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摘 要

銑刨機(jī)銑刨舊瀝青路面時(shí)，若作業(yè)速度與銑刨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間不匹配，會(huì)導(dǎo)致銑刨料過碎失去再生價(jià)值，或者粒度過大需進(jìn)一步破碎才能再生利用，降低了舊路再生工程的經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)效率。為了研究銑刨機(jī)作業(yè)速度對(duì)銑刨料粒度的影響，進(jìn)行了銑刨過程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和試驗(yàn)研究，并采用加權(quán)平均粒徑和公稱最大粒徑評(píng)價(jià)不同銑刨機(jī)作業(yè)速度下的銑刨料粒度。結(jié)果表明，銑刨料加權(quán)平均粒徑和公稱最大粒徑兩個(gè)指標(biāo)隨著銑刨機(jī)作業(yè)速度增大而增大瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。對(duì)于文中試驗(yàn)設(shè)備而言，當(dāng)銑刨機(jī)作業(yè)速度小于1.7m/min時(shí)，隨著作業(yè)速度提高兩個(gè)指標(biāo)增長(zhǎng)較快；而作業(yè)速度大于1.7m/min時(shí)，兩個(gè)指標(biāo)增長(zhǎng)較慢。為了得到公稱最大粒徑為31.5mm、37.5mm和53.0mm的銑刨料，對(duì)應(yīng)的銑刨機(jī)作業(yè)速度分別為0.88m/min、1.25m/min和2.51m/min。

關(guān)鍵詞 道路工程 | 銑刨機(jī)作業(yè)速度 | 加權(quán)平均粒徑 | 公稱最大粒徑 | 銑刨料粒度

銑刨機(jī)是城市道路及公路養(yǎng)護(hù)時(shí)使用的主要設(shè)備。在路面再生工程中，因舊瀝青路面出現(xiàn)了大面積擁包、網(wǎng)紋和坑槽等破壞，需要使用銑刨機(jī)對(duì)舊路面進(jìn)行回收，將回收后的路面銑刨料與新集料、瀝青和礦粉等必要成分拌和均勻得到再生路面材料。瀝青路面再生要求在不降低原路面等級(jí)和質(zhì)量情況下進(jìn)行，這就要求銑刨過程中盡可能減少舊路面的級(jí)配破壞[1]。舊路面級(jí)配破壞程度輕，銑刨料就可以摻入多，需要添加的新集料的比例相對(duì)小。路面再生銑刨料摻配量越大，越能降低工程造價(jià)和減少石料資源的浪費(fèi)。因此，需要對(duì)銑刨料粒度的影響因素進(jìn)行研究。龍建強(qiáng)等對(duì)銑刨機(jī)的作業(yè)原理和轉(zhuǎn)子切削機(jī)理進(jìn)行了研究[2-3]；汪學(xué)斌等對(duì)銑刨機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)學(xué)和銑削過程進(jìn)行了分析[4-6]；肖寶山等對(duì)銑刨機(jī)銑刨功率進(jìn)行了研究[7-8]；趙月羅等對(duì)銑刨機(jī)的參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)和優(yōu)化分析[9-10]。針對(duì)銑刨料粒度，賈海波等提出利用切削圖反映銑刨料粒度情況，并分析了影響切削圖形狀的因素[11-12]；王偉研究了銑刨料粒度與銑刨機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系[13]。本文基于以上學(xué)者的研究，對(duì)銑刨過程中能量傳遞和運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，闡述銑刨機(jī)作業(yè)速度對(duì)銑刨料粒度的影響，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證銑刨機(jī)作業(yè)速度對(duì)銑刨料粒度的影響規(guī)律。

銑刨過程中的能量傳遞分析

銑刨機(jī)在銑刨過程中，銑刨轉(zhuǎn)子上的銑刀與舊路面材料相接觸，發(fā)生了能量傳遞。銑刨機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率被轉(zhuǎn)化成3種功率消耗，包括轉(zhuǎn)子銑刨功率、行駛系統(tǒng)消耗的功率和輔助系統(tǒng)消耗的功率，其中銑刨功率Nk與銑刨料相關(guān)[16-17]。比能耗是銑刨單位體積的路面材料消耗的能量，以其作為動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，表達(dá)式如下[14-15]：

在Nk和h不變的條件下，比能耗Aw和銑刨機(jī)作業(yè)速度V的關(guān)系如圖1所示[14]。

分析圖1可知：隨著銑刨機(jī)作業(yè)速度V增大，銑刨機(jī)比能耗Aw成下凹式減小。由銑刨轉(zhuǎn)子銑削機(jī)理可知，轉(zhuǎn)子銑刨過程中，銑刨功率大部分用于原路面裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，形成破碎的銑刨料，小部分轉(zhuǎn)變成熱能散失、銑刨料的表面能以及運(yùn)動(dòng)能的形式存在[16]。當(dāng)作業(yè)速度V增大時(shí)，比能耗Aw減小(銑刨單位體積的路面材料消耗的能量減少)，即單位體積路面材料變成銑刨料過程中所吸收的能量減少，因此用于該單位體積路面材料的裂紋擴(kuò)展的能量減小，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展程度減輕，大塊銑刨料沒有進(jìn)一步的破碎。因此，銑刨機(jī)作業(yè)速度V增大，相應(yīng)地銑刨料粒度會(huì)增大。為了進(jìn)一步從理論上分析銑刨機(jī)作業(yè)速度對(duì)銑刨料的影響規(guī)律，下面從銑刨機(jī)轉(zhuǎn)子刀尖運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度進(jìn)行研究。

銑刨過程中銑刨轉(zhuǎn)子刀尖的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

銑刨機(jī)銑刨鼓上的銑刀刀尖的運(yùn)動(dòng)是繞銑刨鼓水平軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與沿著行駛方向的水平進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。銑刨機(jī)轉(zhuǎn)子刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。

刀頭A點(diǎn)走過的弧段DE即為銑刀切削過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡。A點(diǎn)豎直方向的速度Vx由銑刨轉(zhuǎn)子刀頭線速度在豎直方向的分量提供，A點(diǎn)水平方向的速度Vx由刀頭線速度在水平方向的分量和銑刨機(jī)作業(yè)速度提供，如式(2)和式(3)所示：

當(dāng)銑刨機(jī)只有銑刨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，而作業(yè)速度V為0時(shí)，刀頭從起始位置轉(zhuǎn)過ωt角度，位置處于DF弧段中的B點(diǎn)。實(shí)際情況下V不為0，在轉(zhuǎn)過相同ωt角度過程中，僅考慮水平方向，刀尖點(diǎn)會(huì)在作業(yè)速度V的作用下由B點(diǎn)移動(dòng)到A點(diǎn)，因此刀尖點(diǎn)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡為弧段DE。AB的距離即為進(jìn)給距離S，如式(4)所示：

圖2中的ABC所圍成的圖形可看成三角形，如圖3所示。

根據(jù)圖3，刀頭任意位置的銑削厚度h可表示為：

分析式(4)和式(5)可知：增加銑刨機(jī)作業(yè)速度V會(huì)增加銑削進(jìn)給量S和銑削厚度h。而這兩個(gè)參數(shù)是決定銑刨料粒度的關(guān)鍵。作業(yè)速度V對(duì)S和h的影響如圖4所示。

圖4表示隨著銑刨機(jī)作業(yè)速度V增大，銑削進(jìn)給量S在增大，銑削厚度也在增大，即切削截面變寬變厚。這一方面使生產(chǎn)率增加，另一方面能使路面將來自銑刨機(jī)銑刀的銑刨力傳遞給更多的路面材料，使增加的待銑刨材料共同承擔(dān)一個(gè)銑削循環(huán)內(nèi)的銑刨力，從而將銑削過程中發(fā)生崩碎破壞的程度減輕，相應(yīng)地銑刨料的粒度也偏大。

同樣由圖4看出，銑刨機(jī)作業(yè)速度V增大，即銑削進(jìn)給量S增大，會(huì)導(dǎo)致銑削不平整度C加大，使被銑削后路面質(zhì)量變差。根據(jù)其他相關(guān)研究可知，銑刨機(jī)作業(yè)速度V增大也會(huì)導(dǎo)致銑削過程中銑削阻力和銑削能耗增加[18]。因此，從降低能耗、減輕刀具磨損程度和保證銑削后路面質(zhì)量的角度出發(fā)，應(yīng)當(dāng)控制銑刨機(jī)作業(yè)速度V不要太大；但也不能過小，不然會(huì)導(dǎo)致得到的銑刨料粒度減小，對(duì)原路面的級(jí)配破壞嚴(yán)重，從而使銑刨料用于再生混合料中的摻量減少。下面用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析銑刨機(jī)作業(yè)速度V對(duì)銑刨料粒度的具體影響。

試驗(yàn)研究

試驗(yàn)方案與結(jié)果

為了進(jìn)一步了解銑刨機(jī)作業(yè)速度V對(duì)銑刨料粒度影響，從試驗(yàn)方面驗(yàn)證前面從銑刨過程中能量傳遞和銑刨機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)學(xué)的兩個(gè)角度分析得出的結(jié)論，對(duì)S315線托克托~東河段一級(jí)公路所做的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)：試驗(yàn)選擇SCM2000C型銑刨機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2120r/min，銑刨深度為24cm。

試驗(yàn)過程：試驗(yàn)路段長(zhǎng)400m，分成4段，每段100m，在每段銜接處的路邊做好醒目標(biāo)記，銑刨機(jī)的司機(jī)每過一個(gè)標(biāo)記換一次速度；4段試驗(yàn)路銑刨過程中銑刨機(jī)作業(yè)速度分別為1.4m/min、1.7m/min、2.3m/min和3.0m/min；分別取4段試驗(yàn)路的銑刨料，分開包裝并烘干，對(duì)4份銑刨料樣品做篩分試驗(yàn)。

篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1~表4所示。

對(duì)表1、表2、表3和表4中的篩分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行整理，分別統(tǒng)計(jì)出每一速度下每個(gè)篩孔的通過率，得到4種作業(yè)速度下銑刨料的級(jí)配曲線圖，如圖5所示。

分析圖5可知：銑刨機(jī)作業(yè)速度V從1.4m/min增大到3.0m/min過程中，級(jí)配曲線圖中曲線在下降。即篩孔通過率降低，說明速度增大導(dǎo)致銑刨料粒徑整體變大。

加權(quán)平均粒徑評(píng)價(jià)銑刨料粒度變化

根據(jù)不規(guī)則顆粒加權(quán)平均粒徑計(jì)算公式，計(jì)算各檔銑刨機(jī)作業(yè)速度下的銑刨料加權(quán)平均粒徑，如式(6)所示[19]：

分析圖5中作業(yè)速度為1.4m/min的情況，篩孔尺寸37.5mm上一級(jí)的篩孔尺寸為53mm，篩孔尺寸37.5~53mm這一組銑刨料的平均粒徑就是d37.5＝(37.5＋53)/2＝45.3mm，該組銑刨料的質(zhì)量占總樣品質(zhì)量的比例Δp37.5是37.5mm試驗(yàn)篩的分計(jì)篩余10.6％。按照上述計(jì)算步驟，分別計(jì)算出作業(yè)速度為1.4m/min的情況下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這幾組的平均粒徑dj和質(zhì)量占比Δpj，代入式(6)即可計(jì)算出銑刨機(jī)作業(yè)速度為1.4m/min的工況下的銑刨料樣品加權(quán)平均粒徑。各作業(yè)速度下得到的銑刨料加權(quán)平均粒徑如表5所示。

分析圖6可知，一定范圍內(nèi)增大銑刨機(jī)作業(yè)速度將增大銑刨料的加權(quán)平均粒徑，此規(guī)律與圖5中的篩分曲線反映的規(guī)律契合。當(dāng)銑刨機(jī)作業(yè)速度V小于1.7m/min時(shí)，隨著V增加，銑刨料加權(quán)平均粒徑di增加較迅速；當(dāng)V大于1.7m/min時(shí)，di增加得較緩慢。

公稱最大粒徑評(píng)價(jià)銑刨料粒度變化

公稱最大粒徑(NMPS)是與集料有關(guān)的重要指標(biāo)，是指集料全部通過或少量不通過(一般容許篩余不超過10％)的最小標(biāo)準(zhǔn)篩篩孔尺寸，取銑刨料的公稱最大粒徑為篩余是10％時(shí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)篩篩孔尺寸[20]。根據(jù)表1~表4中的篩分?jǐn)?shù)據(jù)，借助matlab軟件對(duì)每個(gè)表中篩孔尺寸和通過率進(jìn)行曲線擬合，再根據(jù)擬合出來的曲線計(jì)算通過率為90％(即篩余為10％)所對(duì)應(yīng)的公稱最大粒徑。

各銑刨速度下經(jīng)擬合得到的公稱最大粒徑如表6所示。

將表6中數(shù)據(jù)表示成折線圖，如圖7所示。

分析圖7可知，整體上看，銑刨料公稱最大粒徑隨著銑刨機(jī)作業(yè)速度增大而增大，此規(guī)律與圖5中的篩分曲線反映的規(guī)律契合。當(dāng)銑刨機(jī)作業(yè)速度V小于1.7m/min時(shí)，隨著V增加，銑刨料公稱最大粒徑增加較迅速；當(dāng)銑刨機(jī)作業(yè)速度V大于1.7m/min時(shí)，銑刨料公稱最大粒徑增加得較緩慢。其變化趨勢(shì)與圖6較為類似。綜合圖6和圖7可知：銑刨機(jī)施工時(shí)作業(yè)速度宜大于1.7m/min，可避免因速度變化導(dǎo)致銑刨料的粒度波動(dòng)太大。

借助matlab，對(duì)表6中的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用同樣方法進(jìn)行曲線擬合?？紤]到銑刨機(jī)作業(yè)速度為0m/min時(shí)，銑刨料公稱最大粒徑為0mm，故將其作為一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)加入到表6數(shù)據(jù)組中共同擬合，分別得到公稱最大粒徑為31.5mm、37.5mm和53.0mm時(shí)對(duì)應(yīng)的銑刨機(jī)作業(yè)速度分別為0.88m/min、1.25m/min和2.51m/min。即：銑刨機(jī)施工中若要求獲得的銑刨料公稱最大粒徑不大于31.5mm、37.5mm和53.0mm，銑刨機(jī)作業(yè)速度應(yīng)分別不超過0.88m/min、1.25m/min和2.51m/min。

結(jié)語

通過對(duì)銑刨過程中能量傳遞和運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行研究，通過作業(yè)速度和粒徑的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1)增大銑刨機(jī)作業(yè)速度會(huì)增大銑削進(jìn)給量和銑削厚度，切削截面變寬變厚，這樣一方面使得生產(chǎn)率增加；另一方面能將從銑刨機(jī)銑刀獲得的銑刨力分散均勻，使路面材料被銑削過程中發(fā)生崩碎破壞的程度減輕，從而獲得的銑刨料粒度增大。

(2)銑刨料加權(quán)平均粒徑和公稱最大粒徑能作為銑刨料的粒度評(píng)價(jià)指標(biāo)。在一定銑刨機(jī)作業(yè)速度范圍內(nèi)，隨著作業(yè)速度增大，銑刨料加權(quán)平均粒徑和公稱最大粒徑均增大，在作業(yè)速度小于1.7m/min的情況下，兩個(gè)指標(biāo)均增長(zhǎng)較快；在作業(yè)速度大于1.7m/min的情況下，呈現(xiàn)增長(zhǎng)較慢的趨勢(shì)。建議銑刨機(jī)施工時(shí)將作業(yè)速度控制在1.7m/min以上，以降低銑刨料粒度對(duì)于作業(yè)速度變化的敏感性。銑刨機(jī)施工中若要求獲得的銑刨料公稱最大粒徑不大于31.5mm、37.5mm和53.0mm，銑刨機(jī)作業(yè)速度應(yīng)分別不超過0.88m/min、1.25m/min和2.51m/min。