（机械设计及理论专业论文）就地冷再生机械主机结构及铣刨转子的研究.pdf

摘要 沥青路面就地冷再生技术与传统道路维修方法相比具有显著的优势。与就 地冷再生机械相关的研究已经成为工程机械领域的热点。国内对就地冷再生机 械及其铣刨转子和刀具的研究虽然有了很大的进展，但和国外相比还有不小的 差距。 本文就沥青路面就地冷再生机械的主机结构及铣刨转子作了如下研究： ( 1 ) 介绍当前就地冷再生机械的研究现状，分析就地冷再生机械的类型和整 体结构。 ( 2 ) 对就地冷再生机械铣刨转子结构及刀具几何参数、铣削参数进行研究。 分析铣刨转子的结构、刀具排列和安装角度：运用m a t l a b 软件对刀具的几何 参数、铣刨速度与深度的合理匹配等进行分析计算和优化设计，得到刀具几何 参数、铣削参数的优化组合。 ( 3 ) 对铣刨转子的载荷波动进行仿真。对刀具铣削受力进行分析，建立刀具 的铣刨阻力、摩擦阻力模型；建立基于载荷波动最小的铣刨转子刀具排列参数 优化数学模型，运用m a t l a b 软件对铣刨转子的载荷波动进行优化仿真，得到 铣刨转子刀具的排列参数优化结果。 ( 4 ) 利用a n s y s 瞬态动力学分析方法，对刀具在铣削过程中的受力进行了 瞬态分析。得到刀具在整个铣削过程中的应力和变形结果，得出刀具的受力的 最大点和危险点，为刀具的结构设计和制造提供了数据支持。 在我国，对沥青路面就地冷再生机械相关方面的研究不但是必要的，而且 是相当紧迫的。本文对就地冷再生机械的主机结构进行了系统地分析，并对铣 刨转子尤其是刀具进行了深入地研究，这对今后沥青路面再生机械的研制提供 了有用的技术参数。 关键词：就地冷再生机械，铣刨转子，参数优化，瞬态分析 a b s t r a c t c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d ，t h e t e c h n o l o g yo fc o l d i n - p l a c ea s d a i t p a v 锄钮tr e c y c l i n gh a sr e m a r k a b l ea d v a n t a g e s t h es t u d yo nt h e c o l d - i n - p l a c e 砌c y c l i n gm a c h i n eh a sb e e nah o t s p o ti nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n gf i e l d w i t hm e d e v e l o p m e n to fc h i n ae c o n o m y , t h ec o l d i n p l a c er e c y c l i n gm a c h i n e sh a v eb e e n d e v e l o p e dp r o g r e s s i v e l yi nc h i n a h o w e v e rt h e r ei sa l s ol a r g eg a p b e t w e e nc h i n aa n d a b r o a d t h es t u d ya b o u tt h em a i ns t r u c t u r eo fc o l d i n p l a c ea s p h a l t p a v e m e n tr e c y c l i n g m a c h i n ea n d p l a n i n g m i l l i n gr o t o ri nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c et h ec u r r e n tr e s e a r c ho fc o l d i n - p a c e r e c y c l i n gm a c h i n e - a n d a n a l y z et h et y p ea n dm a i ns t r u c t u r eo ft h em a c h i n e ( 2 ) t h ep l a n i n g 。m i l l i n gr o t o rw a s a n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h er o t o rs t r u c t u r ea n dt h e t o o l sa r r e n g e m e n ta n di n s t a l l a t i o na n g l e s t h e g e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n dt h es u i t a b l e c o m b l n a t i o nb e t w e e nw o r k i n gd e p t ha n dv e l o c i t yw e r e a n a l i z e da n do p t i m i z e d t h r o u g hm a t l a bs 0 1 a r e a tl a s t ，w eo b t a i nas e r i e so fr e s u l t so f p l a n i n g m i l l i n g r o t o rt o o l s ， ( 3 ) t h el o a df l u c t u a t i o no fp l a n i n g - m i l l i n gr o t o rw a s s i m u l a t e dt h r o u g i l m a t l a bs o f t w a r e t h es t r e s sm o d e lo ft h et o o l sw a se s t a b l i s h e d w ee s t a b l i s b e d o p t l m i z a t i o ne q u a t i o n ，a n dg e tt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l to f t o o l s 砸t a n g 锄e n t ( 4 ) t h et o o l st r a n s i e n ts t r e s sg e n e r a t e dd u r i n gm i l l i n gp r o c e s sw a sa n a l y z e d t h r o u g ha n s y ss o f t w a r e ，a n dt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o nr e s u l t sw e r eo b t a i n e d i h e s er e s u l t s p r o v i d e t e c h n o l o g y a n dd a t a s u p p o r t s f o rt o o l s d e s i g na n d m a n u f a c t u r i n g i nc h i n a ，t h es t u d yo nt h ec o l d - i n p l a c ea s p h a l tp a v e m e n tr e c y c l i n gm a c l l i n ei s n o to i l j yn e c e s s a r yb u ta l s o v e r yu r g e n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et y p ea n dm a i n s t n l c t u r eo ft h em a c h i n e ，a n dm a i n l yr e s e a r c h e st h ep l a n i n g m i l l i n gr o t o nt h i ss t u d v w i l lp r o v i d et h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sf o r t h ef u t u r er e s e a c h h e l p f u l l v k e yw o r d s c o l d - i n 。p i a c er e c y c l i n gm a c h i n e ，p l a n i n g m i l l i n gr o t o r ，p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n , t r a n s i e n ta n a l y s i s i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：事仁舆日期：旌雩业 学位论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 迸行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：商鞭导师笔名：立! 垒谗期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 就地冷再生技术简介 在沥青混凝土路面的翻修和重修过程中，旧沥青混凝土料的再利用是一个 非常重大和现实的课题。在早期的施工中，一般是先将破坏的沥青混凝土料剔 除，然后在路基上面重新铺设新的混合料，将产生的旧沥青混合料废弃扔掉。 在许多情况下，沥青混凝土路面表面虽然被行车所磨损，失去了应有的粗糙度； 或者由于沥青混凝土混合料中含油较多，出现了并不十分严重的车辙；或者由 于低温收缩，路面出现许多裂缝，但面层材料并未老化，而下层还仍然坚实完 好，没有必要将路面面层进行大修，而只要在表面加以修整，就能恢复路面的 使用性能。而另一方面，公路建设需要消耗大量的天然砂石材料、沥青和燃料， 在当今资源和能源日益紧缺的形势下，节省材料、降低能耗以及工程成本己成 为全球公路交通部门的焦点问题。早在1 9 1 5 年人们就开始认识到，重新利用现 有沥青路面材料是修复路面的重要方法。 经过近半个多世纪的努力，再生技术已成为现代社会应用广泛、具有广阔 发展前景的综合技术。就沥青路面再生技术而言，有多种设备、工艺和方法可 供选择。目前，各种再生技术都有很大的发展，显示出各自的生命力。然而， 由于冷再生技术具有能耗低、设备投资小和工艺简单等优点，受到了越来越多 的重视和应用。 就地冷再生是国外8 0 年代后期迅速发展起来的一种新技术，目前己成为国 际上道路维修改造的主要方法之一。所谓的就地冷再生技术是指：把破损沥青 路面的旧铺层材料进行铣刨、破碎、必要时加入部分新骨料，并按比例加入一 定量的再生添加剂( 如水泥、乳化沥青、泡沫沥青、石灰) ，在进行充分、均匀的 拌和，使之成为一种全新的材料后重新铺筑在路上，压实成型，即变成具有所 需承载力的新路面基层【1 】【2 9 1 。因此，利用冷再生技术，将废旧的沥青混合料在道 路翻修中重新利用，这不仅可以节约大量的沥青和混凝土等材料，而且可以解 决废旧料占用空间、污染环境的问题。 就地冷再生技术有两种类型，一种称其为路面面层冷再生技术( c o l di n p l a c e r e c y c l i n g ，c i r ) ，另一种称为道路深层就地复拌冷再生技术( f u l ld e p t hr e c l a m a t i o n ， 武汉理t 大学硕士学位论文 f d r ) 。这两种冷再生技术的主要区别是：从适用对象上讲，前一种用于沥青路 面面层的再生维修，而后一种则适用于道路稳定层的改造与翻修；从所使用的 设备原理方面讲，前一种再生设备以铣刨机工作原理为基础，而后一种则以稳 拌机原理为基础。由此看来，严格地说这两种冷再生是本质不同的两类技术【2 】。 应用路面面层就地冷再生技术的基本条件：路面结构强度符合承载要求和 道路排水设施完好。如果道路结构层变形或受到破坏，冷再生前就应首先对路 面结构层进行补强处理。路面冷再生工艺主要以乳化沥青( 或泡沫沥青、水泥等) 为粘结剂。路面面层就地冷再生维修适用的路面厚度约为6 1 3 c m 。 道路深层就地复拌冷再生技术主要以乳化沥青和泡沫沥青( 必要时可添加水 泥、石灰等稳定剂) 为粘结剂，就地冷再生机则结合了稳定土拌和机的拌和功能 与铣刨机的切削翻松功能。稳定层就地复拌冷再生技术主要适合于轻交通量道 路稳定层的再生改造工程。与上述面层就地冷再生技术相比较，就地复拌冷再 生技术的主要特点是能够适应道路深层的再生改造要求，对路面基层进行再生 处理时，拌和深度范围一般为1 2 - - - 2 0 c m ，处理土路基稳定层时，拌和深度可达 4 0 c m 。 就地冷再生工艺包括了四个主要工序：一是准备旧路面的再生材料( 包括破 碎和翻松旧路) ；二是加入乳化沥青、还原剂、水泥以及其它添加剂和水并加以 拌和；三是成型和压实；最后在再生的路面上加铺磨耗层。为了增强补强作用 还可以加铺粘结层和结构层。其施工工艺流程如图1 1 所示【3 】【4 】。 图1 1 就地冷再生技术施工工艺流程图 武汉理一r 大学硕士学位论文 1 2 就地冷再生机械及其铣刨转子国内外研究现状 就地冷再生机械是冷再生技术实施的关键。目前，就地冷再生机械主要有 冷再生主机、专用配套机械和通用配套机械三部分构成。专用配套机械主要是 水泥稀浆搅拌输送车。通用配套机械主要有乳化沥青运输罐车、液态沥青保温 运输罐车、平地机、铣刨机、新骨料运输卡车及压路机等。 生产就地冷再生机械设备的公司有美国c m i 公司、意大利m a r i n i 公司、 德国w l r t g e n 公司等。其中德国维特根公司是世界上公路再生设备的专业生 产厂家，其冷热再生设备在世界市场上均处于领先地位，其产品如表1 1 所示。 表1 1w i r t g e n 系列就地冷再生机械的技术参数【4 1 【5 】嘲 淤 1 0 0 0 c r 型w r 2 0 0 0 型4 5 0 0 c r 型冷w r 2 5 0 0 型w r 4 2 0 0 型 技术参数 冷再生机冷再生机再生机再生机冷再生机 适用于分条 适用于再生 可用于分幅该机属于多大型履带式 再生有沥青 带有沥青面或全幅再生h j 途机械，专用冷再生 罩面的乡村层的行车沥青路面。添可笄j 作稳定机。可一次 用途 道路。该机道、市政道加的骨料、 十拌合机。通过即修复 也可在拆卸 路和主要运水、水泥和乳也可川来改双向车道的 其再生装置输干道，也 化沥青等均造i f j 路或对一侧行车 后作冷铣刨可用作冷铣 在一密封系旧路进行整道。具有双 机刨机统中拌合体再生 排转子 工作宽度( m m l 1 0 0 02 0 0 03 0 0 0 - 4 5 0 02 4 3 82 8 0 0 - - 4 2 0 0 工作深度( m m ) 0 1 0 00 5 0 04 0 00 5 0 00 3 0 0 发动机功率 1 0 43 1 55 5 05 0 02 x 4 3 3 ( k w ) 使用总重( k g ) 1 5 0 5 02 5 2 0 08 0 8 0 03 7 6 0 07 9 5 0 0 车轮数颦 4444 履带式 行走驱动液压全轮 液压全轮液压全轮液压全轮全液压驱动 作为世界上最大的专业压实机械生产商，德国宝马公司除了生产各种压实 机械外，同时也生产路面拌和再生机。1 9 9 2 年宝马推出了中置式路面拌和再生 机m p h1 2 0 。随着技术的更新，为适应土壤稳定拌和沥青路面现场冷再生施工， 2 0 0 3 年起，宝马推出最新的m p h1 2 2 中置式路面拌和再生机。该机除了可以用 作传统的路拌作业以获得均匀稳定的基层外，还可以用作低等级路面的再生。 通过选装的泡沫沥青系统可以调整原有路面的级配，从而以最经济的方法获得 沥青路面的再生。其技术参数如表1 2 所示。 武汉理工人学硕+ 学位论文 表1 - 2 v l p h l 2 2 型( 左表) 、奔能挑战者4 6 0 型( 右表) 沥青路面冷再生机技术参数【7 】【8 1 工作质量瓜g 2 0 7 0 0 转弯半径( 内外侧) m m 3 5 0 0 6 3 0 0 行驶速度一挡( m r a i n ) o 2 7 行驶速度二挡( m r a i n ) 0 1 2 道以茨 发动机 b f 6 m 1 0 1 5 c p 汽缸数量2 冷却方式水冷 输出功率k w 3 3 0 转子宽度m m 2 3 3 0 2 5 3 0 转子直径m m 1 2 2 5 最大切削深度m m 5 0 0 饵2 0 最人：r = 作宽度n u n2 4 5 0 最人工作深度m m5 4 0 整机质量k g 2 6 4 0 0 9 2 0 0 x 2 9 5 尺寸( 长x 宽x 高) m m 0 x 3 2 0 0 内转弯、卜径n u n4 3 0 0 外转完半径m m 7 0 0 0 离地间隙m m 4 7 5 型号 康明斯 柴 q s x1 5 油 功率k w 3 9 1 发 工作速度( v , m h 1 0 4 动 行驶速度( i c r n 1 1 ) 0 1 6 机 理论爬坡能力嬲4 8 法国奔能( p a n i i j n ) 公司研发制造的“挑战者4 6 0 型道路冷再生机，整个 转子系统采用全液压驱动，无级变速调速方式，提高了整个系统的可靠性和稳 定性，动力更加强劲，加大了设备的工作宽度和深度，其最大工作宽度可达 2 4 5 0 m m ，最大工作深度可达5 4 0 m m 稳定的系统和强劲的动力保证了施工的质 量和进度，大大提高了工作的效率【l 。 就我国的再生养护设备来看，拥有修补小坑槽的养护设备和大修工程的修补 设备，而对于专项工程中的大面积病害，没有相应的再生养护设备。根据近几 年的高等级公路养护经验来分析，对于早期病害，除了小坑槽，大量的修补任 务是大面积修补，有必要开发施工工艺简单、移动方便的大面积再生养护设备。 我们己有了部分再生拌和设备，再生料利用率低，如果能开发出一套完整的再 生拌和设备，在施工中将废料直接再生拌和，将是一种方便、快捷、实用的再 生养护设备。 德州德工机械有限公司在经过充分的市场调研与论证后，开始了路面冷再 生机的研发。经过三年多的努力，于2 0 0 3 年6 月样机w b 5 2 5 试制成功，在经 过一年多的反复试验和改进并在部分路段大修中使用后，证明样机w b 5 2 5 已达 到了工艺要求预期的效果，具有绿色环保、施工成本低、工期短等特点。并于 2 0 0 5 年4 月顺利通过了山东省经济贸易委员会主持的鉴定，鉴定认为w b 5 2 5 路 面冷再生机的研制填补了国内空白【1 2 】。 根据就地冷再生工艺，首要的是将路面进行破碎，得到再生所需要的大小 4 武汉理t 大学硕士学位论文 合适的骨料颗粒。混凝土路面的破碎过程，就是沥青路面在外力作用下，克服 内部分子间的内聚力，而使之破碎成小块的过程。通常路面破碎设备有风镐、 锤车、液压破碎设备等。 再生机械的破碎装置又称为铣刨装置，核心是一个装有若干个硬质合金刀 具的铣刨转子，转子旋转时切削现有旧路铺层材料。铣刨转子主要有铣刨刀具、 铣刨刀座、铣刨刀基座、铣刨鼓和抛料板组成。 铣刨刀具是再生机铣刨装置重要的环节，刀具的工作状况直接影响着再生 机的后续作业质量。由于刀具的工作环境恶劣、受力情况复杂，在工作过程中 会出现剧烈磨损、疲劳破坏甚至刀头崩断、脱落、刀杆折断等现象。刀具结构、 安装，刀具的空间排布都是影响刀具工作寿命的重要因素。铣刨刀具在铣削过 程中受到的铣刨阻力和摩擦阻力变化迭加造成整个铣刨转子的载荷波动，这种 波动会影响再生机的工作寿命和路面破碎铣刨的质量。 国外对于铣刨转子及刀具的研究起步较早。经过几十年的研究和实践，技 术较为成熟，特别是对铣刨转子刀具材料的研究，刀具形状、结构的设计，刀 具的空间排布，铣刨速度与深度的合理匹配的研究等，都有一定的理论基础和 相应的试验手段，积累了丰富的实践经验。不同路面材料( 水泥混凝上或沥青混 凝上) ，不同路面等级( 普通公路或高等级公路) s n 不同铣刨要求( 粗铣或精铣) ，都 有不同转子和刀具产品与之相适应。 目前国内对再生工艺和设备的研究和应用也同益深入。湖北省襄樊公路管 理处与武汉理工大学针对襄樊公路改造建设工程中废弃物资源化问题提出了 旧混凝土路面的评价与再生利用研究的课题，并与2 0 0 4 年列入湖北省交通 科技计划。课题组对一系列关键技术和难题进行科研攻关，并配合襄樊市辖区 多项道路改造工程。在所解决的关键技术中，就含有混凝土路面断板破碎加工 工艺优化研究，为获得大小和性能合适的再生骨料提供了理论依据和实验基础。 但是国内大部分生产厂家仍直接采用美国公司或德国维特根公司的铣刨转 子、刀库和刀具。虽然个别厂家开始了铣刨转子自行设计和制造，但目前还都 处于起步阶段，处于对国外产品的模仿阶段，其转子的工作质量、工作效率， 特别是刀具寿命等方面，与国外产品还存在较大差距。 对刀具的研究，一些厂家和研究单位也进行了有益的探索，如增加刀体材 料的耐磨性，提高合金化程度，通过热处理来提高刀体的硬度，对刀体表面强 化来提高刀具的耐用性等等，但目前国产刀具在使用性能和寿命上还不能与国 武汉理工人学硕士学位论文 外产品媲美。 因此，铣刨转子和刀具的研究具有积极的现实意义。铣刨转子的受力不均 及载荷波动，刀具的磨损、折断及安装排列不合理都是困扰以已久的问题，也 是研究的热点。对刀具几何参数、铣刨参数、刀具的排列参数的研究和优化有 助于解决上述问题。 1 3 本文研究背景及意义 随着经济的迅速发展，世界每年公路建设尤其是高等级公路的沥青路面建 设总罩程在飞速的增加。伴随着公路里程的增长，公路的维护和翻修已经成为 越来越艰巨的任务。就我国情况来讲，2 0 0 8 年新修通高速公路6 4 3 3 公罩，高速 公路通车总里程达到6 0 3 万公里，居世界第二位。至2 0 1 0 年，高速公路里程 将达8 万公里。我国公路通车总里程已经超过3 6 0 万公里，按照沥青路面的设 计寿命( 1 5 - 2 0 年) ，目前已有相当一部分的路面进入大、中修期，每年约1 0 的沥青路面需要翻修，随着公路建设的发展，沥青路面的养护维修工作量也将 大量增加。 采用沥青路面再生技术可以有效解决大量沥青路面废料的堆放、资源的有 效利用、环保等问题。沥青路面再生技术通过重复利用沥青混合料( 主要为砂石 料和沥青材料) 达到节约资源、保护生态环境、维护自然景观和生态环境的目的。 沥青路面废料的再生利用不单单是技术问题，而是一个社会问题。当前，根据 国家可持续发展的战略方针，沥青路面再生技术将成为高等级公路建设的一个 新热点。 我国的沥青路面再生技术起步较晚。与此同时，我国的就地冷再生机械尤 其是铣刨转子与国外相比还有不小的差距。 ( 1 ) 我国自主研发的冷再生机在功能、技术上和国外产品相比还有一定的差 距。 ( 2 ) 国内缺乏对于铣刨作业过程的理论研究和试验，大部分生产厂家直接采 用了美国公司或德国维特根公司的铣刨转子、刀库和刀具。 ( 3 ) 国产刀具在使用性能和寿命上与国外产品还存在较大差距，处于对国外 产品的模仿阶段，其转子的工作质量、工作效率，特别是刀具寿命等不足以与 国外媲美。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 4 ) 7 3 具的磨损、折断和排列安装不合理，铣刨转子的载荷波动等都是再生 机铣刨装置存在的问题，需要加以改进和研究。 因此，对沥青路面冷再生机械铣刨转子及刀具的研究，有助于改进沥青路 面就地冷再生机械的工作状况，提高路面铣刨的质量和效率，提高再生机工作 的平稳性和可靠性。 1 4 本文研究的内容 由于就地冷再生技术在沥青路面的维修和重修工程中有着相对明显的优 势，所以有关就地冷再生机械方面的研究就成为了当前筑路机械研究的热点。 国内对就地冷再生机械及其铣刨转子和刀具的研究虽然有了很大的进展，但和 国外相比还有不小的差距。 本文主要包括以下内容： ( 1 ) 分析当前就地冷再生机械的研究现状，介绍就地冷再生机械的类型和整 体结构。 ( 2 ) 对就地冷再生机械铣刨转子及刀具进行分析。分析铣刨转子的结构、刀 具排列方式和安装角度；建立铣刨刀具几何与铣削参数的优化数学模型，运用 m a t l a b 软件对刀具的几何参数、铣刨速度与深度的合理匹配等进行分析计算 和优化设计，得到刀具几何参数、铣削参数的优化组合。 ( 3 ) 对铣刨转子的载荷波动进行仿真。对刀具铣削受力进行分析，建立刀具 的铣刨阻力、摩擦阻力模型：建立基于载荷波动最小的铣刨转子刀具排列参数 优化函数，运用m a t l a b 软件对铣刨转子的载荷波动进行仿真，得到铣刨转子 刀具的排列参数优化结果。 ( 4 ) 利用a n s y s 瞬态动力学分析方法，对刀具在铣削过程中的受力进行了 瞬态分析。得到刀具在整个铣削过程中的应力和变形结果，得出刀具的受力的 最大点和危险点，为刀具的结构设计和制造提供了数据支持。 武汉理工大学硕+ 学位论文 第2 章就地冷再生机械的类型和整体结构 沥青路面就地冷再生所需要的机械主要有冷再生主机、专用配套机械和通 用配套机械三大类。 专用配套机械主要为水泥稀浆搅拌输送车，比如维特根公司的w m l 0 0 0 ： 通用配套机械主要为路面铣刨机、平地机、压路机、乳化沥青运输罐车、压路 机、新骨料运输卡车、水罐车、液态沥青保温罐车卡车及水泥一乳化沥青一水 联合运输罐车等。专用配套机械和通用配套机械是冷再生机械的配套装置，主 要作用是配合冷再生主机完成沥青路面的冷再生工作。其中，通用配套机械是 筑路工程中的常用机械，而专用配套机械是为喷洒水泥添加剂而专门设计的装 置。就地冷再生施工主要由专用再生主机实现。本章主要介绍就地冷再生主机 的类型和整体结构。 2 1 就地冷再生机械的类型 根据是否带有熨平板，冷再生机可分为带熨平板再生机和不带熨平板再生 机，根据行走系统的不同又分为履带式再生机和轮胎式再生机。带熨平板再生 机在施工时依靠熨平板来完成再生层的整平成型。不带熨平板再生机就要使用 平地机整平成型。在压路机最后压实后还可以用平地机整形，形成所需的路拱、 坡度和平滑表面。 , d m li i 压路机 履带式再生机水泥稀浆搅拌车 沥青罐车 图2 - 1 就地冷再生机组 1 带熨平板的小型再生机 这种再生机适用于小型冷再生工程，多以乳化沥青作为再生添加剂，一般 武汉理工大学硕十学位论文 不加新骨料。当以水泥作为添加剂时，只能采取预先撒布的方式。带熨平板的 小型再生机结构如图2 2 所示： 图2 - 2 带熨平板的小型再生机结构 该再生机主要由以下几部分组成： ( 1 ) 转子：完成对旧铺层材料铣刨和破碎。 ( 2 ) 搅拌器：完成新旧材料的充分、均匀拌和。 ( 3 ) g 化沥青喷洒装置：对乳化沥青进行自动计量控制，保证均匀添加。 ( 4 ) 振捣器：完成再生材料的预压实。 ( 5 ) 振动熨平板：完成再生层的整平成型。 图2 - 3 带熨平板的小型再生机的工作装置及工作原理 此类型再生机的工作装置及工作原理如图2 3 所示，使用带熨平板的小型再 生机进行就地冷再生的施工机械排列顺序为：压路机熨平板的小型再生机 乳化沥青运输罐车行驶方向。 带熨平板的小型再生机的具体施工工艺为：乳化沥青运输罐车通过管道将 乳化沥青输送给再生机；再生机完成旧铺层的铣刨、破碎，新旧材料的拌和、 摊铺及预压实；压路机完成再生层的最终压实成型。 2 带熨平板的中型再生机 9 武汉理工大学硕士学位论文 这种再生机适用于中型冷再生工程，它既可以水泥、也可以乳化沥青或两 者结合作为再生添加剂。水泥的添加既可采用预先撒布，也可采用稀浆自动添 加方式。带熨平板的中型再生机的结构如图2 4 所示： 图2 _ 4 带熨平板的中型再生机结构 该再生机主要有以下几部分构成： ( 1 ) 转子：对旧铺层材料铣刨、破碎，并对新旧材料进行充分、均匀的拌和。 ( 2 ) - 孚l 化沥青喷洒装置：完成乳化沥青添加剂的自动控制计量和均匀添加。 ( 3 ) 粒度调节装置：调节旧铺层材料的破碎粒度。 ( 4 ) 水泥稀浆喷洒装置：对水泥稀浆添加剂自动计量控制，保证均匀添加。 ( 5 ) 螺旋摊铺器：完成对再生材料的摊铺。 ( 6 ) 振捣器：完成再生材料的预压实。 ( 7 ) 振动熨平板：完成再生层的整平成型。 图2 - 5 带熨平板的中型再生机的工作装置及工作原理 此类型再生机的工作装置及工作原理如图2 5 所示： 使用带熨平板的中型再生机进行就地冷再生的施工机械排列顺序为：压路 机带平板的中型再生机斗水泥稀浆搅拌输送车乳化沥青运输罐车 平地机新骨料运输卡车行驶方向。 1 0 武汉理工人学硕十学位论文 带熨平板的中型再生机具体施工工艺为：新骨料运输卡车根据新骨料添加 量，在旧铺层上间隔一定距离卸成新骨料堆；由平地机按再生宽度进行新骨料 的预摊铺，以便于新旧材料的均匀混合；水泥稀浆搅拌输送车和乳化沥青运输 罐车通过管道分别把水泥稀浆和乳化沥青输送给再生机：再生机完成旧铺层材 料的铣刨、破碎，新旧材料的拌和、摊铺及预压实；压路机完成再生层的最终 压实成型。 当仅用水泥作为添加剂时，排列顺序图中去掉乳化沥青运辅罐车；当仅用 乳化沥青作为添加剂时，排列顺序图中去掉水泥稀浆搅拌输送车；当不加新骨 料时，排列顺序图中去掉平地机和新骨料远输卡车。 3 带熨平板的大型再生机 这种再生机适用于大型冷再生工程，既可以水泥、也可以乳化沥青或两者 结合作为添加剂。水泥的添加多采用稀浆自动添加方式。带熨平板的大型再生 机的结构如图2 - 6 所示。 水箱 驾驶台 螺旋摊铺器 可变宽熨平板 履带 图2 - 6 带熨平扳的大型再生机结构 该再生机主要由以下几部分组成： ( 1 ) 接料斗：接受自卸卡车卸入的新骨料。 ( 2 ) 输送皮带：将接料斗内新骨料按比例连续输送到铣刨下的旧铺层材料上。 ( 3 ) 伸缩式转子：其结构为三段液压伸缩式，类似于沥青混合料摊铺机的液 压伸缩式熨平板结构。主要作用是收集路面铣刨机铣刨下的旧铺层材料并进一 步进行破碎，对新旧材料进行预拌和，然后把预混料输送给搅拌器。 ( 4 ) 乳化沥青喷洒装置：对乳化沥青进行自动计量控制，并保证均匀添加。 ( 5 ) 水泥稀浆喷洒装置：完成对水泥稀浆添加剂的自动计量控制和均匀添加。 ( 6 ) 搅拌器：为双轴卧式结构，完成新旧材料的充分、均匀拌和。 ( 7 ) 螺旋摊铺器：完成再生材料的摊铺。 武汉理丁大学硕士学位论文 ( 8 ) 振捣器：完成再生材料的预压实。 ( 9 ) 可变宽度高压实熨平板：熨平板可以实现宽度变化，完成相应宽度上再 生层的整平成型。 图2 7 带熨平板的大型再生机的工作装置及工作原理 其工作装置及工作原理如图2 7 所示，使用带熨平板的大型再生机进行就地 冷再生的施工机械排列顺序为：压路机乳化沥青运输罐车水泥稀浆搅 拌输送车带熨平板的大型再生机新骨料运输卡车平地机路面 铣刨机行驶方向。 带熨平板的大型再生机的具体施工工艺为：先由路面铣刨机将旧铺层材料 进行铣刨、破碎：平地机对铣刨下的旧材料实施预摊铺，以便于后续机械通行； 新骨料运输卡车将新骨料直接卸入再生机前端的接料斗；水泥稀浆搅拌输送车 和乳化沥青运输罐车通过管道分别把水泥稀浆和乳化沥青输送给再生机；再生 机完成新旧材料的拌和、摊铺及预压实；压路机完成再生层的最终压实成型。 当仅用水泥作为添加剂时，排列顺序图中去掉乳化沥青运输罐车：当仅用 乳化沥青作为添加剂时，排列顺序图中去掉水泥稀浆搅拌输送车；当不加新骨 料时，排列顺序图中去掉新骨料运输卡车。 4 不带熨平板的再生机 这种再生机适用于中型冷再生工程，既可以水泥、也可以乳化沥青或两者 结合作为再生添加剂。水泥的添加既可采用预先撒布，也可采用稀浆自动添加 方式。该机的一个重要特点是可以不调头施工。不带熨平板的再生机结构如2 8 所示。 该再生机主要由以下几部分组成： ( 1 ) 转子：对旧铺层材料铣刨、破碎，并对新旧材料进行充分、均匀的拌和。 1 2 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 2 ) 乳化沥青喷洒装置：对乳化沥青进行自动计量控制，并保证均匀添加。 ( 3 ) 水泥稀浆喷洒装置：完成水泥稀浆添加剂的自动计量控制和均匀添加。 ( 4 ) 破碎棒：调节旧铺层材料的破碎粒度。 图2 - 8 不带熨平板的再生机结构 不带熨平板的再生机的具体施工工艺为：新集料运输车根据新集料的添加 量，在旧铺层上间隔一定的距离卸成新集料堆；平地机按再生宽度将新集料堆 进行预摊铺，以便于新旧材料的均匀混合；水泥稀浆搅拌输送车和乳化沥青运 输罐车通过管道分别将水泥稀浆及乳化沥青输送给再生机；再生机完成旧铺层 材料的铣刨、破碎及新旧材料的拌和；平地机完成再生料的摊铺；压路机完成 再生层的最终压实成型。 当仅用水泥作为添加剂时，排列顺序中去掉乳化沥青运输罐车；当仅用乳 化沥青作为添加剂时，排列顺序中去掉水泥稀浆搅拌输送车；当不加新集料时， 排列顺序中去掉新集料运输车及相邻的平地机【1 3 】【1 4 】【l5 1 。 2 2 就地冷再生机械的整体结构 冷再生主机是冷再生设备的核心。其工作过程为随着设备的行走，铣刨装 置将旧路面铣刨并破碎，喷洒装置按照配比的要求喷入沥青，同时，铣刨装置 将各种材料搅拌均匀，经过分料螺旋在摊铺宽度范围内均匀分料，再经过熨平 装置熨平，最后用压路机压实成型。下面以维特根w r 4 2 0 0 冷再生机为例，介 绍就冷再生机的整体结构，如图2 - 9 所示。 1 铣刨装置 沥青路面刨铣装置是对旧沥青路面进行刨铣和破碎，并对新旧材料进行拌 垫堡堡王点堂堡主堂焦堡塞 和。铣刨装置的核心是一个装有若干个硬质合金刀具的切刨转予，转子旋转时 向上切削现有旧路铺层材料，将路面材料破碎成小的颗粒。 i 墨| 2 - 9 维特根w r 4 2 0 0 冷再生机整体结构” 在一般小型和中型的冷再生机械中，刨铣装置一般只有固定的转子组成。 这种装置结构简单，适合中小型的再生机械。但是，这种刨铣装置存在无法克 服的缺点，即无法调节路面材料破碎颗粒的大小。 为了克服这种刨铣装置的缺点，在维特根w r 4 2 0 0 大型冷再生机中，刨铣 装置有固定转子和移动转于组成。固定转子和移动转子在刨铣装置中分前后两 排布置。前排为移动转子，转子可以左右移动以调解工作宽度。移动转子为向 下旋转，下切沥青路面。后排为固定转子，转子向上旋转，上切沥青路面【l “。双 转子刨铣装置可以使铣刨的旧沥青料具有更适宜的颗粒度，具有明显的优势， 在大型冷再生机械中被普遍使用。 图2 1 0 维特根w r 4 2 0 0 铣刨转子图2 - 1 1 双转子刨铣装置平面图【叫 铣刨装置中铣刨刀具的排列布置是铣刨转子工作的关键。铣刨转子刀具玮 武投理j 。大学硕士学位论文 置一般以左右对称的单头或多头螺旋线排列，保证刀具以极小的力依次切入地 面，同时又对废料起到回收作用。一般刀具布置的原则是：具有合理的螺旋升 角，螺旋升角一般不超过3 0 “吲：刀具沿铣削线方向均匀排列；刀具沿铣削宽 度方向均匀排列；刀具以轴线中垂面为中心作“对称”布置。 2 再生剂喷洒装置 再生剂的喷洒装置是在冷再生机刨铣装簧将沥青路面破碎和伴和的同时， 向伴和罩壳里面喷洒再生剂，如泡沫沥青、乳化沥青、水泥稀浆等。添加再生 剂的目的是使沥青路面在获得所需承载力的同时提高基层弹性，以防止裂纹的 发生。 再生剂喷洒系统的工作过程是随着冷再生机的行走，路面铣刨装置将旧路 面铣削并破碎。喷洒系统精确地控制各种再生剂的添加量，并通过喷洒杆上的 喷嘴将再生荆均匀地喷入拌和罩壳内，经拌和转子与集料搅拌后，形成新的路 用再生材料。按喷洒再生剂的不同，喷洒系统可分为泡沫沥青喷洒系统、乳化 沥青喷洒系统，其中乳化沥青喷洒系统也用于喷洒来自灌车的水或来自稀浆搅 拌机的水泥稀浆”。图2 - 1 2 为再生剂喷洒装置。 琵潞囊j 鞭秘 圈2 - 1 2 再生剂喷洒装置酗2 - 1 3 维特根w r 4 2 0 0 取轴搅拌器 泡沫沥青喷洒装置是将泡沫沥青输送至喷洒系统并直接喷洒进再生机的拌 和罩壳内。所谓泡沫沥青，是通过将少量的水和空气注入到热沥青中( 水和沥青 均需精确计量) ，水遇到高温沥青被迅速汽化，从而使沥青产生微细的泡沫，体 积迅速膨胀至原来的1 5 2 0 倍“6 。 ，奠涵。霞 武汉理i ：大学硕七学位论文 在喷洒装置中，还有一个水泥稀浆喷洒系统。水泥既可预先撒布，也可作 为稀浆添加9 1 。出于环保及精确考虑，目前，国外已研制出专用水泥稀浆搅拌输 送车，它能够按比例连续地把水泥搅拌成稀浆( 悬浊液l 并通过计量控制系统输送 给主机。此时，水泥稀浆可通过计量控制系统直接喷洒进再生机的拌和罩壳内l 。 这样不仅可以保证水泥用量的精确性，同时也防止了凶刮风而损失水泥材料。 3 搅拌装置 在再生剂添加后，需要将新旧骨科以及再生剂进行搅拌，在搅拌均匀后再 使用摊铺装置将材料均匀的摊铺在熨平板前一定的宽度上。在一些再生机械中 铣刨装置和搅拌装置为同一装置既可以对旧铺层材料进行铣刨、破碎，又可 以完成新旧混合料的拌和。 在小型再生机中常采用一般搅拌器束完成新旧材料的拌和。在维特根 w r 4 2 0 0 再生机中，搅拌装置采用双轴搅拌器，如图2 1 3 所示。双轴搅拌器对 新旧沥青混合料进行充分、均匀拌和，搅拌器的搅拌叶片和搅拌臂使用高强度 耐磨材料制造。搅拌器的拌和罩为钢结构，内部镶衬有耐磨村板。搅拌臂的排 列及叶桨刀头以螺旋线形式排列保证了物料在搅拌器内以最短时问搅拌均匀。 在拌和罩的壳体上安装有泡沫沥青喷洒杆和其它再生剂喷洒装置。双轴搅 拌器可以在全铣刨宽度上拌和沥青混合料，在保持搅拌质量的前提下它的拌和 能力是4 0 0 吨d , 时。双轴搅拌器通过具有故障保护功能的行星轮式变速箱和大 功率的发动机来保证在全负荷工作下有足够的动力。 图2 1 4 维特根w r 4 2 0 0 螺旋摊铺器图2 - 1 5 维特根w r 4 2 0 0 熨平板 4 摊铺装置 再生机的摊铺装置一般采用螺旋摊铺器，螺旋摊铺器是由一组螺旋叶片组成 的旋转机构。随着机构的旋转，混合料被旋转的螺旋叶片连续的输送到横向的 武汉理t 大学硕士学位论文 一定宽度上，实现材料在熨平板宽度上的摊铺。螺旋摊铺器在实现材料输送和 摊铺的同时，还完成了对混合料的二次搅拌功能【2 0 1 。 图2 1 4 为维特根4 2 0 0 再生机的螺旋摊铺器。螺旋摊铺器从中间分成两段， 左右两段可以实现转速的连续调节，并能以不同的转速摊铺再生料。带有刮土 铲的螺旋摊铺器高度可以自动液压调节。螺旋摊铺器采用耐磨材料制造，并采 用可更换式分段结构。 5 熨平装置 熨平板主要是完成再生料的整平，当再生机没有熨平板时需要配备平地机 来整平。熨平板的结构有液压伸缩式和机械伸缩式两种结构【1 9 1 。 图2 一1 5 为维特根4 2 0 0 再生机的熨平板。熨平板的型号是v o g e l e 公司可电 加热的熨平板a b 5 0 0 t v ，它带有自动调平控制机构。a b 5 0 0 t v 熨平板装有振捣 和振动装置，在液压驱动下可以实现工作宽度在2 8 m 至5 0 m 内连续调节。可 以用来完成再生路面的预压紧。在再生机非工作行驶时，整个摊铺机可以由液 压装置抬升离开地面。 6 其它装置 在再生机主机中，还有行走装置、控制系统等。控制系统在再生机中占有 非常重要的作用，整个控制系统主要包括主机行走控制系统、再生剂喷洒控制 系统、摊铺找平控制系统等。这些控制系统是保证再生机顺利和精确地完成工 作的关键。所以，控制系统在再生机研究和设计中占有相当的分量。 2 3 本章小结 本章主要系统的介绍了就地冷再生机械的类型和整体结构。了解就地冷再 生机械的类型和整体结构对于研究和开发就地冷再生机械有现实的借鉴作用。 根据是否带有熨平板，冷再生机可分为带熨平板再生机和不带熨平板再生 机，根据行走系统的不同又分为履带式再生机和轮胎式再生机。 一般带熨平板的冷再生主机主要由沥青路面铣刨装置、搅拌装置、再生剂 喷洒装置、摊铺装置、熨平装置及行走系统和控制系统等组成。 1 7 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章就地冷再生机铣刨刀具结构及参数优化 就地冷再生施工主要由专用再生主机实现。其核心是一个装有若干个硬质 合金刀具的铣刨转子，转子旋转时切削现有旧路铺层材料。铣刨转子主要有铣 刨刀具、铣刨刀座、铣刨刀基座、铣刨鼓和抛料板组成。 铣刨刀具是再生机整个工作系统中重要的环节，刀具的工作状况直接影响 着再生机的后续作业质量。由于刀具的工作环境恶劣、受力情况复杂，在工作 过程中会出现剧烈磨损、疲劳破坏甚至刀头崩断、脱落、刀杆折断等现象。目 前国产刀具在使用性能和寿命上与国外产品还存在较大差距。 本章将分析铣刨转子刀具结构、安装，刀具的空间排布，并运用m a t l a b 软件对刀具的受力，铣刨速度与深度的合理匹配等进行分析计算和优化设计， 对刀具做些有益分析和探索，为刀具的设计和使用提供数据支持。 3 1m a t l a b 软件介绍 m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y 的缩写) 是m a t h w o r k s 公司开发的一种集计算、 图形可视化和编辑功能于一体的功能强大、操作简便、易于扩充的语言，是目 前国际上公认的优秀的数学应用软件之一。 m a t l a b 系统的强大功能是由其核心内容( 语言系统、开发环境、图形系统、 数学函数库、应用程序接口等) 和辅助工具箱( 符号计算、图像处理、优化、统计 和控制等工具箱1 两大部分构成。 m a t l a b 软件具备卓越的数值计算能力，它以矩阵为基本数据单位