內燃動(dòng)力手持沖擊搗固機研制報告

　　　

一. 研制背景

　　　線(xiàn)路的養護維修工作主要是大中修、綜合維修、經(jīng)常保養和臨時(shí)補修，搗固作業(yè)是其中的主要工作項目?jì)热葜?，它對線(xiàn)路的穩定至關(guān)重要。多年來(lái)雖然我國制造和引進(jìn)了一些養路機械，如，手提電動(dòng)搗固機，小型液壓搗固機，大型搗固車(chē)等，然而仍然不能滿(mǎn)足日常養護維修、經(jīng)常保養涉及搗固作業(yè)的要求，“洋鎬”仍然是各個(gè)工區的必備作業(yè)工具，有人計算過(guò)，搗固軌枕時(shí)用的八斤半“洋鎬”，一個(gè)工人每天大概要舉起2500次之多，累計舉重11噸，做功達到24.2噸米！人工搗固線(xiàn)路勞動(dòng)強度大、工作效率低、作業(yè)質(zhì)量差，所以“甩掉洋鎬把，實(shí)現機械化”是工務(wù)線(xiàn)路養護多年奮斗的目標。為何“洋鎬”至今未被取代主要有以下原因：

投入不足限制了養路機械的發(fā)展

　　　由于養路機械的使用需要大量的資金投入，同時(shí)還需必要的使用費用，但目前工務(wù)維修費用和更新改造不足，無(wú)法配置需要的養路機械。

　　　特殊地段和情況的養護維修需要

　　　隨著(zhù)工務(wù)養路機械的迅速發(fā)展，大中小型養路機械在線(xiàn)路的養護維修中發(fā)揮著(zhù)各自應有的作用，大中型機械主要負責成區段、大范圍的施工和作業(yè)；小型養路機械負責較小范圍的線(xiàn)路維修養護工作，但是個(gè)別線(xiàn)路如：橋上、隧道內、岔區、站場(chǎng)等特殊地段就無(wú)法使用大中小型養路機械，從而造成設備質(zhì)量不均衡，客觀(guān)上要求使用便攜易上下道的養護工具，來(lái)完成特殊地段的養護維修任務(wù)。再就是臨時(shí)補修地段無(wú)法安排機械上道，如果沒(méi)有相應的養護工具就不能及時(shí)迅速的恢復線(xiàn)路質(zhì)量，保證行車(chē)安全。

現有手持式搗固機不能滿(mǎn)足作業(yè)要求

　　現有手持式搗固機主要有以下三類(lèi)我們對其逐一分析：

電動(dòng)撓動(dòng)式搗固機：

　以什邡和沈陽(yáng)養路機械廠(chǎng)為代表的DDG-300型電動(dòng)搗固機，（如圖）

　　主要技術(shù)參數

電源頻率：交流50Hz

額定電壓：380/220V（Y/△）

額定電流：0.55/0.95A（Y/△）

輸入功率：300W

額定工作方式：連續

撓動(dòng)力：2500N

質(zhì)量：24kg（不包括電線(xiàn)）

               該類(lèi)產(chǎn)品已沿用多年，其作功原理為鼠籠式異步電動(dòng)機帶動(dòng)偏心飛輪產(chǎn)生撓動(dòng)力，帶動(dòng)鎬板作功。其缺點(diǎn)是：

A：適用于松散石碴撓動(dòng)振實(shí)，對于“滿(mǎn)碴”，“密實(shí)”，“板結”和要將石碴打入枕底的作業(yè)要求無(wú)能為力。

B：另由于其動(dòng)力為鼠籠式異步電動(dòng)機起動(dòng)電流為額定電流的7倍，在整組（8臺）作業(yè)時(shí)，輪番重復“起動(dòng)”－“做功”－“停機”的過(guò)程，負荷變動(dòng)極大對發(fā)電機的損害和要求較高其功率要達8KW以上，因此工區中發(fā)電機配備的數量及維護的問(wèn)題必制約其使用。

           故而電動(dòng)撓動(dòng)式搗固機的實(shí)際使用效果是很差的。

 

電動(dòng)和內燃式振搗棒：

　　　產(chǎn)品因動(dòng)力源不同而分為電動(dòng)勢與內燃式兩類(lèi)；又因傳動(dòng)方式不同而分為軟軸式和直動(dòng)式兩類(lèi)，其典型產(chǎn)品如下：

　　　 

　　　由于其原始用途為松散砂石和混凝土搗實(shí)，在線(xiàn)路維修中只適用于換碴后的初步搗實(shí)，除此效果甚微并不適用于鐵路維修應用。

液壓傳動(dòng)沖擊式搗固機：

       該類(lèi)產(chǎn)品是目前唯一有效的手提搗固工具，其典型產(chǎn)品為美國史丹利公司的產(chǎn)品（如圖）使用時(shí)配置為每?jì)砂焰€配一液壓站（因液壓站為雙回路）。

　　　　　

工作流量 20～24 L/min            

沖 擊 功 不小于45J

釬 桿 1#
釬桿：適合道床搗固       

外形尺寸 392×115×1000mm

工作壓力 8 MPa               

整機質(zhì)量 18 kg

振動(dòng)頻率 20～24Hz              

液壓站重量：100KG

    為什麼該類(lèi)產(chǎn)品有效呢？液壓站與液傳動(dòng)不過(guò)是動(dòng)力源與傳動(dòng)方式的不同，起根本作用的是：（1）采用沖擊做功原理（2）沖擊功達到45J。

　　　　那該產(chǎn)品是否適于線(xiàn)路維修并最終普及并替代“洋鎬”呢？不能！

　　　因為有如下缺點(diǎn)制約了它的普及與應用：（1）采購成本高達20余萬(wàn)元（每一液壓站配工具），不可能配置到工區。（2）每一液壓站只可帶兩把鎬。四把鎬為一組即需要兩臺液壓站（3）耗油量大，四把鎬兩液壓站單日作業(yè)耗油費用達到五百多元使用成本太高。（4）拖帶液壓管路作業(yè)，比之電線(xiàn)更加不便。（5）兩液壓站如沿線(xiàn)路在軌上推行，則不便于迅速下道；線(xiàn)下推行則另需增加兩作業(yè)人員，不方便施工。

　　　那么什么樣的機具才適應現實(shí)條件下的搗固作業(yè)施工呢？我們作如下的分析：

做功的方式：隨著(zhù)Ⅲ型軌枕重型設備的大量使用；將石碴打入枕底、破碎板結道床、搗固道床的作業(yè)要求，使得采用撓動(dòng)式與振動(dòng)式做功的搗固機具，失去使用價(jià)值。唯有采用沖擊做功原理的搗固機具才能滿(mǎn)足現場(chǎng)使用要求。

沖擊功率：研究表明松散的石灰巖石碴搗實(shí)沖擊功需要10J（焦耳）；花崗巖石碴的摩擦阻力為石灰巖的2倍故而沖擊工序20J；在考慮到鎬釬需插入石碴250MM左右的深度沖擊功應在25J，即可滿(mǎn)足一般的搗固作業(yè)要求。如若考慮在不扒石碴窩而進(jìn)行400～450MM的深度搗實(shí)及滿(mǎn)槽和石碴板結的特殊情況以及道岔?yè)v固等，則沖擊功要大于45J。

動(dòng)力功率：由于普通搗固作業(yè)沖擊功要求為25J，特殊要求時(shí)為≥45J，據公式計算滿(mǎn)足一般要求時(shí)搗固機功率為：≥1250W，滿(mǎn)足特殊要求時(shí)搗固機功率為：》2000W。

動(dòng)力選擇：內燃動(dòng)力由于前述的分析是動(dòng)力源的首選。

傳動(dòng)方式：在排除了液壓傳動(dòng)，軟軸傳動(dòng)方式后，可選擇電傳動(dòng)或機械傳動(dòng)及無(wú)傳動(dòng)直接做功的方式。電傳動(dòng)無(wú)非是內燃機帶發(fā)電機，發(fā)電機帶動(dòng)數個(gè)電鎬的方式，除非有專(zhuān)用的發(fā)電機否則無(wú)法避免前述電動(dòng)搗固機之缺點(diǎn)。機械傳動(dòng)方式的原理是內燃機帶動(dòng)飛輪――氣體活塞――沖擊錘――鎬釬的傳動(dòng)方式，技術(shù)上無(wú)難點(diǎn)但存在著(zhù)較大的機械損耗。那么直接做功方式是否可取呢？（修公路用的內燃沖擊夯即直接做功的方式）關(guān)鍵在于良好的結構設計，無(wú)疑這是功率損耗最小的方法。

使用成本：內燃動(dòng)力無(wú)疑是要消耗汽油的，這是主要的使用成本，在采用兩沖程汽油機時(shí)平均耗油量為1KWH／650～690g，2.4KW汽油機全功率時(shí)每小時(shí)耗油約1.5L,8臺鎬同時(shí)使用日工作6小時(shí)耗油72L,折合人民幣237.6元(假定汽油3.3元L),只及使用8只史丹利搗固鎬的1/4－1/5成本,無(wú)疑是可行的。

使用效率：研究表明只有使沖擊功做用于石碴產(chǎn)生25HZ左右的沖擊頻率，才能產(chǎn)生沖擊加振動(dòng)的雙重功效，因為25HZ以上的振動(dòng)頻率在松散石碴傳遞最為有效（史丹利液壓沖擊鎬也是采用這一沖擊頻率），配合≥45J的沖擊功每次插入鎬釬4～5次沖擊即可將石碴搗入枕底，同時(shí)將周?chē)氖暾駝?dòng)密實(shí)，8只鎬為一組作業(yè)時(shí)每個(gè)枕木間隔的作業(yè)時(shí)間可短至30～40秒，具有很高的作業(yè)效率。

多功能性：“洋鎬”雖然效率低，但卻是多功能的工具，可以砸道釘，砸松板結石碴，甚至刨溝破路面。要替代它就要求內燃鎬在配合不同的鎬頭時(shí)具有相同的功能更高的效率。

　　　綜上所述，適應不同條件下?lián)v固作業(yè)施工的機具應具有如下特征，內燃動(dòng)力直接傳動(dòng)沖擊做功和多功能性。其基本性能參數為：

　　　內燃機功率：≥2.4KW

　　　沖  擊  功：45～65J

　　　沖 擊頻 率：≥25HZ

　　　燃油消耗率：≤≤1KWH／700g

　　　全功率耗油：≤1.5L／小時(shí)

　　　整 機重 量:＜25KG

　　　鎬 釬長(cháng) 度:＞400MM

　　　具備了上述功能,符合上述性能要求的手持內燃動(dòng)力沖擊式搗固機完全適應現實(shí)條件下的線(xiàn)路、道岔及個(gè)別特殊地段的搗固施工作業(yè)，其具有的實(shí)用性、多功能性，勢必成為”洋鎬”的終結者。在每個(gè)小工區配備4把，在領(lǐng)工區則應配備8把構成一組，實(shí)現靈活的搗固作業(yè)，即可完成大中小型養路機械覆蓋不到地段的養護維修作業(yè)，克服其它現有搗固機具效率低下、質(zhì)量不高、搗固力不夠、功能單一的不利因素，從而實(shí)現工務(wù)作業(yè)徹底的養路機械化。

二. 設計基本思路與主要技術(shù)參數

內燃直接做功原理：

　　　內燃直接做功原理有別于傳統的內燃機→飛輪→曲軸→連桿→氣動(dòng)活塞→沖擊錘→鎬釬的做功方式。它采用內燃機活塞與氣動(dòng)活塞同氣缸安裝的方式，其做功原理為：內燃機活塞→啟動(dòng)活塞→沖擊錘→鎬釬的做功方式。如圖所示：

 

　　　其優(yōu)點(diǎn)是：

減少了傳動(dòng)環(huán)節，功率損失小，輸出功率大。

省去了氣動(dòng)活塞的單獨潤滑系統。

減少了整機的重量。

提高了可靠性，便于維護。

免維護設計：

        為方便現場(chǎng)的使用，整機設計時(shí)應充分考慮現場(chǎng)作業(yè)條件，與操作人員的維護技能，采用免維護設計。本機擬采用如下方法實(shí)現免維護設計：

采用內燃機活塞與氣動(dòng)活塞同氣缸安裝的方式，省去了氣動(dòng)活塞的單獨潤滑系統（一般啟動(dòng)活塞需單獨的潤滑系統，并定期補充潤滑油）。

本機采用兩沖程汽油機為動(dòng)力，從結構上省去進(jìn)排氣門(mén)與潤滑油泵，提高可靠性。

在氣缸內設計兩沖程機油排出通道，通道直通重錘滑道潤滑重錘，同時(shí)為沖擊錘等元件提供潤滑，提高了兩沖程汽油機的啟動(dòng)性能。為使機油順暢流入重錘滑道，應將氣缸內的機油通道口擴為錐形，以便于機油在燃氣的推動(dòng)下順利的流入機油通道。其原理為：兩沖程汽油機采用混合油潤滑，適當提高機油的比例值，這樣混合氣體在氣缸內燃燒后，剩余的機油不從排氣管排出而是進(jìn)入潤滑油道，對重錘等運動(dòng)機件進(jìn)行潤滑，可以至少減去兩個(gè)保養潤滑點(diǎn)。

汽油機的空濾器不使用需經(jīng)常更換的紙質(zhì)濾芯，宜采用耐油纖維套筒式油侵濾清器，免于更換。

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1．將油門(mén)設計為油針式，并直接設計在油道上，不使用易出故障的油門(mén)拉線(xiàn)式操作方式，是經(jīng)常操作的部位可靠性提高。

2．采用油門(mén)調整與引射油針噴油霧化式化油器一體化設計，減少故障點(diǎn)，方便使用與維護具體形式，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：

  （1）改一般二沖程汽油機啟動(dòng)時(shí)調“風(fēng)”為啟動(dòng)時(shí)調“油”使起動(dòng)容易，尤其是低溫冷啟動(dòng)時(shí)效果更為明顯。

  （2）改“手油門(mén)”為“定油門(mén)”，在現場(chǎng)調研時(shí)發(fā)現職工反映“眼鏡蛇”搗固機的手控油門(mén)把手在作業(yè)中更換“鎬窩”提鎬時(shí)左手不能用力握持，否則發(fā)動(dòng)機“高轉飛車(chē)”，而作業(yè)時(shí)基本不用頻繁變換轉速，為此我們將油門(mén)由手把移至機頭，使易用性得以提高。

3．整機的外殼應采用鑄鋁結構，經(jīng)得起現場(chǎng)磕碰。

4．汽油機啟動(dòng)手拉繩是經(jīng)常使用的部位，不宜采用普通尼龍拉繩，應采用柔性鋼絲繩防止拉斷，提高可靠性。

　　　本設計方案由于采用了獨特的作功方式，并充分考慮到了免維護及可靠性設計等問(wèn)題，具體實(shí)施后必將研制出一種，適應現場(chǎng)實(shí)際作業(yè)境況，免維護性與易用性相結合的，具有廣泛使用與推廣前景的新一代搗固機具。

　?。ㄋ模?確定的主要技術(shù)參數

　　　    內燃機功率：≥2.2KW

　　　　　　沖  擊  功：45～65J

　　　　　　沖 擊頻 率：≥25HZ

　　　　　　燃油消耗率：≤1KWH／700g

　　　　　　全功率耗油：≤1.5L／小時(shí)

　　　　　　整 機重 量:＜24KG

　　　　　　鎬 釬長(cháng) 度:＞400MM

三．GT-NR65內燃手持式搗固機研制步驟及方法，與結構設計：

用沖擊的計算公式，推導出二沖程汽油機的氣缸活塞的運行速度，進(jìn)而確定汽油機的轉速。

　　　沖擊能量計算公式：

　　　J＝N*M＝M²*kg*Sˉ² 

　　　即：

　　　沖擊能＝作用力與作用距離的乘積＝作用距離的²*質(zhì)量*作功時(shí)間的ˉ²

　　　沖擊能單位：焦耳

　　　作用力單位：牛頓

　　　作用距離單位：米

　　　作功時(shí)間單位：秒

累計各相功率消耗（包括風(fēng)扇，摩擦及熱損耗）及計算功率，并參考國外先進(jìn)機型樣機指標，確定汽油機的技術(shù)指標如下：

發(fā)動(dòng)機形式：二沖程汽油機

燃油方式：混合油

發(fā)動(dòng)機功率：2.2KW

轉速：1440～1650rpm

發(fā)動(dòng)機排氣量：250ML

做油機配套廠(chǎng)家調研，選型活塞，缸體與沖程。

選型結果如下：

    

確定磁電機形式進(jìn)行結構設計。

做原理驗證模型。

原理驗證模型成功后，據情況調整結構設計，確定主體結構。

　　7．   進(jìn)行工藝化及耐久性維護性設計，并修改相關(guān)結構，同時(shí)，

為方便現場(chǎng)的使用，整機設計時(shí)應充分考慮現場(chǎng)作業(yè)條件，與操作人員的維護技能，采用多項免維護設計，提高了整機性能。       

四．使用效果及推廣前景

　　　GT-NR65手提式內燃搗固機，經(jīng)由太原局太原工務(wù)段等用戶(hù)使用，實(shí)踐證明效果良好，具有移動(dòng)方便，操作簡(jiǎn)便，搗固效果好故障率低，可維護性好等優(yōu)點(diǎn)，具有極好的現場(chǎng)使用價(jià)值。（具體的使用報告見(jiàn)附件）

　　　GT-NR手提式內燃搗固機，解決了在特殊地段和條件下?lián)v固作業(yè)無(wú)可靠有效的國產(chǎn)手持搗固機的難題，將免維護性與易用性相結合，滿(mǎn)足了現場(chǎng)實(shí)際需要，而且使用成本低，是具有廣泛使用價(jià)值和推廣前景的新一代搗固機具。

五．經(jīng)濟效益分析

　　　GT-NR65手提式內燃搗固機，現場(chǎng)使用中具有如下優(yōu)點(diǎn)：

搗固力大效果明顯，作業(yè)效率高。

            研究表明只有使沖擊功作用于石碴產(chǎn)生25HZ左右的沖擊頻率，才能產(chǎn)生沖擊加振動(dòng)的雙重功效，因為25HZ以上的振動(dòng)頻率在松散石碴傳遞最為有效（史丹利液壓沖擊鎬也是采用這一沖擊頻率），配合》45J的沖擊功，每次插入鎬釬4～5次沖擊即可將石碴搗入枕底，同時(shí)將周?chē)氖暾駝?dòng)密實(shí)，8臺鎬為一組作業(yè)時(shí)，每根軌枕間隔的作業(yè)時(shí)間只有30～40秒，具有很高的作業(yè)效率。

與使用其它形式的搗固機相比較費效比高。

　　   采用兩沖程汽油機時(shí)平均耗油量為1KWH／650～690g，2.4KW汽油機全功率時(shí)每小時(shí)耗油約1.5L,8臺鎬同時(shí)使用日作業(yè)6小時(shí)耗油72L,折合人民幣288元(假定汽油4.0元/L),只及使用8臺史丹利搗固鎬的1/4－1/5成本,單組工作日節約864元。

保養維護費用低。

　　　與同等功效的進(jìn)口“眼鏡蛇”內燃鎬相比較，由于不用加注齒輪油與柴機油，所以單只鎬全年按使用100工日計算，可節約柴機油2桶，齒輪油0.4桶，每組8只全年可節省柴機油16桶，齒輪油3.2桶，折合人民幣約768元。

國產(chǎn)化全壽命維修成本低。

　　    該機全部零件實(shí)現國產(chǎn)化，維修方便及時(shí)，最大限度的解除使用單位的后顧之憂(yōu)，并將全壽命使用費用降到最低。