内燃捣固机研制报告.doc

内燃动力手持冲击捣固机研制报告一. 选题与立项依据线路的养护维修工作主要是日常养护维修、经常修和大中修，捣固作业是其中的主要工作对线路稳定至关重要。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、经常修中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，捣固枕木时用的八斤半“洋镐”，一个工人每天大概要举起2500次之多，累计举重11吨，作功达到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”是线路养护的多年目标。为何“洋镐”至今未被取代主要有以下两个原因：一 列车密度大作业时间短：随着列车密度越来越大，我国的繁忙干线上，列车运行的间隔时间只有10分钟左右，有的甚至只有5分钟，过去常用的的小型液压捣固机都无法上道正常作业。虽然在1989年颁布的铁路工务安全规则的第2.4.132.4.16中对小型液压捣固机进行了明确的规定，但由于列车运行间隔的缩短，小型液压捣固机作业中因不能及时下道被撞的事故仍时有发生。二 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：1 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”“作功”“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。2 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。3 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 2024 L/min 冲 击 功 不小于45J钎 杆 1#钎杆：适合道床捣固 外形尺寸 3921151000mm工作压力 8 MPa 整机质量 18 kg振动频率 2024Hz 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：1 做功的方式：随着3型轨枕的大量应用花岗岩石碴的使用；将石碴打入枕底的作业要求，使得采用挠动式与振动式作功的捣固机具，失去使用价值。唯有采用冲击做功原理的捣固机具才能胜任。2 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400450MM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。走访有经验的养路工了解的现场情况，也印证了上述分析。3 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。4 动力选择：内燃动力由于前述的分析是动力源的首选。5 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作功的方式。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。那么直接作功方式是否可取呢？（修公路用的内燃冲击夯即直接作功的方式）关键在于良好的结构设计，无疑这是功率损耗最小的方法。6 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1KWH650690g，2.4KW汽油机全功率时每小时耗油约1.5L,8台镐同时使用日耗油72L,折合人民币237.6圆(假定汽油3.3圆/L),只及使用8只史丹利捣固镐的1/41/5成本,无疑是可行的。7 使用效率：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45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3040秒，具有很高的作业效率。8 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，适应现实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作功和多功能性。其基本性能参数为：内燃机功率：2.4KW冲 击 功：4565J冲 击频 率：25HZ燃油消耗率：1KWH700g全功率耗油：1.5L小时整 机重 量:400MM具备了上述功能,符合上述性能要求的手提内燃动力冲击式捣固机完全适应现实条件下的正线及道岔捣固作业施工，其具有的多功能性更是势必成为”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，捣固作业即可克服列车间隔短，小型液压捣固机上下道时间长，易出事故；其它现有捣固机具效率低下质量不高，捣固力不够，功能单一的所有不利因素。二. 设计基本思路与主要技术参数一 内燃直接作功原理：内燃直接作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作功方式。它采用内燃机活塞与气动活塞同气缸安装的方式，其作功原理为：内燃机活塞启动活塞冲击锤镐钎的作功方式。如图所示：其优点是：1 减少了传动环节，功率损失小，输出功率大。2 省去了气动活塞的单独润滑系统。3 减少了整机的重量。4 提高了可靠性，便于维护。二 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：1 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）。2 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。3 为提高两冲程汽油机的启动性能；同时为冲击锤等元件提供润滑，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。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。4 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整机的外壳应采用铸铝结构，经得起现场磕碰。3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：4565J冲 击频 率：25HZ燃油消耗率：1KWH700g全功率耗油：1.5L小时整 机重 量:400MM三GT-NR内燃手提式捣固机研制步骤及方法，与结构设计：1 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：JN*MM*kg*S 即：冲击能作用力与作用距离的乘积作用距离的*质量*作功时间的冲击能单位：焦耳作用力单位：牛顿作用距离单位：米作功时间单位：秒2 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：14401650rpm发动机排气量：250ML3 做油机配套厂家调研，选型活塞，缸体与冲程。选型结果如下： 4 确定磁电机形式进行结构设计。5 做原理验证模型。6 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。 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：（1） 用冲击夯活塞与冲击夯同气缸安装的方式，省去了气动活塞的单独润滑系统（一般气动活塞需单独的润滑系统，并定期补充润滑油）。 （2） 提高两冲程汽油机的启动性能；同时为冲击锤等元件提供润滑，在气缸内设计两冲程机油排出通道，通道直通冲击夯滑道润滑重锤。为使机油顺畅流入冲击夯滑道，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，对冲击夯等运动机件进行润滑，可以至少减去两个保养润滑点。（3） 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。（4） 采用油门调整与化油器一提化设计，减少故障点，方便使用与维护具体形 四使用效果及推广前景GT-NR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手提式内燃捣固机在现场使用中解决了在繁忙干线上捣固作业无可靠有效的国产手提捣固机的难题，是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。五经济效益分析GT-NR手提式内燃捣固机，现场使用中具有如下优点：1 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45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3040秒，具有很高的作业效率。2 与使用其他形式的捣固方法相比较费效比高。 采用两冲程汽油机时平均耗油量为1KWH650690g，2.4KW汽油机全功率时每小时耗油约1.5L,8台