馮 曉，孔凡讓，秋 實，殷 亮，陳忠凱

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 精密機(jī)械與儀器系，安徽 合肥 230027； 2.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024)

基于Matlab的砂土銑刨收集機(jī)械拋料板的設(shè)計*

馮 曉1，2，孔凡讓1，秋 實2，殷 亮2，陳忠凱2

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 精密機(jī)械與儀器系，安徽 合肥 230027； 2.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024)

通過對砂土銑刨收集機(jī)械拋料板拋料運動的分析，建立了拋料板上砂土微元的受力模型，并利用Matlab軟件編程迭代計算，得出了砂土微元能夠被收集的約束條件，據(jù)此設(shè)計了拋料板的安裝角度和旋轉(zhuǎn)速度。實驗表明，在此拋料板參數(shù)下砂土銑刨收集機(jī)械對砂土的收集率可達(dá)97.8%，實現(xiàn)了砂土的高收集率清除。

砂土銑刨收集機(jī)械；拋料板；Matlab；收集率

1 引 言

目前，對于大面積戈壁地表重金屬污染砂土的治理，常用的方法就是清除收集這些污染的砂土。為減少回收砂土土方量降低治理成本，可利用路面銑刨機(jī)進(jìn)行等厚度銑削收集[1]。但是傳統(tǒng)路面銑刨機(jī)對砂土的收集率僅有70%[2]，作業(yè)后仍會有大量的污染砂土遺漏在工作面上，還需人工或吸附機(jī)械進(jìn)行清理[3]。因此在污染砂土的銑刨清除中需要進(jìn)一步提高砂土的收集率。

砂土銑刨收集機(jī)械作業(yè)時，罩殼內(nèi)銑刨轉(zhuǎn)子將開挖層銑削下來，廢料由轉(zhuǎn)子上排布的集料螺旋集中到中部，再被拋料板拋送至集料口進(jìn)行收集。拋料板是實現(xiàn)切料拋擲收集的關(guān)鍵部件。為提高砂土銑刨收集機(jī)械的收集率，筆者對拋料板上砂土微元運動及受力進(jìn)行了建模，并利用Matlab軟件編程迭代計算，得出了砂土微元能夠被收集的約束條件，據(jù)此設(shè)計了拋料板合理的安裝角度和旋轉(zhuǎn)速度。實驗表明，在設(shè)計的拋料板參數(shù)下砂土銑刨收集機(jī)械對砂土的收集率達(dá)97.8%，可大大減少銑刨后續(xù)的清理工作。

2 拋料板上砂土微元運動分析

拋料板位于滾筒中部正對罩殼集料口的位置，用螺栓與滾筒切線以一定角度固定在拋料板基座上，如圖1所示。

砂土銑刨收集機(jī)械作業(yè)時，拋料板相對于出料口做旋轉(zhuǎn)運動，銑削下的砂土被拋料板撞擊拋出并沿拋料板垂直方向作拋物線運動進(jìn)入集料口實現(xiàn)切料的收集。假設(shè)拋料板上為一砂土微元，忽略由于砂土互相撞擊產(chǎn)生的影響，砂土微元在水平方向到達(dá)集料口時，垂直方向上的高度須在y1、y2之間。如圖2所示。

圖1 銑刨收集機(jī)械的拋料板

圖2 拋料板拋料示意圖

圖2中：α為拋料板與運動切線夾角，即安裝角度；V為砂土微元被拋料板撞擊后拋擲速度，V=v0r/R；Vy為砂土微元被拋擲垂直分速度；Vx為砂土微元被拋擲水平分速度；r為拋料板最大回轉(zhuǎn)半徑；R為拋料板最小回轉(zhuǎn)半徑；y1為集料口最低出料高度；y2為集料口最高出料高度；X為砂土微元水平拋擲距離，即銑刨轉(zhuǎn)子中心至集料口的水平距離。

忽略空氣阻力，則砂土微元在兩個方向的初速分別為：

式中：飛行時間為t=X/Vx，其運動的軌跡方程為：Y=Vyt-gt2/2。

根據(jù)以上條件，拋料板上砂土微元運動進(jìn)入集料口須滿足下式：

砂土銑刨收集機(jī)械罩殼及銑刨轉(zhuǎn)子參數(shù)為：X=0.5 m、Y1=0.2 m、Y2=0.6 m、r=0.3 m、R=0.25 m，當(dāng)V=10 m/s時，則α與Y1、Y2的關(guān)系見圖3。

圖3 拋料板安裝角度與拋料高度關(guān)系圖

由圖3可知，20°<α<62°時，如拋料板上砂土微元被拋出，則能夠進(jìn)入集料口被收集。但切料能否被拋出還需對其拋擲過程中的受力進(jìn)行分析。

3 砂土微元拋擲過程力學(xué)分析

3.1 砂土微元拋擲過程受力分析

拋料板上砂土微元在拋擲過程的任意時刻受力狀態(tài)如圖4所示[4-5]，F(xiàn)L為離心力，W為重力，N為拋料板對砂土微元的正壓力，F(xiàn)μ為拋料板與砂土微元的摩擦力。

被拋擲砂土微元在拋料板上受到的正壓力為：

N=Wsin (α-θ2)+FLsin (90-α)

(1)

據(jù)：Fμ=N·μ

(2)

則砂土微元的抗拋力為：

FK=Fμ+Wcos (α-θ2)

gcos (α-θ2)

(3)

砂土微元所受的拋離力為：

(4)

式中：m為拋料板上被拋擲砂土微元質(zhì)量，kg；g為重力加速度，N.m2/kg2；V為拋料板旋轉(zhuǎn)線速度，m/s；θ2為拋料板角位移，(°)；μ為砂土微元與拋料板板面間摩擦系數(shù)，需測試得出，一般可以取0.35。

在離心力作用下砂土微元有拋出趨勢，但其所受拋離力須大于其抗拋力，砂土微元才能脫離刀具沿運動的切線方向作拋射運動。

圖4 砂土微元在拋料板上的受力狀態(tài)

3.2 拋料板對砂土微元受力的影響

由砂土微元受力模型可知，拋料板在運動過程中，砂土微元受到的抗拋力和拋離力與旋轉(zhuǎn)線速度V、拋料板旋轉(zhuǎn)半徑r、拋料板與運動切線間夾角α及刀具位移角θ2有關(guān)。

根據(jù)砂土銑刨收集機(jī)械r=0.3 m，另設(shè)置θ2=30°，則僅需研究拋料板的安裝角度(拋料板與運動切線間夾角α)和旋轉(zhuǎn)線速度V對砂土微元受力的影響。在此，假設(shè)其中一個參數(shù)保持不變，另一個參數(shù)值發(fā)生變化，利用Matlab軟件編制程序，通過計算機(jī)反復(fù)迭代計算即可繪制出給定的參數(shù)與砂土微元受力的關(guān)系曲線，研究此參數(shù)對砂土微元受力的影響規(guī)律[6-7]。設(shè)置V=10 m/s，α與砂土微元受力關(guān)系曲線見圖5。

由圖5可知，在V=10 m/s時，隨著α的增大，砂土微元受到的抗拋力逐漸增大，拋離力逐漸減小。在α約為20°時處于平衡狀態(tài)；在α>20°時，砂土微元受到的拋離力大于抗拋力，砂土能夠被拋出。同時，根據(jù)圖3拋料板安裝角度與拋料高度關(guān)系，設(shè)計拋料板α為40°。設(shè)置α=40°，V與砂土微元受力關(guān)系曲線見圖6。

圖5 抗拋力、拋離力與拋料板α的關(guān)系

圖6 抗拋力、拋離力與拋料板運動線速度關(guān)系

由圖6可知，隨著拋料板運動線速度的增大，砂土微元受到的抗拋力和拋離力均逐漸增大；在V<2 m/s時，抗拋力大于拋離力；在V≈2 m/s時，抗拋力和拋離力處于平衡狀態(tài)，其后隨著V的增大，拋離力大于抗拋力。即當(dāng)拋料板運動線速度大于2 m/s(此時銑刨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為64 r/min)時，砂土微元才能夠被拋出。

4 拋料板的設(shè)計及實驗驗證

4.1 砂土銑刨收集機(jī)械拋料板參數(shù)

根據(jù)銑刨轉(zhuǎn)子罩殼結(jié)構(gòu)及上述分析，設(shè)計拋料板安裝角度α為40°(見圖7)，作業(yè)時銑刨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速須大于64 r/min。

圖7 砂土銑刨收集機(jī)械的拋料板

4.2 實驗驗證

在銑刨轉(zhuǎn)子上以安裝角度α為40°安裝拋料板，利用砂土銑刨收集實驗臺對砂土模擬地表進(jìn)行了砂土銑刨收集率測試實驗，見圖8。實驗用地表砂土顆粒級配如表1所示。

圖8 砂土銑刨收集實驗臺三維及實物圖

表1 實驗用模擬地表砂土顆粒級配參數(shù)表

實驗結(jié)果見表2，表明：拋料板α為40°、牽引速度為2～6 m/min、銑刨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為65～100 r/min時，銑刨收集機(jī)械對砂土的收集率均大于97%。

表2 銑刨收集機(jī)械砂土收集率測試實驗結(jié)果

5 結(jié) 語

為提高砂土銑刨收集機(jī)械的收集率，本文對拋料板上砂土微元運動及受力進(jìn)行了建模，利用Matlab軟件編程迭代計算，據(jù)此設(shè)計了拋料板合理的安裝角度和旋轉(zhuǎn)速度，并進(jìn)行了砂土收集率測試實驗，得到如下結(jié)論。

(1) 砂土銑刨收集機(jī)械罩殼及銑刨轉(zhuǎn)子參數(shù)為X=0.5 m、Y1=0.2 m、Y2=0.6 m、r=0.3 m、R=0.25 m情況下，α=40°、銑刨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大于64 r/min時，拋料板上砂土能夠被拋出并進(jìn)入集料口收集。

(2) 砂土銑刨收集機(jī)械拋料板安裝角α為40°、牽引速度為2～6 m/min、銑刨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為65～100 r/min時，其對砂土的收集率可大于97%，實現(xiàn)了對砂土的高收集率清除。

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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

馮 曉(1980-)，男，河北石家莊人，工程師，主要從事工程機(jī)械方面的研究工作。

TH122

A

1007-4414(2014)01-0073-03