新型瀝青路面綜合養(yǎng)護車開發(fā)實踐

朱飛標(biāo)

（中山亞力菲自動化設(shè)備有限公司，廣東 中山 528415）

0 引言

隨著瀝青路面總量的不斷增加，養(yǎng)護工程也日益龐大，社會對道路暢通、安全、舒適、美觀的要求越來越高，而瀝青路面養(yǎng)護機械便由此產(chǎn)生。瀝青養(yǎng)護設(shè)備能夠?qū)r青路面的病損進行全面高速有效的養(yǎng)護，大大提升公路養(yǎng)護的質(zhì)量，并且使養(yǎng)護成本大大降低，同時也減輕了人工的勞動負(fù)荷，對病損路面進行有效維護保障公路的暢通。

綜合養(yǎng)護車是針對道路養(yǎng)護維修作業(yè)需求專門研發(fā)的移動式養(yǎng)護設(shè)備，便于搭載工具、瀝青料，廣泛運用于公路的養(yǎng)護維修。目前，在瀝青路面的綜合養(yǎng)護設(shè)備中，大多數(shù)是V型固定式料倉加熱瀝青混合料；V型固定式料倉加熱慢，一般需要4～5個小時且料溫不均勻。料倉及路面加熱板加熱時大多使用液化石油氣或者柴油燃燒器加熱。對于液化石油氣，車上背著個大液化氣罐在路上跑，因此施工人員很多心里存在抵觸感，擔(dān)心液化氣罐不安全，且液化氣罐屬于特種安全設(shè)備，需定期年審，造成使用不便。對于使用柴油燃燒器的加熱方式，燃燒器沒有尾氣處理裝置，在市區(qū)施工存在冒黑煙等環(huán)保問容易題，遭市民投訴。另外路面及料倉加熱時氣體燃燒受環(huán)境影響比較大，尤其是大風(fēng)天氣及高原缺氧的情況下受到限制。因此路面養(yǎng)護施工單位普遍希望市場上能出現(xiàn)無安全隱患、環(huán)保且被市民接受的新型路面養(yǎng)護車產(chǎn)品[1]。

1 新型路面綜合養(yǎng)護車開發(fā)實踐

1.1 設(shè)計原則與開發(fā)思路

針對以上現(xiàn)狀，經(jīng)過長時間的市場調(diào)研，采用大型名牌柴油發(fā)電機組作為加熱源頭；開發(fā)設(shè)計滾筒料倉和路面加熱板都使用電加熱器紅外線熱輻射加熱的滾筒式熱再生綜合養(yǎng)護車，料倉炒料時間大大縮短，同時又無液化氣罐的安全隱患，排放也達到工程機械施工要求，被廣大市民所接受，且加熱不受環(huán)境（大風(fēng)天氣及高原缺氧）影響。

開發(fā)目標(biāo)具有廢舊瀝青混合料冷料再生、新料攪拌和高效快速修補破損路面的特點，廣泛用來修補瀝青路面凹坑、龜裂等各種病害。具有自動行走、快速移動能力，50分鐘可對1噸左右冷態(tài)成品瀝青混合料進行跌落加熱攪拌至160℃，路面加熱，廢料回收，自動上料、卸料，隨車輔助工具，振動壓實，防火、安全設(shè)施等。整機總布置如圖1所示：

圖1 整機總布置圖

1.2 各部分設(shè)計、計算及選型

1.2.1 滾筒料倉的設(shè)計與計算

如圖2，攪拌滾筒是由圓柱部分和圓錐臺部分組成，滾筒的幾何體積計算公式如下：

圖2 攪拌滾筒示意圖

滾筒攪拌時，出口下端沿水平面以下為有效攪拌容積，如上圖剖面區(qū)域所示，由圓柱截段和圓錐截段組成。

其中圓柱截段體積

圓錐截段體積

所以滾筒攪拌的容積為

由于滾筒內(nèi)葉片對混合料的導(dǎo)向作用，在正轉(zhuǎn)加熱過程中，滾筒內(nèi)段料位將高于外段，而且旋轉(zhuǎn)方向一側(cè)也將高于另一側(cè)，所以，加熱過程中，實際攪拌容積將達到1.5-2倍攪拌計算容積。

根據(jù)設(shè)備的使用特點和市場情況，現(xiàn)設(shè)計滾筒的圓柱部分內(nèi)徑1.03米，長度2200米，圓錐部分長度0.38米，出口內(nèi)徑0.6米， 由式1, 2，3可計算得出滾筒的幾何容積為V滾筒=2.04m3。

又由式4, 5, 6可得出滾筒的有效攪拌容積為V攪拌=0.30m3，則實際攪拌容積可達到0.45-0.6m3。混合料比重按 2 噸/立方米計算，則每次加熱的混合料重量在0.9-1.2噸，可保證單次最大攪拌能力為1噸。

1.2.2 驅(qū)動阻力矩計算

攪拌筒驅(qū)動阻力矩由拌筒攪拌阻力矩、拌筒與支承系統(tǒng)的摩擦阻力矩共同組成。（參考筑路機械與施工機械化2004.5《混凝土攪拌輸送車拌筒驅(qū)動阻力矩和驅(qū)動功率的計算》）

其中

如圖3所示，對拌合料來說，共受到三個力矩的作用：即偏心力矩、與筒體的摩擦力矩、與葉片的摩擦力矩。由力矩平衡條件得：

對筒體來說，又受到由于拌合料的偏心距，產(chǎn)生的阻力矩作用，在數(shù)值上等于。

式中：r——偏心距，一般取0.1m；

F——瀝青混凝土拌合料重量

則本設(shè)備按最大攪拌1噸混合料計算，由公式11德

1.2.3 攪拌滾筒驅(qū)動功率的計算

按求得的拌筒攪拌阻力矩M攪，再根據(jù)傳動系統(tǒng)的總效率η，拌筒與支撐系統(tǒng)的摩擦阻力矩M支及拌筒轉(zhuǎn)速n，即可求出攪拌筒的驅(qū)動功率P（kw）。

式中：M支—— 攪拌筒支撐機構(gòu)所克服的摩擦阻力矩；

M攪—— 攪拌筒攪拌阻力矩，kN.m；

η—— 機械效率，一般0.8-0.9,本設(shè)備取值0.9；

C——考慮峰值的影響系數(shù)，1.2-1.4，本設(shè)備拌料少，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，取1.2；

n——轉(zhuǎn)速，rpm，本設(shè)備n=10rpm，所以本設(shè)備攪拌筒的驅(qū)動功率需要P滾筒=1.2×4×10/（9.550×0.9）=5.6kW。

1.2.4 加熱系統(tǒng)計算及發(fā)電機組選型

滾筒料倉每次加熱舊料最多為1000kg，其中瀝青含量（不包括乳化瀝青）約為4.5%；余為石料。由此可進行如下的熱平衡計算和分析（參考建設(shè)機械技術(shù)與管理2010（3），《自行式瀝青路面再生車材料加熱系統(tǒng)的熱平衡分析》）。

式中：G— 每次加熱混合料重量，kg；

ε1—瀝青在混合料中的比例，按4.5%計算；

C1—瀝青比熱，可取1.675 kJ/kg.℃；

Δt— 加熱前后的溫差，℃，按環(huán)境溫度20℃，加熱到160℃計算，即Δt=140℃；

則本設(shè)備Q1=1000×4.5%×1.675×140=10552.5 kJ

（2）各種級配冷骨料加熱所需熱量

式中：ε2—骨料（不含水分）在混合料中的比例，按92.5%計算；

C2—骨料（石料）比熱，0.837 kJ/kg.℃；

εs— 水分在混合料中的比例，以3% 計；

Cs—水的比熱，取4. 186 kJ/kg.℃；

Tt，T0—水分蒸發(fā)溫度和環(huán)境溫度，Tt=100℃，T0=20℃，即Tt-T0=80℃；

r—汽化熱，取2256.7 kJ/kg.℃；

本設(shè)備Q2=1000×[92.5%×0.837×140+3%×4.186×80+3%×2256.7]=186138.9kJ

（3）滾筒料倉使用巖棉密封保溫，散熱功率為

λ—保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m.℃)，本設(shè)備采用巖棉保溫，取值0.043；

A— 傳熱面積，m2，本設(shè)備大約為4m2；

d —保溫層厚度，m，取0.05m。

本設(shè)備P3=0.043×4×140/0.05=481.6W

則每小時散熱量為Q3=P3×3600=1734 kJ

（4）所耗總熱量Q滾筒：

1.2.5 路面瀝青再生加熱計算

加熱板加熱面積為2.5m2，加熱深度為0.05m，則每次加熱路面混合料為2.5×0.05×2.3×1000=287.5kg。

由（13），得Q1=287.5×4.5%×1.675×140=3033.8kJ

由（14），得Q2=287.5×[92.5%×0.837×140+3%×4.186×80+3%×2256.7]=53514.9

考慮路面再生為暴露加熱，加熱過程中散熱較多，其散熱熱量以所需熱量的20%計算。

Q加熱板＝Q1+Q2+Q3 =（Q1+Q2）/0.8=（3033.8+53514.9）/0.8=70685.9 kJ

1.2.6 滾筒料倉熱平衡計算

采用發(fā)電機組供電電加熱板加熱方式，加熱電壓為220V交流電，設(shè)計滾筒料倉50min可達到加熱效果[2]。

考慮熱效率，實際需要功率為P滾筒實際=P/η=110/0.9=73.3 kW

η-電加熱器紅外熱輻射效率，根據(jù)產(chǎn)品樣本取值0.9

1.2.7 路面加熱板電加熱熱平衡計算

設(shè)計加熱板路面加熱15min達到加熱效果，則

因此，選擇康明斯80KW柴油發(fā)電機組夠用。

1.2.8 熱瀝青箱加熱計算

熱瀝青箱的體積為300L，則加熱的熱瀝青的質(zhì)量為300×1.092=327.6kg，由于熱瀝青箱體積限制，只能在熱瀝青箱布置2排電加熱板，每排8個，每個功率300W，共16個，4.8kW。

瀝青從常溫（20℃）加熱到工作溫度（160℃）所需要的熱量為：

需要加熱的時間為

由于一般只要求進行140℃到160℃的保溫，則保溫需要的熱量為

則保溫需要的加熱時間為

1.3 滾筒料倉馬達計算及選型

采用液壓泵驅(qū)動低速大扭矩馬達，再驅(qū)動焊接在滾筒端部的齒輪，從而驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動，滾筒驅(qū)動液壓動力由發(fā)電機組發(fā)動機側(cè)取力口提供。

滾筒齒輪傳動參數(shù)：

主動輪d1=190mm，從動輪d2=1100mm，傳動比i12=5.789，模數(shù)m=10，齒寬b1=52mm，b2=57mm，齒數(shù)z1=19，z2=110

根據(jù)滾筒阻力矩和驅(qū)動功率計算，滾筒驅(qū)動扭矩M=4kN.m，滾筒驅(qū)動功率為P滾筒=5.6 kW。經(jīng)齒輪傳動后，所需驅(qū)動功率為P=P滾筒/η=5.6/0.98=5.7kW，扭矩為M=M滾筒/i齒輪=4/5.789×1000=691 N.m。

則所選用的低速大扭矩馬達應(yīng)滿足以下工作參數(shù)：

輸出轉(zhuǎn)速nmo=n滾筒×i齒輪=10×5.789=58 rpm

輸出扭矩Tmo=691 N.m

輸出功率Pmo=5.7 kW

輸入功率Pmi=Pmo/ηm=5.7/0.85=6.7 kW

ηm—馬達的總效率，取值0.85

由馬達輸出功率公式P=pQη計算液壓馬達在系統(tǒng)工作壓力16Mpa下所需的實際流量為

所需馬達的排量q滾筒馬達=Q滾筒馬達ηmv/nm=25.2×1000×0.85/58=369 ml/r

ηmv—馬達的容積效率，取值0.85

根據(jù)馬達的排量q滾筒馬達=369 ml/r，可選取WHITE（懷特）的530375T3827AAAAA馬達，排量375 ml/r。

1.4 底盤相關(guān)計算

養(yǎng)護車行走所需要功率

一般的瀝青或水泥路滾動阻力系數(shù)f=0.018-0.02，取f=0.02

則行駛阻力 F = M×g×f=12495×10×0.02=2499N

行駛速度最大設(shè)計值為vmax=98km/h=27.2m/s，

則行走功率為

底盤選擇東風(fēng)底盤，型號為DFL1120B18-KJ2Q-000-010J，發(fā)動機功率118kW，軸距為5000mm，9.00R20輪胎，整備質(zhì)量4180kg，最大總質(zhì)量15800kg，國四排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。

2 結(jié)語

本開發(fā)項目整體方案新穎，特點鮮明，整機已獲國家發(fā)明專利（專利授權(quán)號：CN 104328732 B）。一經(jīng)推出便被廣大市政養(yǎng)護單位訂購使用并獲好評，使用該產(chǎn)品能顯著節(jié)約工人數(shù)量及施工工時，同時路面修補養(yǎng)護效果明顯，該產(chǎn)品年銷售收入達到數(shù)千萬元以上，具有顯著的經(jīng)濟效益及社會效益，被中山市政府授予優(yōu)秀發(fā)明專利獎。