冷再生機(jī)功率匹配特性研究

劉 明，葛龍嶺，冉瑞剛，雷偉偉

（長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

就地冷再生機(jī)械是冷再生技術(shù)實施的關(guān)鍵，而冷再生機(jī)是冷再生機(jī)械的核心。其工作過程為行走系統(tǒng)牽引冷再生機(jī)向前運(yùn)動，銑刨轉(zhuǎn)子自下而上地轉(zhuǎn)動將舊路面銑刨并破碎，這樣不僅完成了對舊路面材料的銑削和破碎，而且還對銑刨的材料進(jìn)行了拌和。在轉(zhuǎn)子對舊路面的銑刨過程中，噴灑裝置按照配比的要求噴入水和再生劑，噴灑量由冷再生機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行精確控制。同時銑刨裝置將各種材料攪拌均勻，經(jīng)過分料螺旋在攤鋪寬度范圍內(nèi)均勻分料,再經(jīng)過熨平裝置或平地機(jī)熨平,最后用壓路機(jī)壓實成型，如圖1所示。由冷再生機(jī)的工作特點(diǎn)可知其大部分功率消耗在牽引、銑刨和拌和上。

由于冷再生機(jī)工作時負(fù)載波動較大，如果為了適應(yīng)變化的負(fù)載而將油門開到最大以增大儲備功率，那么不僅不能充分利用發(fā)動機(jī)功率而且會增加燃油消耗。因此，有必要對冷再生機(jī)的功率匹配進(jìn)行研究。

1 工作裝置系統(tǒng)的功率

冷再生機(jī)的主要工作裝置是銑刨轉(zhuǎn)子，其消耗的功率可由下式表示

圖1 冷再生機(jī)工作示意圖

β——銑刀前刀面摩擦角；

γ0——為銑刨刀具實際切削前角；

τs——為被銑刨材料的劈裂破壞強(qiáng)度；

αe——為銑削厚度；

αp——為單刀頭的銑削寬度；

v——為行駛速度；

Z——為銑刨轉(zhuǎn)子上的刀具數(shù)量；

R——為轉(zhuǎn)子半徑。

由(1)式可知，雖然銑削功率受到作業(yè)對象、作業(yè)狀態(tài)、本身參數(shù)等諸多因素影響，但就1臺冷再生機(jī)而言其銑刀前刀面摩擦角、銑刨刀具實際切削前角、刀具數(shù)量等可認(rèn)為是常量。而被銑刨的材料的剪切屈服強(qiáng)度由工作路面的狀況而定，因此亦可認(rèn)為是常量。因此可以通過調(diào)節(jié)冷再生機(jī)的行駛速度來控制轉(zhuǎn)子的銑削功率。

2 行走系統(tǒng)的功率

行走系統(tǒng)所消耗的功率主要取決于機(jī)器的理論行駛速度v和牽引力Fk，可由下式表示

式中 ηt——行走系統(tǒng)的總效率；

Ff——滾動阻力；

FH——冷再生機(jī)作業(yè)時的水平阻力，其為一個隨銑刨機(jī)行駛速度變化的函數(shù)。

由下式表示

將(3)式代入(2)式可得牽引功率為

式中k為常數(shù)。由(4)式可得，行走機(jī)構(gòu)所消耗的功率是行駛速度v的二次函數(shù)，即行駛功率也可以通過調(diào)節(jié)行駛速度來控制行駛功率。

3 發(fā)動機(jī)最佳工作點(diǎn)研究

圖2 發(fā)動機(jī)工作特性

圖2為發(fā)動機(jī)的外特性轉(zhuǎn)矩曲線圖，曲線ABCD是發(fā)動機(jī)的全負(fù)荷速度特性，斜線DL、CK、BJ、AI為不同油門位置時的調(diào)速特性，點(diǎn)A、B、C、D分別是對應(yīng)的最大功率輸出點(diǎn)。因為一個油門位置x對應(yīng)一個最大功率輸出點(diǎn)，所以最大功率Pmax(M,n)是油門位置x的函數(shù)，即

所以只要調(diào)節(jié)油門位置就可以調(diào)整發(fā)動機(jī)輸出的最大功率。發(fā)動機(jī)在工作時，作用在發(fā)動機(jī)上的轉(zhuǎn)矩是自變量并由外負(fù)載決定，而發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速是因變量。因此有

要想得到最大的工作效率，發(fā)動機(jī)應(yīng)始終工作在最大功率點(diǎn)。在不同油門位置下，雖然都可以工作在最大功率點(diǎn)，但這些最大功率點(diǎn)一方面抗過載能力差，且容易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火。另一方面，發(fā)動機(jī)工作在最大工作點(diǎn)處的耗油量并不經(jīng)濟(jì)。所以綜合兩方面考慮，發(fā)動機(jī)最佳工作點(diǎn)設(shè)定在調(diào)速段，如圖中的E、F、G、H點(diǎn)，使得在每一個最大功率點(diǎn)都有一定的過載余量，這樣既能滿足動力裝置高效率、高動力性的要求，又使發(fā)動機(jī)有一定的動力儲備，有利于提高加速性能，并在遇到?jīng)_擊載荷時不至于熄火。

4 匹配原則

由以上分析可知冷再生機(jī)銑刨轉(zhuǎn)子和行走功率都只與冷再生機(jī)的行駛功率有關(guān)，而其他部分功率可看成不變的常量。結(jié)合發(fā)動機(jī)的最佳工作點(diǎn)位置不難得出匹配原則。

1）發(fā)動機(jī)應(yīng)工作在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速nMmax與額定轉(zhuǎn)速nH之間且靠近額定轉(zhuǎn)速處，發(fā)動機(jī)怠速至最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速區(qū)間不工作。由于冷再生機(jī)工作時功率消耗大，因此發(fā)動機(jī)工作必須在高轉(zhuǎn)速下才能有足夠的功率輸出。

2）應(yīng)將工作點(diǎn)匹配到發(fā)動機(jī)的調(diào)速曲線段上。為保證作業(yè)質(zhì)量，冷再生機(jī)銑刨轉(zhuǎn)子一般要求工作點(diǎn)恒速。但在實際工作中，恒速是很難達(dá)到的，尤其是在變負(fù)載情況下，因此容許有一定的速度偏差存在。當(dāng)路面材料強(qiáng)度發(fā)生變化等使銑刨轉(zhuǎn)子負(fù)載有微小變化而導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速大幅度變化是不容許的，因此將工作點(diǎn)匹配在發(fā)動機(jī)的調(diào)速曲線上才能近似保持銑刨轉(zhuǎn)恒速工作。

3）工作點(diǎn)應(yīng)匹配在發(fā)動機(jī)最佳工作點(diǎn)上。發(fā)動機(jī)在最佳工作點(diǎn)工作可以使發(fā)動機(jī)有良好的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，使發(fā)動機(jī)具有足夠的功率儲備又不會使發(fā)動機(jī)因功率過剩而降低燃油經(jīng)濟(jì)性。由前述可知冷再生機(jī)的銑刨轉(zhuǎn)子和行走功率都只與行駛速度相關(guān)，因此可以檢測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，對冷再生機(jī)的行駛速度進(jìn)行控制來使發(fā)動機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)上。如果發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速超出了設(shè)定的轉(zhuǎn)速即外負(fù)載變小時，則增加行走變量泵的排量使冷再生機(jī)的行走速度增大，從而增加冷再生機(jī)轉(zhuǎn)子及行走機(jī)械所消耗的功率，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速回到設(shè)定值。反之則減小泵的排量來使發(fā)動機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)，保證發(fā)動機(jī)的功率被充分利用。

5 結(jié) 語

本文以降低冷生機(jī)機(jī)能耗，提高冷再生機(jī)工作性能作為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合功率匹配相關(guān)研究，對冷再生機(jī)的功率匹配問題進(jìn)行了研究。分析了各功率特性并找到了匹配點(diǎn)，得出了匹配原則，對冷再生機(jī)設(shè)計過程中，如何合理分配發(fā)動機(jī)功率，充分發(fā)揮工作裝置性能等起到了一定的理論指導(dǎo)作用。

[1] 付鳳嵐,陳中敏．瀝青路面就地冷再生主機(jī)結(jié)構(gòu)分析[J]．華東公路，2009，(2)：46-49．

[2] 馬鵬宇．冷銑刨機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)研究[D]．西安:長安大學(xué)，2008．

[3] 姚懷新，陳 波．工程機(jī)械底盤理論[M]．北京:人民交通出版社，2002．

[4] 姚懷新．工程車輛液壓動力學(xué)與控制原理[M]．北京:人民交通出版社，2006．