路面銑刨機(jī)用銑刨截齒

胡 銘，董鑫業(yè)

(中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)釬鋼釬具協(xié)會(huì) 秘書處，北京 100081)

0 前言

路面冷銑刨機(jī)是一種用于高等級(jí)公路和城市道路維修養(yǎng)護(hù)的專用設(shè)備，在高等級(jí)公路、機(jī)場(chǎng)、碼頭、貨場(chǎng)、停車場(chǎng)、 車間等大空間地面的開(kāi)挖翻修，城市道路瀝青路面擁包、網(wǎng)紋、車轍、道路標(biāo)記清除，水泥路面鋪設(shè)瀝青工程的拉毛以及路面層錯(cuò)臺(tái)的銑平等工程施工中大量使用。 此外，小型銑刨機(jī)還可以用于市政施工中開(kāi)挖坑槽，是一種用途非常廣泛的工程機(jī)械。

從20 世紀(jì)50 年代開(kāi)始，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在二戰(zhàn)后進(jìn)入高等級(jí)道路維修建設(shè)和城鎮(zhèn)化規(guī)模擴(kuò)大的快速發(fā)展時(shí)期，急需一種高效率的道路施工機(jī)械，以加快工程的進(jìn)度。50 年代中期，在日本開(kāi)始出現(xiàn)電熱式路面銑刨機(jī)，這是在路面平地機(jī)械前部安裝了一個(gè)電加熱裝置，后部裝備一個(gè)銑刨輪， 邊加熱邊銑刨，用于瀝青路面的維修。當(dāng)時(shí)這臺(tái)設(shè)備的加熱寬度為2 m，對(duì)瀝青路面的銑深20 mm，工作速度僅0-12 km/h。盡管如此，效率也大大高于人工開(kāi)挖翻修作業(yè)。到60 年代初， 日本人又在平地機(jī)械上改裝成功了一臺(tái)不需要加熱就可對(duì)瀝青路面進(jìn)行整修的銑刨機(jī)，銑刨寬度為2 m， 深度 30-50 mm。 從工程機(jī)械角度說(shuō)，日本人推出的銑刨機(jī)僅能稱為在平地機(jī)械加裝附件的施工機(jī)械，并不屬于真正意義上的路面銑刨機(jī)。但這卻是路面銑刨機(jī)的雛形，其工作理念和動(dòng)作原理是路面冷銑刨機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)，開(kāi)創(chuàng)了機(jī)械化道路養(yǎng)護(hù)施工的新紀(jì)元。

1 國(guó)內(nèi)外路面冷銑刨機(jī)概況

經(jīng)過(guò)50 余年的發(fā)展， 國(guó)外銑刨機(jī)經(jīng)歷了由熱銑 （帶有路面預(yù)加熱裝置）到冷銑（無(wú)需加熱路面），由無(wú)集料到有自動(dòng)集料裝置的發(fā)展過(guò)程，也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著機(jī)、電、液一體化技術(shù)的成功應(yīng)用，其技術(shù)參數(shù)、整機(jī)性能、外觀形象等得到突破性進(jìn)展，路面冷銑刨機(jī)形成了較為完整的產(chǎn)品系列，成為一種重要的工程施工機(jī)械。鑒于我們釬鋼釬具行業(yè)產(chǎn)品的特點(diǎn)，本文只對(duì)國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)冷銑刨機(jī)械的企業(yè)和設(shè)備主要性能作概括性介紹。

圖1 路面冷銑刨機(jī)進(jìn)行高速公路瀝青路面維修

1.1 國(guó)外路面冷銑刨機(jī)

路面冷銑刨機(jī)作為一種高效率的路面施工設(shè)備，一旦確認(rèn)其使用效果后，國(guó)外對(duì)這種機(jī)械的研發(fā)進(jìn)展速度非?？?。 1971 年，當(dāng)時(shí)聯(lián)邦德國(guó)的維特根公司推出了專門用于高速公路路面維修的小型銑刨機(jī)，使路面銑刨機(jī)成為工程機(jī)械的一種類型。 到二十世紀(jì)七十年代中期，全歐洲已有一百多臺(tái)這樣的銑刨機(jī)在使用。 隨后維特根公司又開(kāi)發(fā)了帶直接收集舊料裝置的小型冷銑刨機(jī)。 九十年代初，維特根公司的銑刨機(jī)在大型化、 系統(tǒng)化、 液壓及控制技術(shù)上顯著提高，成為當(dāng)時(shí)世界上制造路面冷銑刨機(jī)械的主要企業(yè)。 與此同時(shí)， 意大利的Bitelli 公司、Madni 公司， 美國(guó)的 CMI公司、卡特彼勒公司也在二十世紀(jì)九十年代初開(kāi)發(fā)了本國(guó)特色的冷銑刨機(jī)械。

目前，國(guó)際市場(chǎng)上的路面冷銑刨機(jī)械的產(chǎn)品類型主要有： 以德國(guó)維特根（Wirtgen） 公司產(chǎn)品為代表的歐洲型，以及美國(guó)的卡特彼勒 （Caterpillar）公司、Roadtec 公司、CMI 公司產(chǎn)品為代表的北美型。 其中維特根公司的W2200型被認(rèn)為是當(dāng)今冷銑刨技術(shù)的典型代表。目前國(guó)際市場(chǎng)上路面冷銑刨機(jī)的年銷售量大約2800-3000 臺(tái)左右， 主要以銑刨寬度1500mm 以上的中寬型冷銑刨機(jī)為主， 而其中又以維特根公司的產(chǎn)量最大，約占總量的55%以上。國(guó)外路面冷銑刨機(jī)產(chǎn)品型號(hào)及主要參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 國(guó)內(nèi)路面冷銑刨機(jī)

國(guó)內(nèi)銑刨機(jī)產(chǎn)業(yè)到二十世紀(jì)八十年代末才開(kāi)始起步，主要采用仿制國(guó)外早期設(shè)備的生產(chǎn)模式，到九十年代中期國(guó)產(chǎn)小型冷銑刨機(jī)的生產(chǎn)已初具規(guī)模。九十年代后期， 國(guó)內(nèi)企業(yè)通過(guò)引進(jìn)、消化和吸收德國(guó)Wi rtgen 公司、瑞典Dynapac 公司的先進(jìn)制造技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，形成了以徐工科技、中聯(lián)重科、鎮(zhèn)江華晨、 沈陽(yáng)北方等為代表的20 多家銑刨機(jī)生產(chǎn)制造企業(yè)。 從2002 年開(kāi)始，隨著我國(guó)高速公路通車?yán)锍痰牟粩嘣黾?，?jīng)營(yíng)高速公路的企業(yè)效益持續(xù)增長(zhǎng)。 另一方面，以汽車貨運(yùn)為主體物流企業(yè)的發(fā)展，以及煤炭、鋼鐵等重貨運(yùn)輸對(duì)公路產(chǎn)生的損壞，都使市場(chǎng)對(duì)路面冷銑刨機(jī)的需求數(shù)量不斷增長(zhǎng)。 僅2003 年一年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷售各種型號(hào)的進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)路面冷銑刨機(jī)的數(shù)量就超過(guò)200 臺(tái)。

目前，我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)企業(yè)中的徐工集團(tuán)、中聯(lián)重科、陜建股份、鎮(zhèn)江華晨、西安宏大、北方交通和西安筑路等企業(yè)都可以生產(chǎn)制造銑刨寬度為2 m、最大銑刨深度300 mm、 具有自動(dòng)切深控制和收料裝置的大中型路面銑刨機(jī)(見(jiàn)表2)，使我國(guó)成為路面冷銑刨機(jī)的主要生產(chǎn)區(qū)域之一。同時(shí)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)路面冷銑刨機(jī)銷售的巨大潛力， 已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外銑刨機(jī)主機(jī)生產(chǎn)、關(guān)鍵件配套，工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)制造等一大批相關(guān)企業(yè)的高度重視，都在這一領(lǐng)域積極拓展市場(chǎng)空間。釬鋼釬具作為硬質(zhì)合金工具的專業(yè)化生產(chǎn)行業(yè)， 也應(yīng)該重視路面冷銑刨機(jī)用截齒的市場(chǎng)動(dòng)向。

表1 國(guó)外路面冷銑刨機(jī)型號(hào)及參數(shù)

2 路面冷銑刨機(jī)銑削刀具

路面冷銑刨機(jī)在工作過(guò)程中，安裝在機(jī)械下部的銑刨轉(zhuǎn)筒帶動(dòng)銑刨截齒高速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)銑刨機(jī)自重和機(jī)械的向前運(yùn)動(dòng)銑削路面物料。高速旋轉(zhuǎn)的銑刨截齒在重力和推力作用下與被銑路面物料處產(chǎn)生很高的接觸應(yīng)力，該接觸應(yīng)力達(dá)到極限時(shí)， 路面物料被壓碎和崩落。隨著銑刨機(jī)械的直線運(yùn)動(dòng)和截齒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，路面物體被壓碎和崩落不間斷地交替進(jìn)行， 從而完成銑刨路面作業(yè)（圖 2）。

表2 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)路面冷銑刨機(jī)主要企業(yè)及設(shè)備參數(shù)

圖2 路面冷銑刨機(jī)銑削刀具工作原理示意

銑刨機(jī)截齒通常是在合金結(jié)構(gòu)鋼截齒褲體上鑲嵌硬質(zhì)合金齒，合金齒與鋼制截齒褲體采用銅焊料沉底焊接方式進(jìn)行焊接，然后再進(jìn)行淬回火熱處理和拋丸等強(qiáng)化處理工藝，制成強(qiáng)韌度較好的截齒。 截齒合金和褲體用鋼材質(zhì)、以及結(jié)構(gòu)形式和制作工藝決定了截齒的使用性能。截齒的附屬結(jié)構(gòu)部件包括卡簧套、預(yù)壓墊片。 卡簧套是為了固定截齒和保證截齒在使用中旋轉(zhuǎn)；預(yù)壓墊片為了安裝方便， 同時(shí)提高截齒的旋轉(zhuǎn)， 還可保護(hù)截齒座外表面不被磨損。截齒的組成部件見(jiàn)圖3。

圖3 路面冷銑刨機(jī)截齒構(gòu)造

合金齒通常采用粗晶粒碳化鎢合金，在高溫、高沖擊的情況下具有較好的強(qiáng)韌性和耐磨性，通過(guò)銅釬焊連接在鋼制褲體上。銑刨齒要求有很高的焊接強(qiáng)度， 能承受施加在合金齒與刀柄成45°角方向、6 噸以上力所產(chǎn)生的彎曲力矩而不會(huì)脫落。 同時(shí)，鋼制褲體上下部分也要求有不同的力學(xué)性能，前部與路面和銑刨?gòu)U料產(chǎn)生磨擦需要很高的硬度，后部尾柄插入齒座內(nèi)，需要能吸收銑刨過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊能量，因而要求較好的韌性。 齒體中間有一個(gè)退齒槽，可以利用卸齒鉗將截齒從齒座中拔出，沒(méi)有退齒槽的可使用沖桿從截齒后部直接將其沖出。有些截齒頭部還布有凹槽，以增加與地面摩擦過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)性能，防止截齒偏磨。

預(yù)壓墊片由優(yōu)質(zhì)彈簧鋼制成，形狀類似碟簧，呈倒錐狀。其用處有兩個(gè)：首先減小齒座的磨損。工作時(shí)旋轉(zhuǎn)的刀頭如果直接安裝在齒座上，勢(shì)必給刀座帶來(lái)嚴(yán)重磨損， 而齒座的價(jià)格遠(yuǎn)高于截齒， 所以要在這之間安裝一個(gè)墊片，讓截齒旋轉(zhuǎn)時(shí)只與墊片發(fā)生摩擦，從而保護(hù)齒座；其次，錐形的墊片與齒座的錐形定位面精確配合，保證工作時(shí)截齒在齒座中處于良好的對(duì)中狀態(tài)，減少齒座孔的磨損。

卡簧套由1.2-1.5 mm 厚度優(yōu)質(zhì)彈簧鋼制成，保證截齒在銑刨過(guò)程中不會(huì)從齒座中脫出。銑刨過(guò)程中為防止偏磨需要截齒旋轉(zhuǎn)，所以卡簧套與截齒尾柄之間有較大的徑向間隙。其軸向固定是依靠截柄上的凹形槽配合形成。

早期銑刨機(jī)采用焊接方法直接在銑刨轉(zhuǎn)筒上固定齒座，因其不易更換，同時(shí)更換過(guò)程中容易損壞銑刨轉(zhuǎn)筒。 現(xiàn)在大都采用快換型齒座， 通過(guò)緊定螺釘固定于基座內(nèi)，擰開(kāi)螺釘可輕松拆下齒座。齒座安裝面積大， 能有效地保護(hù)基座并且減小應(yīng)力，截齒與齒座照片見(jiàn)圖4。

圖4 路面冷銑刨機(jī)截齒與齒座

由表2 中可以看到，銑刨機(jī)單機(jī)每次安裝截齒數(shù)量都在80-170 支左右，所以作為銑削刀具，截齒是路面冷銑刨機(jī)施工中主要的消耗件之一，使用量很大。 按照工程機(jī)械行業(yè)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)表明， 銑刨機(jī)平均每工作50 m 左右就要更換一支截齒。因此在路面維修施工中截齒消耗量是很大的。 截齒的使用壽命，除銑刨轉(zhuǎn)筒的合理設(shè)計(jì)和銑刨截齒正確的排布、銑刨功率、銑刨材料、銑刨深度、 工作速度及使用維護(hù)等有關(guān)因素，冷銑刨齒的質(zhì)量和正確選擇使用是非常重要的。

一般來(lái)說(shuō)，截齒的主要失效形式是硬質(zhì)合金齒和截齒鋼褲體前端部位的磨損。 從材料學(xué)角度說(shuō)，合金齒磨損屬于正常的磨料磨損， 是不可避免的，然而磨損的快慢和形狀卻與合金齒結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)。 另外，由于鋼鐵材料的耐磨性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硬質(zhì)合金，所以截齒鋼褲體前端部位過(guò)早的磨損對(duì)截齒的影響更大。因?yàn)樽鳛榻佚X基體的鋼褲體磨損后，會(huì)使硬質(zhì)合金齒失去支撐和保護(hù)并從截齒鋼褲體上脫落。出現(xiàn)這種情況若不及時(shí)更換新的截齒，不僅鋼褲體會(huì)很快磨損，而且齒座也會(huì)磨壞。同時(shí)，硬質(zhì)合金齒脫落后，銑刨機(jī)因受力不平衡而發(fā)生顫動(dòng)， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)使相關(guān)部件損壞。圖5 所示為國(guó)外銑刨齒使用過(guò)程中正常磨損失效過(guò)程。 從圖示可以看出，除制造方面的因素外，幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和形狀選擇對(duì)銑刨截齒的使用性能和使用質(zhì)量也是非常重要的。 因此，了解國(guó)外先進(jìn)鉆具生產(chǎn)企業(yè)的冷銑刨齒的結(jié)構(gòu)形式，借鑒其設(shè)計(jì)特色，提高國(guó)產(chǎn)截齒的使用性能很有必要。

圖5 銑刨齒正常磨損失效過(guò)程示意

3 國(guó)外路面冷銑刨機(jī)截齒與齒座

瑞典Sandvik 公司是國(guó)際著名的特殊鋼生產(chǎn)企業(yè)，同時(shí)也是著名的金屬切削工具和鑿巖設(shè)備及鉆具生產(chǎn)企業(yè)。該公司生產(chǎn)的銑刨齒在歐洲和北美占有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)份額，現(xiàn)就其路面截刨齒產(chǎn)品結(jié)構(gòu)敘述如下。

3.1 銑刨齒用硬質(zhì)合金齒

如上所述，硬質(zhì)合金截齒是直接對(duì)混凝土或?yàn)r青路面，甚至軟巖或中硬巖石進(jìn)行銑刨作業(yè)的銑削部件，要求在高溫、高沖擊的情況下?lián)碛休^好的韌性和耐磨性能。通常需要根據(jù)銑削對(duì)象選擇采用不同晶粒度的碳化鎢硬質(zhì)合金（圖6）。 截齒合金頂部呈錐形，確保切入地面時(shí)減少銑削阻力；底部直徑大，以提供對(duì)截齒鋼體的保護(hù)。截齒合金通過(guò)銅釬方式焊接在截齒鋼體上，要求很高的焊接強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，以保證能承受路面冷銑刨機(jī)工作時(shí)施加在合金齒上與截齒成45°方向最高達(dá)6 噸的力及相應(yīng)的彎曲力矩。 Sandvik 公司銑刨截齒合金主要形狀及特點(diǎn)見(jiàn)表3。

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3.2 銑刨機(jī)用截齒

在路面冷銑刨機(jī)對(duì)路面維護(hù)施工過(guò)程中，銑刨材料、銑刨深度、銑刨功率、工作速度及使用維護(hù)等因素都直接影響到截齒的使用效果。一般瀝青路面普通截齒即可滿足使用要求，而水泥路面就要用更高性能的截齒， 銑刨深度、銑刨功率、負(fù)荷行駛速度越大對(duì)截齒的性能要求越高。銑刨轉(zhuǎn)筒的合理設(shè)計(jì)和截齒在銑刨轉(zhuǎn)筒上的正確布置也關(guān)系到截齒的使用壽命。然而作為鉆具制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，我們所能把握的只是截齒結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量的保證，而對(duì)使用工況和使用維護(hù)等要求也只能對(duì)用戶提出合理建議，所以了解國(guó)外銑刨截齒的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)提升自己企業(yè)產(chǎn)品性能有一定的參考價(jià)值。 Sandvik 公司在截齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面一直在不斷更新，該公司近期向市場(chǎng)推出的銑刨截齒見(jiàn)表4。

3.3 銑刨齒座與基座

路面冷銑刨機(jī)銑刨截齒座和基座通常采用鋼件鍛造而成，分為整體焊接齒座和可更換齒座兩種類型。早期的銑刨機(jī)大都采用的是整體焊接齒座，直接焊接在銑刨轉(zhuǎn)筒上， 因其不易更換，現(xiàn)在大都采用齒座與基座分體式的可換型齒座，采用螺桿或其他方式將齒座固定在基座上。 這種齒座除更換方便外，還具有安裝面積大，能有效地保護(hù)基座并且減小應(yīng)力的特點(diǎn)。 此外，齒座頂部開(kāi)有兩道環(huán)型槽作為磨耗標(biāo)志線，以方便判斷磨損程度和維護(hù)。

基座直接焊接在銑刨轉(zhuǎn)筒上，除了安裝齒座截齒外，還擔(dān)負(fù)螺旋輸送銑刨?gòu)U料的重要作用。寬大的基座在銑刨轉(zhuǎn)筒上呈螺旋布置，形成了一道道的“螺旋葉片”。 銑刨后產(chǎn)生的廢料就依靠轉(zhuǎn)動(dòng)的“螺旋葉片”，將其推到銑刨室的中間，再通過(guò)拋料板拋出。所以，基座的形狀和布置直接影響到銑刨轉(zhuǎn)筒的堆料及收料效果，通常由銑刨機(jī)整機(jī)出廠時(shí)配置型號(hào)。 Sandvik 公司的銑刨齒座和基座形狀尺寸見(jiàn)表5。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）隨著我國(guó)高速公路通車?yán)锍痰脑黾?，城?zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，大中城市路面改造修復(fù)工作的增多，路面冷銑刨機(jī)作為道路養(yǎng)護(hù)工程中的主要機(jī)種

之一，其先進(jìn)的技術(shù)性能，較高的工作效率，簡(jiǎn)易的施工方法，已越來(lái)越受到施工單位的重視。根據(jù)工程機(jī)械行業(yè)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)使用的路面冷銑刨機(jī)數(shù)量至少在3500 臺(tái)以上， 而且還在以每年250-300 臺(tái)的數(shù)量遞增。國(guó)內(nèi)施工單位已經(jīng)走出人力和銑刨機(jī)難取舍階段，現(xiàn)在考慮的是如何把銑刨機(jī)用好，尋求更加高效的施工方法。我國(guó)的路面冷銑刨機(jī)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前景廣闊，銑刨機(jī)械配套部件和工具市場(chǎng)大有可為。

表4 Sandvik 公司銑刨截齒結(jié)構(gòu)尺寸

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表5 Sandvik 公司的銑刨齒座和基座形狀尺寸

（2）銑刨截齒是銑刨機(jī)械使用過(guò)程中主要的消耗件之一。 銑刨齒的合理設(shè)計(jì)和正確使用對(duì)銑刨機(jī)的工作效率、施工質(zhì)量有著重要影響。 目前，國(guó)內(nèi)的截齒生產(chǎn)企業(yè)對(duì)銑刨齒，特別是混凝土銑刨齒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布齒形式缺乏深入的理論分析，影響到銑刨效果和截齒及齒座的使用壽命。 參考國(guó)外先進(jìn)鉆具生產(chǎn)企業(yè)的同類產(chǎn)品，對(duì)開(kāi)拓設(shè)計(jì)思路， 進(jìn)而完善產(chǎn)品性能，生產(chǎn)出具有自己企業(yè)特色的銑刨截齒將有所幫助。

[1]張啟君.國(guó)內(nèi)外銑刨機(jī)概況[J].交通世界，2006.7.

[2]張惠，宋玉萍.路面冷銑刨機(jī)刀具的選用[J].建筑機(jī)械化，2010.10.

[3]Mineral Ground Tools.Road Planing and Reclaiming[Z].Sandvik Mining and Construction 2008.