摘 要：路面铣刨机作为公路及城市道路养护的专用设备，根据目前的我国公路发展的统计情况来看，未来公路养护对路面铣刨机的需求将会逐年增加。文章详尽地分析了路面冷铣刨机的总体结构，并对路面冷铣刨机的总体结构进行了设计，为进一步研究路面冷铣刨机结构设计提供参考。

关键词：铣刨机；工作原理；总体设计；主要参数

引言

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刨的方法把混凝土路面局部或全部破碎，铣刨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、机场、货场、停车厂等沥青混凝土土地面层的开挖、翻修，可以高效地清除道路痈包、油浪、网纹、车辙等，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。

1 国内外发展情况

1.1 国外发展情况

国外路面铣刨机起源于二十世纪五十年代初，经过五十年的发展，积累了丰富的研制应用经验。随着现代机、电、液一体化技术的成功应用，其技术参数、整机性能、外观形象等得到突破性进展，形成了以德国维特根公司产品为代表的欧洲风格和以美国卡特彼勒公司、RoadTech公司、CIM公司产品为代表的北美风格。它们的工作原理相同，发动机的装机容量基本相当；区别在于欧洲的铣刨机采用四履带行走方式，外形结构紧凑、精巧，更多的采用电子控制技术，特别是目前的数字电子网络控制技术。而北美的铣刨机均采用三履带行走方式，造型粗犷，更加坚固。其产品已形成系列化，生产效率一般为150m2/h-2000m2/h，铣刨宽度为0.3m～4.2m。最大铣刨深度可达350mm。

1.2 国内发展情况

国内沥青路面铣刨机的发展起步于二十世纪八十年代，1985年交通部将“沥青路面旧料再生设备的研究”列为重点科研项目。随后，湖北襄樊公路机械厂以铁牛55型拖拉机为底盘，研制了一种简易的1m铣刨机。1987年江苏镇江路面机械厂研制出了LX-1000型铣刨机。近几年来，随着我国公路建设的持续发展，高等级路面，特别是高速公路的机械化养护已越来越引起公路使用管理部门重视，公路及城市道路的改建、翻修工程日益增加，沥青路面铣刨机得到较快的发展。国内的镇江华晨华通公司、徐州工程机械集团以及山东德工等厂家已先后开发出了采用液压驱动、并带有回收装置的铣刨机。在动力系统、液压系统和控制系统上均采用了国际化配套，达到国际先进水平；整机结构设计、系统设计、控制系统设计、制造工艺设计部分或全部达到了国际水平。

2 路面冷铣刨机结构及工作原理

2.1 工作原理

整机动力由发动机分两支路提供给铣刨机转子和液压系统，发动机的飞轮引出的动力输出经离合器通过皮带传动到铣削转子之轮边减速器，驱动铣刨转子作业。另外，通过四个液压泵传递动力至行走系统、输料带运行系统、各油缸动作系统、洒水和冷却等四个相对独立的回路，整机的实现作业。

2.2 主要结构

整机机构图如图1所示：

1-细胞深度控制器；2-发动机；3-传感器；4-面板；5-水箱；6-二级输送带；7-一级输送带；8-铣刨滚筒；9-压板；10-行走履带；11-液压支柱

图1 露面冷铣刨机整体结构图

3 总体设计及主要参数的设计计算

3.1 总体设计

路面冷铣刨机的总体设计主要是根据使用情况确定主参数——生产率，即单位时间内铣刨路面物料的体积。根据主参数即确定工作宽度、外形几何尺寸等基本参数。在具体设计要注意贯彻系列化、通用化、标准化的原则，对已有的同类产品作充分的调查研究，设计中尽可能采用新技术、新材料、新工艺、新结构。同时还应兼顾其经济性、耐久性、安全性及维修的方法性和操作的舒适性。

铣刨机在设计时可采用类比法或经验法来确定有关参数。

3.2 主要参数的计算

3.2.1 进距的确定

图2 进距计算原理

进距S的确定刀具的水平进距S为转子同一切削位置上相继切削的刀具轨迹1和2之间的水平距离（如图2），亦即转子在转过同一横段面上相邻刀具之间夹角这一角度的时间Δt内转子轴线前进的水平距离。当转子上每排Z把刀时进距为：

S=v×△t=v×2×？仔/（Z？棕）=2×？仔R/（Z？姿）（1）

式中：S-进距，m；v-行走速度，m/s；？棕-转子角速度，s-1；？姿-运动学参数，？姿=v/v0；v0-转子圆周速度，m/s；R-转子半径，m。

根据转子设计要求，Z=16把，故而：

S=2×？仔×1.06/（16×1.0/0.2）=0.043m

因为在稳定运动时？姿为常数，所以不论将刀具轨迹的哪一点作为起点，其进距均为一S。刀具的进距是铣刨机主要的工艺参数之一。要考虑一种极限状态，即相邻轨迹不相交而是相切为分离的状态，此时：

S=（2R/？姿）arcsin（1/？姿）±2R■-？仔R/？姿 （2）

Smax=0.081m

设计时，进距S一般取35mm～50mm，但应小于式（2）计算的极限值。进距S除对铣刨质量产生影响外，还对功率消耗及生产率也产生影响，因而需要综合考虑才能选定。当发动机的功率富裕时，可以考虑增大进距S值，以提高生产率。

3.2.2 铣刨宽度B和铣刨深度H的确定

铣刨宽度应以降低整机质量，提高整机机动性为前提，结合考虑整机的结构尺寸要求为选择原则。铣刨宽度要求超过后轮胎/履带压痕外沿宽度。本机设计要求为B=2000mm。

铣刨深度H根据机型大小和工程要求不尽相同，本机设计为H=0～300mm。铣刨宽度B，铣刨深度H二者的乘积为转子的工作断面，由发动机的功率确定。不要希望通过增加铣刨宽度和铣刨深度来提高作业生产率，实际上对确定的发动机的功率，在一定的作业参数条件下仅与唯一的工作断面相适应。

3.2.3 工作速度和行驶速度

行驶速度可根据需要及行走机构的形式确定，一般为0～10km/h，大中型铣刨机一般不超过4.5km/h。

本机的设计为铣刨速度？淄0=0～12m/min，行使速度？淄=0～4.5Km/h。

本机设计时，采用经验法，估值为铣刨速度？淄0=12m/min=0.2m/s，行使速度为？淄=1.0m/s。

3.2.4 圆周速度的确定

其选择受到进距S值的约束，应以S值极限值计算式作为选择依据，一般选用较高的圆周速度，以保证有间较高的生产率。一般取？淄=5-7m/s。

本机设计转子转速取为n=120rad/min。

则本机的圆周速度v=？仔nD=？仔×120/60×1.06m/s=6.66m/s

3.2.5 铣刨机整机功率

整机功率由铣削功率Px，工作牵引功率Pg和辅助装置功率Pf组成，一般经验Px占整机功率的80%-85%，Pg占整机功率的10%-15%，Pf占整机功率的5%左右，若有集料装置，Pf占整机功率的10%左右，则整机功率Pz为：

Pz=Px+Pg+Pf （3）

整机功率Pz主要取决于铣刨机的铣削宽度B和铣削深度H的大小，亦即铣削的横截面积A：

A=B×H（4）

根据经验，整机功率：

Pz=f*A （5）

式中：f-经验数量，一般取900-1200。

由于铣刨机水平H方向的受力直接影响着整机牵引力，鉴于铣刨机的复合运动（由转鼓绕其轴线旋转的相对运动和轴线自身随机具平移的牵连运动所组成），故将其运动过程分解为以角速度ω的纯滚动和随整机作以行使速度V的纯直线运动，以便于对水平工作阻力FH的讨论。

（1）以角速度为ω作纯转动时的FH

铣刨机纯转动时刀具受力分析如图3所示。

图3 铣刨机纯转动时刀具受力分析

当铣刨机工作时，其铣刨鼓主要受力为切向的主切削力FT。

FH1=F？子·cos？兹 （6）

当铣刀在注意低点时，FT最大，此时θ=0，即FH1由FT构成。

FH1=F？子·cos？兹=k1Ba？子v/u （7）

式中：ae-铣刨厚度，mm；k1=1.2×107；u-转鼓圆周速度，m/s。

（2）以作业速度v作纯直线运动时的FH2

铣刨机做纯直线运动时的刀具受力分析如图4所示。

图4 铣刨机做纯直线运动时的刀具受力分析

在单独讨论FH2时，其模型类似于农业机械中的犁体切削，此时忽略圆周切削速度的影响。进行犁的受力分析时，犁体克服的土壤是一空间力系，其主矢量的水平H方向分力FH在已知耕地时的土壤比阻的条件下按下述公式求出：

FH2=？浊K2ab （8）

式中：？浊-犁的效率，一般为0.6～0.8，铣刨机效率？浊"取0.7。Kr-单位切削断面积所产生的阻力（Kpa），在低速匀速时为常数。Kr不仅与铣削材料性质及状态有关，且还取决于切屑尺寸和切速。

一般的土壤的比阻Kr约为120～160Kpa，而路面材料与土壤均为弹-塑性体，且两者功率表达式具有近似的结构，都与切宽、切厚以及切速有关。铣刨机N0一般为1.2×107×ae？淄（W），因此，在铣削沥青混凝土时，其水平切削比阻Kh约为（1.2×107×ae？淄）×140/9Pa。则：

FH2=K2Ba？子2？淄 （9）

式中：FH2-纯直线运动时的水平切削力；K2=1.4×108；

由以上讨论可得铣刨机的水平工作阻力计算公式：

FH=FH1+FH2=K1Baev/u+K2Bae2？淄 （10）

则计算得：

FH=1.2×107×（2×0.2×0.2）/6.66+1.4×108×2×0.22×0.2

=368.144KN；

则：铣削功率Px=FH×？淄=368.144×1.0Kw=368.144Kw；

一般经验Px占整机功率的80%-85%，

则整机功率Pz为：Pz=368.144/85% KW=432.9Kw。

这个只是在Px占整机功率的85%的时候之值，故而Pz可以更大点。

本机设计时，取发动机的输出功率为Pz=448Kw。同时，设计时，铣削深度估值为H=200mm，则铣刨机工作时的横截面积：

A=B×H=0.2×2.0m2=0.4m2

则Pz=f×A=（900～1200）×0.4Kw=360～480Kw，所以Pz=448Kw满足经验公式。

3.2.6 整机质量及前后轴荷重分配

铣削转子为一种旋转主动型工作部件，它的工作由发动机通过传动装置直接驱动，需要有一定的附着质量以增大牵引能力，铣刨机工作时要克服转子切削的水平分子和轮胎或者履带的滚动阻力，但由于其牵引力与同样功率的牵引型机械相比，仅为其20%左右，因此，铣刨机的整机质量仅为一种结构质量，满足整机稳定性要求后越小越好。

铣刨机整机质量mz（Kg）与整机功率Pz（Kw）有一定的比例关系，即：

mz=K·Pz（11）

K为经验系数，一般中小型机取110-130，大型机取75-90。本机设计时选取K=80。

前后轴荷重分配：

（1）不带集料输送装置的铣刨机，前轴荷重占整机质量的53%～55%，后轴荷重占45%～47%。

（2）带集料输送装置的铣刨机，前轴荷重占整机质量的44%～45%，后轴荷重占55%～56%。

则整机的质量mz=K·Pz=80×448Kg=35840Kg；

由于本机设计时带有集料输送装置，故而：

前轴质量m前=mz×45%=35840×45%=16128.0Kg；

后轴质量m后=mz×55%=35840×55%=19712.0Kg；

3.2.7 转子直径及转向方式的确定

铣削圆直径是指铣刀尖旋转轨迹圆直径，直径D大小与整机功率、切削深度及切削圆周速度有关，一般情况铣削圆直径越大，铣削深度也越大，一般中小型单位400mm～800mm之间，大型机为800mm～1100mm之间。本机的设计选取直径D=1060mm。

对于铣刨转向，目前铣刨机厂家大都选择逆铣方式。逆铣方式铣削转子旋转方向，与废料下落方向相反；对废料来说，运程短，重复破碎可能性小，节省功率。同时，从动力学方面来分析，顺铣使得铣刨机工作时受到较大较频繁的冲击影响到铣刨的质量和速度，故而本机设计采用的是逆铣。

4 结束语

2m路面铣刨机的总体设计，它包括了机械、电子、液压、信息控制等各个方面，是目前机械发展趋势的一个缩影表现。它对设计的经验的依赖性比较大，实践性也较强。在整个设计过程中，整机功率的确定和发动机的选型是本次设计的难点。本次设计为进一步研究路面冷铣刨机结构设计提供参考。

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作者简介：叶智彪（1982，9-），男，汉族，九江职业技术学院汽车专业教研室主任，讲师，毕业于长安大学，机械设计及理论专业，硕士研究生，主要研究方向：机械设计、汽车检测与维修技术。