車載式拋丸機動力及驅動系統設計研究

黃炳譽

（上海拋丸機械設備制造有限公司，上海201611）

0 引言

作為一種表面處理方法，拋丸工藝應用在高速公路、橋梁等工程上，可以清除混凝土浮漿、橋梁鋼板表面的氧化皮，提高表面質量，從而提高了后續涂裝材料同基層的黏結力，對工程質量的提高做出了很大的貢獻。

目前，市場上的水平式移動拋丸設備主要是手扶式，這種手扶式拋丸機受制于連接在拋丸機上的電纜和吸塵管，需要多人參與工作、勞動強度大、效率低。另一種是自行式，但自行式有一個較為明顯的劣勢，是其沒有高速行走能力，因此其轉場（從一個工地轉移到另一個工地）需要借助大型的平板拖掛車。

因此，把拋丸系統建造在大型卡車平臺上，即車載式拋丸機會有一個較大的市場需求。然而，路面拋丸設備采用車載形式的幾乎是空白，文獻上介紹的車載式拋丸機也僅僅是利用卡車帶動或牽引手推形式的拋丸頭進行拋丸[1-2]。這種形式的拋丸速度是由卡車或者牽引車的車速來控制，操作難度大且不穩定，很難保證公路、橋梁、機場等高等級路面的拋丸質量。

近年來，筆者所在項目團隊根據市場的要求，基于法國波克蘭CDM馬達的驅動系統研制了一臺中型的車載式拋丸機。

1 總體系統設計

本系統的設計原理如圖1所示，CDM緩行驅動馬達安裝連接在卡車上經過改裝的前驅動軸上。在正常的行駛模式下，緩行馬達的離合是在脫開狀態，那么緩行馬達可視為一根“傳動軸”，卡車的變速箱輸出的動力經過傳動軸系傳遞到后驅動橋。當要切換到緩行模式時，緩行馬達的離合進入接合狀態（此時，卡車的排擋置于空擋），緩行馬達由液壓站提供的壓力來驅動，從而驅動整個傳動軸系轉動，進而傳遞到卡車的后驅動橋。液壓站的副泵驅動拋丸機頭的側移架實現拋丸機頭的舉升和左右滑移動作；發電機組給拋丸機和除塵器的電動機提供動力進行拋丸作業。

圖1 總體系統原理圖

卡車選型主要考慮幾個方面因素，包括卡車發動機功率、總載重量、前軸和后軸的載重量、車廂的規格大小。本方案采用雙發動機驅動，即卡車發動機負責給低速作業時緩行提供動力，而拋丸機及其配套的除塵器的動力由另一臺發動機提供，因此，發動機的功率滿足行走功率及載重功率要求即可；車廂大小方面，需要考慮滿足放置另一臺發動機組、液壓系統除塵器，以及在轉場時拋丸機、吸塵管及鋼丸等附件的放置和固定。綜合計算考慮，選用東風天錦DFL1160BX7卡車底盤，其參數如表1所示。

該系統根據驅動系統、液壓站/拋丸機、除塵器等系統和工作部件的功率總和，選用80 kW（100 kV·A） 的發電機組作為拋丸作業時的主動力源。

表1 DFL1160BX7卡車底盤主要參數

2 驅動系統描述

行走驅動系統是整個系統的核心和關鍵，需要有兩個行走模式，一個是轉場時的“普通行駛模式”，另一個是拋丸作業時的“緩行模式”。在需要進行拋丸施工時，可以通過操控面板使拋丸車從“普通行駛模式”進入“緩行模式”，從而操作者可以按照實際施工條件通過調整調速搖桿得到可靠、精確、穩定的拋丸行走速度，實現良好的拋丸效果。

2.1 驅動馬達及其工作原理

緩行模式是通過緩行系統實現的。本系統選用法國波克蘭CDM（Creep Drive Motor System）緩行馬達（型號為170-050）作為核心，其主要參數如表2所示。CDM緩行驅動系統是一種液壓傳動控制系統，它被安裝在卡車原有的機械傳動上，用以實現穩定且非常緩慢的低速行駛速度[3]。CDM緩行馬達被安裝在卡車的前端傳動軸之間，如圖2和圖3所示。

表2 CDM 170-050緩行馬達性能參數[3]

圖2 CDM馬達安裝示意圖[3]

圖3 CDM馬達安裝實物圖

在“普通行駛模式”下，緩行馬達從傳動軸上脫離開來，卡車通過其原有的機械傳動裝置驅動卡車，按其擋位進行正常行駛。在“緩行模式”下，通過氣閥的動作，使緩行馬達與傳動軸結合，通過主電動機啟動從而激活變量泵，變量泵提供壓力和流量給緩行馬達，從而驅動緩行馬達低速轉動，而此時緩行馬達被激活與傳動軸嚙合，帶動傳動軸轉動。其動力來源于電動機驅動的液壓泵站，使泵和油馬達形成一個閉環的靜壓傳動系統。通過電氣參數的設置，卡車可以按照拋丸機的工作要求以非常低的速度穩定地緩慢行駛（0.5～30.0 m/min可調），從而保證拋丸機的正常工作，如圖4所示。

圖4 緩行馬達內部結構圖[3]

2.2 液壓泵站設計

本液壓站主要包括以下部件：

1）主泵及主泵電動機。主泵是一個變量泵，給緩行驅動馬達系統提供壓力油，驅動緩行馬達。主泵電動機用來驅動主泵，由發電機組供電。

2）副泵及副泵電動機。副泵向升降側移架上的油缸/馬達提供壓力油，實現拋丸機的起升、下降，左、右側移。副泵電動機用來驅動副泵。

3）電子液位計。以保證油箱油位處于最高和最低液面時發出信號，提醒油箱油量過多，造成溢出，影響系統工作；警告油量過低會損壞油泵等，造成停機事故。

4）油位油溫計。可以讓操作者直觀地觀察油溫和液位。

5）空氣過濾器。當油泵工作時，因油箱液面發生變化而吸入空氣時，防止吸入空氣中的塵埃、雜質等，從而避免污染油液引發堵塞液壓元件等事故。

6）風冷型冷卻器。受系統工作及環境溫度影響，液壓油會發熱，該系統專門配置了該冷卻器。只要系統工作，該風扇冷卻器同時開啟，使得系統回油管的熱油經過盤旋管風冷后回到油箱，以保證油箱溫度在正常范圍（≤80℃）之內。

7）溫度開關。為了保證系統液壓油的溫度在要求范圍內工作，該系統在油箱上配置了一個溫度開關。溫度開關發訊值設定在60 ℃，當油溫達到該設定值時，會自動報警以警示關機。

8）沖洗系統。由于本液壓系統是閉環系統，需要增加一個沖洗閥，其作用是交換熱油，即定時將油箱中的冷油沖入閉環系統，同時系統中的熱油回到主油箱進行過濾冷卻，以保證驅動系統的正常運行。當系統管路等泄漏時，會產生吸空現象，使系統無法正常工作，本系統配有與主泵并聯的補油泵，向系統內補油，以保證閉環回路最低穩定壓力。

3 拋丸工作部件布局設計

各個部件的總體布局如圖5所示，拋丸機頭通過舉升側移架與卡車連接，放置于卡車的前面。拋丸機的兩個電動機由發電機組供電，舉升側移架的油缸和馬達由液壓站的副泵驅動。車廂分隔為兩個隔艙，液壓站和發電機組放置于同一隔艙。液壓站置于卡車車廂的前部、液壓馬達的上方，便于液壓管路的安裝布置，發電機組置于液壓站的旁邊，中間留有一定的空位便于檢修。配套拋丸機的除塵器置于另一個隔艙的前面，位于整個車廂的中部，車廂后部用于在轉場時放置拋丸機頭和舉升側移架及其他輔件工具等。

4結論

圖5總體布局圖

本文對該車載式拋丸機動力和驅動系統進行了設計研究，詳細闡述了驅動系統的工作原理及液壓站的設計。基于本設計研制的車載式拋丸機，具有效率高、轉場方便等特點，尤其適用于大面積瀝青、混凝土路面的宏觀微觀紋理重構、摩擦力提高等應用。同時，也存在一些缺點：由于是雙發動機工作，噪聲較大；由于CDM馬達內部有泄漏，所以在通過一定高度的小臺階時，行走會有短暫的停頓，這就對路面的平整度要求較高。

總的來說，本系統實現了把拋丸機集成到卡車底盤上的構想，是一個很大的進步。針對它存在的不足，筆者所在的項目組也在進行不斷的優化設計或重新設計一個全新的系統進行升級換代，比如采用OMSI公司HT系列機械液壓復合傳動箱設計一個全新的動力驅動系統，提高緩行穩定性，期待這一項目能順利開展實施，促使我國的路面拋丸機技術更加先進，為國家的基建提供更先進、效率更高、系統更穩定的設備。