摘 要

銑刨機銑刨舊瀝青路面時，若作業速度與銑刨轉子轉速之間不匹配，會導致銑刨料過碎失去再生價值，或者粒度過大需進一步破碎才能再生利用，降低了舊路再生工程的經濟性和生產效率。為了研究銑刨機作業速度對銑刨料粒度的影響，進行了銑刨過程運動學分析和試驗研究，并采用加權平均粒徑和公稱最大粒徑評價不同銑刨機作業速度下的銑刨料粒度。結果表明，銑刨料加權平均粒徑和公稱最大粒徑兩個指標隨著銑刨機作業速度增大而增大瀝青網sinoasphalt.com。對于文中試驗設備而言，當銑刨機作業速度小于1.7m/min時，隨著作業速度提高兩個指標增長較快；而作業速度大于1.7m/min時，兩個指標增長較慢。為了得到公稱最大粒徑為31.5mm、37.5mm和53.0mm的銑刨料，對應的銑刨機作業速度分別為0.88m/min、1.25m/min和2.51m/min。

關鍵詞 道路工程 | 銑刨機作業速度 | 加權平均粒徑 | 公稱最大粒徑 | 銑刨料粒度

銑刨機是城市道路及公路養護時使用的主要設備。在路面再生工程中，因舊瀝青路面出現了大面積擁包、網紋和坑槽等破壞，需要使用銑刨機對舊路面進行回收，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和質量情況下進行，這就要求銑刨過程中盡可能減少舊路面的級配破壞[1]。舊路面級配破壞程度輕，銑刨料就可以摻入多，需要添加的新集料的比例相對小。路面再生銑刨料摻配量越大，越能降低工程造價和減少石料資源的浪費。因此，需要對銑刨料粒度的影響因素進行研究。龍建強等對銑刨機的作業原理和轉子切削機理進行了研究[2-3]；汪學斌等對銑刨機轉子運動學和銑削過程進行了分析[4-6]；肖寶山等對銑刨機銑刨功率進行了研究[7-8]；趙月羅等對銑刨機的參數進行了試驗和優化分析[9-10]。針對銑刨料粒度，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轉子結構參數和運動參數之間的關系[13]。本文基于以上學者的研究，對銑刨過程中能量傳遞和運動學進行分析，闡述銑刨機作業速度對銑刨料粒度的影響，并通過現場試驗，驗證銑刨機作業速度對銑刨料粒度的影響規律。

銑刨過程中的能量傳遞分析

銑刨機在銑刨過程中，銑刨轉子上的銑刀與舊路面材料相接觸，發生了能量傳遞。銑刨機發動機的功率被轉化成3種功率消耗，包括轉子銑刨功率、行駛系統消耗的功率和輔助系統消耗的功率，其中銑刨功率Nk與銑刨料相關[16-17]。比能耗是銑刨單位體積的路面材料消耗的能量，以其作為動力性和經濟性指標，表達式如下[14-15]：

在Nk和h不變的條件下，比能耗Aw和銑刨機作業速度V的關系如圖1所示[14]。

分析圖1可知：隨著銑刨機作業速度V增大，銑刨機比能耗Aw成下凹式減小。由銑刨轉子銑削機理可知，轉子銑刨過程中，銑刨功率大部分用于原路面裂紋的產生和擴展，形成破碎的銑刨料，小部分轉變成熱能散失、銑刨料的表面能以及運動能的形式存在[16]。當作業速度V增大時，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展的能量減小，導致裂紋擴展程度減輕，大塊銑刨料沒有進一步的破碎。因此，銑刨機作業速度V增大，相應地銑刨料粒度會增大。為了進一步從理論上分析銑刨機作業速度對銑刨料的影響規律，下面從銑刨機轉子刀尖運動學的角度進行研究。

銑刨過程中銑刨轉子刀尖的運動學分析

銑刨機銑刨鼓上的銑刀刀尖的運動是繞銑刨鼓水平軸線的旋轉運動與沿著行駛方向的水平進給運動的復合運動。銑刨機轉子刀尖運動軌跡如圖2所示。

刀頭A點走過的弧段DE即為銑刀切削過程中的運動軌跡。A點豎直方向的速度Vx由銑刨轉子刀頭線速度在豎直方向的分量提供，A點水平方向的速度Vx由刀頭線速度在水平方向的分量和銑刨機作業速度提供，如式(2)和式(3)所示：

當銑刨機只有銑刨轉子的轉動，而作業速度V為0時，刀頭從起始位置轉過ωt角度，位置處于DF弧段中的B點。實際情況下V不為0，在轉過相同ωt角度過程中，僅考慮水平方向，刀尖點會在作業速度V的作用下由B點移動到A點，因此刀尖點實際運動軌跡為弧段DE。AB的距離即為進給距離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：增加銑刨機作業速度V會增加銑削進給量S和銑削厚度h。而這兩個參數是決定銑刨料粒度的關鍵。作業速度V對S和h的影響如圖4所示。

圖4表示隨著銑刨機作業速度V增大，銑削進給量S在增大，銑削厚度也在增大，即切削截面變寬變厚。這一方面使生產率增加，另一方面能使路面將來自銑刨機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一個銑削循環內的銑刨力，從而將銑削過程中發生崩碎破壞的程度減輕，相應地銑刨料的粒度也偏大。

同樣由圖4看出，銑刨機作業速度V增大，即銑削進給量S增大，會導致銑削不平整度C加大，使被銑削后路面質量變差。根據其他相關研究可知，銑刨機作業速度V增大也會導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量的角度出發，應當控制銑刨機作業速度V不要太大；但也不能過小，不然會導致得到的銑刨料粒度減小，對原路面的級配破壞嚴重，從而使銑刨料用于再生混合料中的摻量減少。下面用試驗數據分析銑刨機作業速度V對銑刨料粒度的具體影響。

試驗研究

試驗方案與結果

為了進一步了解銑刨機作業速度V對銑刨料粒度影響，從試驗方面驗證前面從銑刨過程中能量傳遞和銑刨機轉子運動學的兩個角度分析得出的結論，對S315線托克托~東河段一級公路所做的試驗數據進行分析。

試驗設備及參數：試驗選擇SCM2000C型銑刨機，轉子轉速為2120r/min，銑刨深度為24cm。

試驗過程：試驗路段長400m，分成4段，每段100m，在每段銜接處的路邊做好醒目標記，銑刨機的司機每過一個標記換一次速度；4段試驗路銑刨過程中銑刨機作業速度分別為1.4m/min、1.7m/min、2.3m/min和3.0m/min；分別取4段試驗路的銑刨料，分開包裝并烘干，對4份銑刨料樣品做篩分試驗。

篩分試驗數據如表1~表4所示。

對表1、表2、表3和表4中的篩分數據進行整理，分別統計出每一速度下每個篩孔的通過率，得到4種作業速度下銑刨料的級配曲線圖，如圖5所示。

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

加權平均粒徑評價銑刨料粒度變化

根據不規則顆粒加權平均粒徑計算公式，計算各檔銑刨機作業速度下的銑刨料加權平均粒徑，如式(6)所示[19]：

分析圖5中作業速度為1.4m/min的情況，篩孔尺寸37.5mm上一級的篩孔尺寸為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，該組銑刨料的質量占總樣品質量的比例Δp37.5是37.5mm試驗篩的分計篩余10.6％。按照上述計算步驟，分別計算出作業速度為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和質量占比Δpj，代入式(6)即可計算出銑刨機作業速度為1.4m/min的工況下的銑刨料樣品加權平均粒徑。各作業速度下得到的銑刨料加權平均粒徑如表5所示。

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

公稱最大粒徑評價銑刨料粒度變化

公稱最大粒徑(NMPS)是與集料有關的重要指標，是指集料全部通過或少量不通過(一般容許篩余不超過10％)的最小標準篩篩孔尺寸，取銑刨料的公稱最大粒徑為篩余是10％時對應的標準篩篩孔尺寸[20]。根據表1~表4中的篩分數據，借助matlab軟件對每個表中篩孔尺寸和通過率進行曲線擬合，再根據擬合出來的曲線計算通過率為90％(即篩余為10％)所對應的公稱最大粒徑。

各銑刨速度下經擬合得到的公稱最大粒徑如表6所示。

將表6中數據表示成折線圖，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作業速度增大而增大，此規律與圖5中的篩分曲線反映的規律契合。當銑刨機作業速度V小于1.7m/min時，隨著V增加，銑刨料公稱最大粒徑增加較迅速；當銑刨機作業速度V大于1.7m/min時，銑刨料公稱最大粒徑增加得較緩慢。其變化趨勢與圖6較為類似。綜合圖6和圖7可知：銑刨機施工時作業速度宜大于1.7m/min，可避免因速度變化導致銑刨料的粒度波動太大。

借助matlab，對表6中的數據點采用同樣方法進行曲線擬合?？紤]到銑刨機作業速度為0m/min時，銑刨料公稱最大粒徑為0mm，故將其作為一個數據點加入到表6數據組中共同擬合，分別得到公稱最大粒徑為31.5mm、37.5mm和53.0mm時對應的銑刨機作業速度分別為0.88m/min、1.25m/min和2.51m/min。即：銑刨機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，銑刨機作業速度應分別不超過0.88m/min、1.25m/min和2.51m/min。

結語

通過對銑刨過程中能量傳遞和運動學進行研究，通過作業速度和粒徑的關系進行試驗，得出以下結論。

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

(2)銑刨料加權平均粒徑和公稱最大粒徑能作為銑刨料的粒度評價指標。在一定銑刨機作業速度范圍內，隨著作業速度增大，銑刨料加權平均粒徑和公稱最大粒徑均增大，在作業速度小于1.7m/min的情況下，兩個指標均增長較快；在作業速度大于1.7m/min的情況下，呈現增長較慢的趨勢。建議銑刨機施工時將作業速度控制在1.7m/min以上，以降低銑刨料粒度對于作業速度變化的敏感性。銑刨機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，銑刨機作業速度應分別不超過0.88m/min、1.25m/min和2.51m/min。