Hz，負載為50～10000N；直接作用式機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。這類振動裝置結構簡單、成本低，但上限頻率較低，廣泛應用于各種低頻振動場合。（2）電動式：能產生復雜的振動波形，具有波形失真度較小、工作頻率范圍大等優點，由于受到固有磁飽和的限制，不易獲得大激振力，此外，設備結構復雜、振動位移有限并需要輔助冷卻裝置，因此，主要應用于振動試驗臺。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，主要應用于航空、航天及國防等領域。（3）液壓式：廣泛地應用于振動打樁、振動鍛造、振動造型、振動剪切、振動壓實、振動輸送、振動篩、農業機械和振動試驗臺等。（4）電致或磁致伸縮效應式：最新發展的一類微型振動器[19]，能達到極高的振動頻率，可實現超聲振動，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，也成功地應用于非圓車削。（5）氣動式：主要應用于振動臺，與常規電動振動臺相比，氣動式振動臺能夠產生一種超高斯幅值分布的寬帶隨機振動，其振動激勵的最高頻率可達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。下面將闡述應用不同激振技術搗固裝置的工作原理。全球搗固裝置核心技術主要由Plasser，Matisa和Harsco三家國外公司所掌握，它們分別一直沿用其傳統的機械機構來實現搗固鎬的振動，進而夯實搗固石碴，其各自工作原理如下：#p#分頁標題#e#
1.Plasser系列搗固裝置激振原理
如圖2、3所示，Plasser公司搗固裝置采用了偏心軸連桿搖擺式激振方式，是以馬達驅動偏心軸旋轉，夾持油缸在偏心軸的作用下做往復運動，實現搗固臂以F為支撐點左右擺動，使得搗固頭產生。
2.Matisa系列搗固裝置激振原理
如圖4、5所示，Matisa公司搗固裝置采用了垂直平面內橢圓激振方式，通過馬達帶動齒輪傳動機構，驅動四根偏心軸旋轉，與軸聯動的搗固臂在上方夾持油缸的夾持約束下，迫使下方搗固頭產生橢圓形振動，使搗鎬產生豎直和水平兩個方向的復合運動。
3.Harsco系列搗固裝置激振原理
如圖6、7所示，Harsco公司搗固裝置采用了水平面扭轉激振方式，由電動機使2個帶偏心凸輪的中心軸勻速轉動，偏心軸各用來驅動一個連桿，連桿通過支持兩個搗鎬的偏移補償連接器與激振器軸連接，使得搗固頭形成水平面扭轉振動。國內外幾種搗固機械的激振原理和結構特點總結如表1所示?，F有的搗固裝置也是按照激振方式進行分類，對上述搗固裝置的分析可知，搗固裝置的激振系統是用來實現與搗固臂固定聯接的搗鎬的振動的部分，應用最多的是偏心軸激振。Plasser公司搗固裝置的偏心軸是裝在夾持液壓缸與箱體的鉸接點，Matisa公司搗固裝置的偏心軸是裝在內、外搗固臂與箱體的鉸接點，Harsco公司搗固裝置是通過偏心軸和偏移補償連接器驅動搗鎬振動。搗固裝置的結構特點主要是根據所采用的激振方式決定的，按照驅動方式，上述搗固裝置激振方式多為機械式。機械式激振裝置一般是利用凸輪或曲柄連桿等機構直接對對象施加周期性載荷，或者是利用偏心質量塊旋轉產生的離心力作為激勵力來對對象施加周期性載荷，其工作原理如圖8和圖9所示，其中圖(a)中為曲柄滑塊機構，圖(b)為凸輪頂桿機構。Plasser、Harsco搗固裝置激振原理屬于曲柄滑塊直接驅動式機械激振原理，而Matisa搗固裝置激振屬于離心式機械激振原理。機械式激振器主要適用于激振幅值較大及頻率較低的工況中，激振波形一般為等振幅正弦波，而只能在停機的狀態下改變激勵振幅。而搗固裝置激振的一個共同特點是要求載荷和輸出功率大，頻率高且可變，為獲得好的振動性能往往還需要振幅和波形可調可控。
新型液壓激振技術研究現狀
隨著現代工業、土木建筑，尤其重載大型工程機械、航空航天等高科技領域的大量需求及不斷發展，對激振技術的工作頻率范圍及輸出推力的要求也越來越高。從圖1不同類型振動設備應用區域中可以看出，液壓式激振的力和振幅最大，液壓激振一般是指通過對液壓控制元件輸入來實現液壓執行元件作往復運動，進而使施振對象起振，主要有交流液壓激振、直流液壓激振、液壓自激振蕩、液壓射流和電液激振等多種方式等。傳統液壓激振技術的優點是：輸出功率大，能量利用率高，輸出特性易于調節，機構簡單，運行可靠，適宜在特殊作業環境下工作。缺點是高頻性能較差，期望振動波形很難實現，且波形失真比電動激振大，整套系統復雜，成本較高[31]。
如何在高的工作頻率范圍、增大的輸出推力及振幅始終是液壓激振技術應用在工程機械所要突破的技術難題。因此，傳統液壓振動技術通常應用于低頻、大推力振動領域。在工業生產中應用的液壓激振器，主要是以液控換向閥或伺服閥控制流體的通斷而產生振動，由于性價比及使用場合等因素的限制，在一般的振動機械中難以普及使用。傳統的電液式激振工作原理如圖10所示，它是通過對電液伺服閥輸入振動激勵信號控制液壓執行元件作扭轉運動或往復直線運動。振動的激勵信號通過輸入的期望振動信號與傳感器實際測得的振動信號進行對比，并通過振動控制算法而獲得。頻率范圍很大程度取決于伺服閥的頻寬，一般為0～100Hz，臺面負載可達數萬牛頓。針對如何獲得沖擊和噪聲小期望振動波形以及提高工作頻率范圍、增大輸出推力以及實現大振幅的問題，近年國內外開展了許多研究，如：通過三狀態反饋和極點配置的方法，消除液壓諧振，來拓寬電液伺服系統的頻寬[33]；采用專用的動圈式伺服閥[34-35]及德國Rexroth的電液伺服閥[36]等，提高伺服閥的頻寬，如圖11所示。但是，由于閥芯往復這種結構原理的限制，難以解決過流面積、閥芯行程與振動頻率和波形的矛盾，即使采用工藝復雜、價格昂貴、對油液污染極其敏感的三級電液伺服閥，其頻寬也難以取得較大的突破，振動波形的控制更是難以實現，目前在振動波形有較高要求時的振動頻率只能限制在較低范圍，一般小于20Hz。為了突破閥芯往復激振存在的局限以滿足具體的工程要求，近年許多學者一直在尋求一種新的激振形式，人們試圖采用新的控制元件取代電液伺服閥以提高電液激振性能，如圖12所示，日本學者Sasaki.Y、太原理工大學的郝建功、寇子明[37,38]等學者采用閥芯連續轉動結構來提高電液激振器的激振頻率，液壓缸一腔與高壓油連通，改變另一腔的壓力實現往復振動，通過控制輸入油液壓力控制振動幅值。浙江工業大學阮健等提出了一種旋轉閥芯結構新型高頻電液激振器結構用于大推力液壓振動臺，如圖13所示，并對電液激振器的頻率特性、高頻信號的采集與幅值提取技術、典型激振波形的實現與控制等進行了充分研究。在頻寬方面取得重要突破，使得電液激振頻率大幅提高。此外，應用2D激振閥與普通伺服閥控制液壓缸，通過分別調整2D激振閥軸向位移、伺服閥開口及閥芯旋轉的相位則可對輸出液壓振動的幅值、偏置及相位進行獨立控制。該方案相當于傳統電液激振器的半開環控制，但由于采用轉閥取代伺服閥，可以使液壓激振頻率大幅提高。其他類似的進展還有浙江大學研制的平衡臺階式液壓轉閥和回轉直動式電液伺服閥[42-44]、日本井上久男設計的回轉式方向切換閥[45]、Leonard設計的轉軸式液壓轉閥，等。
存在的問題與展望
雖然各種型號搗固裝置的國產化已經取得了很大進展，但國內外生產搗固裝置的企業都是偏重于產品的實用性和制造生產，缺少對搗固裝置的理論研究。在具體對比目前國外三家公司不同搗固裝置激振原理，作者認為搗固裝置在激振方面還存在以下幾個方面的問題：（1）搗固裝置搗固鎬振動的偏心軸偏心率和振動頻率不能無級調節，不能更好的滿足在板結道床，搗固裝置的高頻率低振動幅值搗固工作要求，而在松散道床的低頻率高振動幅值搗固工作要求。（2）搗固裝置在作業時，搗固臂的旋轉偏心軸與夾持油缸的活塞桿或缸筒直接或間接的鉸接，搗固臂夾持與振動不獨立，使得偏心軸的高速旋轉將對夾持油缸產生振動，影響了夾持液壓缸作業性能，容易造成液壓缸損壞和泄漏等問題，影響夾持液壓系統工作穩定性。（3）部分產品中多個搗固臂共用一個振動偏心軸，該振動偏心軸和某一搗固臂若出現故障將影響其它搗固臂的工作，造成搗固裝置使用和維修的不便。（4）各搗固裝置的搗固鎬振動是機械式的強迫振動，加快搗固鎬磨損速度。因此，搗固裝置的可靠性和作業效率主要取決于該裝備所能產生的激振頻率和波形，并針對不同的道碴特性進行調整優化的能力，激振技術是此類裝備性能進一步提高的關鍵。針對搗固裝置對激振力、頻寬和波形等的要求，考慮到應用在搗固機械控制元件的經濟性，研制出一種能提高液壓激振系統的大推力、頻率和流量的閥芯旋轉式四通高速換向閥（專利號20101010305.1）以及一種自動限位的微行程雙作用激振液壓缸（專利號201110229855.8和201110229924.5）。該閥是采用旋轉式閥芯和閥套的配合結構，利用電機帶動閥芯的旋轉運動來實現液壓缸瞬間運動換向，液壓缸中的活塞桿設有限位孔和單向閥來實現液壓缸小幅高頻振動和自動限位。基于閥芯旋轉式大功率電液激振技術研究，利用激振液壓缸帶動搗固臂來回振動以替代原有搗固機械的激振方式，開發兩種各具特色的新型搗固裝置：液壓激振與夾持運動獨立的搗固裝置（專利號201010104672.9）和液壓直接激振搗固裝置（專利號201010104678.6），其中，液壓激振負載自適應特性解決了傳統搗固裝置機械強迫振動的問題，降低搗固鎬的磨損速度，液壓激振與夾持運動獨立的搗固裝置結構也解決搗固頭振動產生的夾持液壓缸的擺動問題。在此基礎上，利用計算流體動力學數字模擬和模型樣機物理試驗相結合，研究新型電液激振器內流體流動，揭示閥芯轉速、振動、閥口結構尺寸、液動力等的變化規律，通過找到閥芯液動力、摩擦阻力等非線性因素對轉速穩定性的影響規律，提出以轉速可控和穩定為目標的液動力補償辦法，實現閥芯轉速的穩定控制，滿足不同工況下，搗固頻率和振幅的無級調節。因此，閥芯旋轉式大功率電液激振技術在搗固裝置的應用實現了搗固裝置在激振技術上的跨越式發展，這也是搗固裝置未來發展的趨勢。#p#分頁標題#e#
結論
為了實現擁有自主知識產權的搗固車，提高我國大型養路機械整體水平，克服強迫振動加速搗固鎬磨損及搗鎬振動產生夾持液壓缸擺動的問題，采用負載自適應、頻率和振幅的無級調節的液壓激振技術是搗固裝置發展的趨勢。隨著科學技術的迅速發展，電液激振技術應用的越來越廣泛，尤其在工程機械領域，電液激振的理論研究和實際工程應用都取得了巨大進步，但是對于滿足電液激振器在高頻率區域增大輸出推力、實現大流量，還存在諸多技術難題和科學挑戰，搗固效果與搗固裝置結構參數、工作參數和道碴特性的相關關系也需要進一步深入研究，尤其以適應不同的工況要求、實現自動化、液壓負載自適應以及有利于提高綜合作業精度和搗鎬壽命的新型搗固裝置激振技術開發問題是亟待解決的重大技術難題。（本文圖略）
本文作者：劉毅 龔國芳 閔超慶 單位：浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室
