铣刨机排刀螺旋线的设计探讨

冷志刚，刘小娥，邸 钦

（江苏华通动力重工有限公司产品研发部，江苏镇江 212003）

铣刨机排刀螺旋线的设计探讨

冷志刚，刘小娥，邸 钦

（江苏华通动力重工有限公司产品研发部，江苏镇江 212003）

铣刨机作为路面养护的专用设备应用越来越广泛，工作转子是铣刨机的核心部件，其设计水平直接决定铣刨机的性能，工作转子设计重点是设计排刀螺旋线。从排刀的原理、设计螺旋线的参数选定、影响螺旋升角的因素、螺旋头数对螺旋线设计的影响等方面阐述排刀螺旋线的设计。

铣刨机；工作转子；排刀螺旋线；螺旋升角；螺旋头数

随着中国公路建设的快速发展，公路总里程数不断飞增，公路的养护工作也日益重要，各种养护工艺、养护模式、养护设备蓬勃兴起。铣刨机作为一种高效的路面机械化养护设备，已成为养护工作的重要施工设备［1］。铣刨机的工作转子是整机的核心部件，各公司都有独到的设计和制造工艺，维特根机械有限公司、徐州工程机械股份有限公司、江苏华通动力重工有限公司能够自行设计制造工作转子，凯南麦特有限公司为多家厂商代工。各公司的工作转子设计虽各有不同，但设计的基础理论大同小异，笔者结合江苏华通动力重工有限公司的1.3 m铣刨机，对转子排刀螺旋线进行设计。

1 铣刨刀结构分类

铣刨机的工作原理是通过工作转子的转动，带动安装在其上的铣刨刀作圆周运动，从而实现对路面的铣削［2］。而铣刨刀的排列直接影响铣刨机的工作能力、工作效率以及工作质量。

工作转子上的铣刨刀按位置分有三大类：工作主刀、边刀、修边刀。工作主刀负责自下而上地切削路面，完成路面的铣刨工作。边刀主要负责侧向切削路面，布置在轴向两端边缘处，在圆周上均布4～6把，切削负荷远远小于工作主刀。修边刀负责路缘修整工作。路缘经过边刀的切削已经成形，修边刀的切削量很小，且为了边缘的平整，同时布置多组修边刀，因此修边刀的负荷最小。

边刀、修边刀因负荷小且布置在轴向的两端，在主刀排布结束后，再在轴向的两端根据均匀的原则灵活排布。本文所研究铣刨刀的排列是指工作主刀的排布，边刀、修边刀在此不作论述。

进行铣刨刀的排列有3个重要的原则：

1）要做到宽度方向均排［3］，就有了参数b，即相邻铣刨刀的轴向间距。b的数值除了精铣刨鼓外，一般都取15 mm。

2）要在圆周径向均匀排列［3］，就有了参数α，即铣刨刀的径向夹角。α的值根据铣刨刀的数量来确定。这样，铣刨刀就可以在参数b和α的作用下准确地在铣刨鼓的圆周上进行定位。

3）在实际的工作转子设计中，还要考虑到铣刨下来的物料要向中间聚拢并抛出，铣刨刀在圆周上就不能跳跃排列，要按规律地圆滑过渡、渐进排列，为此又有了按对称螺旋线排列铣刨刀的原则［4］。

在上面3个原则的指导下，得出铣刨机螺旋线的排列方法，以工作转子的中线对分，左右对称分布，螺旋线上的每一把铣刨刀不仅要保证在轴向的均匀间距，也要做到在圆周上均匀分布，以保证工作转子在转动时，同一时间里，只有1把铣刨刀对地面进行切削，铣刨负荷最小且稳定，使铣刨机的铣刨能力和铣刨效率达到最佳［5］。

在铣刨刀的排列过程中，还要考虑其他很多因素，如工作主刀的偏转角的选择、入地角的设计，边刀侧边切削角的设计，修边刀的切入角的设计等。这里主要探讨螺旋线设计的问题。

2 排刀螺旋线的设计

笔者试例排布一下螺旋线，设定工作转子基圆的直径为d，宽度为L，相邻两铣刨刀齿迹距为b，螺旋线头数为k，由此便可画出工作转子筒体简图来。为了研究方便，将工作转子筒体沿轴线方向切开，得到展开图，如图1，图2所示。图1为螺旋头数为单头的螺线排布示例，图2为螺旋头数为双头的螺线排布示例。

图1 k=1时螺线排布

图2 k=2时螺线排布

首先，看一下螺旋线头数k对螺旋的升角γ的影响。螺旋线上铣刨刀数量是固定的，铣刨宽度为L，相邻铣刨刀的轴向间距为b，则铣刨刀的数量

同时，圆周上相邻铣刨刀的径向夹角就固定为

螺旋线左右对称交错，头数为k，则同一条螺线上的相邻铣刨刀的轴向间距

圆周夹角

螺旋升角

即

由此得出，螺旋升角γ只与相邻铣刨刀轴向间距和圆周上相邻铣刨刀夹角有关，螺旋头数k与螺旋升角无关。

螺旋升角的最小值出现在铣刨宽度500 mm的工作转子上，取d=370 mm，则

螺旋升角的最大值出现在铣刨宽度2 000 mm的工作转子上，取d=650 mm，则

因为废料与螺旋叶片的摩擦角在30°～40°之间，螺旋升角要求小于废料与螺旋叶片的摩擦角［6］，所以排布螺旋线时一般不会考虑去做减小螺旋升角的调整，在有些情况下还会做增大的设计，以提高拢料的效率。

螺旋线设计一般取绕圆周1周，这样的话，螺旋升角就是固定值，如果要增加螺旋升角，设计时可以根据需要的螺旋升角，减小螺旋线绕圆周的角度，余下位置以布置边刀和修边刀来达到刀具圆周方向均匀的要求。

3 实际排刀验证

以对称单头螺旋线排刀时，同一螺旋线的相邻两把刀间距为b，圆周夹角为2α；多头时，同一螺旋线的相邻两把刀间距为kb，圆周夹角为2kα。因为螺旋头数多，必然会导致相邻螺旋线间的距离缩短，对废料的聚拢不利，也会加大废料与工作转子间的摩擦，增加负荷，拢料螺旋上的刀具数量减少，拢料螺旋的利用率低，所以一般没有4头以上的螺旋排布方案。

单头螺旋排布只在铣刨宽度小于500 mm的工作转子排刀上有应用，其他中型以上铣刨机工作转子一般不采用。2头螺旋排布设计简单，同一螺旋线上铣刨刀的排列紧密，螺旋间距大，拢料效率高。3头螺旋排布，同一螺旋线上铣刨刀的排列间距大，螺旋线间距小，拢料负载小。

2头、3头螺旋线排布各有优点，都在工作转子上有实际应用，能满足使用要求。在这两种设计的基础上发展出4头螺旋线设计，如图3，图4所示。由图3可知，铣刨刀在工作转子上交错排列成4条螺旋线，但与2头、3头不同的是，每条螺旋线不是绕整圆周，而是只绕半圆周，这样就加大了螺旋升角，提高了拢料的性能，而且极大地增大了因螺旋线多而减小的螺旋间距，既有良好拢料效率，又有较小的拢料负载。这种方法排布的螺旋线，铣刨刀在工作转子筒体上分布均匀，间距适中。

图3 4头螺旋线排刀图

图4 4头螺旋线铣刨轨迹

工作时，能保证铣刨刀有规律地以对称的方式交替切入地面，图4就是4头螺旋线铣刨轨迹模拟。从图4中可以看出，各螺旋线上的刀头依次切入地面，同时左、右螺旋线上的刀头也是交替切入地面，这样，铣刨机工作转子运转时，切入地面产生的轴向不平衡力就会得到平衡，保证工作转子的运转平稳，性能优异。

4 结束语

本文是以江苏华通动力重工有限公司的铣刨机为研究对象，并引用凯麦特公司工作转子的设计方案作对比，从螺旋线的设计方面入手探讨工作转子的设计，重点阐述排刀螺旋线、螺旋升角、螺旋头数的设计。按此方法设计的4头螺旋线工作转子，在江苏华通动力重工有限公司的中型铣刨机上批量使用，取得了成功，证明这是行之有效的设计方法，有较好的市场使用价值。

［1］田晋跃，向华荣.路面铣刨机铣削阻力及其参数影响规律分析［J］.江苏大学学报：自然科学版，2004，25（5）：380-384.

［2］周里群，刘亚，张焕，等.路面铣刨机的铣削过程分析［J］.建设机械技术与管理，2008（5）：96-99.

［3］赵文光.路面铣刨机转子［J］.筑路机械与施工机械化，1995，12（54）：21-24.

［4］赵伟民，滕翼，徐六庆，等.路面铣削装置的刀具排列形式与切削阻力矩计算［J］.筑路机械与施工机械化，2001，18（92）：4-5.

［5］顾海荣，焦生杰，肖翀宇，等.路面铣刨机铣削载荷特性分析与试验［J］.中国公路学报，2012，25（3）：154-158.

［6］章水清，刘小娥，王林.铣刨机刀具布置探析［J］.筑路机械与施工自动化，2005（3）：33-36.

〔责任编辑：卢 蕊〕

Design ofm illing cutter rows of spiral line

LENG Zhi-gang，LIU Xiao-e，DIQin
（Product Research and Development Department，Jiangsu Huatong Kinetics Co.，Ltd，Zhenjiang 212003，China）

The road millingmachine as an professionalmachine of road maintenance equipment has beenmore and more widely used.The rotor is a core part ofmillingmachine，and its design level will directly determine the performance of themachine.The design key point of the rotor is the row of knives principle.This thesis states how to design the cutters screw from the layout principle，the factor of spiral lead angle，screw head number and the spiral design method.

millingmachine；rotor；row of cutter screw；spiral lead angle；screw head

TG5

A

1008-8148（2014）04-0064-03

2014-05-21

冷志刚（1974—），男，江苏镇江人，工程师，主要从事路面工程机械设计研究；刘小娥（1978—），女，陕西渭南人，工程师，主要从事路面机械设计研究。