内燃动力手持冲击捣固机研制报告

内燃动力手持冲击捣固机研制报告

　　　

一. 研制背景

　　　线路的养护维修工作主要是大中修、综合维修、经常保养和临时补修，捣固作业是其中的主要工作项目内容之一，它对线路的稳定至关重要。多年来虽然我国制造和引进了一些养路机械，如，手提电动捣固机，小型液压捣固机，大型捣固车等，然而仍然不能满足日常养护维修、经常保养涉及捣固作业的要求，“洋镐”仍然是各个工区的必备作业工具，有人计算过，捣固轨枕时用的八斤半“洋镐”，一个工人每天大概要举起2500次之多，累计举重11吨，做功达到24.2吨米！人工捣固线路劳动强度大、工作效率低、作业质量差，所以“甩掉洋镐把，实现机械化”是工务线路养护多年奋斗的目标。为何“洋镐”至今未被取代主要有以下原因：

投入不足限制了养路机械的发展

　　　由于养路机械的使用需要大量的资金投入，同时还需必要的使用费用，但目前工务维修费用和更新改造不足，无法配置需要的养路机械。

　　　特殊地段和情况的养护维修需要

　　　随着工务养路机械的迅速发展，大中小型养路机械在线路的养护维修中发挥着各自应有的作用，大中型机械主要负责成区段、大范围的施工和作业；小型养路机械负责较小范围的线路维修养护工作，但是个别线路如：桥上、隧道内、岔区、站场等特殊地段就无法使用大中小型养路机械，从而造成设备质量不均衡，客观上要求使用便携易上下道的养护工具，来完成特殊地段的养护维修任务。再就是临时补修地段无法安排机械上道，如果没有相应的养护工具就不能及时迅速的恢复线路质量，保证行车安全。

现有手持式捣固机不能满足作业要求

　　现有手持式捣固机主要有以下三类我们对其逐一分析：

电动挠动式捣固机：

　以什邡和沈阳养路机械厂为代表的DDG-300型电动捣固机，（如图）

　　主要技术参数

电源频率：交流50Hz

额定电压：380/220V（Y/△）

额定电流：0.55/0.95A（Y/△）

输入功率：300W

额定工作方式：连续

挠动力：2500N

质量：24kg（不包括电线）

               该类产品已沿用多年，其作功原理为鼠笼式异步电动机带动偏心飞轮产生挠动力，带动镐板作功。其缺点是：

A：适用于松散石碴挠动振实，对于“满碴”，“密实”，“板结”和要将石碴打入枕底的作业要求无能为力。

B：另由于其动力为鼠笼式异步电动机起动电流为额定电流的7倍，在整组（8台）作业时，轮番重复“起动”－“做功”－“停机”的过程，负荷变动极大对发电机的损害和要求较高其功率要达8KW以上，因此工区中发电机配备的数量及维护的问题必制约其使用。

           故而电动挠动式捣固机的实际使用效果是很差的。

 

电动和内燃式振捣棒：

　　　产品因动力源不同而分为电动势与内燃式两类；又因传动方式不同而分为软轴式和直动式两类，其典型产品如下：

　　　 

　　　由于其原始用途为松散砂石和混凝土捣实，在线路维修中只适用于换碴后的初步捣实，除此效果甚微并不适用于铁路维修应用。

液压传动冲击式捣固机：

       该类产品是目前唯一有效的手提捣固工具，其典型产品为美国史丹利公司的产品（如图）使用时配置为每两把镐配一液压站（因液压站为双回路）。

　　　　　

工作流量 20～24 L/min            

冲 击 功 不小于45J

钎 杆 1#
钎杆：适合道床捣固       

外形尺寸 392×115×1000mm

工作压力 8 MPa               

整机质量 18 kg

振动频率 20～24Hz              

液压站重量：100KG

    为什麼该类产品有效呢？液压站与液传动不过是动力源与传动方式的不同，起根本作用的是：（1）采用冲击做功原理（2）冲击功达到45J。

　　　　那该产品是否适于线路维修并最终普及并替代“洋镐”呢？不能！

　　　因为有如下缺点制约了它的普及与应用：（1）采购成本高达20余万元（每一液压站配工具），不可能配置到工区。（2）每一液压站只可带两把镐。四把镐为一组即需要两台液压站（3）耗油量大，四把镐两液压站单日作业耗油费用达到五百多元使用成本太高。（4）拖带液压管路作业，比之电线更加不便。（5）两液压站如沿线路在轨上推行，则不便于迅速下道；线下推行则另需增加两作业人员，不方便施工。

　　　那么什么样的机具才适应现实条件下的捣固作业施工呢？我们作如下的分析：

做功的方式：随着Ⅲ型轨枕重型设备的大量使用；将石碴打入枕底、破碎板结道床、捣固道床的作业要求，使得采用挠动式与振动式做功的捣固机具，失去使用价值。唯有采用冲击做功原理的捣固机具才能满足现场使用要求。

冲击功率：研究表明松散的石灰岩石碴捣实冲击功需要10J（焦耳）；花岗岩石碴的摩擦阻力为石灰岩的2倍故而冲击工序20J；在考虑到镐钎需插入石碴250MM左右的深度冲击功应在25J，即可满足一般的捣固作业要求。如若考虑在不扒石碴窝而进行400～450MM的深度捣实及满槽和石碴板结的特殊情况以及道岔捣固等，则冲击功要大于45J。

动力功率：由于普通捣固作业冲击功要求为25J，特殊要求时为≥45J，据公式计算满足一般要求时捣固机功率为：≥1250W，满足特殊要求时捣固机功率为：》2000W。

动力选择：内燃动力由于前述的分析是动力源的首选。

传动方式：在排除了液压传动，软轴传动方式后，可选择电传动或机械传动及无传动直接做功的方式。电传动无非是内燃机带发电机，发电机带动数个电镐的方式，除非有专用的发电机否则无法避免前述电动捣固机之缺点。机械传动方式的原理是内燃机带动飞轮――气体活塞――冲击锤――镐钎的传动方式，技术上无难点但存在着较大的机械损耗。那么直接做功方式是否可取呢？（修公路用的内燃冲击夯即直接做功的方式）关键在于良好的结构设计，无疑这是功率损耗最小的方法。

使用成本：内燃动力无疑是要消耗汽油的，这是主要的使用成本，在采用两冲程汽油机时平均耗油量为1KWH／650～690g，2.4KW汽油机全功率时每小时耗油约1.5L,8台镐同时使用日工作6小时耗油72L,折合人民币237.6元(假定汽油3.3元L),只及使用8只史丹利捣固镐的1/4－1/5成本,无疑是可行的。

使用效率：研究表明只有使冲击功做用于石碴产生25HZ左右的冲击频率，才能产生冲击加振动的双重功效，因为25HZ以上的振动频率在松散石碴传递最为有效（史丹利液压冲击镐也是采用这一冲击频率），配合≥45J的冲击功每次插入镐钎4～5次冲击即可将石碴捣入枕底，同时将周围的石碴振动密实，8只镐为一组作业时每个枕木间隔的作业时间可短至30～40秒，具有很高的作业效率。

多功能性：“洋镐”虽然效率低，但却是多功能的工具，可以砸道钉，砸松板结石碴，甚至刨沟破路面。要替代它就要求内燃镐在配合不同的镐头时具有相同的功能更高的效率。

　　　综上所述，适应不同条件下捣固作业施工的机具应具有如下特征，内燃动力直接传动冲击做功和多功能性。其基本性能参数为：

　　　内燃机功率：≥2.4KW

　　　冲  击  功：45～65J

　　　冲 击频 率：≥25HZ

　　　燃油消耗率：≤≤1KWH／700g

　　　全功率耗油：≤1.5L／小时

　　　整 机重 量:＜25KG

　　　镐 钎长 度:＞400MM

　　　具备了上述功能,符合上述性能要求的手持内燃动力冲击式捣固机完全适应现实条件下的线路、道岔及个别特殊地段的捣固施工作业，其具有的实用性、多功能性，势必成为”洋镐”的终结者。在每个小工区配备4把，在领工区则应配备8把构成一组，实现灵活的捣固作业，即可完成大中小型养路机械覆盖不到地段的养护维修作业，克服其它现有捣固机具效率低下、质量不高、捣固力不够、功能单一的不利因素，从而实现工务作业彻底的养路机械化。

二. 设计基本思路与主要技术参数

内燃直接做功原理：

　　　内燃直接做功原理有别于传统的内燃机→飞轮→曲轴→连杆→气动活塞→冲击锤→镐钎的做功方式。它采用内燃机活塞与气动活塞同气缸安装的方式，其做功原理为：内燃机活塞→启动活塞→冲击锤→镐钎的做功方式。如图所示：

 

　　　其优点是：

减少了传动环节，功率损失小，输出功率大。

省去了气动活塞的单独润滑系统。

减少了整机的重量。

提高了可靠性，便于维护。

免维护设计：

        为方便现场的使用，整机设计时应充分考虑现场作业条件，与操作人员的维护技能，采用免维护设计。本机拟采用如下方法实现免维护设计：

采用内燃机活塞与气动活塞同气缸安装的方式，省去了气动活塞的单独润滑系统（一般启动活塞需单独的润滑系统，并定期补充润滑油）。

本机采用两冲程汽油机为动力，从结构上省去进排气门与润滑油泵，提高可靠性。

在气缸内设计两冲程机油排出通道，通道直通重锤滑道润滑重锤，同时为冲击锤等元件提供润滑，提高了两冲程汽油机的启动性能。为使机油顺畅流入重锤滑道，应将气缸内的机油通道口扩为锥形，以便于机油在燃气的推动下顺利的流入机油通道。其原理为：两冲程汽油机采用混合油润滑，适当提高机油的比例值，这样混合气体在气缸内燃烧后，剩余的机油不从排气管排出而是进入润滑油道，对重锤等运动机件进行润滑，可以至少减去两个保养润滑点。

汽油机的空滤器不使用需经常更换的纸质滤芯，宜采用耐油纤维套筒式油侵滤清器，免于更换。

　　（三）可靠性设计

1．将油门设计为油针式，并直接设计在油道上，不使用易出故障的油门拉线式操作方式，是经常操作的部位可靠性提高。

2．采用油门调整与引射油针喷油雾化式化油器一体化设计，减少故障点，方便使用与维护具体形式，这样做的优点是：

  （1）改一般二冲程汽油机启动时调“风”为启动时调“油”使起动容易，尤其是低温冷启动时效果更为明显。

  （2）改“手油门”为“定油门”，在现场调研时发现职工反映“眼镜蛇”捣固机的手控油门把手在作业中更换“镐窝”提镐时左手不能用力握持，否则发动机“高转飞车”，而作业时基本不用频繁变换转速，为此我们将油门由手把移至机头，使易用性得以提高。

3．整机的外壳应采用铸铝结构，经得起现场磕碰。

4．汽油机启动手拉绳是经常使用的部位，不宜采用普通尼龙拉绳，应采用柔性钢丝绳防止拉断，提高可靠性。

　　　本设计方案由于采用了独特的作功方式，并充分考虑到了免维护及可靠性设计等问题，具体实施后必将研制出一种，适应现场实际作业境况，免维护性与易用性相结合的，具有广泛使用与推广前景的新一代捣固机具。

　　（四） 确定的主要技术参数

　　　    内燃机功率：≥2.2KW

　　　　　　冲  击  功：45～65J

　　　　　　冲 击频 率：≥25HZ

　　　　　　燃油消耗率：≤1KWH／700g

　　　　　　全功率耗油：≤1.5L／小时

　　　　　　整 机重 量:＜24KG

　　　　　　镐 钎长 度:＞400MM

三．GT-NR65内燃手持式捣固机研制步骤及方法，与结构设计：

用冲击的计算公式，推导出二冲程汽油机的气缸活塞的运行速度，进而确定汽油机的转速。

　　　冲击能量计算公式：

　　　J＝N*M＝M²*kg*Sˉ² 

　　　即：

　　　冲击能＝作用力与作用距离的乘积＝作用距离的²*质量*作功时间的ˉ²

　　　冲击能单位：焦耳

　　　作用力单位：牛顿

　　　作用距离单位：米

　　　作功时间单位：秒

累计各相功率消耗（包括风扇，摩擦及热损耗）及计算功率，并参考国外先进机型样机指标，确定汽油机的技术指标如下：

发动机形式：二冲程汽油机

燃油方式：混合油

发动机功率：2.2KW

转速：1440～1650rpm

发动机排气量：250ML

做油机配套厂家调研，选型活塞，缸体与冲程。

选型结果如下：

    

确定磁电机形式进行结构设计。

做原理验证模型。

原理验证模型成功后，据情况调整结构设计，确定主体结构。

　　7．   进行工艺化及耐久性维护性设计，并修改相关结构，同时，

为方便现场的使用，整机设计时应充分考虑现场作业条件，与操作人员的维护技能，采用多项免维护设计，提高了整机性能。       

四．使用效果及推广前景

　　　GT-NR65手提式内燃捣固机，经由太原局太原工务段等用户使用，实践证明效果良好，具有移动方便，操作简便，捣固效果好故障率低，可维护性好等优点，具有极好的现场使用价值。（具体的使用报告见附件）

　　　GT-NR手提式内燃捣固机，解决了在特殊地段和条件下捣固作业无可靠有效的国产手持捣固机的难题，将免维护性与易用性相结合，满足了现场实际需要，而且使用成本低，是具有广泛使用价值和推广前景的新一代捣固机具。

五．经济效益分析

　　　GT-NR65手提式内燃捣固机，现场使用中具有如下优点：

捣固力大效果明显，作业效率高。

            研究表明只有使冲击功作用于石碴产生25HZ左右的冲击频率，才能产生冲击加振动的双重功效，因为25HZ以上的振动频率在松散石碴传递最为有效（史丹利液压冲击镐也是采用这一冲击频率），配合》45J的冲击功，每次插入镐钎4～5次冲击即可将石碴捣入枕底，同时将周围的石碴振动密实，8台镐为一组作业时，每根轨枕间隔的作业时间只有30～40秒，具有很高的作业效率。

与使用其它形式的捣固机相比较费效比高。

　　   采用两冲程汽油机时平均耗油量为1KWH／650～690g，2.4KW汽油机全功率时每小时耗油约1.5L,8台镐同时使用日作业6小时耗油72L,折合人民币288元(假定汽油4.0元/L),只及使用8台史丹利捣固镐的1/4－1/5成本,单组工作日节约864元。

保养维护费用低。

　　　与同等功效的进口“眼镜蛇”内燃镐相比较，由于不用加注齿轮油与柴机油，所以单只镐全年按使用100工日计算，可节约柴机油2桶，齿轮油0.4桶，每组8只全年可节省柴机油16桶，齿轮油3.2桶，折合人民币约768元。

国产化全寿命维修成本低。

　　    该机全部零件实现国产化，维修方便及时，最大限度的解除使用单位的后顾之忧，并将全寿命使用费用降到最低。