基于Matlab的砂土铣刨收集机械抛料板的设计*

冯 晓，孔凡让，秋 实，殷 亮，陈忠凯

(1.中国科学技术大学 精密机械与仪器系，安徽 合肥 230027； 2.西北核技术研究所，陕西 西安 710024)

基于Matlab的砂土铣刨收集机械抛料板的设计*

冯 晓1，2，孔凡让1，秋 实2，殷 亮2，陈忠凯2

(1.中国科学技术大学 精密机械与仪器系，安徽 合肥 230027； 2.西北核技术研究所，陕西 西安 710024)

通过对砂土铣刨收集机械抛料板抛料运动的分析，建立了抛料板上砂土微元的受力模型，并利用Matlab软件编程迭代计算，得出了砂土微元能够被收集的约束条件，据此设计了抛料板的安装角度和旋转速度。实验表明，在此抛料板参数下砂土铣刨收集机械对砂土的收集率可达97.8%，实现了砂土的高收集率清除。

砂土铣刨收集机械；抛料板；Matlab；收集率

1 引 言

目前，对于大面积戈壁地表重金属污染砂土的治理，常用的方法就是清除收集这些污染的砂土。为减少回收砂土土方量降低治理成本，可利用路面铣刨机进行等厚度铣削收集[1]。但是传统路面铣刨机对砂土的收集率仅有70%[2]，作业后仍会有大量的污染砂土遗漏在工作面上，还需人工或吸附机械进行清理[3]。因此在污染砂土的铣刨清除中需要进一步提高砂土的收集率。

砂土铣刨收集机械作业时，罩壳内铣刨转子将开挖层铣削下来，废料由转子上排布的集料螺旋集中到中部，再被抛料板抛送至集料口进行收集。抛料板是实现切料抛掷收集的关键部件。为提高砂土铣刨收集机械的收集率，笔者对抛料板上砂土微元运动及受力进行了建模，并利用Matlab软件编程迭代计算，得出了砂土微元能够被收集的约束条件，据此设计了抛料板合理的安装角度和旋转速度。实验表明，在设计的抛料板参数下砂土铣刨收集机械对砂土的收集率达97.8%，可大大减少铣刨后续的清理工作。

2 抛料板上砂土微元运动分析

抛料板位于滚筒中部正对罩壳集料口的位置，用螺栓与滚筒切线以一定角度固定在抛料板基座上，如图1所示。

砂土铣刨收集机械作业时，抛料板相对于出料口做旋转运动，铣削下的砂土被抛料板撞击抛出并沿抛料板垂直方向作抛物线运动进入集料口实现切料的收集。假设抛料板上为一砂土微元，忽略由于砂土互相撞击产生的影响，砂土微元在水平方向到达集料口时，垂直方向上的高度须在y1、y2之间。如图2所示。

图1 铣刨收集机械的抛料板

图2 抛料板抛料示意图

图2中：α为抛料板与运动切线夹角，即安装角度；V为砂土微元被抛料板撞击后抛掷速度，V=v0r/R；Vy为砂土微元被抛掷垂直分速度；Vx为砂土微元被抛掷水平分速度；r为抛料板最大回转半径；R为抛料板最小回转半径；y1为集料口最低出料高度；y2为集料口最高出料高度；X为砂土微元水平抛掷距离，即铣刨转子中心至集料口的水平距离。

忽略空气阻力，则砂土微元在两个方向的初速分别为：

式中：飞行时间为t=X/Vx，其运动的轨迹方程为：Y=Vyt-gt2/2。

根据以上条件，抛料板上砂土微元运动进入集料口须满足下式：

砂土铣刨收集机械罩壳及铣刨转子参数为：X=0.5 m、Y1=0.2 m、Y2=0.6 m、r=0.3 m、R=0.25 m，当V=10 m/s时，则α与Y1、Y2的关系见图3。

图3 抛料板安装角度与抛料高度关系图

由图3可知，20°<α<62°时，如抛料板上砂土微元被抛出，则能够进入集料口被收集。但切料能否被抛出还需对其抛掷过程中的受力进行分析。

3 砂土微元抛掷过程力学分析

3.1 砂土微元抛掷过程受力分析

抛料板上砂土微元在抛掷过程的任意时刻受力状态如图4所示[4-5]，FL为离心力，W为重力，N为抛料板对砂土微元的正压力，Fμ为抛料板与砂土微元的摩擦力。

被抛掷砂土微元在抛料板上受到的正压力为：

N=Wsin (α-θ2)+FLsin (90-α)

(1)

据：Fμ=N·μ

(2)

则砂土微元的抗抛力为：

FK=Fμ+Wcos (α-θ2)

gcos (α-θ2)

(3)

砂土微元所受的抛离力为：

(4)

式中：m为抛料板上被抛掷砂土微元质量，kg；g为重力加速度，N.m2/kg2；V为抛料板旋转线速度，m/s；θ2为抛料板角位移，(°)；μ为砂土微元与抛料板板面间摩擦系数，需测试得出，一般可以取0.35。

在离心力作用下砂土微元有抛出趋势，但其所受抛离力须大于其抗抛力，砂土微元才能脱离刀具沿运动的切线方向作抛射运动。

图4 砂土微元在抛料板上的受力状态

3.2 抛料板对砂土微元受力的影响

由砂土微元受力模型可知，抛料板在运动过程中，砂土微元受到的抗抛力和抛离力与旋转线速度V、抛料板旋转半径r、抛料板与运动切线间夹角α及刀具位移角θ2有关。

根据砂土铣刨收集机械r=0.3 m，另设置θ2=30°，则仅需研究抛料板的安装角度(抛料板与运动切线间夹角α)和旋转线速度V对砂土微元受力的影响。在此，假设其中一个参数保持不变，另一个参数值发生变化，利用Matlab软件编制程序，通过计算机反复迭代计算即可绘制出给定的参数与砂土微元受力的关系曲线，研究此参数对砂土微元受力的影响规律[6-7]。设置V=10 m/s，α与砂土微元受力关系曲线见图5。

由图5可知，在V=10 m/s时，随着α的增大，砂土微元受到的抗抛力逐渐增大，抛离力逐渐减小。在α约为20°时处于平衡状态；在α>20°时，砂土微元受到的抛离力大于抗抛力，砂土能够被抛出。同时，根据图3抛料板安装角度与抛料高度关系，设计抛料板α为40°。设置α=40°，V与砂土微元受力关系曲线见图6。

图5 抗抛力、抛离力与抛料板α的关系

图6 抗抛力、抛离力与抛料板运动线速度关系

由图6可知，随着抛料板运动线速度的增大，砂土微元受到的抗抛力和抛离力均逐渐增大；在V<2 m/s时，抗抛力大于抛离力；在V≈2 m/s时，抗抛力和抛离力处于平衡状态，其后随着V的增大，抛离力大于抗抛力。即当抛料板运动线速度大于2 m/s(此时铣刨转子的转速为64 r/min)时，砂土微元才能够被抛出。

4 抛料板的设计及实验验证

4.1 砂土铣刨收集机械抛料板参数

根据铣刨转子罩壳结构及上述分析，设计抛料板安装角度α为40°(见图7)，作业时铣刨转子的转速须大于64 r/min。

图7 砂土铣刨收集机械的抛料板

4.2 实验验证

在铣刨转子上以安装角度α为40°安装抛料板，利用砂土铣刨收集实验台对砂土模拟地表进行了砂土铣刨收集率测试实验，见图8。实验用地表砂土颗粒级配如表1所示。

图8 砂土铣刨收集实验台三维及实物图

表1 实验用模拟地表砂土颗粒级配参数表

实验结果见表2，表明：抛料板α为40°、牵引速度为2～6 m/min、铣刨转子转速为65～100 r/min时，铣刨收集机械对砂土的收集率均大于97%。

表2 铣刨收集机械砂土收集率测试实验结果

5 结 语

为提高砂土铣刨收集机械的收集率，本文对抛料板上砂土微元运动及受力进行了建模，利用Matlab软件编程迭代计算，据此设计了抛料板合理的安装角度和旋转速度，并进行了砂土收集率测试实验，得到如下结论。

(1) 砂土铣刨收集机械罩壳及铣刨转子参数为X=0.5 m、Y1=0.2 m、Y2=0.6 m、r=0.3 m、R=0.25 m情况下，α=40°、铣刨转子的转速大于64 r/min时，抛料板上砂土能够被抛出并进入集料口收集。

(2) 砂土铣刨收集机械抛料板安装角α为40°、牵引速度为2～6 m/min、铣刨转子转速为65～100 r/min时，其对砂土的收集率可大于97%，实现了对砂土的高收集率清除。

[1] 李文杰，曾庆良.地表污染土壤清除机械的方案设计及选型[J].矿山机械，2010，38(16)：70-73.

[2] 李文杰，曾庆良，秋 实.路面铣刨机对戈壁地表砂土收集能力试验研究[J].筑路机械与施工机械化，2011，10(28)：86-89.

[3] 宋永刚.固气两相流理论在路面铣刨碎料清理设备中的应用[J].起重运输机械，2006(9)：56-58.

[4] 马学良，孙祖望.稳定土拌和机反向旋转刀具工作过程数学物理模型的参数确定分析和仿真设计[J].西安公路交通大学学报，2000(20)：96-99.

[5] 潘世荣.沥青路面冷铣刨机刀具受力计算数学模型[J].武汉工学院学报，1995(17),(增刊)：46-51.

[6] Hekmoglu,O.Z.,Impact of Drum Design on the Performance of Coal Shearers[J],Journal of Mines,Metals & Fuels,1997(45)：9-10.

[7] 张月罗，王桂梅，苏梦香，等.基于Matlab的路面铣刨机铣刨转子参数的优化[J].设计计算，2006(9):72-74.

Design of Throw-out Plate of Sandy Soil Milling Machine Based on Matlab

FENG Xiao1,2, KONG Fan-rang1, QIU Shi2, YIN Liang2, CHEN Zhong-kai2

(1.DepartmentofPrecisionMachineryandPrecisionInstrumentation,UniversityofScienceandTechnologyofChina,HefeiAnhui230027,China; 2.NorthwestInstituteofNuclearTechnology,xi′anShaanxi710024,China)

Based on analyzing the motion of the throw-out plate on the sandy soil milling, the mechanical model of the minute sandy soil is established. And with the Matlab software tool, the constraint equation of collecting the minute sandy soil is got. Based on this, the setting angle and rotational speed of the throw-out plate are designed. With the new throw-out plate, experimental results indicate that rate collecting sandy soil of sandy soil milling is greater than or equal to 97.6%.

sandy soil milling machine; throw-out plate; Matlab; collecting rate

2013-12-02

冯 晓(1980-)，男，河北石家庄人，工程师，主要从事工程机械方面的研究工作。

TH122

A

1007-4414(2014)01-0073-03