內(nèi)燃動力手持沖擊搗固機(jī)研制報告

　　　

一. 研制背景

　　　線路的養(yǎng)護(hù)維修工作主要是大中修、綜合維修、經(jīng)常保養(yǎng)和臨時補(bǔ)修，搗固作業(yè)是其中的主要工作項目內(nèi)容之一，它對線路的穩(wěn)定至關(guān)重要。多年來雖然我國制造和引進(jìn)了一些養(yǎng)路機(jī)械，如，手提電動搗固機(jī)，小型液壓搗固機(jī)，大型搗固車等，然而仍然不能滿足日常養(yǎng)護(hù)維修、經(jīng)常保養(yǎng)涉及搗固作業(yè)的要求，“洋鎬”仍然是各個工區(qū)的必備作業(yè)工具，有人計算過，搗固軌枕時用的八斤半“洋鎬”，一個工人每天大概要舉起2500次之多，累計舉重11噸，做功達(dá)到24.2噸米！人工搗固線路勞動強(qiáng)度大、工作效率低、作業(yè)質(zhì)量差，所以“甩掉洋鎬把，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化”是工務(wù)線路養(yǎng)護(hù)多年奮斗的目標(biāo)。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(yǎng)路機(jī)械的發(fā)展

　　　由于養(yǎng)路機(jī)械的使用需要大量的資金投入，同時還需必要的使用費(fèi)用，但目前工務(wù)維修費(fèi)用和更新改造不足，無法配置需要的養(yǎng)路機(jī)械。

　　　特殊地段和情況的養(yǎng)護(hù)維修需要

　　　隨著工務(wù)養(yǎng)路機(jī)械的迅速發(fā)展，大中小型養(yǎng)路機(jī)械在線路的養(yǎng)護(hù)維修中發(fā)揮著各自應(yīng)有的作用，大中型機(jī)械主要負(fù)責(zé)成區(qū)段、大范圍的施工和作業(yè)；小型養(yǎng)路機(jī)械負(fù)責(zé)較小范圍的線路維修養(yǎng)護(hù)工作，但是個別線路如：橋上、隧道內(nèi)、岔區(qū)、站場等特殊地段就無法使用大中小型養(yǎng)路機(jī)械，從而造成設(shè)備質(zhì)量不均衡，客觀上要求使用便攜易上下道的養(yǎng)護(hù)工具，來完成特殊地段的養(yǎng)護(hù)維修任務(wù)。再就是臨時補(bǔ)修地段無法安排機(jī)械上道，如果沒有相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)工具就不能及時迅速的恢復(fù)線路質(zhì)量，保證行車安全。

現(xiàn)有手持式搗固機(jī)不能滿足作業(yè)要求

　　現(xiàn)有手持式搗固機(jī)主要有以下三類我們對其逐一分析：

電動撓動式搗固機(jī)：

　以什邡和沈陽養(yǎng)路機(jī)械廠為代表的DDG-300型電動搗固機(jī)，（如圖）

　　主要技術(shù)參數(shù)

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(xù)

撓動力：2500N

質(zhì)量：24kg（不包括電線）

               該類產(chǎn)品已沿用多年，其作功原理為鼠籠式異步電動機(jī)帶動偏心飛輪產(chǎn)生撓動力，帶動鎬板作功。其缺點(diǎn)是：

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

B：另由于其動力為鼠籠式異步電動機(jī)起動電流為額定電流的7倍，在整組（8臺）作業(yè)時，輪番重復(fù)“起動”－“做功”－“停機(jī)”的過程，負(fù)荷變動極大對發(fā)電機(jī)的損害和要求較高其功率要達(dá)8KW以上，因此工區(qū)中發(fā)電機(jī)配備的數(shù)量及維護(hù)的問題必制約其使用。

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

 

電動和內(nèi)燃式振搗棒：

　　　產(chǎn)品因動力源不同而分為電動勢與內(nèi)燃式兩類；又因傳動方式不同而分為軟軸式和直動式兩類，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(yīng)用。

液壓傳動沖擊式搗固機(jī)：

       該類產(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）使用時配置為每兩把鎬配一液壓站（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(jī)質(zhì)量 18 kg

振動頻率 20～24Hz              

液壓站重量：100KG

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

　　　　那該產(chǎn)品是否適于線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(yīng)用：（1）采購成本高達(dá)20余萬元（每一液壓站配工具），不可能配置到工區(qū)。（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(fèi)用達(dá)到五百多元使用成本太高。（4）拖帶液壓管路作業(yè)，比之電線更加不便。（5）兩液壓站如沿線路在軌上推行，則不便于迅速下道；線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(jī)具才適應(yīng)現(xiàn)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Ⅲ型軌枕重型設(shè)備的大量使用；將石碴打入枕底、破碎板結(jié)道床、搗固道床的作業(yè)要求，使得采用撓動式與振動式做功的搗固機(jī)具，失去使用價值。唯有采用沖擊做功原理的搗固機(jī)具才能滿足現(xiàn)場使用要求。

沖擊功率：研究表明松散的石灰?guī)r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?guī)r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(yīng)在25J，即可滿足一般的搗固作業(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)及滿槽和石碴板結(jié)的特殊情況以及道岔搗固等，則沖擊功要大于45J。

動力功率：由于普通搗固作業(yè)沖擊功要求為25J，特殊要求時為≥45J，據(jù)公式計算滿足一般要求時搗固機(jī)功率為：≥1250W，滿足特殊要求時搗固機(jī)功率為：》2000W。

動力選擇：內(nèi)燃動力由于前述的分析是動力源的首選。

傳動方式：在排除了液壓傳動，軟軸傳動方式后，可選擇電傳動或機(jī)械傳動及無傳動直接做功的方式。電傳動無非是內(nèi)燃機(jī)帶發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)帶動數(shù)個電鎬的方式，除非有專用的發(fā)電機(jī)否則無法避免前述電動搗固機(jī)之缺點(diǎn)。機(jī)械傳動方式的原理是內(nèi)燃機(jī)帶動飛輪――氣體活塞――沖擊錘――鎬釬的傳動方式，技術(shù)上無難點(diǎn)但存在著較大的機(jī)械損耗。那么直接做功方式是否可取呢？（修公路用的內(nèi)燃沖擊夯即直接做功的方式）關(guān)鍵在于良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計，無疑這是功率損耗最小的方法。

使用成本：內(nèi)燃動力無疑是要消耗汽油的，這是主要的使用成本，在采用兩沖程汽油機(jī)時平均耗油量為1KWH／650～690g，2.4KW汽油機(jī)全功率時每小時耗油約1.5L,8臺鎬同時使用日工作6小時耗油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)生沖擊加振動的雙重功效，因為25HZ以上的振動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，同時將周圍的石碴振動密實(shí)，8只鎬為一組作業(yè)時每個枕木間隔的作業(yè)時間可短至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(jié)石碴，甚至刨溝破路面。要替代它就要求內(nèi)燃鎬在配合不同的鎬頭時具有相同的功能更高的效率。

　　　綜上所述，適應(yīng)不同條件下?lián)v固作業(yè)施工的機(jī)具應(yīng)具有如下特征，內(nèi)燃動力直接傳動沖擊做功和多功能性。其基本性能參數(shù)為：

　　　內(nèi)燃機(jī)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

　　　整 機(jī)重 量:＜25KG

　　　鎬 釬長 度:＞400MM

　　　具備了上述功能,符合上述性能要求的手持內(nèi)燃動力沖擊式搗固機(jī)完全適應(yīng)現(xiàn)實(shí)條件下的線路、道岔及個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(jié)者。在每個小工區(qū)配備4把，在領(lǐng)工區(qū)則應(yīng)配備8把構(gòu)成一組，實(shí)現(xiàn)靈活的搗固作業(yè)，即可完成大中小型養(yǎng)路機(jī)械覆蓋不到地段的養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)，克服其它現(xiàn)有搗固機(jī)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(xiàn)工務(wù)作業(yè)徹底的養(yǎng)路機(jī)械化。

二. 設(shè)計基本思路與主要技術(shù)參數(shù)

內(nèi)燃直接做功原理：

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

 

　　　其優(yōu)點(diǎn)是：

減少了傳動環(huán)節(jié)，功率損失小，輸出功率大。

省去了氣動活塞的單獨(dú)潤滑系統(tǒng)。

減少了整機(jī)的重量。

提高了可靠性，便于維護(hù)。

免維護(hù)設(shè)計：

        為方便現(xiàn)場的使用，整機(jī)設(shè)計時應(yīng)充分考慮現(xiàn)場作業(yè)條件，與操作人員的維護(hù)技能，采用免維護(hù)設(shè)計。本機(jī)擬采用如下方法實(shí)現(xiàn)免維護(hù)設(shè)計：

采用內(nèi)燃機(jī)活塞與氣動活塞同氣缸安裝的方式，省去了氣動活塞的單獨(dú)潤滑系統(tǒng)（一般啟動活塞需單獨(dú)的潤滑系統(tǒng)，并定期補(bǔ)充潤滑油）。

本機(jī)采用兩沖程汽油機(jī)為動力，從結(jié)構(gòu)上省去進(jìn)排氣門與潤滑油泵，提高可靠性。

在氣缸內(nèi)設(shè)計兩沖程機(jī)油排出通道，通道直通重錘滑道潤滑重錘，同時為沖擊錘等元件提供潤滑，提高了兩沖程汽油機(jī)的啟動性能。為使機(jī)油順暢流入重錘滑道，應(yīng)將氣缸內(nèi)的機(jī)油通道口擴(kuò)為錐形，以便于機(jī)油在燃?xì)獾耐苿酉马樌牧魅霗C(jī)油通道。其原理為：兩沖程汽油機(jī)采用混合油潤滑，適當(dāng)提高機(jī)油的比例值，這樣混合氣體在氣缸內(nèi)燃燒后，剩余的機(jī)油不從排氣管排出而是進(jìn)入潤滑油道，對重錘等運(yùn)動機(jī)件進(jìn)行潤滑，可以至少減去兩個保養(yǎng)潤滑點(diǎn)。

汽油機(jī)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。

　?。ㄈ┛煽啃栽O(shè)計

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

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

  （1）改一般二沖程汽油機(jī)啟動時調(diào)“風(fēng)”為啟動時調(diào)“油”使起動容易，尤其是低溫冷啟動時效果更為明顯。

  （2）改“手油門”為“定油門”，在現(xiàn)場調(diào)研時發(fā)現(xiàn)職工反映“眼鏡蛇”搗固機(jī)的手控油門把手在作業(yè)中更換“鎬窩”提鎬時左手不能用力握持，否則發(fā)動機(jī)“高轉(zhuǎn)飛車”，而作業(yè)時基本不用頻繁變換轉(zhuǎn)速，為此我們將油門由手把移至機(jī)頭，使易用性得以提高。

3．整機(jī)的外殼應(yīng)采用鑄鋁結(jié)構(gòu)，經(jīng)得起現(xiàn)場磕碰。

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

　　　本設(shè)計方案由于采用了獨(dú)特的作功方式，并充分考慮到了免維護(hù)及可靠性設(shè)計等問題，具體實(shí)施后必將研制出一種，適應(yīng)現(xiàn)場實(shí)際作業(yè)境況，免維護(hù)性與易用性相結(jié)合的，具有廣泛使用與推廣前景的新一代搗固機(jī)具。

　?。ㄋ模?確定的主要技術(shù)參數(shù)

　　　    內(nèi)燃機(jī)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

　　　　　　整 機(jī)重 量:＜24KG

　　　　　　鎬 釬長 度:＞400MM

三．GT-NR65內(nèi)燃手持式搗固機(jī)研制步驟及方法，與結(jié)構(gòu)設(shè)計：

用沖擊的計算公式，推導(dǎo)出二沖程汽油機(jī)的氣缸活塞的運(yùn)行速度，進(jìn)而確定汽油機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)型樣機(jī)指標(biāo)，確定汽油機(jī)的技術(shù)指標(biāo)如下：

發(fā)動機(jī)形式：二沖程汽油機(jī)

燃油方式：混合油

發(fā)動機(jī)功率：2.2KW

轉(zhuǎn)速：1440～1650rpm

發(fā)動機(jī)排氣量：250ML

做油機(jī)配套廠家調(diào)研，選型活塞，缸體與沖程。

選型結(jié)果如下：

    

確定磁電機(jī)形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

做原理驗證模型。

原理驗證模型成功后，據(jù)情況調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定主體結(jié)構(gòu)。

　　7．   進(jìn)行工藝化及耐久性維護(hù)性設(shè)計，并修改相關(guān)結(jié)構(gòu)，同時，

為方便現(xiàn)場的使用，整機(jī)設(shè)計時應(yīng)充分考慮現(xiàn)場作業(yè)條件，與操作人員的維護(hù)技能，采用多項免維護(hù)設(shè)計，提高了整機(jī)性能。       

四．使用效果及推廣前景

　　　GT-NR65手提式內(nèi)燃搗固機(jī)，經(jīng)由太原局太原工務(wù)段等用戶使用，實(shí)踐證明效果良好，具有移動方便，操作簡便，搗固效果好故障率低，可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)，具有極好的現(xiàn)場使用價值。（具體的使用報告見附件）

　　　GT-NR手提式內(nèi)燃搗固機(jī)，解決了在特殊地段和條件下?lián)v固作業(yè)無可靠有效的國產(chǎn)手持搗固機(jī)的難題，將免維護(hù)性與易用性相結(jié)合，滿足了現(xiàn)場實(shí)際需要，而且使用成本低，是具有廣泛使用價值和推廣前景的新一代搗固機(jī)具。

五．經(jīng)濟(jì)效益分析

　　　GT-NR65手提式內(nèi)燃搗固機(jī)，現(xiàn)場使用中具有如下優(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)生沖擊加振動的雙重功效，因為25HZ以上的振動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，同時將周圍的石碴振動密實(shí)，8臺鎬為一組作業(yè)時，每根軌枕間隔的作業(yè)時間只有30～40秒，具有很高的作業(yè)效率。

與使用其它形式的搗固機(jī)相比較費(fèi)效比高。

　　   采用兩沖程汽油機(jī)時平均耗油量為1KWH／650～690g，2.4KW汽油機(jī)全功率時每小時耗油約1.5L,8臺鎬同時使用日作業(yè)6小時耗油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(jié)約864元。

保養(yǎng)維護(hù)費(fèi)用低。

　　　與同等功效的進(jìn)口“眼鏡蛇”內(nèi)燃鎬相比較，由于不用加注齒輪油與柴機(jī)油，所以單只鎬全年按使用100工日計算，可節(jié)約柴機(jī)油2桶，齒輪油0.4桶，每組8只全年可節(jié)省柴機(jī)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(jī)全部零件實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，維修方便及時，最大限度的解除使用單位的后顧之憂，并將全壽命使用費(fèi)用降到最低。