內燃動力手持沖擊搗固機研制報告

　　　

一. 研制背景

　　　線路的養護維修工作主要是大中修、綜合維修、經常保養和臨時補修，搗固作業是其中的主要工作項目內容之一，它對線路的穩定至關重要。多年來雖然我國制造和引進了一些養路機械，如，手提電動搗固機，小型液壓搗固機，大型搗固車等，然而仍然不能滿足日常養護維修、經常保養涉及搗固作業的要求，“洋鎬”仍然是各個工區的必備作業工具，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，做功達到24.2噸米！人工搗固線路勞動強度大、工作效率低、作業質量差，所以“甩掉洋鎬把，實現機械化”是工務線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展

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

　　　特殊地段和情況的養護維修需要

　　　隨著工務養路機械的迅速發展，大中小型養路機械在線路的養護維修中發揮著各自應有的作用，大中型機械主要負責成區段、大范圍的施工和作業；小型養路機械負責較小范圍的線路維修養護工作，但是個別線路如：橋上、隧道內、岔區、站場等特殊地段就無法使用大中小型養路機械，從而造成設備質量不均衡，客觀上要求使用便攜易上下道的養護工具，來完成特殊地段的養護維修任務。再就是臨時補修地段無法安排機械上道，如果沒有相應的養護工具就不能及時迅速的恢復線路質量，保證行車安全。

現有手持式搗固機不能滿足作業要求

　　現有手持式搗固機主要有以下三類我們對其逐一分析：

電動撓動式搗固機：

　以什邡和沈陽養路機械廠為代表的DDG-300型電動搗固機，（如圖）

　　主要技術參數

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

撓動力：2500N

質量：24kg（不包括電線）

               該類產品已沿用多年，其作功原理為鼠籠式異步電動機帶動偏心飛輪產生撓動力，帶動鎬板作功。其缺點是：

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

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

           故而電動撓動式搗固機的實際使用效果是很差的。

 

電動和內燃式振搗棒：

　　　產品因動力源不同而分為電動勢與內燃式兩類；又因傳動方式不同而分為軟軸式和直動式兩類，其典型產品如下：

　　　 

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

液壓傳動沖擊式搗固機：

       該類產品是目前唯一有效的手提搗固工具，其典型產品為美國史丹利公司的產品（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               

整機質量 18 kg

振動頻率 20～24Hz              

液壓站重量：100KG

    為什麼該類產品有效呢？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）沖擊功達到45J。

　　　　那該產品是否適于線路維修并最終普及并替代“洋鎬”呢？不能！

　　　因為有如下缺點制約了它的普及與應用：（1）采購成本高達20余萬元（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，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人員，不方便施工。

　　　那么什么樣的機具才適應現實條件下的搗固作業施工呢？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、搗固道床的作業要求，使得采用撓動式與振動式做功的搗固機具，失去使用價值。唯有采用沖擊做功原理的搗固機具才能滿足現場使用要求。

沖擊功率：研究表明松散的石灰巖石碴搗實沖擊功需要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，即可滿足一般的搗固作業要求。如若考慮在不扒石碴窩而進行400～450MM的深度搗實及滿槽和石碴板結的特殊情況以及道岔搗固等，則沖擊功要大于45J。

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

動力選擇：內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，可選擇電傳動或機械傳動及無傳動直接做功的方式。電傳動無非是內燃機帶發電機，發電機帶動數個電鎬的方式，除非有專用的發電機否則無法避免前述電動搗固機之缺點。機械傳動方式的原理是內燃機帶動飛輪――氣體活塞――沖擊錘――鎬釬的傳動方式，技術上無難點但存在著較大的機械損耗。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）關鍵在于良好的結構設計，無疑這是功率損耗最小的方法。

使用成本：內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時平均耗油量為1KWH／650～690g，2.4KW汽油機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生25HZ左右的沖擊頻率，才能產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，8只鎬為一組作業時每個枕木間隔的作業時間可短至30～40秒，具有很高的作業效率。

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具有相同的功能更高的效率。

　　　綜上所述，適應不同條件下搗固作業施工的機具應具有如下特征，內燃動力直接傳動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

　　　整 機重 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燃動力沖擊式搗固機完全適應現實條件下的線路、道岔及個別特殊地段的搗固施工作業，其具有的實用性、多功能性，勢必成為”洋鎬”的終結者。在每個小工區配備4把，在領工區則應配備8把構成一組，實現靈活的搗固作業，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，克服其它現有搗固機具效率低下、質量不高、搗固力不夠、功能單一的不利因素，從而實現工務作業徹底的養路機械化。

二. 設計基本思路與主要技術參數

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→氣動活塞→沖擊錘→鎬釬的做功方式。它采用內燃機活塞與氣動活塞同氣缸安裝的方式，其做功原理為：內燃機活塞→啟動活塞→沖擊錘→鎬釬的做功方式。如圖所示：

 

　　　其優點是：

減少了傳動環節，功率損失小，輸出功率大。

省去了氣動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：

        為方便現場的使用，整機設計時應充分考慮現場作業條件，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現免維護設計：

采用內燃機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潤滑系統（一般啟動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力，從結構上省去進排氣門與潤滑油泵，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，同時為沖擊錘等元件提供潤滑，提高了兩沖程汽油機的啟動性能。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入潤滑油道，對重錘等運動機件進行潤滑，可以至少減去兩個保養潤滑點。

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

　　（三）可靠性設計

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

2．采用油門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，方便使用與維護具體形式，這樣做的優點是：

  （1）改一般二沖程汽油機啟動時調“風”為啟動時調“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”，在現場調研時發現職工反映“眼鏡蛇”搗固機的手控油門把手在作業中更換“鎬窩”提鎬時左手不能用力握持，否則發動機“高轉飛車”，而作業時基本不用頻繁變換轉速，為此我們將油門由手把移至機頭，使易用性得以提高。

3．整機的外殼應采用鑄鋁結構，經得起現場磕碰。

4．汽油機啟動手拉繩是經常使用的部位，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題，具體實施后必將研制出一種，適應現場實際作業境況，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。

　　（四） 確定的主要技術參數

　　　    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

　　　　　　整 機重 量:＜24KG

　　　　　　鎬 釬長 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（包括風扇，摩擦及熱損耗）及計算功率，并參考國外先進機型樣機指標，確定汽油機的技術指標如下：

發動機形式：二沖程汽油機

燃油方式：混合油

發動機功率：2.2KW

轉速：1440～1650rpm

發動機排氣量：250ML

做油機配套廠家調研，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．   進行工藝化及耐久性維護性設計，并修改相關結構，同時，

為方便現場的使用，整機設計時應充分考慮現場作業條件，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，經由太原局太原工務段等用戶使用，實踐證明效果良好，具有移動方便，操作簡便，搗固效果好故障率低，可維護性好等優點，具有極好的現場使用價值。（具體的使用報告見附件）

　　　GT-NR手提式內燃搗固機，解決了在特殊地段和條件下搗固作業無可靠有效的國產手持搗固機的難題，將免維護性與易用性相結合，滿足了現場實際需要，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具。

五．經濟效益分析

　　　GT-NR65手提式內燃搗固機，現場使用中具有如下優點：

搗固力大效果明顯，作業效率高。

            研究表明只有使沖擊功作用于石碴產生25HZ左右的沖擊頻率，才能產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，8臺鎬為一組作業時，每根軌枕間隔的作業時間只有30～40秒，具有很高的作業效率。

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平均耗油量為1KWH／650～690g，2.4KW汽油機全功率時每小時耗油約1.5L,8臺鎬同時使用日作業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,單組工作日節約864元。

保養維護費用低。

　　　與同等功效的進口“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。

國產化全壽命維修成本低。

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