銑刨機(jī)輸出功率模型的研究

管付銀，孫瑞峰

銑刨機(jī)是一種路面銑刨機(jī)械，即道路養(yǎng)護(hù)機(jī)械。銑刨機(jī)工作時(shí)，主要是把損壞的路面銑刨起來(lái)，從而鋪上新的面層。銑削功率要受諸多因素的影響，既與銑刨機(jī)自身的參數(shù)有關(guān)，又與作業(yè)對(duì)象有關(guān)系，還與銑刨機(jī)的作業(yè)狀態(tài)有關(guān)。銑刨機(jī)按銑削方式分順銑和逆銑，如圖1所示。

圖1 銑刨機(jī)工作原理圖

銑刨機(jī)在銑削瀝青路面時(shí)，銑刨速度無(wú)法保證完全不變，銑刨機(jī)輸出功率隨著速度的變化發(fā)生變化，銑刨機(jī)輸出功率曲線呈間歇性分布。機(jī)械傳動(dòng)很難保證銑刨轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)[1]。但是銑刨機(jī)的行駛速度很容易進(jìn)行調(diào)節(jié)。并且銑刨機(jī)銑刨作業(yè)所消耗的功率與銑刨機(jī)的行駛速度的平方有一定的函數(shù)關(guān)系[2]。目前國(guó)內(nèi)尚缺乏有關(guān)銑刨機(jī)功率預(yù)測(cè)方面的理論研究，開(kāi)展銑刨機(jī)功率預(yù)測(cè)的研究能為銑刨機(jī)功率高效率的應(yīng)用提供理論依據(jù)，例如銑削不同材料，不同深度的路面就需要不同的功率，目前銑刨機(jī)改變銑削過(guò)程的功率主要是改變銑刨機(jī)油門的開(kāi)度，這就需要高經(jīng)驗(yàn)的操作人員，增加了成本。

為此，本文對(duì)銑刨機(jī)功率模型進(jìn)行了研究，包括銑刨機(jī)基本功率方程模型和銑刨機(jī)功率曲線模型兩個(gè)方面。

1 銑刨機(jī)基本功率方程模型

如圖1所示，銑刨機(jī)銑削與其他切削加工一樣，當(dāng)銑刨鼓齒數(shù)為Z時(shí)，其單位體積的路面材料所消耗的切削功應(yīng)為[3]：

根據(jù)對(duì)銑刨機(jī)輸出功率影響因素的理論分析，通過(guò)公式推導(dǎo)以及整合，為了區(qū)分各種變量，假設(shè)fZ為銑刨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)銑削路面每齒的進(jìn)給量，vT為銑刨鼓刀尖的銑削速度，Pm為消耗功率。

將以上公式（1）、（2）（3）中并且整理公式得到：

公式中的含義為：

銑刨機(jī)額定條件下的功率為Pm；銑刨機(jī)的額定功率為P1；銑刨鼓上刀頭的個(gè)數(shù)為Z；銑削厚度為ae；銑刨鼓的半徑為R；銑刨鼓的角速度為ωˉ；單刀頭的銑削寬度為ap；銑刀前刀面摩擦角為β；銑刨刀具實(shí)際切削前角為γ0；被銑刨材料的劈裂破壞強(qiáng)度為τs；π為常數(shù)；銑刨機(jī)行駛速度為v.

銑刨機(jī)輸出功率的主要影響因素有銑削厚度、銑刨機(jī)速度及銑刨鼓的半徑。

為了得到功率曲線，在銑刨鼓上安裝速度傳感器和單刀銑削三向力傳感器，利用DEWESoft數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)得六組速度與力的關(guān)系數(shù)據(jù)，再利用（5）公式的變換成六組離散速度與功率的數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖2黑色圓點(diǎn)，根據(jù)這些黑點(diǎn)再利用作圖工具繪制銑刨機(jī)的輸出功率曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 輸出功率曲線圖

圖3 輸出功率曲線與線性模型擬合的假定的功率曲

由圖2，銑刨機(jī)的輸出功率曲線可用分段函數(shù)表示為：

其中，V0表示銑刨機(jī)輸出功率的初始速度，V1為銑刨機(jī)輸出額定功率的額定速度。

2 銑刨機(jī)的功率曲線模型

由于銑刨機(jī)實(shí)際功率曲線模型計(jì)算比較復(fù)雜，要想達(dá)到高效率的應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和減少發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失以及獲得高質(zhì)量的路面，操作銑刨機(jī)需要高經(jīng)驗(yàn)的工作人員，增加了成本，而利用假定的功率曲線模型可以不需要上面的條件就可以達(dá)到目的，所以在一定條件下，假定的功率曲線模型可以代替銑刨機(jī)實(shí)際功率曲線模型。

利用數(shù)值分析原理中離散點(diǎn)可以通過(guò)曲線擬合的方法可以近似表示，故銑刨機(jī)假定的功率曲線模型可以利用功率曲線來(lái)表示，主要是指假定的功率曲線模型。

2.1 假定的功率曲線模型

假定的功率曲線模型主要包括線性模型、二次方模型、三次模型等等。

2.1.1 線性模型

銑刨機(jī)的輸出功率采用線性模型，其中輸出功率模型為：

利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行確定線性方程的系數(shù)。

通過(guò)確定常數(shù)a，b，把常數(shù)a，b代入線性模型，得到線性模型公式。利用繪圖軟件，在圖1的基礎(chǔ)之上繪制線性曲線（虛線表示），如圖3所示。通過(guò)圖3實(shí)線與虛線相比較，即銑刨機(jī)的輸出功率曲線與線性模型擬合的假定的功率曲線模型進(jìn)行比較。從圖中可以看出銑刨機(jī)的輸出功率曲線與線性模型擬合的假定的功率曲線模型有一定的偏差，但是在一定的條件下可以近似代替。但是無(wú)法準(zhǔn)確地表達(dá)出真實(shí)銑刨機(jī)功率情況，由于銑刨機(jī)實(shí)際功率曲線模型計(jì)算比較復(fù)雜，在一定條件下，假定的功率曲線模型可以代替銑刨機(jī)實(shí)際功率曲線模型。

2.2.2 二次方模型

如銑刨機(jī)的輸出功率采用二次方模型，其輸出功率模型主要有兩種，第一種模型為：

利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行確定一元二次方程的系數(shù)。式中，

第二種模型為：

2.2.3 誤差估計(jì)

通過(guò)銑刨機(jī)試驗(yàn)臺(tái)速度傳感器在V0＜V＜V1區(qū)間內(nèi)任測(cè)多點(diǎn)，假定的功率通過(guò)公式（8）計(jì)算。

v0=4時(shí)，實(shí)際功率pm0=50 kW，假定的功率pm00=45 kW

v1=5.3時(shí)，實(shí)際功率pm1＝64.6 kW，假定的功率pm11=68 kW

v2=5.6時(shí)，實(shí)際功率pm2＝67.6 kW，假定的功率pm22=73 kW

v3=68時(shí)，實(shí)際功率pm3=70.6 kW，假定的功pm33=81 kW

v4=9.65時(shí)，實(shí)際功率pm4=80 kW，假定的功率pm44=88 kW

兩次測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差為：

通 過(guò) 計(jì) 算 得 到 δ0=0.1，δ1=0.05，δ2=0.08，δ3=0.14，δ4=0.1均小于0.2（標(biāo)準(zhǔn)值）可以認(rèn)為誤差合理。

由于誤差較小所以在一定的條件下可以認(rèn)為銑刨機(jī)假定的功率曲線模型是一種簡(jiǎn)化模型，具有一定的代表性，但是無(wú)法準(zhǔn)確的表達(dá)出真實(shí)銑刨機(jī)功率情況。由于銑刨機(jī)實(shí)際功率曲線模型計(jì)算比較復(fù)雜，在一定條件下，假定的功率曲線模型可以代替銑刨機(jī)實(shí)際功率曲線模型。

[1]陸青平.銑刨機(jī)自功率控制系統(tǒng)的研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2002.

[2]馬鵬宇，胡永彪.輪式銑刨機(jī)自功率及數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)研究[J].筑路機(jī)械與施工械化，2004，21（11）：26-28.

[3]趙 敏.瀝青路面銑刨機(jī)作業(yè)阻力及牽引性能的研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2003.