黄河堤顶道路小型路面铣刨机的研制与应用

黄河堤顶道路小型路面铣刨机的研制与应用

齐爱民朱孟奎卢万云

齐爱民朱孟奎卢万云

新乡黄河河务局封丘黄河河务局河南新乡453300

摘要：沥青混凝土路面铣刨机是一种高效的沥青路面维修养护设备，其原理是利用滚动铣削的方法把沥青混凝土路面局部或是全部破碎。铣削下来的沥青碎料经再生处理后，可直接用于路面表层的重新铺筑。主要用于公路、城镇道路等沥青混凝土面层的开挖翻修，可以有效地清除路面损坏部分等；还可用于水泥路面的拉毛及面层错台铣平；亦可开挖路面坑槽及沟槽，铣削公路的边缘，恢复其排水能力；也可兼作简单的路面整形作业和整体再生。

关键词：铣刨机；黄河；道路

1项目提出的背景和意义

黄河堤顶路面是防汛抢险物资的重要交通道路。堤顶宽8-11米，全部铺设了沥青路面，道路宽度为6米。随着社会经济的发展，堤防道路超载车辆严重，对堤顶道路造成了一定的损坏。为了改善堤顶交通状况，确保防汛抢险的畅通，需要经常对堤顶道路进行维修养护。传统方法是先用切割机将损坏路面进行切割，然后人工用镢头进行挖刨，费力费时，工作效率也低，因此，研制一种可减轻人体劳动力并且效率高的小型路面维护机械成为必然趋势。

2小型沥青路面铣刨机的工作原理

我们研制的小型沥青路面铣刨机，其铣刨刀具的切削轨迹是由铣刨鼓的高速圆周运动和行走拖拉机的直线运动的合成运动轨迹，该铣刨机动力由欧豹TD820型拖拉机提供，后端输出，通过万向节、圆锥齿轮减速器传动和皮带传动带动铣刨鼓高速旋转完成主切削运动，切深运动由拖拉机后端两个竖直平行油缸上下运动带动整套装置升降，不切削时，液压油缸收回，铣刨架提起。切削进给量由拖拉机前进档行走速度决定。

3主要技术创新点

①欧豹TD820型拖拉机后部两竖直油缸带动的丝杠连杆可以调节，因此整个铣刨系统装置可以在与水平地面正负15度角的范围内倾斜安装，可以完成在一定范围内倾斜路面铣刨施工。

②移动快捷方便。市场上同类产品移动速度慢，更换施工地点时由于本身车速很慢，需要吊车将其吊至平板拖车上移至目的地，我们研发的堤顶道路铣刨机使用的是拖拉机，移动速度较快，更换施工地点直接开至即可施工。

③使用范围广，适用于多种场地环境作业。黄河大堤一般道路宽度为6米，市场上同类产品施工环境局限性较高。我们研制的堤顶道路铣刨机则可以满足各种环境下作业。

④一机多用，功能多样。市场同类产品功能单一，只能进行路面铣刨作业。而我们研制的堤顶道路铣刨机，无路面铣刨作业时，拖拉机可做其它工作用，而且设备切换简单快捷。

4小型沥青路面铣刨机的研制内容

4.1铣刨机的铣削机理

铣刨机铣刨转子上安装有子弹型铣刀，铣刨类同金属切削。在低速切削时，路面材料在刀尖作用下首先产生弹性变形，当应力超过材料的弹性极限时而破坏。刀尖切人路面，刀尖前一定范围的沥青混凝土材料呈拉应力状态，产生刃前裂口。当切削深度达到一定时，刃前裂口扩展裂纹达到整个切削层，此时路面材料就变成不规则的细颗粒状切屑；在高速切削时刀具对路面材料作用而产生的挤压、剪切等变形来不及传播，整块沥青混凝土材料已被切掉。因此，低速切削是挤压变形破坏，而高速切削是大块材料的剪切和撕裂。

4.2铣刨机的铣削过程分析

铣刨机工作时其工作过程有如下特点：

①刀具切削路面过程不是一连续过程，而是一间隙工作的周期性过程。在这一间歇工作过程中，刀具的切削厚度理论上非一常值。因此切削阻力在理论上也应该和切削厚度变化一致，也是从小到大，再从大到小的周期性变化函数。

②当刀具反转切削路面时，由于起始铣削的路面厚度较小，作业过程中切削厚度由薄到厚，因此工作装置所受冲击负荷相对较小，机械作业平稳，这一优点对铣刨机特别显著。

③当铣刀由下向上铣削时，路面切削部分的底面对刀具在垂直方向的作用力先下后上，其大小和方向与切削深度和路面材料强度有关。该力在作业初始段不利于刀具的切入，在切削后期使刀具切削稳定性好。故转鼓必须有一定的重量以保持进刀。

④转鼓工作时，作用于转鼓刀具水平方向的阻力与机器运动方向相反，从而产生了附加的牵引阻力，牵引功率消耗较大。

⑤转鼓转动时，刀刃的运动轨迹是一条曲率不断变化的曲线，故刀具的切削角及法向力和切向力的方向时刻在变化。

⑥采用不同的刀头断续切削沥青混凝土路面，刀具和机身都承受剧烈的冲击和振动，因此，刀具材料和几何尺寸必须保证其具有较高的耐磨性能外，还必须具有足够强度和冲击韧性，机身必须具有足够的使用重力和较低的重心位置，才能保证机械正平稳的工作状态。

5铣刨机的结构组成及运动分析

根据以上对铣刨机铣削机理和铣削过程分析，我们分别对各个部分进行了设计、计算、绘图，主要包括传动系统设计、切削部分设计、整体机架设计、润滑密封系统设计等。

5.1总体结构组成

图5-1-1总体结构图

1.拖拉机2.转键离合器3.油泵增速系统4.磨擦离合器

5.副车架6.U型螺栓7.后桥8.油缸9.皮带轮和皮带

10.油箱11.液压缸12.连接杆13.万向节14.伞齿轮减速器

15.铣刨罩16.铣刨毂17.铣刀18.变速箱19.配重

小型悬挂式路面铣刨机如图5-1-1，该机构由四轮拖拉机及升降油缸系统、万向节动力连杆、圆锥齿轮减速器、皮带轮减速装置、铣刨鼓、护罩、平衡配重以及各种连接杆、连接架等组成。

5.2运动分析

图5-2-1传动系统简图

该机构动力由四轮拖拉机后端输出，经花键连接1、万向节连杆2和花键3传递到齿轮减速器的输入轴上，齿轮4和5为传动比为1/2的圆锥齿轮，圆锥齿轮4和5啮合后不但完成一级减速，并且把动力由纵向旋转变为横向旋转，再经皮带轮6、皮带7和皮带轮9完成传动比为4/5的二级减速，驱动铣刨滚筒9旋转形成切削主运动。

在选择传动机构时，考虑到路面铣刨机工作路况复杂，振动幅度大，因此选择万向节连接方式来解决；第二因为刨切路面时因路面材料硬度大，且杂物多，硬度大小不一，倒至在切削过程中会出现切不动现象产生的较大的冲击，这种冲击对传动系统会造成来破坏性影响，所以在传动中选择皮带传动装置，应用皮带传动的柔性传动解决切削过程中出现大的冲击状况，避免对传动部件的损伤。

6应用情况

以往施工中采用切割机将损坏路面进行切割，需要一台切割机，一辆拉水车，一台抽水泵，4人完成切割作业，然后人工用镢头进行开挖，每人每小时开挖3m2，费力费时，工作效率低。该设备研制成功后，在我局堤顶道路施工中得到了应用，使用该设备后，损坏路面破碎速度大大提高，破碎后直接用人工清除废料，每小时开挖13m2，相比传统施工方法节省了大量的人力物力。实现了功能多样化，提高了设备利用率，最大化发挥了工程设备的经济效益，该设备有很高的推广价值，能够广泛用于黄河大堤堤顶道路养护工程中。