車載式拋丸機(jī)動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

黃炳譽(yù)

（上海拋丸機(jī)械設(shè)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(yīng)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(zhì)量，從而提高了后續(xù)涂裝材料同基層的黏結(jié)力，對(duì)工程質(zhì)量的提高做出了很大的貢獻(xiàn)。

目前，市場(chǎng)上的水平式移動(dòng)拋丸設(shè)備主要是手扶式，這種手扶式拋丸機(jī)受制于連接在拋丸機(jī)上的電纜和吸塵管，需要多人參與工作、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。另一種是自行式，但自行式有一個(gè)較為明顯的劣勢(shì)，是其沒(méi)有高速行走能力，因此其轉(zhuǎn)場(chǎng)（從一個(gè)工地轉(zhuǎn)移到另一個(gè)工地）需要借助大型的平板拖掛車。

因此，把拋丸系統(tǒng)建造在大型卡車平臺(tái)上，即車載式拋丸機(jī)會(huì)有一個(gè)較大的市場(chǎng)需求。然而，路面拋丸設(shè)備采用車載形式的幾乎是空白，文獻(xiàn)上介紹的車載式拋丸機(jī)也僅僅是利用卡車帶動(dòng)或牽引手推形式的拋丸頭進(jìn)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(lái)控制，操作難度大且不穩(wěn)定，很難保證公路、橋梁、機(jī)場(chǎng)等高等級(jí)路面的拋丸質(zhì)量。

近年來(lái)，筆者所在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)市場(chǎng)的要求，基于法國(guó)波克蘭CDM馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研制了一臺(tái)中型的車載式拋丸機(jī)。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理如圖1所示，CDM緩行驅(qū)動(dòng)馬達(dá)安裝連接在卡車上經(jīng)過(guò)改裝的前驅(qū)動(dòng)軸上。在正常的行駛模式下，緩行馬達(dá)的離合是在脫開狀態(tài)，那么緩行馬達(dá)可視為一根“傳動(dòng)軸”，卡車的變速箱輸出的動(dòng)力經(jīng)過(guò)傳動(dòng)軸系傳遞到后驅(qū)動(dòng)橋。當(dāng)要切換到緩行模式時(shí)，緩行馬達(dá)的離合進(jìn)入接合狀態(tài)（此時(shí)，卡車的排擋置于空擋），緩行馬達(dá)由液壓站提供的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)傳動(dòng)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而傳遞到卡車的后驅(qū)動(dòng)橋。液壓站的副泵驅(qū)動(dòng)拋丸機(jī)頭的側(cè)移架實(shí)現(xiàn)拋丸機(jī)頭的舉升和左右滑移動(dòng)作；發(fā)電機(jī)組給拋丸機(jī)和除塵器的電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力進(jìn)行拋丸作業(yè)。

圖1 總體系統(tǒng)原理圖

卡車選型主要考慮幾個(gè)方面因素，包括卡車發(fā)動(dòng)機(jī)功率、總載重量、前軸和后軸的載重量、車廂的規(guī)格大小。本方案采用雙發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，即卡車發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)給低速作業(yè)時(shí)緩行提供動(dòng)力，而拋丸機(jī)及其配套的除塵器的動(dòng)力由另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)提供，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)組、液壓系統(tǒng)除塵器，以及在轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)拋丸機(jī)、吸塵管及鋼丸等附件的放置和固定。綜合計(jì)算考慮，選用東風(fēng)天錦DFL1160BX7卡車底盤，其參數(shù)如表1所示。

該系統(tǒng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓站/拋丸機(jī)、除塵器等系統(tǒng)和工作部件的功率總和，選用80 kW（100 kV·A） 的發(fā)電機(jī)組作為拋丸作業(yè)時(shí)的主動(dòng)力源。

表1 DFL1160BX7卡車底盤主要參數(shù)

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)描述

行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵，需要有兩個(gè)行走模式，一個(gè)是轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)的“普通行駛模式”，另一個(gè)是拋丸作業(yè)時(shí)的“緩行模式”。在需要進(jìn)行拋丸施工時(shí)，可以通過(guò)操控面板使拋丸車從“普通行駛模式”進(jìn)入“緩行模式”，從而操作者可以按照實(shí)際施工條件通過(guò)調(diào)整調(diào)速搖桿得到可靠、精確、穩(wěn)定的拋丸行走速度，實(shí)現(xiàn)良好的拋丸效果。

2.1 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)及其工作原理

緩行模式是通過(guò)緩行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)選用法國(guó)波克蘭CDM（Creep Drive Motor System）緩行馬達(dá)（型號(hào)為170-050）作為核心，其主要參數(shù)如表2所示。CDM緩行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種液壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)，它被安裝在卡車原有的機(jī)械傳動(dòng)上，用以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且非常緩慢的低速行駛速度[3]。CDM緩行馬達(dá)被安裝在卡車的前端傳動(dòng)軸之間，如圖2和圖3所示。

表2 CDM 170-050緩行馬達(dá)性能參數(shù)[3]

圖2 CDM馬達(dá)安裝示意圖[3]

圖3 CDM馬達(dá)安裝實(shí)物圖

在“普通行駛模式”下，緩行馬達(dá)從傳動(dòng)軸上脫離開來(lái)，卡車通過(guò)其原有的機(jī)械傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)卡車，按其擋位進(jìn)行正常行駛。在“緩行模式”下，通過(guò)氣閥的動(dòng)作，使緩行馬達(dá)與傳動(dòng)軸結(jié)合，通過(guò)主電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)從而激活變量泵，變量泵提供壓力和流量給緩行馬達(dá)，從而驅(qū)動(dòng)緩行馬達(dá)低速轉(zhuǎn)動(dòng)，而此時(shí)緩行馬達(dá)被激活與傳動(dòng)軸嚙合，帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其動(dòng)力來(lái)源于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵站，使泵和油馬達(dá)形成一個(gè)閉環(huán)的靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)電氣參數(shù)的設(shè)置，卡車可以按照拋丸機(jī)的工作要求以非常低的速度穩(wěn)定地緩慢行駛（0.5～30.0 m/min可調(diào)），從而保證拋丸機(jī)的正常工作，如圖4所示。

圖4 緩行馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖[3]

2.2 液壓泵站設(shè)計(jì)

本液壓站主要包括以下部件：

1）主泵及主泵電動(dòng)機(jī)。主泵是一個(gè)變量泵，給緩行驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)提供壓力油，驅(qū)動(dòng)緩行馬達(dá)。主泵電動(dòng)機(jī)用來(lái)驅(qū)動(dòng)主泵，由發(fā)電機(jī)組供電。

2）副泵及副泵電動(dòng)機(jī)。副泵向升降側(cè)移架上的油缸/馬達(dá)提供壓力油，實(shí)現(xiàn)拋丸機(jī)的起升、下降，左、右側(cè)移。副泵電動(dòng)機(jī)用來(lái)驅(qū)動(dòng)副泵。

3）電子液位計(jì)。以保證油箱油位處于最高和最低液面時(shí)發(fā)出信號(hào)，提醒油箱油量過(guò)多，造成溢出，影響系統(tǒng)工作；警告油量過(guò)低會(huì)損壞油泵等，造成停機(jī)事故。

4）油位油溫計(jì)。可以讓操作者直觀地觀察油溫和液位。

5）空氣過(guò)濾器。當(dāng)油泵工作時(shí)，因油箱液面發(fā)生變化而吸入空氣時(shí)，防止吸入空氣中的塵埃、雜質(zhì)等，從而避免污染油液引發(fā)堵塞液壓元件等事故。

6）風(fēng)冷型冷卻器。受系統(tǒng)工作及環(huán)境溫度影響，液壓油會(huì)發(fā)熱，該系統(tǒng)專門配置了該冷卻器。只要系統(tǒng)工作，該風(fēng)扇冷卻器同時(shí)開啟，使得系統(tǒng)回油管的熱油經(jīng)過(guò)盤旋管風(fēng)冷后回到油箱，以保證油箱溫度在正常范圍（≤80℃）之內(nèi)。

7）溫度開關(guān)。為了保證系統(tǒng)液壓油的溫度在要求范圍內(nèi)工作，該系統(tǒng)在油箱上配置了一個(gè)溫度開關(guān)。溫度開關(guān)發(fā)訊值設(shè)定在60 ℃，當(dāng)油溫達(dá)到該設(shè)定值時(shí)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警以警示關(guān)機(jī)。

8）沖洗系統(tǒng)。由于本液壓系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，需要增加一個(gè)沖洗閥，其作用是交換熱油，即定時(shí)將油箱中的冷油沖入閉環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)系統(tǒng)中的熱油回到主油箱進(jìn)行過(guò)濾冷卻，以保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)管路等泄漏時(shí)，會(huì)產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，使系統(tǒng)無(wú)法正常工作，本系統(tǒng)配有與主泵并聯(lián)的補(bǔ)油泵，向系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)油，以保證閉環(huán)回路最低穩(wěn)定壓力。

3 拋丸工作部件布局設(shè)計(jì)

各個(gè)部件的總體布局如圖5所示，拋丸機(jī)頭通過(guò)舉升側(cè)移架與卡車連接，放置于卡車的前面。拋丸機(jī)的兩個(gè)電動(dòng)機(jī)由發(fā)電機(jī)組供電，舉升側(cè)移架的油缸和馬達(dá)由液壓站的副泵驅(qū)動(dòng)。車廂分隔為兩個(gè)隔艙，液壓站和發(fā)電機(jī)組放置于同一隔艙。液壓站置于卡車車廂的前部、液壓馬達(dá)的上方，便于液壓管路的安裝布置，發(fā)電機(jī)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(jī)的除塵器置于另一個(gè)隔艙的前面，位于整個(gè)車廂的中部，車廂后部用于在轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)放置拋丸機(jī)頭和舉升側(cè)移架及其他輔件工具等。

4結(jié)論

圖5總體布局圖

本文對(duì)該車載式拋丸機(jī)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，詳細(xì)闡述了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理及液壓站的設(shè)計(jì)?；诒驹O(shè)計(jì)研制的車載式拋丸機(jī)，具有效率高、轉(zhuǎn)場(chǎng)方便等特點(diǎn)，尤其適用于大面積瀝青、混凝土路面的宏觀微觀紋理重構(gòu)、摩擦力提高等應(yīng)用。同時(shí)，也存在一些缺點(diǎn)：由于是雙發(fā)動(dòng)機(jī)工作，噪聲較大；由于CDM馬達(dá)內(nèi)部有泄漏，所以在通過(guò)一定高度的小臺(tái)階時(shí)，行走會(huì)有短暫的停頓，這就對(duì)路面的平整度要求較高。

總的來(lái)說(shuō)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了把拋丸機(jī)集成到卡車底盤上的構(gòu)想，是一個(gè)很大的進(jìn)步。針對(duì)它存在的不足，筆者所在的項(xiàng)目組也在進(jìn)行不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)或重新設(shè)計(jì)一個(gè)全新的系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)換代，比如采用OMSI公司HT系列機(jī)械液壓復(fù)合傳動(dòng)箱設(shè)計(jì)一個(gè)全新的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提高緩行穩(wěn)定性，期待這一項(xiàng)目能順利開展實(shí)施，促使我國(guó)的路面拋丸機(jī)技術(shù)更加先進(jìn)，為國(guó)家的基建提供更先進(jìn)、效率更高、系統(tǒng)更穩(wěn)定的設(shè)備。