2m路面銑刨機總體結構設計方案研究

摘 要：路面銑刨機作為公路及城市道路養護的專用設備，根據目前的我國公路發展的統計情況來看，未來公路養護對路面銑刨機的需求將會逐年增加。文章詳盡地分析了路面冷銑刨機的總體結構，并對路面冷銑刨機的總體結構進行了設計，為進一步研究路面冷銑刨機結構設計提供參考。

關鍵詞：銑刨機；工作原理；總體設計；主要參數

引言

路面銑刨機是一種高效的瀝青路面維修養護設備，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、城鎮道路、機場、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，恢復其排水能力；也可兼作簡單的路面整形作業和整體再生。

1 國內外發展情況

1.1 國外發展情況

國外路面銑刨機起源于二十世紀五十年代初，經過五十年的發展，積累了豐富的研制應用經驗。隨著現代機、電、液一體化技術的成功應用，其技術參數、整機性能、外觀形象等得到突破性進展，形成了以德國維特根公司產品為代表的歐洲風格和以美國卡特彼勒公司、RoadTech公司、CIM公司產品為代表的北美風格。它們的工作原理相同，發動機的裝機容量基本相當；區別在于歐洲的銑刨機采用四履帶行走方式，外形結構緊湊、精巧，更多的采用電子控制技術，特別是目前的數字電子網絡控制技術。而北美的銑刨機均采用三履帶行走方式，造型粗獷，更加堅固。其產品已形成系列化，生產效率一般為150m2/h-2000m2/h，銑刨寬度為0.3m～4.2m。最大銑刨深度可達350mm。

1.2 國內發展情況

國內瀝青路面銑刨機的發展起步于二十世紀八十年代，1985年交通部將“瀝青路面舊料再生設備的研究”列為重點科研項目。隨后，湖北襄樊公路機械廠以鐵牛55型拖拉機為底盤，研制了一種簡易的1m銑刨機。1987年江蘇鎮江路面機械廠研制出了LX-1000型銑刨機。近幾年來，隨著我國公路建設的持續發展，高等級路面，特別是高速公路的機械化養護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，瀝青路面銑刨機得到較快的發展。國內的鎮江華晨華通公司、徐州工程機械集團以及山東德工等廠家已先后開發出了采用液壓驅動、并帶有回收裝置的銑刨機。在動力系統、液壓系統和控制系統上均采用了國際化配套，達到國際先進水平；整機結構設計、系統設計、控制系統設計、制造工藝設計部分或全部達到了國際水平。

2 路面冷銑刨機結構及工作原理

2.1 工作原理

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

2.2 主要結構

整機機構圖如圖1所示：

1-細胞深度控制器；2-發動機；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 露面冷銑刨機整體結構圖

3 總體設計及主要參數的設計計算

3.1 總體設計

路面冷銑刨機的總體設計主要是根據使用情況確定主參數——生產率，即單位時間內銑刨路面物料的體積。根據主參數即確定工作寬度、外形幾何尺寸等基本參數。在具體設計要注意貫徹系列化、通用化、標準化的原則，對已有的同類產品作充分的調查研究，設計中盡可能采用新技術、新材料、新工藝、新結構。同時還應兼顧其經濟性、耐久性、安全性及維修的方法性和操作的舒適性。

銑刨機在設計時可采用類比法或經驗法來確定有關參數。

3.2 主要參數的計算

3.2.1 進距的確定

圖2 進距計算原理

進距S的確定刀具的水平進距S為轉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），亦即轉子在轉過同一橫段面上相鄰刀具之間夾角這一角度的時間Δt內轉子軸線前進的水平距離。當轉子上每排Z把刀時進距為：

S=v×△t=v×2×？仔/（Z？棕）=2×？仔R/（Z？姿）（1）

式中：S-進距，m；v-行走速度，m/s；？棕-轉子角速度，s-1；？姿-運動學參數，？姿=v/v0；v0-轉子圓周速度，m/s；R-轉子半徑，m。

根據轉子設計要求，Z=16把，故而：

S=2×？仔×1.06/（16×1.0/0.2）=0.043m

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

S=（2R/？姿）arcsin（1/？姿）±2R■-？仔R/？姿 （2）

Smax=0.081m

設計時，進距S一般取35mm～50mm，但應小于式（2）計算的極限值。進距S除對銑刨質量產生影響外，還對功率消耗及生產率也產生影響，因而需要綜合考慮才能選定。當發動機的功率富裕時，可以考慮增大進距S值，以提高生產率。

3.2.2 銑刨寬度B和銑刨深度H的確定

銑刨寬度應以降低整機質量，提高整機機動性為前提，結合考慮整機的結構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。本機設計要求為B=2000mm。

銑刨深度H根據機型大小和工程要求不盡相同，本機設計為H=0～300mm。銑刨寬度B，銑刨深度H二者的乘積為轉子的工作斷面，由發動機的功率確定。不要希望通過增加銑刨寬度和銑刨深度來提高作業生產率，實際上對確定的發動機的功率，在一定的作業參數條件下僅與唯一的工作斷面相適應。endprint

3.2.3 工作速度和行駛速度

行駛速度可根據需要及行走機構的形式確定，一般為0～10km/h，大中型銑刨機一般不超過4.5km/h。

本機的設計為銑刨速度？淄0=0～12m/min，行使速度？淄=0～4.5Km/h。

本機設計時，采用經驗法，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

其選擇受到進距S值的約束，應以S值極限值計算式作為選擇依據，一般選用較高的圓周速度，以保證有間較高的生產率。一般取？淄=5-7m/s。

本機設計轉子轉速取為n=120rad/min。

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

3.2.5 銑刨機整機功率

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

Pz=Px+Pg+Pf （3）

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

A=B×H（4）

根據經驗，整機功率：

Pz=f*A （5）

式中：f-經驗數量，一般取900-1200。

由于銑刨機水平H方向的受力直接影響著整機牽引力，鑒于銑刨機的復合運動（由轉鼓繞其軸線旋轉的相對運動和軸線自身隨機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作純轉動時的FH

銑刨機純轉動時刀具受力分析如圖3所示。

圖3 銑刨機純轉動時刀具受力分析

當銑刨機工作時，其銑刨鼓主要受力為切向的主切削力FT。

FH1=F？子·cos？茲 （6）

當銑刀在注意低點時，FT最大，此時θ=0，即FH1由FT構成。

FH1=F？子·cos？茲=k1Ba？子v/u （7）

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

（2）以作業速度v作純直線運動時的FH2

銑刨機做純直線運動時的刀具受力分析如圖4所示。

圖4 銑刨機做純直線運動時的刀具受力分析

在單獨討論FH2時，其模型類似于農業機械中的犁體切削，此時忽略圓周切削速度的影響。進行犁的受力分析時，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，銑刨機效率？濁'取0.7。Kr-單位切削斷面積所產生的阻力（Kpa），在低速勻速時為常數。Kr不僅與銑削材料性質及狀態有關，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，且兩者功率表達式具有近似的結構，都與切寬、切厚以及切速有關。銑刨機N0一般為1.2×107×ae？淄（W），因此，在銑削瀝青混凝土時，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；

一般經驗Px占整機功率的80%-85%，

則整機功率Pz為：Pz=368.144/85% KW=432.9Kw。

這個只是在Px占整機功率的85%的時候之值，故而Pz可以更大點。

本機設計時，取發動機的輸出功率為Pz=448Kw。同時，設計時，銑削深度估值為H=200mm，則銑刨機工作時的橫截面積：

A=B×H=0.2×2.0m2=0.4m2

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

3.2.6 整機質量及前后軸荷重分配

銑削轉子為一種旋轉主動型工作部件，它的工作由發動機通過傳動裝置直接驅動，需要有一定的附著質量以增大牽引能力，銑刨機工作時要克服轉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械相比，僅為其20%左右，因此，銑刨機的整機質量僅為一種結構質量，滿足整機穩定性要求后越小越好。

銑刨機整機質量mz（Kg）與整機功率Pz（Kw）有一定的比例關系，即：

mz=K·Pz（11）

K為經驗系數，一般中小型機取110-130，大型機取75-90。本機設計時選取K=80。

前后軸荷重分配：

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

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

則整機的質量mz=K·Pz=80×448Kg=35840Kg；

由于本機設計時帶有集料輸送裝置，故而：

前軸質量m前=mz×45%=35840×45%=16128.0Kg；

后軸質量m后=mz×55%=35840×55%=19712.0Kg；

3.2.7 轉子直徑及轉向方式的確定

銑削圓直徑是指銑刀尖旋轉軌跡圓直徑，直徑D大小與整機功率、切削深度及切削圓周速度有關，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，大型機為800mm～1100mm之間。本機的設計選取直徑D=1060mm。

對于銑刨轉向，目前銑刨機廠家大都選擇逆銑方式。逆銑方式銑削轉子旋轉方向，與廢料下落方向相反；對廢料來說，運程短，重復破碎可能性小，節省功率。同時，從動力學方面來分析，順銑使得銑刨機工作時受到較大較頻繁的沖擊影響到銑刨的質量和速度，故而本機設計采用的是逆銑。

4 結束語

2m路面銑刨機的總體設計，它包括了機械、電子、液壓、信息控制等各個方面，是目前機械發展趨勢的一個縮影表現。它對設計的經驗的依賴性比較大，實踐性也較強。在整個設計過程中，整機功率的確定和發動機的選型是本次設計的難點。本次設計為進一步研究路面冷銑刨機結構設計提供參考。

參考文獻

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[2]郁錄平.工程機械底盤設計[D].長安大學，2003，7.

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[8]陳宇峰，黎濤.智能化路面冷銑刨機開發研究[J].建設機械技術與管理，2003，6.

[9]趙敏.瀝青路面銑刨機作業阻力及牽引性能的研究[D].長安大學，2003，5.

[10]馬學良，孫祖望.穩定土拌和機反向旋轉刀具工作過程數學物理模型的參數確定分析和仿真設計[J].西安公路交通大學學報，2000，1.

[11]馬學良，孫祖望.穩定土拌和機轉鼓反轉工作過程的動力學理論模型[J].筑路機械與施工機械化，2000，2.

[12]陸青平，胡永彪.銑刨機整機功率自適應匹配的研究[J].筑路機械與施工機械化，2002，6.

作者簡介：葉智彪（1982，9-），男，漢族，九江職業技術學院汽車專業教研室主任，講師，畢業于長安大學，機械設計及理論專業，碩士研究生，主要研究方向：機械設計、汽車檢測與維修技術。endprint

則整機的質量mz=K·Pz=80×448Kg=35840Kg；

由于本機設計時帶有集料輸送裝置，故而：

前軸質量m前=mz×45%=35840×45%=16128.0Kg；

后軸質量m后=mz×55%=35840×55%=19712.0Kg；

3.2.7 轉子直徑及轉向方式的確定

銑削圓直徑是指銑刀尖旋轉軌跡圓直徑，直徑D大小與整機功率、切削深度及切削圓周速度有關，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，大型機為800mm～1100mm之間。本機的設計選取直徑D=1060mm。

對于銑刨轉向，目前銑刨機廠家大都選擇逆銑方式。逆銑方式銑削轉子旋轉方向，與廢料下落方向相反；對廢料來說，運程短，重復破碎可能性小，節省功率。同時，從動力學方面來分析，順銑使得銑刨機工作時受到較大較頻繁的沖擊影響到銑刨的質量和速度，故而本機設計采用的是逆銑。

4 結束語

2m路面銑刨機的總體設計，它包括了機械、電子、液壓、信息控制等各個方面，是目前機械發展趨勢的一個縮影表現。它對設計的經驗的依賴性比較大，實踐性也較強。在整個設計過程中，整機功率的確定和發動機的選型是本次設計的難點。本次設計為進一步研究路面冷銑刨機結構設計提供參考。

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[12]陸青平，胡永彪.銑刨機整機功率自適應匹配的研究[J].筑路機械與施工機械化，2002，6.

作者簡介：葉智彪（1982，9-），男，漢族，九江職業技術學院汽車專業教研室主任，講師，畢業于長安大學，機械設計及理論專業，碩士研究生，主要研究方向：機械設計、汽車檢測與維修技術。endprint

則整機的質量mz=K·Pz=80×448Kg=35840Kg；

由于本機設計時帶有集料輸送裝置，故而：

前軸質量m前=mz×45%=35840×45%=16128.0Kg；

后軸質量m后=mz×55%=35840×55%=19712.0Kg；

3.2.7 轉子直徑及轉向方式的確定

銑削圓直徑是指銑刀尖旋轉軌跡圓直徑，直徑D大小與整機功率、切削深度及切削圓周速度有關，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，大型機為800mm～1100mm之間。本機的設計選取直徑D=1060mm。

對于銑刨轉向，目前銑刨機廠家大都選擇逆銑方式。逆銑方式銑削轉子旋轉方向，與廢料下落方向相反；對廢料來說，運程短，重復破碎可能性小，節省功率。同時，從動力學方面來分析，順銑使得銑刨機工作時受到較大較頻繁的沖擊影響到銑刨的質量和速度，故而本機設計采用的是逆銑。

4 結束語

2m路面銑刨機的總體設計，它包括了機械、電子、液壓、信息控制等各個方面，是目前機械發展趨勢的一個縮影表現。它對設計的經驗的依賴性比較大，實踐性也較強。在整個設計過程中，整機功率的確定和發動機的選型是本次設計的難點。本次設計為進一步研究路面冷銑刨機結構設計提供參考。

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作者簡介：葉智彪（1982，9-），男，漢族，九江職業技術學院汽車專業教研室主任，講師，畢業于長安大學，機械設計及理論專業，碩士研究生，主要研究方向：機械設計、汽車檢測與維修技術。endprint