路面銑刨車的總體設(shè)計(jì)及其動力參數(shù)匹配

摘要：路面銑刨車是在二類底盤上裝備專用裝置，在高速公路局部損毀的瀝青路面處銑削出邊緣垂直、形狀規(guī)則的圓形坑槽，經(jīng)管道將施工過程中形成的灰塵、碎料等輸送到沉降箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)路面銑刨、回收、運(yùn)輸?shù)榷喾N功能的專用作業(yè)汽車。整車的總體設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性，發(fā)動機(jī)的動力參數(shù)直接影響整車的作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：路面銑刨車；總體設(shè)計(jì)；創(chuàng)新性；動力參數(shù)

中圖分類號：U462 收稿日期：2023-07-03

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.004

1 前言

高速公路路面常見病害主要有裂縫、坑槽、癰包、車轍等，會降低路面的正常使用壽命和平整度，影響汽車行駛的平順性、舒適性和安全性，需要及時(shí)修補(bǔ)。研究表明，圓形坑槽具有形狀規(guī)則、周邊黏結(jié)牢固、容易壓實(shí)均勻、路面應(yīng)力均勻和平整度高等諸多優(yōu)勢[1]。傳統(tǒng)銑刨機(jī)機(jī)動性較差，高速公路上作業(yè)時(shí)危險(xiǎn)性高。施工時(shí)產(chǎn)生的碎料通過皮帶輸送到敞開的貨箱內(nèi)，會造成漏裝和揚(yáng)塵污染。因此，需要研發(fā)一種既能銑出圓形坑槽，又能封閉回收碎料、粉塵，同時(shí)快速轉(zhuǎn)場作業(yè)的新型養(yǎng)護(hù)設(shè)備。

2 整車的總體設(shè)計(jì)思路

路面銑刨車是對傳統(tǒng)銑刨機(jī)的作業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的路面養(yǎng)護(hù)機(jī)械。為了減少樣車的設(shè)計(jì)和試制時(shí)間，降低零部件采購成本，應(yīng)按照繼承性原則，盡可能選擇市場上已有的零部件。整車的總體設(shè)計(jì)方法和思路參考擁有相似功能和結(jié)構(gòu)的專用汽車，尤其是銑刨機(jī)和帶有風(fēng)機(jī)的路面行走機(jī)械的成熟設(shè)計(jì)技術(shù)，在原有的結(jié)構(gòu)布置上進(jìn)行適當(dāng)?shù)母膭?，進(jìn)一步縮短布置設(shè)計(jì)的周期。人機(jī)工程、結(jié)構(gòu)布局、制動性能、操縱穩(wěn)定性等要符合國家汽車強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)[2]。

3 路面銑刨車的工作原理和基本結(jié)構(gòu)

3.1 路面銑刨車的工作原理

路面銑刨車抵達(dá)損毀路面后刀盤精準(zhǔn)定位到其正上方，為保證作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性和鉆孔的垂直度，駕駛室后方的支腿伸出。底盤的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)提供運(yùn)行動力，通過液壓系統(tǒng)將發(fā)動機(jī)輸出的動力傳遞到刀盤，刀頭螺旋排列在刀盤上，通過液壓馬達(dá)、減速箱帶動刀盤旋轉(zhuǎn)，同時(shí)啟動驅(qū)動油缸并推動刀盤前進(jìn)，破損路面受到刀頭的撞擊和擠壓，實(shí)現(xiàn)對開裂路面的的連續(xù)切削破碎，形成圓形坑槽。此時(shí)，刀盤下方的碎料、粉塵在刀盤螺旋轉(zhuǎn)動作用下向銑刨芯軸的中心位置集聚，通過回收系統(tǒng)吸送到沉降箱內(nèi)，整車的施工工藝流程見圖1。

3.2 路面銑刨車的組成

路面銑刨車由銑刨系統(tǒng)、回收系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、汽車底盤、副車架、噴水系統(tǒng)、支腿等組成，如圖2所示。銑刨系統(tǒng)和回收系統(tǒng)是整車的專用作業(yè)裝置，銑刨系統(tǒng)在破損路面銑出邊緣規(guī)則、深度合適的圓形坑槽，施工作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的粉塵、碎料由回收系統(tǒng)收集。液壓系統(tǒng)提供液壓動力完成銑刨作業(yè)。汽車底盤的發(fā)動機(jī)則是液壓系統(tǒng)的動力來源。噴水系統(tǒng)給刀盤及刀頭降溫冷卻，壓制施工作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的灰塵，清洗整車?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)整車各個(gè)動作的控制，具有故障自我診斷及報(bào)警功能，采用PLC模塊，作業(yè)控制高度集成，減輕操作人員由于繁瑣的操作信息所導(dǎo)致的精神壓力，富于人性化。

1.汽車底盤 2.支腿 3.噴水系統(tǒng) 4.液壓系統(tǒng) 5.回收系統(tǒng) 6.銑刨系統(tǒng)

4 路面銑刨車工作裝置的動力參數(shù)計(jì)算

路面銑刨車的動力來自底盤發(fā)動機(jī)，是汽車底盤選型的關(guān)鍵。銑削圓形坑槽時(shí)最大消耗功率來自刀盤的旋轉(zhuǎn)、離心風(fēng)機(jī)的高速轉(zhuǎn)動、其他輔助設(shè)備工作，此時(shí)整車處于靜止?fàn)顟B(tài)，無需考慮行駛功率需求。結(jié)合相關(guān)道路養(yǎng)護(hù)施工機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮生產(chǎn)成本，在充分保證高效施工的前提下，所選發(fā)動機(jī)的功率為140 kW，其中銑刨作業(yè)為80 kW，回收作業(yè)為50 kW，輔助設(shè)備為10 kW。

4.1 銑刨功率計(jì)算

路面銑刨車的銑刨裝置是圓形刀盤上布置刀頭，而市場上的銑刨機(jī)則是銑刨鼓，兩者在結(jié)構(gòu)和工作方式上有較大的差異，銑刨功率計(jì)算方法也不盡相同。通過查閱國內(nèi)外銑刨機(jī)設(shè)計(jì)資料，結(jié)合相關(guān)理論力學(xué)知識，獲得其銑刨功率的計(jì)算公式[3]。計(jì)算方法如下：

式中，[Px]為銑刨功率，kW；[Tx]為銑刨扭矩，N·m；[nx]為銑刨刀盤轉(zhuǎn)速，r/min。

其中銑刨扭矩可用下式近似求得：

式中，[Fx]為切削力，N；[Lx]為切削力臂，m。

為增大刀頭在破損路面的銑削力，刀頭采用阿基米德螺旋線方式對稱布局在刀盤下方，如圖3所示。其作用在路面上的切削力的合力為：

式中，[σsp]為瀝青混凝土極限劈裂強(qiáng)度，MPa；B為刀頭切削土質(zhì)的寬度，mm；h為切削土質(zhì)的深度，mm；Z為刀頭的數(shù)目。

在理論力學(xué)中有一種均布載荷的數(shù)學(xué)模型，由于刀頭均勻固定在圓形刀盤下表面，見圖3，各個(gè)刀頭施加在在破損路面的切削力均相等，刀盤半徑的一半即為每個(gè)刀頭切削力的合力力臂：

式中，[Rx]為刀盤的半徑，m。

1.刀盤 2.刀頭布置形式 3.銑刨芯軸

銑刨機(jī)施工時(shí)刀頭線速度過高會加速刀頭的磨損，增大轉(zhuǎn)子承受的切削沖擊阻力，為延長刀具更換時(shí)間，刀頭的刀尖線速度一般限定在4～5 m/s。為提高銑刨作業(yè)效率和保證施工質(zhì)量，刀盤轉(zhuǎn)速[nx]為刀頭的最大線速度，刀盤最外圍的刀頭的線速度設(shè)定在5 m/s以內(nèi)，而刀頭距刀盤中心的距離大致等于刀盤的半徑，得到如下公式：

式中，[vx]為刀頭最大線速度，取5 m/s。

計(jì)算得[nx=95.5 r/min]，根據(jù)實(shí)際情況對數(shù)據(jù)圓整銑刨轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)在95 r/min。綜合上述公式得：

其中，刀頭的數(shù)目[Z=56]，即有56個(gè)刀頭平均分布在刀盤上；按JTJ014-97《公路瀝青設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)內(nèi)容，瀝青混凝土極限劈裂強(qiáng)度[σsp]在按15 ℃時(shí)取值1.6 MPa；刀頭切削土質(zhì)的寬度[B]按刀頭中間位置的直徑計(jì)算，取15 mm；刀頭切削土質(zhì)的深度[?]按刀頭的高度計(jì)算，取20 mm；最大刀盤半徑[Rx]取0.5m；刀盤轉(zhuǎn)速[nx]取95 r/min。

將上述參數(shù)對應(yīng)的數(shù)值代入公式求得[Px=67 kW]。

底盤發(fā)動機(jī)為整車的動力源，其輸出功率在各個(gè)部件間傳遞時(shí)必定出現(xiàn)損耗，結(jié)合機(jī)械傳動設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，傳遞效率取0.8，銑刨裝置作業(yè)時(shí)的功率為：

4.2 風(fēng)機(jī)功率計(jì)算

回收系統(tǒng)采用空氣對流和負(fù)壓換氣的工作原理，為實(shí)現(xiàn)碎料、粉塵封閉式高效回收，離心風(fēng)機(jī)應(yīng)能高速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，空氣的壓力和風(fēng)量是回收系統(tǒng)的主要性能參數(shù)，風(fēng)機(jī)消耗的功率是回收系統(tǒng)的主要功率需求，計(jì)算風(fēng)機(jī)驅(qū)動功率要根據(jù)以上參數(shù)[4]。公式為：

式中，[Pf]為風(fēng)機(jī)的功率，kW；[Q]為風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3/h；[p]為風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，Pa；[η0]為風(fēng)機(jī)效率一般取0.75～0.85，大風(fēng)機(jī)取高值，小風(fēng)機(jī)取低值；[η1]為機(jī)械效率。

風(fēng)機(jī)的選型要考慮作業(yè)工況、性能、尺寸以及經(jīng)濟(jì)因素，目前環(huán)衛(wèi)車輛和工程機(jī)械上安裝的離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在1 800～3 500 r/min，風(fēng)壓通常為2 162～18 900 Pa，風(fēng)量一般為1 931～18 770 m3/h[5]。根據(jù)回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選用風(fēng)壓11 941 Pa、風(fēng)量9 000 m3/h、轉(zhuǎn)速2 900 r/min的離心風(fēng)機(jī)，采用皮帶傳動。依據(jù)式（8）得：

發(fā)動機(jī)的動力經(jīng)過分動箱傳遞給皮帶輪，通過皮帶輪帶動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動，其傳遞過程為機(jī)械傳動，具有傳遞效率高而損耗小的特點(diǎn)[6]。因此，傳遞效率按0.95計(jì)算，回收系統(tǒng)的最大功率為：

由以上理論計(jì)算分析可知，整車在滿負(fù)荷施工作業(yè)時(shí)，發(fā)動機(jī)需要提供的最大功率之和為：

上式中的[P其他]包括刀盤升降油缸和輔助設(shè)備所消耗的功率?？紤]到整車的實(shí)際需求，[P其他]初步定為10 kW。發(fā)動機(jī)為整車作業(yè)時(shí)輸出的總功率為：

為確保路面銑刨車施工作業(yè)和滿載運(yùn)輸時(shí)的動力需求，底盤發(fā)動機(jī)的最大凈功率一定要大于其本身驅(qū)動的各個(gè)專用裝置所需要的功率。路面銑刨車一般在野外施工，會遭遇惡劣的工作環(huán)境和難以預(yù)測的氣候，發(fā)動機(jī)還需有足夠的儲備功率。綜合考慮各種因素，發(fā)動機(jī)的功率為：

式中，[Kz=1.17～1.25]。

考慮到整車上裝部分的合理布局，結(jié)合傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，在滿足動力系統(tǒng)功率需求前提下，路面銑刨車底盤發(fā)動機(jī)采用東風(fēng)康明斯D6.7NS6B230柴油機(jī)，此機(jī)型具有輸出功率高、省油節(jié)能、可靠性高、維修成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其在底盤上的布局便于取力。表1列出了整機(jī)的技術(shù)參數(shù)。

5 結(jié)語

路面銑刨車克服了傳統(tǒng)銑刨機(jī)在修補(bǔ)小面積破損路面的諸多不足，其在總體設(shè)計(jì)和功能上有諸多創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)銑刨圓形坑槽、碎料及粉塵的封閉式自動回收和運(yùn)輸，大幅降低揚(yáng)塵污染。整車結(jié)構(gòu)布局緊湊，易于操作、作業(yè)效率高，具有快速轉(zhuǎn)移施工地點(diǎn)的突出優(yōu)勢，大幅提高坑槽修補(bǔ)質(zhì)量，是一種市場看好、需求強(qiáng)勁的新型道路養(yǎng)護(hù)車輛。

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作者簡介：

劉克，男，1988年生，工程師，研究方向?yàn)槠囃侠瓩C(jī)檢測和試驗(yàn)。