摘 要：路面銑刨機(jī)作為公路及城市道路養(yǎng)護(hù)的專用設(shè)備，根據(jù)目前的我國公路發(fā)展的統(tǒng)計情況來看，未來公路養(yǎng)護(hù)對路面銑刨機(jī)的需求將會逐年增加。文章詳盡地分析了路面冷銑刨機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，并對路面冷銑刨機(jī)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，為進(jìn)一步研究路面冷銑刨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：銑刨機(jī)；工作原理；總體設(shè)計；主要參數(shù)

引言

路面銑刨機(jī)是一種高效的瀝青路面維修養(yǎng)護(hù)設(shè)備，其原理是利用滾動銑刨的方法把混凝土路面局部或全部破碎，銑刨下來的瀝青碎料經(jīng)再生處理后，可直接用于路面表層的重新鋪筑。主要用于公路、城鎮(zhèn)道路、機(jī)場、貨場、停車廠等瀝青混凝土土地面層的開挖、翻修，可以高效地清除道路癰包、油浪、網(wǎng)紋、車轍等，還可用于水泥路面的拉毛及面層錯臺銑平；亦可開挖路面坑槽及溝槽，銑削公路的邊緣，恢復(fù)其排水能力；也可兼作簡單的路面整形作業(yè)和整體再生。

1 國內(nèi)外發(fā)展情況

1.1 國外發(fā)展情況

國外路面銑刨機(jī)起源于二十世紀(jì)五十年代初，經(jīng)過五十年的發(fā)展，積累了豐富的研制應(yīng)用經(jīng)驗。隨著現(xiàn)代機(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，形成了以德國維特根公司產(chǎn)品為代表的歐洲風(fēng)格和以美國卡特彼勒公司、RoadTech公司、CIM公司產(chǎn)品為代表的北美風(fēng)格。它們的工作原理相同，發(fā)動機(jī)的裝機(jī)容量基本相當(dāng)；區(qū)別在于歐洲的銑刨機(jī)采用四履帶行走方式，外形結(jié)構(gòu)緊湊、精巧，更多的采用電子控制技術(shù)，特別是目前的數(shù)字電子網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。而北美的銑刨機(jī)均采用三履帶行走方式，造型粗獷，更加堅固。其產(chǎn)品已形成系列化，生產(chǎn)效率一般為150m2/h-2000m2/h，銑刨寬度為0.3m～4.2m。最大銑刨深度可達(dá)350mm。

1.2 國內(nèi)發(fā)展情況

國內(nèi)瀝青路面銑刨機(jī)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)八十年代，1985年交通部將“瀝青路面舊料再生設(shè)備的研究”列為重點科研項目。隨后，湖北襄樊公路機(jī)械廠以鐵牛55型拖拉機(jī)為底盤，研制了一種簡易的1m銑刨機(jī)。1987年江蘇鎮(zhèn)江路面機(jī)械廠研制出了LX-1000型銑刨機(jī)。近幾年來，隨著我國公路建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，高等級路面，特別是高速公路的機(jī)械化養(yǎng)護(hù)已越來越引起公路使用管理部門重視，公路及城市道路的改建、翻修工程日益增加，瀝青路面銑刨機(jī)得到較快的發(fā)展。國內(nèi)的鎮(zhèn)江華晨華通公司、徐州工程機(jī)械集團(tuán)以及山東德工等廠家已先后開發(fā)出了采用液壓驅(qū)動、并帶有回收裝置的銑刨機(jī)。在動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)上均采用了國際化配套，達(dá)到國際先進(jìn)水平；整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計、制造工藝設(shè)計部分或全部達(dá)到了國際水平。

2 路面冷銑刨機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 工作原理

整機(jī)動力由發(fā)動機(jī)分兩支路提供給銑刨機(jī)轉(zhuǎn)子和液壓系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)的飛輪引出的動力輸出經(jīng)離合器通過皮帶傳動到銑削轉(zhuǎn)子之輪邊減速器，驅(qū)動銑刨轉(zhuǎn)子作業(yè)。另外，通過四個液壓泵傳遞動力至行走系統(tǒng)、輸料帶運行系統(tǒng)、各油缸動作系統(tǒng)、灑水和冷卻等四個相對獨立的回路，整機(jī)的實現(xiàn)作業(yè)。

2.2 主要結(jié)構(gòu)

整機(jī)機(jī)構(gòu)圖如圖1所示：

1-細(xì)胞深度控制器；2-發(fā)動機(jī)；3-傳感器；4-面板；5-水箱；6-二級輸送帶；7-一級輸送帶；8-銑刨滾筒；9-壓板；10-行走履帶；11-液壓支柱

圖1 露面冷銑刨機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

3 總體設(shè)計及主要參數(shù)的設(shè)計計算

3.1 總體設(shè)計

路面冷銑刨機(jī)的總體設(shè)計主要是根據(jù)使用情況確定主參數(shù)——生產(chǎn)率，即單位時間內(nèi)銑刨路面物料的體積。根據(jù)主參數(shù)即確定工作寬度、外形幾何尺寸等基本參數(shù)。在具體設(shè)計要注意貫徹系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的原則，對已有的同類產(chǎn)品作充分的調(diào)查研究，設(shè)計中盡可能采用新技術(shù)、新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)。同時還應(yīng)兼顧其經(jīng)濟(jì)性、耐久性、安全性及維修的方法性和操作的舒適性。

銑刨機(jī)在設(shè)計時可采用類比法或經(jīng)驗法來確定有關(guān)參數(shù)。

3.2 主要參數(shù)的計算

3.2.1 進(jìn)距的確定

圖2 進(jìn)距計算原理

進(jìn)距S的確定刀具的水平進(jìn)距S為轉(zhuǎn)子同一切削位置上相繼切削的刀具軌跡1和2之間的水平距離（如圖2），亦即轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)過同一橫段面上相鄰刀具之間夾角這一角度的時間Δt內(nèi)轉(zhuǎn)子軸線前進(jìn)的水平距離。當(dāng)轉(zhuǎn)子上每排Z把刀時進(jìn)距為：

S=v×△t=v×2×？仔/（Z？棕）=2×？仔R/（Z？姿）（1）

式中：S-進(jìn)距，m；v-行走速度，m/s；？棕-轉(zhuǎn)子角速度，s-1；？姿-運動學(xué)參數(shù)，？姿=v/v0；v0-轉(zhuǎn)子圓周速度，m/s；R-轉(zhuǎn)子半徑，m。

根據(jù)轉(zhuǎn)子設(shè)計要求，Z=16把，故而：

S=2×？仔×1.06/（16×1.0/0.2）=0.043m

因為在穩(wěn)定運動時？姿為常數(shù)，所以不論將刀具軌跡的哪一點作為起點，其進(jìn)距均為一S。刀具的進(jìn)距是銑刨機(jī)主要的工藝參數(shù)之一。要考慮一種極限狀態(tài)，即相鄰軌跡不相交而是相切為分離的狀態(tài)，此時：

S=（2R/？姿）arcsin（1/？姿）±2R■-？仔R/？姿 （2）

Smax=0.081m

設(shè)計時，進(jìn)距S一般取35mm～50mm，但應(yīng)小于式（2）計算的極限值。進(jìn)距S除對銑刨質(zhì)量產(chǎn)生影響外，還對功率消耗及生產(chǎn)率也產(chǎn)生影響，因而需要綜合考慮才能選定。當(dāng)發(fā)動機(jī)的功率富裕時，可以考慮增大進(jìn)距S值，以提高生產(chǎn)率。

3.2.2 銑刨寬度B和銑刨深度H的確定

銑刨寬度應(yīng)以降低整機(jī)質(zhì)量，提高整機(jī)機(jī)動性為前提，結(jié)合考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸要求為選擇原則。銑刨寬度要求超過后輪胎/履帶壓痕外沿寬度。本機(jī)設(shè)計要求為B=2000mm。

銑刨深度H根據(jù)機(jī)型大小和工程要求不盡相同，本機(jī)設(shè)計為H=0～300mm。銑刨寬度B，銑刨深度H二者的乘積為轉(zhuǎn)子的工作斷面，由發(fā)動機(jī)的功率確定。不要希望通過增加銑刨寬度和銑刨深度來提高作業(yè)生產(chǎn)率，實際上對確定的發(fā)動機(jī)的功率，在一定的作業(yè)參數(shù)條件下僅與唯一的工作斷面相適應(yīng)。endprint

3.2.3 工作速度和行駛速度

行駛速度可根據(jù)需要及行走機(jī)構(gòu)的形式確定，一般為0～10km/h，大中型銑刨機(jī)一般不超過4.5km/h。

本機(jī)的設(shè)計為銑刨速度？淄0=0～12m/min，行使速度？淄=0～4.5Km/h。

本機(jī)設(shè)計時，采用經(jīng)驗法，估值為銑刨速度？淄0=12m/min=0.2m/s，行使速度為？淄=1.0m/s。

3.2.4 圓周速度的確定

其選擇受到進(jìn)距S值的約束，應(yīng)以S值極限值計算式作為選擇依據(jù)，一般選用較高的圓周速度，以保證有間較高的生產(chǎn)率。一般??？淄=5-7m/s。

本機(jī)設(shè)計轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速取為n=120rad/min。

則本機(jī)的圓周速度v=？仔nD=？仔×120/60×1.06m/s=6.66m/s

3.2.5 銑刨機(jī)整機(jī)功率

整機(jī)功率由銑削功率Px，工作牽引功率Pg和輔助裝置功率Pf組成，一般經(jīng)驗Px占整機(jī)功率的80%-85%，Pg占整機(jī)功率的10%-15%，Pf占整機(jī)功率的5%左右，若有集料裝置，Pf占整機(jī)功率的10%左右，則整機(jī)功率Pz為：

Pz=Px+Pg+Pf （3）

整機(jī)功率Pz主要取決于銑刨機(jī)的銑削寬度B和銑削深度H的大小，亦即銑削的橫截面積A：

A=B×H（4）

根據(jù)經(jīng)驗，整機(jī)功率：

Pz=f*A （5）

式中：f-經(jīng)驗數(shù)量，一般取900-1200。

由于銑刨機(jī)水平H方向的受力直接影響著整機(jī)牽引力，鑒于銑刨機(jī)的復(fù)合運動（由轉(zhuǎn)鼓繞其軸線旋轉(zhuǎn)的相對運動和軸線自身隨機(jī)具平移的牽連運動所組成），故將其運動過程分解為以角速度ω的純滾動和隨整機(jī)作以行使速度V的純直線運動，以便于對水平工作阻力FH的討論。

（1）以角速度為ω作純轉(zhuǎn)動時的FH

銑刨機(jī)純轉(zhuǎn)動時刀具受力分析如圖3所示。

圖3 銑刨機(jī)純轉(zhuǎn)動時刀具受力分析

當(dāng)銑刨機(jī)工作時，其銑刨鼓主要受力為切向的主切削力FT。

FH1=F？子·cos？茲 （6）

當(dāng)銑刀在注意低點時，F(xiàn)T最大，此時θ=0，即FH1由FT構(gòu)成。

FH1=F？子·cos？茲=k1Ba？子v/u （7）

式中：ae-銑刨厚度，mm；k1=1.2×107；u-轉(zhuǎn)鼓圓周速度，m/s。

（2）以作業(yè)速度v作純直線運動時的FH2

銑刨機(jī)做純直線運動時的刀具受力分析如圖4所示。

圖4 銑刨機(jī)做純直線運動時的刀具受力分析

在單獨討論FH2時，其模型類似于農(nóng)業(yè)機(jī)械中的犁體切削，此時忽略圓周切削速度的影響。進(jìn)行犁的受力分析時，犁體克服的土壤是一空間力系，其主矢量的水平H方向分力FH在已知耕地時的土壤比阻的條件下按下述公式求出：

FH2=？濁K2ab （8）

式中：？濁-犁的效率，一般為0.6～0.8，銑刨機(jī)效率？濁'取0.7。Kr-單位切削斷面積所產(chǎn)生的阻力（Kpa），在低速勻速時為常數(shù)。Kr不僅與銑削材料性質(zhì)及狀態(tài)有關(guān)，且還取決于切屑尺寸和切速。

一般的土壤的比阻Kr約為120～160Kpa，而路面材料與土壤均為彈-塑性體，且兩者功率表達(dá)式具有近似的結(jié)構(gòu)，都與切寬、切厚以及切速有關(guān)。銑刨機(jī)N0一般為1.2×107×ae？淄（W），因此，在銑削瀝青混凝土?xí)r，其水平切削比阻Kh約為（1.2×107×ae？淄）×140/9Pa。則：

FH2=K2Ba？子2？淄 （9）

式中：FH2-純直線運動時的水平切削力；K2=1.4×108；

由以上討論可得銑刨機(jī)的水平工作阻力計算公式：

FH=FH1+FH2=K1Baev/u+K2Bae2？淄 （10）

則計算得：

FH=1.2×107×（2×0.2×0.2）/6.66+1.4×108×2×0.22×0.2

=368.144KN；

則：銑削功率Px=FH×？淄=368.144×1.0Kw=368.144Kw；

一般經(jīng)驗Px占整機(jī)功率的80%-85%，

則整機(jī)功率Pz為：Pz=368.144/85% KW=432.9Kw。

這個只是在Px占整機(jī)功率的85%的時候之值，故而Pz可以更大點。

本機(jī)設(shè)計時，取發(fā)動機(jī)的輸出功率為Pz=448Kw。同時，設(shè)計時，銑削深度估值為H=200mm，則銑刨機(jī)工作時的橫截面積：

A=B×H=0.2×2.0m2=0.4m2

則Pz=f×A=（900～1200）×0.4Kw=360～480Kw，所以Pz=448Kw滿足經(jīng)驗公式。

3.2.6 整機(jī)質(zhì)量及前后軸荷重分配

銑削轉(zhuǎn)子為一種旋轉(zhuǎn)主動型工作部件，它的工作由發(fā)動機(jī)通過傳動裝置直接驅(qū)動，需要有一定的附著質(zhì)量以增大牽引能力，銑刨機(jī)工作時要克服轉(zhuǎn)子切削的水平分子和輪胎或者履帶的滾動阻力，但由于其牽引力與同樣功率的牽引型機(jī)械相比，僅為其20%左右，因此，銑刨機(jī)的整機(jī)質(zhì)量僅為一種結(jié)構(gòu)質(zhì)量，滿足整機(jī)穩(wěn)定性要求后越小越好。

銑刨機(jī)整機(jī)質(zhì)量mz（Kg）與整機(jī)功率Pz（Kw）有一定的比例關(guān)系，即：

mz=K·Pz（11）

K為經(jīng)驗系數(shù)，一般中小型機(jī)取110-130，大型機(jī)取75-90。本機(jī)設(shè)計時選取K=80。

前后軸荷重分配：

（1）不帶集料輸送裝置的銑刨機(jī)，前軸荷重占整機(jī)質(zhì)量的53%～55%，后軸荷重占45%～47%。

（2）帶集料輸送裝置的銑刨機(jī)，前軸荷重占整機(jī)質(zhì)量的44%～45%，后軸荷重占55%～56%。endprint

則整機(jī)的質(zhì)量mz=K·Pz=80×448Kg=35840Kg；

由于本機(jī)設(shè)計時帶有集料輸送裝置，故而：

前軸質(zhì)量m前=mz×45%=35840×45%=16128.0Kg；

后軸質(zhì)量m后=mz×55%=35840×55%=19712.0Kg；

3.2.7 轉(zhuǎn)子直徑及轉(zhuǎn)向方式的確定

銑削圓直徑是指銑刀尖旋轉(zhuǎn)軌跡圓直徑，直徑D大小與整機(jī)功率、切削深度及切削圓周速度有關(guān)，一般情況銑削圓直徑越大，銑削深度也越大，一般中小型單位400mm～800mm之間，大型機(jī)為800mm～1100mm之間。本機(jī)的設(shè)計選取直徑D=1060mm。

對于銑刨轉(zhuǎn)向，目前銑刨機(jī)廠家大都選擇逆銑方式。逆銑方式銑削轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，與廢料下落方向相反；對廢料來說，運程短，重復(fù)破碎可能性小，節(jié)省功率。同時，從動力學(xué)方面來分析，順銑使得銑刨機(jī)工作時受到較大較頻繁的沖擊影響到銑刨的質(zhì)量和速度，故而本機(jī)設(shè)計采用的是逆銑。

4 結(jié)束語

2m路面銑刨機(jī)的總體設(shè)計，它包括了機(jī)械、電子、液壓、信息控制等各個方面，是目前機(jī)械發(fā)展趨勢的一個縮影表現(xiàn)。它對設(shè)計的經(jīng)驗的依賴性比較大，實踐性也較強(qiáng)。在整個設(shè)計過程中，整機(jī)功率的確定和發(fā)動機(jī)的選型是本次設(shè)計的難點。本次設(shè)計為進(jìn)一步研究路面冷銑刨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

參考文獻(xiàn)

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[11]馬學(xué)良，孫祖望.穩(wěn)定土拌和機(jī)轉(zhuǎn)鼓反轉(zhuǎn)工作過程的動力學(xué)理論模型[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2000，2.

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作者簡介：葉智彪（1982，9-），男，漢族，九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車專業(yè)教研室主任，講師，畢業(yè)于長安大學(xué)，機(jī)械設(shè)計及理論專業(yè)，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計、汽車檢測與維修技術(shù)。endprint

則整機(jī)的質(zhì)量mz=K·Pz=80×448Kg=35840Kg；

由于本機(jī)設(shè)計時帶有集料輸送裝置，故而：

前軸質(zhì)量m前=mz×45%=35840×45%=16128.0Kg；

后軸質(zhì)量m后=mz×55%=35840×55%=19712.0Kg；

3.2.7 轉(zhuǎn)子直徑及轉(zhuǎn)向方式的確定

銑削圓直徑是指銑刀尖旋轉(zhuǎn)軌跡圓直徑，直徑D大小與整機(jī)功率、切削深度及切削圓周速度有關(guān)，一般情況銑削圓直徑越大，銑削深度也越大，一般中小型單位400mm～800mm之間，大型機(jī)為800mm～1100mm之間。本機(jī)的設(shè)計選取直徑D=1060mm。

對于銑刨轉(zhuǎn)向，目前銑刨機(jī)廠家大都選擇逆銑方式。逆銑方式銑削轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，與廢料下落方向相反；對廢料來說，運程短，重復(fù)破碎可能性小，節(jié)省功率。同時，從動力學(xué)方面來分析，順銑使得銑刨機(jī)工作時受到較大較頻繁的沖擊影響到銑刨的質(zhì)量和速度，故而本機(jī)設(shè)計采用的是逆銑。

4 結(jié)束語

2m路面銑刨機(jī)的總體設(shè)計，它包括了機(jī)械、電子、液壓、信息控制等各個方面，是目前機(jī)械發(fā)展趨勢的一個縮影表現(xiàn)。它對設(shè)計的經(jīng)驗的依賴性比較大，實踐性也較強(qiáng)。在整個設(shè)計過程中，整機(jī)功率的確定和發(fā)動機(jī)的選型是本次設(shè)計的難點。本次設(shè)計為進(jìn)一步研究路面冷銑刨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：葉智彪（1982，9-），男，漢族，九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車專業(yè)教研室主任，講師，畢業(yè)于長安大學(xué)，機(jī)械設(shè)計及理論專業(yè)，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計、汽車檢測與維修技術(shù)。endprint

則整機(jī)的質(zhì)量mz=K·Pz=80×448Kg=35840Kg；

由于本機(jī)設(shè)計時帶有集料輸送裝置，故而：

前軸質(zhì)量m前=mz×45%=35840×45%=16128.0Kg；

后軸質(zhì)量m后=mz×55%=35840×55%=19712.0Kg；

3.2.7 轉(zhuǎn)子直徑及轉(zhuǎn)向方式的確定

銑削圓直徑是指銑刀尖旋轉(zhuǎn)軌跡圓直徑，直徑D大小與整機(jī)功率、切削深度及切削圓周速度有關(guān)，一般情況銑削圓直徑越大，銑削深度也越大，一般中小型單位400mm～800mm之間，大型機(jī)為800mm～1100mm之間。本機(jī)的設(shè)計選取直徑D=1060mm。

對于銑刨轉(zhuǎn)向，目前銑刨機(jī)廠家大都選擇逆銑方式。逆銑方式銑削轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，與廢料下落方向相反；對廢料來說，運程短，重復(fù)破碎可能性小，節(jié)省功率。同時，從動力學(xué)方面來分析，順銑使得銑刨機(jī)工作時受到較大較頻繁的沖擊影響到銑刨的質(zhì)量和速度，故而本機(jī)設(shè)計采用的是逆銑。

4 結(jié)束語

2m路面銑刨機(jī)的總體設(shè)計，它包括了機(jī)械、電子、液壓、信息控制等各個方面，是目前機(jī)械發(fā)展趨勢的一個縮影表現(xiàn)。它對設(shè)計的經(jīng)驗的依賴性比較大，實踐性也較強(qiáng)。在整個設(shè)計過程中，整機(jī)功率的確定和發(fā)動機(jī)的選型是本次設(shè)計的難點。本次設(shè)計為進(jìn)一步研究路面冷銑刨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

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[12]陸青平，胡永彪.銑刨機(jī)整機(jī)功率自適應(yīng)匹配的研究[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2002，6.

作者簡介：葉智彪（1982，9-），男，漢族，九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車專業(yè)教研室主任，講師，畢業(yè)于長安大學(xué)，機(jī)械設(shè)計及理論專業(yè)，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計、汽車檢測與維修技術(shù)。endprint