冷再生机功率匹配特性研究

2013-11-24葛龙岭冉瑞刚雷伟伟

建筑机械化 2013年11期

刘明，葛龙岭，冉瑞刚，雷伟伟

（长安大学工程机械学院，陕西西安 710064）

就地冷再生机械是冷再生技术实施的关键，而冷再生机是冷再生机械的核心。其工作过程为行走系统牵引冷再生机向前运动，铣刨转子自下而上地转动将旧路面铣刨并破碎，这样不仅完成了对旧路面材料的铣削和破碎，而且还对铣刨的材料进行了拌和。在转子对旧路面的铣刨过程中，喷洒装置按照配比的要求喷入水和再生剂，喷洒量由冷再生机的微机控制系统进行精确控制。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,再经过熨平装置或平地机熨平,最后用压路机压实成型，如图1所示。由冷再生机的工作特点可知其大部分功率消耗在牵引、铣刨和拌和上。

由于冷再生机工作时负载波动较大，如果为了适应变化的负载而将油门开到最大以增大储备功率，那么不仅不能充分利用发动机功率而且会增加燃油消耗。因此，有必要对冷再生机的功率匹配进行研究。

1 工作装置系统的功率

冷再生机的主要工作装置是铣刨转子，其消耗的功率可由下式表示

图1 冷再生机工作示意图

β——铣刀前刀面摩擦角；

γ0——为铣刨刀具实际切削前角；

τs——为被铣刨材料的劈裂破坏强度；

αe——为铣削厚度；

αp——为单刀头的铣削宽度；

v——为行驶速度；

Z——为铣刨转子上的刀具数量；

R——为转子半径。

由(1)式可知，虽然铣削功率受到作业对象、作业状态、本身参数等诸多因素影响，但就1台冷再生机而言其铣刀前刀面摩擦角、铣刨刀具实际切削前角、刀具数量等可认为是常量。而被铣刨的材料的剪切屈服强度由工作路面的状况而定，因此亦可认为是常量。因此可以通过调节冷再生机的行驶速度来控制转子的铣削功率。

2 行走系统的功率

行走系统所消耗的功率主要取决于机器的理论行驶速度v和牵引力Fk，可由下式表示

式中 ηt——行走系统的总效率；

Ff——滚动阻力；

FH——冷再生机作业时的水平阻力，其为一个随铣刨机行驶速度变化的函数。

由下式表示

将(3)式代入(2)式可得牵引功率为

式中k为常数。由(4)式可得，行走机构所消耗的功率是行驶速度v的二次函数，即行驶功率也可以通过调节行驶速度来控制行驶功率。

3 发动机最佳工作点研究

图2 发动机工作特性

图2为发动机的外特性转矩曲线图，曲线ABCD是发动机的全负荷速度特性，斜线DL、CK、BJ、AI为不同油门位置时的调速特性，点A、B、C、D分别是对应的最大功率输出点。因为一个油门位置x对应一个最大功率输出点，所以最大功率Pmax(M,n)是油门位置x的函数，即

所以只要调节油门位置就可以调整发动机输出的最大功率。发动机在工作时，作用在发动机上的转矩是自变量并由外负载决定，而发动机转速是因变量。因此有

要想得到最大的工作效率，发动机应始终工作在最大功率点。在不同油门位置下，虽然都可以工作在最大功率点，但这些最大功率点一方面抗过载能力差，且容易导致发动机熄火。另一方面，发动机工作在最大工作点处的耗油量并不经济。所以综合两方面考虑，发动机最佳工作点设定在调速段，如图中的E、F、G、H点，使得在每一个最大功率点都有一定的过载余量，这样既能满足动力装置高效率、高动力性的要求，又使发动机有一定的动力储备，有利于提高加速性能，并在遇到冲击载荷时不至于熄火。

4 匹配原则

由以上分析可知冷再生机铣刨转子和行走功率都只与冷再生机的行驶功率有关，而其他部分功率可看成不变的常量。结合发动机的最佳工作点位置不难得出匹配原则。

1）发动机应工作在最大转矩转速nMmax与额定转速nH之间且靠近额定转速处，发动机怠速至最大转矩转速区间不工作。由于冷再生机工作时功率消耗大，因此发动机工作必须在高转速下才能有足够的功率输出。

2）应将工作点匹配到发动机的调速曲线段上。为保证作业质量，冷再生机铣刨转子一般要求工作点恒速。但在实际工作中，恒速是很难达到的，尤其是在变负载情况下，因此容许有一定的速度偏差存在。当路面材料强度发生变化等使铣刨转子负载有微小变化而导致其转速大幅度变化是不容许的，因此将工作点匹配在发动机的调速曲线上才能近似保持铣刨转恒速工作。

3）工作点应匹配在发动机最佳工作点上。发动机在最佳工作点工作可以使发动机有良好的动力性和燃油经济性，使发动机具有足够的功率储备又不会使发动机因功率过剩而降低燃油经济性。由前述可知冷再生机的铣刨转子和行走功率都只与行驶速度相关，因此可以检测发动机转速的变化，对冷再生机的行驶速度进行控制来使发动机工作在最佳工作点上。如果发动机的转速超出了设定的转速即外负载变小时，则增加行走变量泵的排量使冷再生机的行走速度增大，从而增加冷再生机转子及行走机械所消耗的功率，使发动机转速回到设定值。反之则减小泵的排量来使发动机工作在最佳工作点，保证发动机的功率被充分利用。