銑刨機(jī)行駛作業(yè)阻力特性分析

呂聰正,馮忠緒,李 耀,段永波

(長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710064)

隨著國家高速公路網(wǎng)、國家區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略確定的高速公路以及省際連線高速公路建設(shè)的不斷推進(jìn)，到2015年國家高速公路網(wǎng)將全部建成，屆時(shí)通車?yán)锍虒⑦_(dá)到500萬km[1]。在這種形勢下，公路養(yǎng)護(hù)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(jìn)入翻新、擴(kuò)建、大修周期，銑刨機(jī)作為路面養(yǎng)護(hù)機(jī)械的主要機(jī)種，在國內(nèi)的應(yīng)用前景非常廣闊。

試驗(yàn)研究表明，路面銑刨機(jī)銑刨系統(tǒng)消耗的功率約占整機(jī)功率的77%以上[2]，行走系統(tǒng)消耗的功率約占15%左右[3]。行駛系統(tǒng)和銑刨系統(tǒng)之間相互聯(lián)系又相互制約，2個(gè)系統(tǒng)的合理匹配直接影響銑刨機(jī)的性能指標(biāo)[4]。本文通過理論分析結(jié)合現(xiàn)場樣機(jī)試驗(yàn)對銑刨機(jī)行駛阻力特性進(jìn)行分析研究。

1 銑刨機(jī)行駛阻力分析

銑刨機(jī)行駛阻力主要由銑刨機(jī)行駛過程中地面附著條件產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力和銑刨轉(zhuǎn)子作業(yè)過程中的水平切削阻力組成。

1.1 滾動(dòng)阻力

銑刨機(jī)行駛過程中附著條件產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力FQ的計(jì)算式為

FQ=MQgδ，

式中δ為輪式車輛在瀝青路面上的滾動(dòng)阻力系數(shù)，δ= 0.02～0.03；MQ為附著質(zhì)量，由銑刨機(jī)整機(jī)質(zhì)量以及銑刨轉(zhuǎn)子作業(yè)時(shí)產(chǎn)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(jī)水平切削阻力FH的計(jì)算式[3]為

式中k1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與路面材料以及銑刨轉(zhuǎn)子寬度、刀具排列等有關(guān)；k2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與路面材料以及切削寬度、厚度、速度等有關(guān)；B為銑刨寬度；ae為銑刨深度；v為作業(yè)速度；u為銑刨鼓線速度。

1.3 行駛阻力

銑刨機(jī)行駛阻力的表達(dá)式為

(1)

由式(1)可知，銑刨機(jī)的行駛阻力不僅與銑刨機(jī)整機(jī)質(zhì)量和銑刨轉(zhuǎn)子作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的豎直分力有關(guān)，還與銑刨轉(zhuǎn)子水平切削分力有關(guān)。F與銑刨寬度、作業(yè)速度成線性正比關(guān)系，F(xiàn)隨著銑刨深度的增加而顯著增大。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為進(jìn)一步分析銑刨機(jī)行駛作業(yè)阻力特性，選用CLG563銑刨機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究。CLG563銑刨機(jī)采用全輪驅(qū)動(dòng)，銑刨轉(zhuǎn)子安裝在兩后輪中間，通過后橋上兩液壓缸驅(qū)動(dòng)銑刨機(jī)整機(jī)升降從而改變銑刨深度。銑刨機(jī)行駛液壓系統(tǒng)和銑刨轉(zhuǎn)子液壓系統(tǒng)相互獨(dú)立，液壓系統(tǒng)工作壓力的變化可以準(zhǔn)確反映銑刨機(jī)各系統(tǒng)的工作載荷。試驗(yàn)過程中，選擇平整的瀝青路面進(jìn)行多次試驗(yàn)，通過DEWE5000型數(shù)據(jù)采集儀記錄各液壓系統(tǒng)壓力，數(shù)據(jù)采集儀采樣頻率取1 kHz。

表1 CLG563銑刨機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

CLG563銑刨機(jī)基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。在試驗(yàn)過程中對銑刨轉(zhuǎn)子液壓系統(tǒng)、行走液壓系統(tǒng)以及后橋升降液壓系統(tǒng)采集多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在銑刨厚度為150 mm、作業(yè)速度v=8.5 m/min時(shí)，3個(gè)液壓系統(tǒng)壓力隨時(shí)間變化曲線如圖1～3所示。3個(gè)系統(tǒng)壓力具有明顯的波動(dòng)。

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(yàn)過程中，以某工況下樣機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)測得的行駛阻力與理論計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，可以看出理論曲線與試驗(yàn)曲線基本吻合，從而驗(yàn)證了該理論分析的合理性。本文以銑刨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為130 r/min、銑刨深度為150 mm，銑刨機(jī)在不同行駛速度v下樣機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)所測的行駛阻力與理論分析計(jì)算的行駛阻力進(jìn)行對比，對比曲線如圖4所示。

圖4 不同行走速度下銑刨機(jī)行走阻力理論值與試驗(yàn)值對比圖

銑刨過程中，銑刨轉(zhuǎn)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(shè)定銑刨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為130 r/min。在保證其它參數(shù)不變的情況下改變單一變量，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2～4所示。

分析試驗(yàn)結(jié)果可見：

1)在銑刨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(jī)行駛阻力是由地面附著條件產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力和銑刨轉(zhuǎn)子水平切削分力產(chǎn)生的，但其主要影響因素是水平切削分力。

3 結(jié)語

銑刨機(jī)的行駛阻力不僅與銑刨機(jī)整機(jī)質(zhì)量和銑刨轉(zhuǎn)子作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的豎直分力有關(guān)，還與銑刨轉(zhuǎn)子水平切削分力有關(guān)。

在銑刨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變的情況下，銑刨機(jī)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(jī)行駛阻力主要是由銑刨過程中銑刨轉(zhuǎn)子的水平切削分力產(chǎn)生；由地面附著條件產(chǎn)生的滾動(dòng)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(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉偉.路面銑刨機(jī)械的發(fā)展前景與市場展望[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2004，14(4)：114-117.

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

[3]王國安，劉洪海．瀝青混凝土路面冷銑刨機(jī)的性能試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化[J]．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，1992，9(3)：3-6.

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