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铣刨机作业速度对铣刨料粒度影响研究
2022年11月22日    新闻来源:《公路》2021年第4期    |  投稿

摘 要

铣刨机铣刨旧沥青路面时,若作业速度与铣刨转子转速之间不匹配,会导致铣刨料过碎失去再生价值,或者粒度过大需进一步破碎才能再生利用,降低了旧路再生工程的经济性和生产效率。为了研究铣刨机作业速度对铣刨料粒度的影响,进行了铣刨过程运动学分析和试验研究,并采用加权平均粒径和公称最大粒径评价不同铣刨机作业速度下的铣刨料粒度。结果表明,铣刨料加权平均粒径和公称最大粒径两个指标随着铣刨机作业速度增大而增大沥青网sinoasphalt.com。对于文中试验设备而言,当铣刨机作业速度小于1.7m/min时,随着作业速度提高两个指标增长较快;而作业速度大于1.7m/min时,两个指标增长较慢。为了得到公称最大粒径为31.5mm、37.5mm和53.0mm的铣刨料,对应的铣刨机作业速度分别为0.88m/min、1.25m/min和2.51m/min。


关键词 道路工程 | 铣刨机作业速度 | 加权平均粒径 | 公称最大粒径 | 铣刨料粒度


铣刨机是城市道路及公路养护时使用的主要设备。在路面再生工程中,因旧沥青路面出现了大面积拥包、网纹和坑槽等破坏,需要使用铣刨机对旧路面进行回收,将回收后的路面铣刨料与新集料、沥青和矿粉等必要成分拌和均匀得到再生路面材料。沥青路面再生要求在不降低原路面等级和质量情况下进行,这就要求铣刨过程中尽可能减少旧路面的级配破坏[1]。旧路面级配破坏程度轻,铣刨料就可以掺入多,需要添加的新集料的比例相对小。路面再生铣刨料掺配量越大,越能降低工程造价和减少石料资源的浪费。因此,需要对铣刨料粒度的影响因素进行研究。龙建强等对铣刨机的作业原理和转子切削机理进行了研究[2-3];汪学斌等对铣刨机转子运动学和铣削过程进行了分析[4-6];肖宝山等对铣刨机铣刨功率进行了研究[7-8];赵月罗等对铣刨机的参数进行了试验和优化分析[9-10]。针对铣刨料粒度,贾海波等提出利用切削图反映铣刨料粒度情况,并分析了影响切削图形状的因素[11-12];王伟研究了铣刨料粒度与铣刨机转子结构参数和运动参数之间的关系[13]。本文基于以上学者的研究,对铣刨过程中能量传递和运动学进行分析,阐述铣刨机作业速度对铣刨料粒度的影响,并通过现场试验,验证铣刨机作业速度对铣刨料粒度的影响规律。


铣刨过程中的能量传递分析


铣刨机在铣刨过程中,铣刨转子上的铣刀与旧路面材料相接触,发生了能量传递。铣刨机发动机的功率被转化成3种功率消耗,包括转子铣刨功率、行驶系统消耗的功率和辅助系统消耗的功率,其中铣刨功率Nk与铣刨料相关[16-17]。比能耗是铣刨单位体积的路面材料消耗的能量,以其作为动力性和经济性指标,表达式如下[14-15]:

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在Nk和h不变的条件下,比能耗Aw和铣刨机作业速度V的关系如图1所示[14]。

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分析图1可知:随着铣刨机作业速度V增大,铣刨机比能耗Aw成下凹式减小。由铣刨转子铣削机理可知,转子铣刨过程中,铣刨功率大部分用于原路面裂纹的产生和扩展,形成破碎的铣刨料,小部分转变成热能散失、铣刨料的表面能以及运动能的形式存在[16]。当作业速度V增大时,比能耗Aw减小(铣刨单位体积的路面材料消耗的能量减少),即单位体积路面材料变成铣刨料过程中所吸收的能量减少,因此用于该单位体积路面材料的裂纹扩展的能量减小,导致裂纹扩展程度减轻,大块铣刨料没有进一步的破碎。因此,铣刨机作业速度V增大,相应地铣刨料粒度会增大。为了进一步从理论上分析铣刨机作业速度对铣刨料的影响规律,下面从铣刨机转子刀尖运动学的角度进行研究。


铣刨过程中铣刨转子刀尖的运动学分析


铣刨机铣刨鼓上的铣刀刀尖的运动是绕铣刨鼓水平轴线的旋转运动与沿着行驶方向的水平进给运动的复合运动。铣刨机转子刀尖运动轨迹如图2所示。

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刀头A点走过的弧段DE即为铣刀切削过程中的运动轨迹。A点竖直方向的速度Vx由铣刨转子刀头线速度在竖直方向的分量提供,A点水平方向的速度Vx由刀头线速度在水平方向的分量和铣刨机作业速度提供,如式(2)和式(3)所示:

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当铣刨机只有铣刨转子的转动,而作业速度V为0时,刀头从起始位置转过ωt角度,位置处于DF弧段中的B点。实际情况下V不为0,在转过相同ωt角度过程中,仅考虑水平方向,刀尖点会在作业速度V的作用下由B点移动到A点,因此刀尖点实际运动轨迹为弧段DE。AB的距离即为进给距离S,如式(4)所示:

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图2中的ABC所围成的图形可看成三角形,如图3所示。

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根据图3,刀头任意位置的铣削厚度h可表示为:

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分析式(4)和式(5)可知:增加铣刨机作业速度V会增加铣削进给量S和铣削厚度h。而这两个参数是决定铣刨料粒度的关键。作业速度V对S和h的影响如图4所示。

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图4表示随着铣刨机作业速度V增大,铣削进给量S在增大,铣削厚度也在增大,即切削截面变宽变厚。这一方面使生产率增加,另一方面能使路面将来自铣刨机铣刀的铣刨力传递给更多的路面材料,使增加的待铣刨材料共同承担一个铣削循环内的铣刨力,从而将铣削过程中发生崩碎破坏的程度减轻,相应地铣刨料的粒度也偏大。


同样由图4看出,铣刨机作业速度V增大,即铣削进给量S增大,会导致铣削不平整度C加大,使被铣削后路面质量变差。根据其他相关研究可知,铣刨机作业速度V增大也会导致铣削过程中铣削阻力和铣削能耗增加[18]。因此,从降低能耗、减轻刀具磨损程度和保证铣削后路面质量的角度出发,应当控制铣刨机作业速度V不要太大;但也不能过小,不然会导致得到的铣刨料粒度减小,对原路面的级配破坏严重,从而使铣刨料用于再生混合料中的掺量减少。下面用试验数据分析铣刨机作业速度V对铣刨料粒度的具体影响。


试验研究


试验方案与结果


为了进一步了解铣刨机作业速度V对铣刨料粒度影响,从试验方面验证前面从铣刨过程中能量传递和铣刨机转子运动学的两个角度分析得出的结论,对S315线托克托~东河段一级公路所做的试验数据进行分析。


试验设备及参数:试验选择SCM2000C型铣刨机,转子转速为2120r/min,铣刨深度为24cm。


试验过程:试验路段长400m,分成4段,每段100m,在每段衔接处的路边做好醒目标记,铣刨机的司机每过一个标记换一次速度;4段试验路铣刨过程中铣刨机作业速度分别为1.4m/min、1.7m/min、2.3m/min和3.0m/min;分别取4段试验路的铣刨料,分开包装并烘干,对4份铣刨料样品做筛分试验。


筛分试验数据如表1~表4所示。

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对表1、表2、表3和表4中的筛分数据进行整理,分别统计出每一速度下每个筛孔的通过率,得到4种作业速度下铣刨料的级配曲线图,如图5所示。

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分析图5可知:铣刨机作业速度V从1.4m/min增大到3.0m/min过程中,级配曲线图中曲线在下降。即筛孔通过率降低,说明速度增大导致铣刨料粒径整体变大。


加权平均粒径评价铣刨料粒度变化


根据不规则颗粒加权平均粒径计算公式,计算各档铣刨机作业速度下的铣刨料加权平均粒径,如式(6)所示[19]:

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分析图5中作业速度为1.4m/min的情况,筛孔尺寸37.5mm上一级的筛孔尺寸为53mm,筛孔尺寸37.5~53mm这一组铣刨料的平均粒径就是d37.5=(37.5+53)/2=45.3mm,该组铣刨料的质量占总样品质量的比例Δp37.5是37.5mm试验筛的分计筛余10.6%。按照上述计算步骤,分别计算出作业速度为1.4m/min的情况下31.5~37.5mm、19~31.5mm、9.5~19mm、4.75~9.5mm、2.36~4.75mm、0.6~2.36mm和0.075~0.6mm这几组的平均粒径dj和质量占比Δpj,代入式(6)即可计算出铣刨机作业速度为1.4m/min的工况下的铣刨料样品加权平均粒径。各作业速度下得到的铣刨料加权平均粒径如表5所示。

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分析图6可知,一定范围内增大铣刨机作业速度将增大铣刨料的加权平均粒径,此规律与图5中的筛分曲线反映的规律契合。当铣刨机作业速度V小于1.7m/min时,随着V增加,铣刨料加权平均粒径di增加较迅速;当V大于1.7m/min时,di增加得较缓慢。


公称最大粒径评价铣刨料粒度变化


公称最大粒径(NMPS)是与集料有关的重要指标,是指集料全部通过或少量不通过(一般容许筛余不超过10%)的最小标准筛筛孔尺寸,取铣刨料的公称最大粒径为筛余是10%时对应的标准筛筛孔尺寸[20]。根据表1~表4中的筛分数据,借助matlab软件对每个表中筛孔尺寸和通过率进行曲线拟合,再根据拟合出来的曲线计算通过率为90%(即筛余为10%)所对应的公称最大粒径。


各铣刨速度下经拟合得到的公称最大粒径如表6所示。

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将表6中数据表示成折线图,如图7所示。

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分析图7可知,整体上看,铣刨料公称最大粒径随着铣刨机作业速度增大而增大,此规律与图5中的筛分曲线反映的规律契合。当铣刨机作业速度V小于1.7m/min时,随着V增加,铣刨料公称最大粒径增加较迅速;当铣刨机作业速度V大于1.7m/min时,铣刨料公称最大粒径增加得较缓慢。其变化趋势与图6较为类似。综合图6和图7可知:铣刨机施工时作业速度宜大于1.7m/min,可避免因速度变化导致铣刨料的粒度波动太大。


借助matlab,对表6中的数据点采用同样方法进行曲线拟合。考虑到铣刨机作业速度为0m/min时,铣刨料公称最大粒径为0mm,故将其作为一个数据点加入到表6数据组中共同拟合,分别得到公称最大粒径为31.5mm、37.5mm和53.0mm时对应的铣刨机作业速度分别为0.88m/min、1.25m/min和2.51m/min。即:铣刨机施工中若要求获得的铣刨料公称最大粒径不大于31.5mm、37.5mm和53.0mm,铣刨机作业速度应分别不超过0.88m/min、1.25m/min和2.51m/min。


结语


通过对铣刨过程中能量传递和运动学进行研究,通过作业速度和粒径的关系进行试验,得出以下结论。


(1)增大铣刨机作业速度会增大铣削进给量和铣削厚度,切削截面变宽变厚,这样一方面使得生产率增加;另一方面能将从铣刨机铣刀获得的铣刨力分散均匀,使路面材料被铣削过程中发生崩碎破坏的程度减轻,从而获得的铣刨料粒度增大。


(2)铣刨料加权平均粒径和公称最大粒径能作为铣刨料的粒度评价指标。在一定铣刨机作业速度范围内,随着作业速度增大,铣刨料加权平均粒径和公称最大粒径均增大,在作业速度小于1.7m/min的情况下,两个指标均增长较快;在作业速度大于1.7m/min的情况下,呈现增长较慢的趋势。建议铣刨机施工时将作业速度控制在1.7m/min以上,以降低铣刨料粒度对于作业速度变化的敏感性。铣刨机施工中若要求获得的铣刨料公称最大粒径不大于31.5mm、37.5mm和53.0mm,铣刨机作业速度应分别不超过0.88m/min、1.25m/min和2.51m/min。

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