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铣刨机 液压 控制系统 设计

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摘 要随着高等级公路建设突飞猛进，大规模的机械化养护时代已经到来。作为路面养护和再生设备的主要机种之一的路面铣刨机正越来越引起道路养护专家和施工单位的关注。本设计说明书包括了小型铣刨机介绍，总体方案比较，液压系统，液压元件的选型和控制系统做了简单介绍。关键词：铣刨机，液压，液压系统AbstractWith high grade highway construction by leaps and bounds， the time has come for a large-scale mechanized maintenance. As the main model of pavement maintenance and regeneration equipment， one of the pavement milling planer is increasingly aroused the concern of the road maintenance and construction units.This design specification includes small milling planer， overall scheme， hydraulic system， selection of hydraulic components and control system made a simple introduction.Keywords: The milling work of asphalt road plane milling machine，hydraulic，Hydraulic system目 录摘 要1Abstract2目 录3第一章绪 论51.1 小型铣刨机简介51.2小型铣刨机的用途和分类51.3小型铣刨机的种类：51.4小型铣刨机在高铁箱梁梁面处理上的应用：61.5铣刨机设计的指导思想61.6铣刨机设计的设计原则7第二章 铣刨机的总体设计82.1 铣刨机的选型82.2铣刨机的各总成部件结构型式的选型92.2.1传动型式的选择92.2.2动力装置的选用112.3 总体参数给定12第三章 液压系统的设计133.1 液压系统概述133.2 行走液压系统基本要求133.3 行走液压传动系统设计与计算143.3.1 系统工作压力的确定143.3.2 液压马达参数的选择143.3.3 变量泵参数的选择153.4 液压阀的选择163.5 蓄能器的选择163.6 管道尺寸的确定173.7 油箱容量的确定17第四章 铣刨系统的设计194.1 路面铣刨机铣刨转子排列方式分析194.2 路面铣刨机铣刨轮刀具排列参数分析204.3 路面铣刨机铣刨轮主要参数的研究244.3.1 铣刨轮的切削量244.3.2 铣刨轮直径264.3.3 铣刨轮最佳螺旋升角的选取27第五章 控制系统295.1行走系统控制方案295.1.1行走系统工作原理295.1.2功率自动分配305.1.3行走系统控制方案315.2控制系统硬件设计325.2.1控制器选择325.2.2先导比例减压阀325.2.3转速传感器335.2.4控制器连接图335.3控制系统软件设计33第一章 绪 论1.1 小型铣刨机简介小型铣刨机是一款轻型地面施工机械，它是为弥补大型路面铣刨机之不足而产生的；大家都知道：大型路面铣刨机对于市政养护、路面维修是非常有效的，也是很理想的施工工具，但对于小范围的或小区域的现场施工就无能为力了，特别是桥面施工，地下车库，停车场等场地的铣刨施工，就显得力不从心；而小型铣刨机的特点就是：机动、灵活，能适应各种小范围的施工作业；它可以实用到旧路面刨除，路面标线清理，受损地面修复，地面清理，桥面拉毛，错台调平，梁面标高，公共广场，停车场，地下车库，废弃的道路，大型工厂，工业住宅，物流仓储等场地的铣刨施工。1.2小型铣刨机的用途和分类1、桥面表面防水处理凿毛，高速铁路箱梁与轨道底座板的平整度和防水处理。2、沥青路面涌包，车辙，网裂，坑槽部位的铣刨清除。清除桥面和路面的冰雪。3、沥青砼新铺前对原有旧路面轻度拉毛，或配合大型铣刨机完成边角区域和钢筋密布区域的铣刨拉毛。4、去除地面涂层、油漆、各种交通标线；地面受损、积污需要翻新时，去除旧地坪表面等。5、清除机场道路标线，飞机跑道轮胎制动痕迹等，重新获得摩擦系数很高的粗糙表面。6、对水泥沥青路面、高速公路桥面、桥梁错台，环氧树脂耐磨地面的超标高部位进行铣削调平 7、道路微表处施工，对原有旧路面面层进行铣刨清除，为稀浆封层作准备.。1.3小型铣刨机的种类： 1、按宽度区分：有200mm，250mm，300mm，350mm产品系列 2、按发动机或者电机功率分类：有5.5马力，9马力，13马力，24马力，25马力，38马力等等 3、按铣刨深度分类： A，最浅的2-3mm，此类铣刨机配置为最低，宽度多为200mm，发动机功率5.5马力，刀片数量70片左右，机器自重75公斤左右。 B， 较深的3-5mm，此类铣刨机配置较高，宽度多为250-300mm，发动机功率9-13马力，刀片数量100片左右，机器自重150公斤左右。 C，最深的10-20mm，此类铣刨机配置最高，宽度为250-300mm，发动机功率22-38马力，刀片数量80片左右，机器自重600公斤左右。 基本上，小型铣刨机的主要技术指标有如下几个： 1、发动机功率。功率越大，铣刨效果越好。 2、刀轴数量和刀片数量。数量越多铣刨深度和效率越高。 3、机器自重。越重越好，可以避免机器跳动。 4、刀片齿数越多铣刨效果越好，臂如8齿刀片优于6齿刀片。1.4小型铣刨机在高铁箱梁梁面处理上的应用： 目前高铁箱梁梁面处理的工艺还没有统一的规范和标准。目前有部分高速铁路项目部的工艺是这样的： 1、预制梁和现浇梁的超高部分可以先用直尺找出大致区域，用粉笔或油漆标明误差数值。 2、用小型铣刨机在划定范围内进行粗研磨，电动的汽油的铣刨机都可以，要看现场电源条件。 小型铣刨机一次能铣刨（研磨）梁面3-5mm左右，反复铣刨也能研磨1-2公分下去的。 当然，对于标高误差太大的梁面，可以购买大一点的，一次铣刨深度在10mm左右的铣刨机。 3、铣刨机粗磨以后进行标高测量，若深度不够就继续铣刨。 4、标高测量合格后最后用研磨机进行精磨和收光。1.5铣刨机设计的指导思想高铁随着路面龄期的增加，由于行车载荷与自然环境因素，路面会陆续出现一些病害，严重影响行车速度与安全。由于路面铣刨机工作效率高、施工工艺简单、铣削深度易于控制、操作方便灵活、机动性能好、铣削的旧料能直接回收利用等。显然，处理病害快速有效的方法是使用路面铣刨机铣刨路面，使路面保持平整。用铣刨机械铣刨损坏的旧铺层，再铺设新面层是一种最经济的现代化养护方法。结合国内外路面铣刨机的发展概况，设计思想有以下几点：1. 向大型化方向发展；2. 实用性与先进性兼顾；3. 充分利用发动机的功率；4. 简化操作，实现自动化控制，设备可靠；5. 简化设备保养，合理润滑，充分防腐；1.6铣刨机设计的设计原则根据以上的设计指导思想，可以确定以下的设计原则1.简化设计结构，选用标准件和成熟机构，尽可能结合现有设备，降低制造成本，并保证性能和质量；2.配套件必须可靠，确保作业要求；3.操作简单，维修方便；第二章 铣刨机的总体设计铣刨机的总体设计，就是根据其主要用途、作业条件、使用场合及生产情况等，合理的选择和确定机型、各总成的结构型式、性能参数及整机尺寸等，并进行合理的布置。这些组成和部件相互依赖又相互制约，因此，路面铣刨机的性能不仅取决与每个部件的好坏，而更重要的是取决于各总成性能的相互协调。各总成性能的相互协调如何，又取决于各总体参数及各总成部件的匹配情况及其布局的合理性。如果整体设计过程中缺乏全局观念，而对总体参数及各总成部件性能的协调匹配考虑不周，或注意不够，即便设计的各单个总成部件结构是先进的，性能是良好的，但组合装配在一起不一定就能获得整机的良好性能。这是因为某些总成部件的优点可被另一些总成部件所抵消或限制，使其得不到充分发挥。所以，路面铣刨机的总体设计对整机的性能起着决定性的影响。因此，总体设计必须从保证路面铣刨机的整体性能出发，正确的选择和确定各总成的结构型式、总体参数，使其获得良好的匹配关系，并进行合理的布置，以达到设计的完美性。2.1 铣刨机的选型铣刨机结构型式的选择，主要是根据其用途和作业场合，前已述及。路面铣刨机的结构型式按铣刨机行走方式不同，可分为轮式和履带式。轮式的优点：重量轻、速度快、机动灵活、效率高、行走时不破坏路面及维修方便等。由于以上特点，轮胎式路面铣刨机一般以中小型居多，运行方便、快捷灵活。适用于小面积的路面维修、刮除喷涂标线、铣刨小型沟槽等，一般不带废料回收装置。在工作量不大、作业地点不太集中、转移性频繁的情况下，生产率大大超过了履带式。轮式的缺点：轮胎接地比压较大、通过性能差、重心较高，稳定性较差。履带式的优点：履带接地面积大，使得接地比压小，通过性能好、重心低、稳定性好、重量大、附差性好、牵引力大、比切入力大。因此，大中型路面铣刨机一般为履带全液压式，主要用于大规模路面养护作业。履带式的缺点：速度低、不够灵活机动、制造成本高、维修较难、行走时易破坏路面，转移工作场地时需用拖车托运。由于本次设计的铣刨机为小型高铁铣刨机，因此选用轮胎式。2.2铣刨机的各总成部件结构型式的选型2.2.1传动型式的选择路面铣刨机的传动型式可分为液压、液压机械混合、机械三种传动方式。1. 液压传动液压传动对于小型铣刨机充分体现了它的优越性，具有传动与控制简单、结构紧凑且铣刨鼓可轻易实现左右移动（切边）等特点。其动力传递路线一般如下所示：发动机弹性联轴器分动箱或简易的泵安装板液压泵液压马达铣刨鼓德国维特根前期的W50型（铣刨宽度为500mm）、日本HANTA的CRP-120型（铣刨宽度为1200mm）和国内一些厂家生产的铣刨宽度小于1300mm（含1300mm）的中小型铣刨机采用了这种传动方式。液压传动的特点：（1）实现无级变速且变速范围大，并能实现微动；（2）操纵简单方便；（3）可用液压系统进行制动；（4）可采用行走履带分别驱动的系统，能方便地实现弯道行驶和原地转向；（5）便于实现自动；但是，液压传动在铣刨机的铣刨系统也存在明显的缺点，像维特根现在的W50型已改为机械皮带传动，也就是说目前维特根公司生产的铣刨机其铣刨系统全部采用机械传动。液压传动的主要缺点如下： 1） 传动效率低，液压系统热损耗大。液压泵的总效率一般1=0.92；液压马达总效率2=0.9。假如液压阀及管道的总效率3=0.95，则液压传动的总效率=123=0.7980%，而且这是新液压件时的效率，当使用1年后，其传动效率还有大的下降。根据经验，铣刨机铣刨作业时，铣刨系统约占发动机总输出功率的80%，有约16%的发动机输出功率转化为液压系统的热量，这对液压油及液压控制系统是非常不利的；2） 可能导致整体布置困难。为了保证液压系统工作在正常温度范围内（一般小于80），将液压系统产生的大量热量散去，液压油冷却器的外形尺寸将相对大很多，这就可能导致整体布置困难和成本的增加；3） 相对机械传动而言可靠性低。液压件是非常精密的元件，维护保养相对要困难，故障率相对要高。特别对于工程机械，工作环境非常恶劣，常常由于液压油不干净导致故障发生；因此，液压传动大都应用于发动机功率较小的铣刨机，对于配备大功率的大型路面冷铣刨机的铣刨传动系统不是一种理想的传动方式。2. 液压机械混合传动液压机械混合传动是国内厂家节约成本的产物。其动力传递路线一般如下所示：发动机弹性联轴器液压泵液压马达减速箱 链传动铣刨鼓采用这种传动方式的液压马达为高速马达，所以成本较液压传动低；由于还采用了链传动，因而这种传动方式的效率比液压传动要低，而且铣刨作业时阻力变化很大，冲击大，还会导致链传动、减速箱高故障的发生。这种传动方式虽然可以降低一些成本，但相对整个机器是得不偿失的。3. 机械传动机械传动的动力传递路线目前市场上存在两种，如下所示：第一种：发动机弹性联轴器或弹性联轴器加分动箱液压离合器皮带传动行星减速机铣刨鼓第二种：发动机弹性联轴器机械式离合器分动箱传动轴变速箱链传动铣刨鼓第二种传递路线由于成本非常低，只有国内的一些低档次型号的机器采用。由于该传递路线刚性太大，缓冲性能差，容易出现断齿、断轴等问题；离合器为机械式常闭离合器，铣刨系统的启动与停止操作麻烦；因此也是不适合大功率高档次铣刨机。第一种传递路线也可称作机械皮带传动，主要包括液压离合器、皮带传动、行星减速机、铣刨鼓等，具有传动效率高、稳定性好、可靠性高等优点。由于这种传动中离合器、分动箱比较特殊，价格昂贵，因而相对成本较高是这种传动的缺点。离合器：离合器选用液压控制常开式离合器。由于只有在铣刨作业时离合器才处于接合状态传递动力，因而离合器大部分时间处于分离状态；且铣刨机都具有短距离转场功能，如采用常闭式离合器，发动机启动和机器转场时都需将离合器分离，操作烦琐，且时刻靠一个外力来控制离合器处于分离状态也是不可靠的。液压控制可方便地与皮带传动张紧油缸实现铣刨鼓启动与停止只须一个按钮操作，控制简单且可靠。皮带传动：皮带传动不但能高效、可靠地将动力传递给铣刨鼓，而且由于皮带传动柔性好，能有效地吸收铣刨作业时由于路基状况不同铣刨鼓的切削阻力变化很大而产生冲击载荷，减少对发动机的影响，延长发动机的使用寿命。由于采用了油缸自动张紧，在机器没有铣刨作业时，皮带只是处于预张紧状态，因而不仅保证了动力的高效传递，同时保证了皮带具有很长的使用寿命。由于传递的功率大（约占机器总输出功率的80%），皮带宜选用联组带，以保证每根皮带的长度基本相同，避免工作时由于部分皮带过长而不能有效地工作，从而在保证动力高效、平稳传递的同时也保证了皮带具有很长的使用寿命。综上所述，液压机械混合传动和机械传动中的变速箱与链传动缺点较多，故障率较高，在万不得已的情况下才采用这些传动；当机器发动机功率较小时，液压传动中功率损失的绝对值不高，因而其缺点就不那么突出，可以应用于小型铣刨机；而机械皮带传动虽然成本相对较高，但从设计理念、节约能源、外观造型、可靠性等方面而言，这种传动方式更具科学性，是铣刨机铣刨传动系统的发展趋势。因而，本次设计采用机械皮带传动，其余各系统均采用液压传动。2.2.2动力装置的选用工程机械大部分都采用柴油发动机作为动力源，因此发动机工作性能的好坏直接关系到机器能否正常工作，以及能否发挥最大的效率。工程机械用发动机与发电机组用、车用发动机的工作性能是有较大差异的，其更注重输出转矩，因而要求发动机的转矩储备大，工作转速一般比车用发动机要低，且标定的额定功率是持续功率。1. 发动机的特性工程机械工作环境恶劣，作业阻力变化大，发动机常常因为过载而掉速。为让发动机稳定地工作在额定转速左右，发动机过载时其输出转矩的增加应尽可能多。由于发动机的输出转矩与功率成正比，与转速成反比，因此在低于额定转速300400r/min范围内发动机的输出功率基本保持不变或反而增加的发动机是很合适的。2. 额定转速由于工程机械的液压传动与控制系统，大都是从发动机取力，因此发动机的输出转速将影响液压元件的选型，甚至机器的某些性能参数。额定转速是发动机的最佳工作转速，也是机器正常工作的转速，因而选型时要兼顾考虑额定转速对液压系统的影响，是否满足液压系统的要求。首先要考虑是否满足液压泵允许输入转速的要求；其次发动机的转速也是决定液压系统流量的因素之一，因此还要考虑对机器的行走速度、液压油缸的控制速度等。3. 控制方式发动机的控制主要是指对发动机油门的控制，分为机械与电控两种。机械式是传统的通过油门拉线来控制供油量的多少；电控又可细分为两种，一种是将传统的机械式油门拉线改为电磁阀来控制供油量；另一种就是目前市场上控制最为先进的电喷发动机，由专门系统根据实际负荷的大小控制喷油量的多少，这种发动机的燃油经济性能好，且能达到较高的环保排放标准，但价格比较贵。4. 排放标准虽然我国目前对工程机械的排放还没有具体要求，但这是迟早的事情，因此再选型时要适当考虑。此外，还要考虑发动机的外围设备。例如：燃油供给系统、进气系统、排气系统、冷却系统等。2.3 总体参数给定表1动力配置本田GX690汽油机/24HP刀轴数量4根刀片数量120片（12齿）轴承密封形式开放式（定期注油）一次铣刨宽度300mm一次铣刨深度10mm自重290kg长X宽X高1150X620X970 mm每小时工作效率70平方行走轮4只（液压马达驱动）空气减震筒无配重块50kg(选配)第三章 液压系统的设计3.1 液压系统概述液压传动系统简称为液压系统，是由液压能源、执行元件、控制元件和辅助元件等组成的，以完成一定的动作。液压系统都是由一些基本回路组成，所谓回路，是系统中有关液压元件组成满足特定功能的某一部分或全部。液压系统设计是在综合运用液压元件和液压基本回路上进行的，是整个机器设计工作的一部分。液压系统的设计与主机的设计是紧密相关的。当经过全面论证，确定机器或机器的某一部分的传动方式采用液压传动后，则液压系统的设计内容和步骤大致有这么几点：（1）明确液压系统的设计要求；（2）进行主机工况分析，确定液压系统的主要参数；（3）拟订液压系统的原理图；（4）液压元件的计算与选择；（5）液压系统的性能验算；（6）进行结构设计，编写技术文件。此次设计的路面铣刨机除铣刨鼓采用机械皮带传动，其余各系统均采用液压传动。3.2 行走液压系统基本要求为了保证路面铣刨的效率、平整以及充分利用发动机的功率对铣刨机的行走控制提出了很多的要求，比如行驶速度无级调节、根据负载的变化行走速度自动调节等。行走控制系统应能满足以下基本要求：(l)无论前进还是后退，都可以实现整个速度范围内的无级变速；(2)在铣刨机工作时，铣刨机加速减速过程均匀平稳，起步、转向和停车过程均匀平稳；(3)有手动和自动控制；(4)有一定的爬坡能力；(5)铣刨机在自动工作模式下作业时，根据负载的变化情况，自动调节行走速度既功率自动分配；(6)为了对刀准确，实现寸进功能；(7)应能实现停车制动；(8)应有紧急停车功能；(9)解除制动后铣刨机才能行走。3.3 行走液压传动系统设计与计算3.3.1 系统工作压力的确定对于液压传动型机械来说系统的工作压力是设计计算中最重要的参数之一，压力的合理选用与匹配不但能保证液压元件具有期望的寿命与可靠性，以及元件工作能力被充分利用而又低的成本，而且能保证液压系统具有较高的传动效率从而有效的发挥机器动力性和经济性。因此对液压系统工作压力的确定是十分必要和关键的。液压系统的工作压力是由负荷产生的。为保证液压元件的工作寿命与可靠性，一般的系统压力设定方法是确定机器的最大负荷压力和平均持续负荷压力，并使这两个压力均不超过元件的最高标定压力Ph和额定工作压力Pm。在实际当中，铣刨机的载荷波动不大并且基本平稳。1.系统工作压力的确定与匹配铣刨机有工作档和行驶档两档，工作档时负荷远大于行走档时的负荷。经计算可知，铣刨机工作时需要压力大约为100bar160bar左右。考虑到行走系统的负荷裕量，按工作压力需求200bar220ba:进行选取。2.系统最高压力的确定与匹配液压系统的最高匹配压力，即溢流阀的调定压力，对液压系统的综合性能更好的发挥有着十分重要的意义。最高匹配压力也以元件最高标定压力Pm为基准。为避免元件在最高压力下工作时间过长而影响寿命，就要降低压力配置。如果配置过低，又会造成铣刨机在工作时溢流阀过于频繁溢流使系统的能量损失巨大，这种能量损失会造成液压油温的急剧上升，不利于系统得正常工作，所以就要合理的匹配最高压力。考虑到行走档的效率和一定行走爬坡度，最高压力设计为320bar。为防止工作时发动机超负荷，配备工作压力控制的压力切断装置。3.3.2 液压马达参数的选择马达的主要性能参数有如下几个:压力差、排量、转矩、转速四个性能参数。(1)马达作业工况下所需输出的扭矩计算公式:Tm=Frdx式中:Tm一马达输出扭矩，Nm;F一需要的驱动力，N;rd一驱动轮半径，m: x一车轮驱动效率，取0.96一0.97。(2)马达在车辆最大行驶速度时的转速根据角速度和线速度的关系式得到如下计算公式:(3)作业工况下系统的工作压差在作业工况下由各外部阻力所决定的液压马达两端的工作压差为:式中:马达的排量，m3/r;马达的传动效率，包括机械和容积效率。3.3.3 变量泵参数的选择在初步选定了所需要的液压马达后，就可以着手液压泵的选型了。液压泵的性能参数主要有如下：排量、最大转速、最小转速以及最大转速下系统流量。在解决选型问题上，主要是通过计算得到的变量泵的排量进行的。得到所需的变量泵后，再通过适当的校验来验证结果的正确性。这一步主要是通过利用得到的结果来计算最大车速时的牵引力来校验。变量泵的初选主要是靠计算得到的所需变量泵的排量，以此作为依据来进行的。这里所有的计算都是建立在马达的选定以后(l)系统流量Q的计算式中: 马达的排量，m3/r;系统容积效率。(2)最大扭矩运行时变量泵的排量qb计算式中，Q系统流量，L/min;Ne发动机特性的最大转速，rpm3.4 液压阀的选择1）阀的规格，根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量，选择有定型产品的阀件。溢流阀按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，要考虑最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度的要求。控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些，必要时也允许有20%以内的短时间过流量。2）阀的型式，按安装和操作方式选择。3.5 蓄能器的选择根据蓄能器在液压系统中的功用，确定其类型和主要参数。1）液压执行元件短时间快速运动，由蓄能器来补充供油，其有效工作容积为式中 A液压缸有效作用面积（m2）； l液压缸行程（m）； K油液损失系数，一般取K=1.2； QP液压泵流量（m3/s）； t动作时间（s）2）作应急能源，其有效工作容积为：式中 要求应急动作液压缸总的工作容积（m3）。有效工作容积算出后，根据有关蓄能器的相应计算公式，求出蓄能器的容积，再根据其他性能要求，即可确定所需蓄能器。3.6 管道尺寸的确定（1）管道内径计算式中 Q通过管道内的流量（m3/s）； 管内允许流速（m/s），见表5-2:计算出内径d后，按标准系列选取相应的管子。（2）管道壁厚的计算表2 允许流速推荐值管道推荐流速/（m/s）液压泵吸油管道0.51.5，一般常取1以下液压系统压油管道36，压力高，管道短，粘度小取大值液压系统回油管道1.52.6式中 p管道内最高工作压力（Pa）； d管道内径（m）；管道材料的许用应力（Pa），=bnb管道材料的抗拉强度（Pa）； n安全系数，对钢管来说，p7MPa时，取n=8；p17.5MPa时，取n=6；p17.5MPa时，取n=4。3.7 油箱容量的确定初始设计时，先按经验公式（31）确定油箱的容量，待系统确定后，再按散热的要求进行校核。油箱容量的经验公式为V=QV式中 QV液压泵每分钟排出压力油的容积（m3）； 经验系数，见表3。表3 经验系数系统类型行走机械低压系统中压系统锻压机械冶金机械12245761210在确定油箱尺寸时，一方面要满足系统供油的要求，还要保证执行元件全部排油时，油箱不能溢出，以及系统中最大可能充满油时，油箱的油位不低于最低限度。图3.1 液压系统原理图第四章 铣刨系统的设计铣刨机作业时，铣刨机的向前运动的同时，铣刨转子作旋转运动，由于铣刨机自重的存在，安装在铣刨转子上的刀具作用于被铣刨的路面，在铣刨刀具与被铣路面物料处产生很高的接触应力，当接触应力超过被铣路面所能承受的极限时，路面物料就被压碎和崩落，随着铣刨机不停地向前运动和铣刨转子的旋转运动，路面物体被压碎和崩落不间断地交替进行，形成铣刨。路面铣刨机作业过程中，刀具逐一、左右交替地依次切入路面，形成不连续的切削作业过程。路面的硬度较高，使得铣刨机的作业过程中产生较强的冲击力，以致铣刨机产生振动、刀具损耗增加。要保证铣刨机作业的顺利进行，刀具必须有较长的寿足够的强度和足够好的切削性能。转子的铣削作业轻快、功率损耗较少需要合理的铣刨转子参数来保证，因此，合理的铣刨转子参数是非常重要的。图4.1 铣刨鼓总成4.1 路面铣刨机铣刨转子排列方式分析刀具布置对路面铣刨机及其零部件的寿命和作业质量有很大的影响，排列参数的不合理设计，会直接造成铣削废料粒度的过大或过小，粒度过大会使作业过程中的铣刨机振动增大，使用寿命大大缩短，可靠性迅速降低;粒度过小会产生大量的粉尘，使得施工环境极为恶劣，施工人员的身体健康不能得到保障一般情况下，刀具的排列方式基本符合以下原则:(l)为了使铣削掉的废料易于清理，铣刨转子的刀具排列应具有向内积聚作用，所以，铣刨转子的刀具一般为螺旋式相对对称布置;(2)为了使铣刨机作业过程平稳，转子受力相对均衡，刀具应依次切入路面，左、右两侧刀具交错切入地面;(3)为了使铣刨机的功率得到充分发挥，铣刨转子转矩应尽可能充分的抵消铣削阻力，刀具要单个逐一切入路面;(4)为了使转子可以平稳的切人路面，应该控制转子的切削阻力矩相对平稳，铣刨转子的两个周向相邻的刀具之间要有相同的角度间隔;(5)为了提高铣刨机的作业质量和作业效率，作业过程中既要充分利用崩落效应来提高作业效率，又不能留下中间路面物料脊而影响作业质量。因此，铣刨转子两轴向相邻刀具的轴向距离(刀际横向间距)相等，且达到一定的极限。(6)边刀和立刀的布置原则是要尽可能均匀，使得转子在铣削作业过程中受力均匀。同时符合上述要求的排列只能有相对对称的单头或多头人字形螺旋状排列。这种排列方式保证了刀具依次切入地面的同时，实现铣削废料的收集功能。而且，螺旋线的对称布置，可以使铣削过程中产生的轴向力在一定程度上相互抵消，保证转子工作平稳状态。刀具在铣刨转子上沿圆周方向和横向都是均匀布置。其中，圆周方向的均匀布置是由两相邻刀具沿圆周方向的周向间距保证，横向的均匀布置是由铣刨转子两相邻刀具间的直线距离(轴向间距)保证4.2 路面铣刨机铣刨轮刀具排列参数分析目前铣刨系统有多种结构，主要区别是铣刨转子，而铣刨转子的区别在于铣刨刀不同选型。归纳起来，铣刨转子的结构主要有三种，一种是焊接刀座结构，一种是可拆卸刀座结构，一种是快换刀座结构。焊接刀座结构，成本低，刀座过度磨损后更换困难，而且重新定位困难，容易造成铣刨性能的降低；可拆卸刀座结构，可实现刀座的拆卸，但刀座固定结构有缺陷，容易造成刀具的先期损坏；快换刀座结构，制作成本高，但是刀座自身带有保护结构，更换周期长，一般情况下仅需更换刀头，维护方便。图4.2 刀具组成（1）螺旋升角刀具以螺旋状安装在铣刨转子上形成螺旋线，其螺旋升角对铣刨转子的作业效率和作业质量有着重要的影响。理想的螺旋升角既可以保证较小的切削阻力，同时又能将铣削废料快速的向中间聚集。为了提高路面铣刨机的作业质量，提高铣削废料的回收率，铣刨转子螺旋升角要小于螺旋叶片的摩擦角，以推动铣削废料快速向滚筒中部聚集。根据国内外的相关资料和试验证明，路面的摩擦角一般为3040。 （2）铣刨宽度路面铣刨机的型号一般是根据铣刨宽度来确定的。在其他参数不变的情况下，铣刨宽度的大小会直接影响铣刨机的作业效率和作业性能在其他参数不变的情况下，铣刨宽度变大，作业效率提高，但螺旋线包角变大，铣刨转子内的废料增多，增大了阻力。反之，螺旋线包角变小，作业效率降低，废料减少，阻力变小。铣刨宽度不同，通过改变螺旋升角和螺旋线头数来保证铣刨转子的作业效率和作业性能。铣刨宽度变大，增大螺旋升角来保证螺旋线包角处于理想范围，否则会影响铣削废料的集聚和回收，以致影响铣刨机的作业质量;若保持螺旋升角不变，为了保证螺旋升角不至于太大，增加螺旋线头数，使得单条螺旋线包角变小。否则，单一的改变螺旋升角和螺旋线头数，则影响阻力和废料的聚集效果。同理，如果铣刨宽度变小，也要同时改变螺旋升角和螺旋线头数来保证铣刨机的作业效率和作业性能。（3）转子刀尖圆直径不同型号的铣刨机，其转子刀尖圆直径不同。铣刨转子铣削路面时，铣刨机的行驶速度为v，铣刨转子的转速为。铣刨机作业时，铣刨机转子同时作水平运动和旋转运动，加上铣刨机自重的存在，使得安装在转子上的刀具完成铣削作业。在铣刨机的作业过程中，相邻两刀具的切削轨迹相交，形成切屑截面，其形状近似半月牙形由图4.3得，两铣削圆不同的铣刨转子，铣刨机的行驶速度一定，且铣刨转子的转速不变的情况下，也就是铣刨转子的单周进给量一定的情况下，路面的切削厚度与铣刨转子的直径成反比，且铣削角度与转子直径亦成反比。（4）刀际横向间距刀际横向间距，即两轴向相邻刀具的刀尖距。刀际横向间距的大小直接影响铣刨机的作业质量和作业效率。图4.3 不同直径的铣刨转子作业示意图铣刨转子在切削路面时，应充分利用崩落效应，且不能形成中间物料脊，也就是应该使两相邻截槽顶点(刀尖)的连线与崩落面重合，同时也要方便清除铣刨掉的废料。标准铣刨转子刀尖距一般选择15mm，精铣转子刀尖距选择8mm。一般情况下，刀尖距一般为1520mm。如果刀际横向间距过大，铣刨后的路面会有明显的物料脊，影响作业质量;如果过分追求作业质量，过度缩小刀际横向间距，则不能充分利用铣刨机的性能，造成性能的浪费和作业效率的低下。(5) 螺旋线头数铣刨转子的刀具排列是“人”字形螺旋排列，且两侧相对对称分布。螺旋线头数是指铣刨转子刀具排列转子单侧的螺旋线条数。从铣刨机作业过程方面考虑，刀具排列的螺旋线之间应该有一定的搭接重合，一方面可以利于铣削废料的集聚，并且刀具排列的螺旋线的搭接可以防止铣刨转子上受到巨大冲击。刀具排列示意图如图5.4(三头)所示。图4.4 三头转子示意图图中：l铣刨转子长度l单条螺旋线的轴向距离单条螺旋线的包角 螺旋升角 螺旋线的轴向夹角 采用最小的螺旋升角时，单条螺旋线的螺旋包角不能超过360，否则铣刨转子在作业过程中，其循环物料的过度增多，影响装载效率，增大作业过程中的铣削阻力;采用最大的螺旋升角时，最大的螺旋升角要受到最小的螺旋包角的限制，否则，影响到铣刨转子的铣削效率和铣削废料的集中。任何铣刨转子最小包角总数应为420，两头螺旋线的最小包角为210，三头为140，四头为105。铣刨转子的直径和铣刨宽度不同，螺旋线头数也不尽相同。铣刨转子上的叶片头数一般设置2礴头，一般以2头和3头为主。铣刨滚筒直径较小的设备(铣刨宽度小于1000mm的铣刨转子)刀具布置一般利用单头螺旋线布置或双头螺旋线布置，大型设备(铣刨宽度为1000mm以上)的刀具布置一般利用三头螺旋线布置，四头螺旋线布置则一般用于冷再生设备。(6) 同一轴向截面上的刀具数量在功率一定的情况下，为了克服足够大的切削阻力，且使铣刨转子转矩尽可能充分的抵消铣削阻力。因此，在刀具布置时，一般情况下，在同一轴向截面上只设置1把刀具(边刀和立刀除外)，使得铣刨机在作业过程中，刀具单个逐一、两侧依次交替切入路面。(7) 同一螺旋线上两相邻刀具的转子横截面距离螺旋线上两相邻刀具在转子横截面上的投影距离是由刀际横向间距和螺旋升角来确定，一般选择范围为100200mm。 （4.1）l横截面距离k螺旋线头数b刀具横向间螺旋升角(8) 刀际周向间距刀际周向间距是由刀际横向间距和螺旋升角来确定。 (4.2)刀际周向间距k螺旋线头数b刀具横向间距螺旋升角D转子直径(9) 周向两相邻刀具间相位差铣刨转子的刀具排列是两侧相对对称布置，周向两相邻刀具的相位差由刀际周向间距和螺旋线头数来确定。 (4.3)刀际周向间距k螺旋线头数一般情况下，以上各参数是由铣刨宽度和铣刨深度来确定。也就是一旦铣刨机的铣刨宽度和铣刨深度确定，铣刨转子的各个参数就可以确定各自的合理值。4.3 路面铣刨机铣刨轮主要参数的研究路面铣刨机在刨铣路面时，刀具是依次切入路面的，由于路面硬度很大，使得这种不连续的切削产生很大的冲击力，造成机器的振动，增加刀具的消耗，因此既要保证刀具锋利，切削轻快，减少功率损耗，又要保证足够的强度，合理的铣刨轮参数是非常重要的。4.3.1 铣刨轮的切削量（1）刀具的切削厚度图4.5 铣刨轮工作示意图如图4.5所示，铣刨轮铣削路面时，铣刨轮以转速n作旋转运动的同时，还以速度v作水平运动，由安装在其叶片上的刀具完成切削任务，切屑断面如图中近似半个月牙形的阴影部分。铣刨轮旋转一周的进给量 （4.4）铣刨轮旋转一周刀具的最大进给量 （4.5）在不同切削位置，刀具的实际切屑厚度不同，受力也不同，刀具处于不同位置时的切削厚度为 （4.6）由图4-4得，刀具的最大切削角 (4.7)式中：m每条截线的刀具数，个；v铣刨轮的工作速度，m/min铣刨轮的转速，r/min;R刀尖圆半径，mm;刀具的位置角，度;H铣刨轮的铣削深度，mrn。(2) 刀具的最大切削厚度同一轮次铣削时，把相邻两截槽之间的距离T称为截割距离，即同一叶片上相邻两刀具之间的轴向距离。最大切削厚度受到横向截割距离的限定，如图4.6所示。图4.6 最大切削厚度与横向截割距离的限定 （4.8）式中 T截割距离，mm;b铣削刀具的切削刃宽度，mm;侧壁塌落角的最小值，度;4.3.2 铣刨轮直径按照铣刨轮各零部件的测量位置的不同，铣刨轮有三个直径。按刀尖测量的铣刨轮直径称为铣削直径;按螺旋叶片上边缘测量的铣刨轮直径称为螺旋直径;按螺旋叶片下边缘测量的铣刨轮直径称为铣刨轮毂直径。如图5.7所示。为了避免螺旋叶片与铣削槽之间残留的路面相抵触，要求刀具一次切削的最大厚度不应超过铣削刀具外伸长度的70%。 (4.9) （4.10） 图4.7 铣刨轮直径在螺旋直径一定的条件下，铣刨轮毂直径越大，铣刨轮容纳物料的空间越小，循环物料越多，影响抛料效果，但是由于结构需要铣刨毅直径也不能太小，需考虑在铣刨毅内安装轴承和齿轮传动的需要，因此叶片直径和铣刨轮毅直径应保持合适的比例。小直径铣刨轮应保持较大比值，大直径的铣刨轮应保持较小比值，一般螺旋直径与铣刨轮毂直径之比为 （4.11）4.3.3 铣刨轮最佳螺旋升角的选取铣刨轮上布置的几十把刀具，好比一把圆柱铣刀，刀尖连线与端面形成螺旋角，使铣刨轮作斜切削。选择一个合理的螺旋角对铣刨机的功率和废料回收率有极其重要的意义。在废料回收过程中，为了使废料快速的向中聚集，铣刨轮叶片螺旋升角应小于螺旋叶片的摩擦角，有关资料表明:摩擦角约为30。因此叶片螺旋升角不能超过30。故须计算出铣刨轮叶片的最佳螺旋升角。当铣刨轮转过角时，叶片的周向推移量 （4.12）紧贴螺旋叶片的切屑相应的位移 （4.13）式中：铣刨轮叶片的螺旋升角，度;铣刨轮转角，弧度;切屑与螺旋叶片的摩擦角，度。 对式（4.13）求导，并令其为零，可解的叶片的最佳螺旋升角为 （4.14）叶片的最佳螺旋升角如图4.8所示 图4.8 叶片最佳螺旋升角最佳螺旋升角仅与摩擦因数有关，在最佳升角时，铣刨轮转过角，切屑沿铣刨轮轴线的位移最大，如果叶片为最佳螺旋升角时，则铣削刀尖的螺旋升角为 （4.15）第五章 控制系统液压铣刨机控制系统具有功能多、逻辑关系复杂、输入输出接口多等特点。控制系统除了完成铣刨机作业控制外，还应该具有故障诊断、人机界面等功能。其控制系统主要由以下几个部分组成:发动机管理系统、行走控制系统、铣刨深度控制和转向控制系统、输料带系统、辅助控制系统以及人机界面。本文主要设计了液压铣刨机控制系统中最关键的行走控制系统。5.1行走系统控制方案5.1.1行走系统工作原理为了保证路面铣刨的效率、平整以及充分利用发动机的功率，本控制系统重点设计了铣刨机的行走液压控制系统。给出了行走系统的组成及原理，由四路分流阀的控制油路控制粗、精分流实现行走系统工作同步性的液压控制；控制器根据负载变化情况， 自动调节行走速度实现功率自动分配， 以充分利用发动机功率保证作业质量。行走液压系统原理图如图5.1所示。1.行走泵 2.四路分流阀 3.行走马达 4.冲洗阀 5.两通手动阀 6.分流换向阀图5.1行走系统液压工作原理图本机的行走液压系统采用单泵四马达闭式系统， 由1个柱塞变量泵， 通过四路分流阀与4个液压马达组成闭式回路。工作油由行走泵1的A口接到四路分流阀2分为4路分别到4个行走马达3，然后4个马达的回油集合到集油块再回到行走泵的B口完成工作回路。行走马达为两挡变量，可实现行走、铣刨两挡速度的无级变速。在行走泵1的两个工作油口并联一个冲洗阀4。另外并联的两通手动阀5可以在紧急情况下与马达形成回路便于拖动行走。本机的行走泵是电比例变量泵， 通过控制器实现行走速度的自动调节， 从而实现功率的自动分配， 其功率调节的控制原理如图5.2所示。图5.2控制器实现功率调节系统的控制原理5.1.2功率自动分配铣刨机在作业中，铣刨毅(工作装置)除在车辆牵引系统带动下前进外，主动依靠自身传动系统的驱动来完成铣刨作业。铣刨毅的驱动消耗着发动机的主要功率，而牵引功率则在其次。发动机的功率分配为:铣刨毅、行走、辅助系统。在特定的工况下，辅助系统占有很小的比例人，但对于带有回收装置的铣刨机，人则大一些。铣刨机铣刨工况消耗总功率PZ为:PZ=Pe+Px+P式中:Pe 机器行走系统消耗功率；Px 机器转子系统消耗功率；P 其它系统消耗的功率，与前两项相比，可忽略不计。当铣刨转子工作阻力增加时，转子系统功率Px将增大。此时控制器能够检测发动机转速， 控制器自动减小行走泵斜盘的摆角，行走泵排量减少，行走速度降低，使行走系统功率Pe下降， 这就使转子系统功率Px得到补偿。同时，行走速度的降低，可使转子工作阻力相对降低，使转子转速不致下降，转子切削惯性力不致降低。反之，当转子工作阻力下降时，转子系统转速将升高，控制器检测到发动机转速升高，增大行走泵斜盘的摆角，行走速度提高，将使转子工作阻力上升，以阻止转子转速上升，转子转速回落，保持一定值。最终转子系统功率Px因转子工作阻力下降而下降，以补偿行走速度上升，行走系统功率Pe的增加。此控制过程根据负载变化实现了功率的自动分配，使机器总功率维持在发动机额定功率附近，充分利用发动机功率，并使铣刨转子切削惯性力稳定，保证铣刨质量。5.1.3行走系统控制方案行走系统调速是调整变量泵的排量和变量马达的排量来进行速度控制。其中变量泵是通过控制比例电磁阀的电流来调节变量泵的排量，变量马达是通过控制压力调节马达的排量。该系统有两个比例电磁阀和两个普通电磁阀。行走系统控制方案如图5.3所示。图5.3 行走控制系统方案当行走开关打开后，通过手柄的控制可以控制输出到比例电磁阀和先导比例阀的电流大小，从而控制行走速度。行走前，先使电磁阀2通电，解除制动。当铣刨机处于工作状态时，打开同步开关，电磁1通电，分流阀处于同步位，使各履带获得一样的牵引力，以使铣刨机在各种工况下都能均匀行走。当功率自动分配开关打开后，比例变量泵的排量可以自动调节，从而使发动机始终处于额定工况。行走速度存取按钮可以保存当前铣刨机行走速度。当激活行走开关后，按下行走速度存取按钮，铣刨机会自动加速或减速到原先存储的速度。根据系统要求，总结出行走控制系统的输入输出点，如表5.1所示。表5.1行走控制系统输入输出输入信号信号类型信号名称信号来源AI行走速度增量手柄DI行走开关开关DI同步开关开关DI功率自动分配开关DI速度存取按钮按钮PI行走速度行走速度传感器输出控制信号信号类型铣刨机动作执行机构名称PWM前进/后退比例电磁阀PWM接通比例电磁阀（马达）DO指示灯常亮DO刹车电磁阀DO同步开分流阀5.2控制系统硬件设计液压铣刨机上的外围器件可以大体分为四类:操纵元件、电液比例控制元件、开关阀和传感器。操纵元件包括各种开关输入和手柄操作的模拟输入。电磁比例控制元件用于行走泵的变量调节机构、行走马达变量调节的先导比例阀、转向系统等，对电磁比例阀的控制采用脉宽调制（PWM）。开关阀只有两种状态，可以用计算机输出的数字信号经放大后直接驱动而省去数模转换元件，从而使电气控制变得简单，可靠性提高。传感器，液压铣刨机利用行走液压马达和发动机自带的数字传感器分别对行走马达输出转速和发动机转速进行测量，以便实现对行走速度的控制、功率自动分配控制以及对发动机转速的监控。5.2.1控制器选择根据路面铣刨机的控制系统的要求，本系统选用EPEC公司的SPT-K-2024控制器。该控制器专门是为工程机械设计的，其输入输出针脚的电气特性基本附和工程机械输入输出部分的电气特性，本文所做的主要工作是根据其针脚的电气特性对控制系统各输入输出信号进行分配并完成主要部分的电路设计。5.2.2先导比例减压阀行走泵变量调节比例阀所需的驱动电流范围为200-600mA(24V)，控制行走马达排量的先导比例减压阀所需的最大驱动电流为800mA(2