路面銑刨車的總體設計及其動力參數(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，經管道將施工過程中形成的灰塵、碎料等輸送到沉降箱內，實現(xiàn)路面銑刨、回收、運輸?shù)榷喾N功能的專用作業(yè)汽車。整車的總體設計具有創(chuàng)新性，發(fā)動機的動力參數(shù)直接影響整車的作業(yè)效率。

關鍵詞：路面銑刨車；總體設計；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，需要及時修補。研究表明，圓形坑槽具有形狀規(guī)則、周邊黏結牢固、容易壓實均勻、路面應力均勻和平整度高等諸多優(yōu)勢[1]。傳統(tǒng)銑刨機機動性較差，高速公路上作業(yè)時危險性高。施工時產生的碎料通過皮帶輸送到敞開的貨箱內，會造成漏裝和揚塵污染。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，同時快速轉場作業(yè)的新型養(yǎng)護設備。

2 整車的總體設計思路

路面銑刨車是對傳統(tǒng)銑刨機的作業(yè)機構進行創(chuàng)新性設計的路面養(yǎng)護機械。為了減少樣車的設計和試制時間，降低零部件采購成本，應按照繼承性原則，盡可能選擇市場上已有的零部件。整車的總體設計方法和思路參考擁有相似功能和結構的專用汽車，尤其是銑刨機和帶有風機的路面行走機械的成熟設計技術，在原有的結構布置上進行適當?shù)母膭?，進一步縮短布置設計的周期。人機工程、結構布局、制動性能、操縱穩(wěn)定性等要符合國家汽車強制性標準[2]。

3 路面銑刨車的工作原理和基本結構

3.1 路面銑刨車的工作原理

路面銑刨車抵達損毀路面后刀盤精準定位到其正上方，為保證作業(yè)時的穩(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)動機系統(tǒng)提供運行動力，通過液壓系統(tǒng)將發(fā)動機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、減速箱帶動刀盤旋轉，同時啟動驅動油缸并推動刀盤前進，破損路面受到刀頭的撞擊和擠壓，實現(xiàn)對開裂路面的的連續(xù)切削破碎，形成圓形坑槽。此時，刀盤下方的碎料、粉塵在刀盤螺旋轉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，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)時產生的粉塵、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)時產生的灰塵，清洗整車?？刂葡到y(tǒng)實現(xiàn)整車各個動作的控制，具有故障自我診斷及報警功能，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)計算

路面銑刨車的動力來自底盤發(fā)動機，是汽車底盤選型的關鍵。銑削圓形坑槽時最大消耗功率來自刀盤的旋轉、離心風機的高速轉動、其他輔助設備工作，此時整車處于靜止狀態(tài)，無需考慮行駛功率需求。結合相關道路養(yǎng)護施工機械設計經驗，同時考慮生產成本，在充分保證高效施工的前提下，所選發(fā)動機的功率為140 kW，其中銑刨作業(yè)為80 kW，回收作業(yè)為50 kW，輔助設備為10 kW。

4.1 銑刨功率計算

路面銑刨車的銑刨裝置是圓形刀盤上布置刀頭，而市場上的銑刨機則是銑刨鼓，兩者在結構和工作方式上有較大的差異，銑刨功率計算方法也不盡相同。通過查閱國內外銑刨機設計資料，結合相關理論力學知識，獲得其銑刨功率的計算公式[3]。計算方法如下：

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度，MPa；B為刀頭切削土質的寬度，mm；h為切削土質的深度，mm；Z為刀頭的數(shù)目。

在理論力學中有一種均布載荷的數(shù)學模型，由于刀頭均勻固定在圓形刀盤下表面，見圖3，各個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

銑刨機施工時刀頭線速度過高會加速刀頭的磨損，增大轉子承受的切削沖擊阻力，為延長刀具更換時間，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)效率和保證施工質量，刀盤轉速[nx]為刀頭的最大線速度，刀盤最外圍的刀頭的線速度設定在5 m/s以內，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。

計算得[nx=95.5 r/min]，根據實際情況對數(shù)據圓整銑刨轉速設計在95 r/min。綜合上述公式得：

其中，刀頭的數(shù)目[Z=56]，即有56個刀頭平均分布在刀盤上；按JTJ014-97《公路瀝青設計規(guī)范》中相關內容，瀝青混凝土極限劈裂強度[σsp]在按15 ℃時取值1.6 MPa；刀頭切削土質的寬度[B]按刀頭中間位置的直徑計算，取15 mm；刀頭切削土質的深度[?]按刀頭的高度計算，取20 mm；最大刀盤半徑[Rx]取0.5m；刀盤轉速[nx]取95 r/min。

將上述參數(shù)對應的數(shù)值代入公式求得[Px=67 kW]。

底盤發(fā)動機為整車的動力源，其輸出功率在各個部件間傳遞時必定出現(xiàn)損耗，結合機械傳動設計經驗，傳遞效率取0.8，銑刨裝置作業(yè)時的功率為：

4.2 風機功率計算

回收系統(tǒng)采用空氣對流和負壓換氣的工作原理，為實現(xiàn)碎料、粉塵封閉式高效回收，離心風機應能高速穩(wěn)定轉動，空氣的壓力和風量是回收系統(tǒng)的主要性能參數(shù)，風機消耗的功率是回收系統(tǒng)的主要功率需求，計算風機驅動功率要根據以上參數(shù)[4]。公式為：

式中，[Pf]為風機的功率，kW；[Q]為風機的風量，m3/h；[p]為風機的風壓，Pa；[η0]為風機效率一般取0.75～0.85，大風機取高值，小風機取低值；[η1]為機械效率。

風機的選型要考慮作業(yè)工況、性能、尺寸以及經濟因素，目前環(huán)衛(wèi)車輛和工程機械上安裝的離心風機的轉速在1 800～3 500 r/min，風壓通常為2 162～18 900 Pa，風量一般為1 931～18 770 m3/h[5]。根據回收系統(tǒng)的設計要求，選用風壓11 941 Pa、風量9 000 m3/h、轉速2 900 r/min的離心風機，采用皮帶傳動。依據式（8）得：

發(fā)動機的動力經過分動箱傳遞給皮帶輪，通過皮帶輪帶動風機轉動，其傳遞過程為機械傳動，具有傳遞效率高而損耗小的特點[6]。因此，傳遞效率按0.95計算，回收系統(tǒng)的最大功率為：

由以上理論計算分析可知，整車在滿負荷施工作業(yè)時，發(fā)動機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備所消耗的功率?？紤]到整車的實際需求，[P其他]初步定為10 kW。發(fā)動機為整車作業(yè)時輸出的總功率為：

為確保路面銑刨車施工作業(yè)和滿載運輸時的動力需求，底盤發(fā)動機的最大凈功率一定要大于其本身驅動的各個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)境和難以預測的氣候，發(fā)動機還需有足夠的儲備功率。綜合考慮各種因素，發(fā)動機的功率為：

式中，[Kz=1.17～1.25]。

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

5 結語

路面銑刨車克服了傳統(tǒng)銑刨機在修補小面積破損路面的諸多不足，其在總體設計和功能上有諸多創(chuàng)新，實現(xiàn)銑刨圓形坑槽、碎料及粉塵的封閉式自動回收和運輸，大幅降低揚塵污染。整車結構布局緊湊，易于操作、作業(yè)效率高，具有快速轉移施工地點的突出優(yōu)勢，大幅提高坑槽修補質量，是一種市場看好、需求強勁的新型道路養(yǎng)護車輛。

參考文獻：

[1]李書涵，鄒旭東，劉陽，等.新型瀝青路面圓形坑槽銑刨機[J].筑路機械與施工機械化，201128（12）：29-32.

[2]卞學良.專用汽車結構與設計[M].1版.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[3]靳長征，任進.路面銑刨機械主要技術參數(shù)的選擇與計算[J].太原重型機械學院學報，1988（4）：90-92.

[4]沙曉麗.單發(fā)動機清掃車動力系統(tǒng)研究[D].長安：長安大學機械電子工程，2010.

[5]李溫鋒.洗掃車動力傳動技術路線分析[J].汽車實用技術，2019（1）：117-119.

[6]袁紅.淺談路面銑刨機發(fā)動機功率確定及附件選擇[J].建設機械技術與管理，2010，23（6）：136-137.

作者簡介：

劉克，男，1988年生，工程師，研究方向為汽車拖拉機檢測和試驗。