銑刨機行駛作業阻力特性分析

呂聰正,馮忠緒,李 耀,段永波

(長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西西安 710064)

隨著國家高速公路網、國家區域發展戰略確定的高速公路以及省際連線高速公路建設的不斷推進，到2015年國家高速公路網將全部建成，屆時通車里程將達到500萬km[1]。在這種形勢下，公路養護工作變得日益繁重。從2010年開始，10 a前修建的公路開始普遍進入翻新、擴建、大修周期，銑刨機作為路面養護機械的主要機種，在國內的應用前景非常廣闊。

試驗研究表明，路面銑刨機銑刨系統消耗的功率約占整機功率的77%以上[2]，行走系統消耗的功率約占15%左右[3]。行駛系統和銑刨系統之間相互聯系又相互制約，2個系統的合理匹配直接影響銑刨機的性能指標[4]。本文通過理論分析結合現場樣機試驗對銑刨機行駛阻力特性進行分析研究。

1 銑刨機行駛阻力分析

銑刨機行駛阻力主要由銑刨機行駛過程中地面附著條件產生的滾動阻力和銑刨轉子作業過程中的水平切削阻力組成。

1.1 滾動阻力

銑刨機行駛過程中附著條件產生的滾動阻力FQ的計算式為

FQ=MQgδ，

式中δ為輪式車輛在瀝青路面上的滾動阻力系數，δ= 0.02～0.03；MQ為附著質量，由銑刨機整機質量以及銑刨轉子作業時產生的豎直分力決定；g為重力加速度，g=9.8 m/s2。

1.2 水平切削阻力

銑刨機水平切削阻力FH的計算式[3]為

式中k1為經驗系數，與路面材料以及銑刨轉子寬度、刀具排列等有關；k2為經驗系數，與路面材料以及切削寬度、厚度、速度等有關；B為銑刨寬度；ae為銑刨深度；v為作業速度；u為銑刨鼓線速度。

1.3 行駛阻力

銑刨機行駛阻力的表達式為

(1)

由式(1)可知，銑刨機的行駛阻力不僅與銑刨機整機質量和銑刨轉子作業時產生的豎直分力有關，還與銑刨轉子水平切削分力有關。F與銑刨寬度、作業速度成線性正比關系，F隨著銑刨深度的增加而顯著增大。

2 試驗結果與分析

為進一步分析銑刨機行駛作業阻力特性，選用CLG563銑刨機進行現場試驗研究。CLG563銑刨機采用全輪驅動，銑刨轉子安裝在兩后輪中間，通過后橋上兩液壓缸驅動銑刨機整機升降從而改變銑刨深度。銑刨機行駛液壓系統和銑刨轉子液壓系統相互獨立，液壓系統工作壓力的變化可以準確反映銑刨機各系統的工作載荷。試驗過程中，選擇平整的瀝青路面進行多次試驗，通過DEWE5000型數據采集儀記錄各液壓系統壓力，數據采集儀采樣頻率取1 kHz。

表1 CLG563銑刨機基本技術參數

CLG563銑刨機基本技術參數如表1所示。在試驗過程中對銑刨轉子液壓系統、行走液壓系統以及后橋升降液壓系統采集多組數據進行分析，在銑刨厚度為150 mm、作業速度v=8.5 m/min時，3個液壓系統壓力隨時間變化曲線如圖1～3所示。3個系統壓力具有明顯的波動。

圖1 行走泵壓力圖

圖2 銑刨泵壓力圖

圖3 升降泵壓力圖

試驗過程中，以某工況下樣機現場試驗測得的行駛阻力與理論計算的數據進行分析比較，可以看出理論曲線與試驗曲線基本吻合，從而驗證了該理論分析的合理性。本文以銑刨轉子轉速為130 r/min、銑刨深度為150 mm，銑刨機在不同行駛速度v下樣機現場試驗所測的行駛阻力與理論分析計算的行駛阻力進行對比，對比曲線如圖4所示。

圖4 不同行走速度下銑刨機行走阻力理論值與試驗值對比圖

銑刨過程中，銑刨轉子線速度為5～6 m/s，不僅可以減小刀頭的磨損還可以減小切削阻力，所以設定銑刨轉子轉速為130 r/min。在保證其它參數不變的情況下改變單一變量，對試驗結果進行分析。試驗數據如表2～4所示。

分析試驗結果可見：

1)在銑刨轉子轉速不變的情況下，行駛阻力隨著銑刨厚度和行走速度的增大而增大；銑刨扭矩隨著銑刨厚度和行走速度的增大而增大；后橋垂直力隨著銑刨厚度和行走速度的增大而增大。

表2 不同工況下的行走阻力 kN

表3 不同工況下的銑刨扭矩 N·m

表4 不同工況下的垂直力 kN

2)銑刨機行駛阻力是由地面附著條件產生的滾動阻力和銑刨轉子水平切削分力產生的，但其主要影響因素是水平切削分力。

3 結語

銑刨機的行駛阻力不僅與銑刨機整機質量和銑刨轉子作業時產生的豎直分力有關，還與銑刨轉子水平切削分力有關。

在銑刨轉子轉速不變的情況下，銑刨機的行駛阻力、銑刨扭矩和后橋垂直力都隨著銑刨厚度和行走速度的增大而增大。

銑刨機行駛阻力主要是由銑刨過程中銑刨轉子的水平切削分力產生；由地面附著條件產生的滾動阻力占總行駛阻力的比例較小，大小與銑刨深度和行走速度有關。

參考文獻：

[1]劉偉.路面銑刨機械的發展前景與市場展望[J].科技情報開發與經濟，2004，14(4)：114-117.

[2]顧海榮，焦生杰, 肖翀宇,等.路面銑刨機銑削載荷特性分析與試驗[J].中國公路學報，2012，5(3)：155-158.

[3]王國安，劉洪海．瀝青混凝土路面冷銑刨機的性能試驗與參數優化[J]．筑路機械與施工機械化，1992，9(3)：3-6.

[4]趙敏．瀝青路面銑刨機作業阻力及牽引性能的研究[D]．西安：長安大學，2003．