秋　實,胡　昊,李文杰,王香麗，殷　亮,馮　曉,陳忠凱,呂香慧

(西北核技術(shù)研究所,西安　710024)

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一種用于污染砂土定深度收集的銑刨裝置

秋實,胡昊,李文杰,王香麗，殷亮,馮曉,陳忠凱,呂香慧

(西北核技術(shù)研究所,西安710024)

摘要：在治理某些被有毒物質(zhì)污染的場地時，為了盡量減少二次污染，最大程度地縮減污染廢物量，需要對地表一定深度內(nèi)的污染砂土進行精確收集。針對現(xiàn)有路面銑刨機在戈壁地貌砂土收集方面的不足，研究了戈壁松散砂土的地表探測、銑刨深度誤差控制、提高銑刨鼓一次性收集率等關(guān)鍵技術(shù)，研制了用于戈壁地貌砂土收集的實驗裝置。野外實驗結(jié)果表明：該裝置在連續(xù)起伏的戈壁地貌條件下，實現(xiàn)了污染砂土的等厚度收集，一次性收集率大于97%，收集深度誤差在±4 mm之內(nèi)。該銑刨收集裝置相關(guān)技術(shù)及設(shè)備可用于類似工況的采礦或場坪污染治理工程。

關(guān)鍵詞：地形探測；松軟砂土；深度控制；銑刨收集

某污染場地治理工程中，需要將地表約數(shù)厘米深度內(nèi)的污土收集起來。為了減少對有毒污土的后續(xù)處理成本，要求盡可能減小污土收集機械對收集厚度的測控誤差；同時，為了盡可能減少二次污染，要求收集機械具有較高的一次性收集率。前期研究認為[1]，仿形銑刨收集工藝可以實現(xiàn)起伏地形條件下污染砂土的等厚度收集，但前提是技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)對起伏地形的實時精確測量，并能將測量數(shù)據(jù)方便地應(yīng)用于收集深度的控制。目前，用于公路修復(fù)的路面銑刨機基本上具備對松散砂土的切削及收集功能，但對于戈壁地表，路面銑刨機的切削深度控制精度差，一次性收集率低。為此，研究了銑刨機切削深度控制技術(shù)，探索提高一次性收集率的方法，并研制了專門用于戈壁地表有毒污土收集的地形探測器、銑刨鼓和銑刨收集裝置，進行了外場實驗。

1銑刨機切削深度控制及地形探測器研制

國內(nèi)外關(guān)于地形探測器的研究主要應(yīng)用在農(nóng)用機械、路面工程和海底采礦機械中[2-3]。根據(jù)探頭是否與地面接觸，地形探測器可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式探測器，如石河子大學(xué)的CWYs-400A型耕深傳感器[4]，測量精度為厘米級；路面銑刨機地形探測器用于硬質(zhì)柏油及水泥路面時測量誤差約±3 mm。非接觸式探測器，如超聲、激光測量探頭等，測量誤差小，但造價昂貴，且需要通過拉線或預(yù)先鋪設(shè)路基來設(shè)置基準，不適合地形起伏近似弧面的地段。本文涉及的污染區(qū)域局部地勢起伏不定，且以剝蝕殘積地貌為主，地表砂土松散粗糙，部分區(qū)域地表多有積沙碎石，如果采用接觸式探測器，滑靴、限深輪存在陷入砂土或被石子墊起而失效的風險。為此，實地測量了不同待治理區(qū)域污土的物性參數(shù)及力學(xué)性能，研制了新型“恒”壓力接觸式地形探測器，成功用于戈壁污染砂土的治理。

圖1是利用野外原位直剪儀測量得到的兩個不同區(qū)域污染砂土沉陷量δ與垂直載荷W的關(guān)系曲線。實驗中探頭面積為200 mm×200 mm?？梢钥闯?，在垂直載荷小于200 kg時，砂土表現(xiàn)出明顯的彈塑性，且以塑性變形為主；隨著垂直載荷的增大，土體顆粒之間的相對位置開始發(fā)生變化，顆粒間孔隙被壓縮，介質(zhì)體積變形增大。

圖1　沉陷量與垂直載荷曲線圖Fig.1　Sinkage vs. vertical loading

圖2為設(shè)計的新型地形探測器，其中限深輪為從動輪。利用計算土壤在垂直載荷作用下的應(yīng)力-變形關(guān)系的貝克公式，可推導(dǎo)出限深輪沉陷量δ與限深輪半徑R、輪寬b、垂直載荷W以及土壤特性之間的關(guān)系：

(1)

式中，n為土壤變形指數(shù)；Kc為土壤變形的黏聚力模量；Kφ為土壤變形的內(nèi)摩擦力模量。從圖1和式(1)均可以看出，當限深輪的結(jié)構(gòu)尺寸與土壤特性參數(shù)確定后，沉陷量僅取決于垂直載荷W的大小。所以，在某一特定的區(qū)域，當限深輪尺寸一定時，只要選擇合適的垂直載荷并使其保持“恒”定，保證限深輪在工作時既不會陷入砂土又不會被個別石子墊起，就可避免探測器失效。

圖2　 “恒”壓力地形探測器的結(jié)構(gòu)1-驅(qū)動電機；2-力傳感器；3-滾珠絲杠；4-螺母；5-外套筒；6-位移傳感器；7-外套筒；8-限深輪Fig.2　 “Constant pressure” terrain detector and its components1-driving motor; 2-force sensor; 3-ball screw; 4-nut; 5-outer sleeve; 6-displacement transducer; 7-outer sleeve; 8-depth-limiting roller

利用MATLAB/SIMULINK軟件，分析了采用PID控制器的探測器對單位階躍和正弦信號的響應(yīng)，結(jié)果見圖3和圖4[5-6]?？梢钥闯鱿到y(tǒng)的響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差小，響應(yīng)時間約為0.4 s。

圖3　探測器對階躍脈沖的響應(yīng)Fig.3　Response of the detector to step pulse

圖4　探測器對正弦脈沖的響應(yīng)Fig.4　Response of the detector to sine pulse

采用不同粒徑、不同顆粒級配制作了不同形狀、不同硬度的模擬地形，開展了“恒”壓力探測器測量誤差測試實驗[7]。圖5和圖6分別是在限深輪直徑為80 mm、輪寬 30 mm、“恒”壓力取值為1 kg、行進速度為5 m·min-1時，探測器對模擬砂土起伏地形的探測曲線和測量誤差，其中，L為模擬地形的水平投影長度，H是模擬地形的垂直高度。可以看出：該探測器可以很好地反映地形的起伏變化。排除限深輪剛接觸模擬地面時造成的沖擊誤差，探測器穩(wěn)定運行期間的測量誤差較小，多次實驗中測量誤差均在±2 mm之內(nèi)。

圖5　探測器對起伏地形的實測結(jié)果Fig.5　Results of terrain detection

圖6　探測器對起伏地面的測量誤差Fig.6　Error of terrain detection

2影響一次性收集率的因素及銑刨鼓研制

圖7　拋料板與運動切線夾角對拋料力的影響Fig.7　Effect of tangent angle between throwing plate and moving direction on throwing force

影響銑刨機一次性收集率的因素很多，包括銑刨鼓刀具形狀、刀具排列方式、拋料板參數(shù)、集料螺旋升角、銑刨鼓轉(zhuǎn)速、銑刨機行進速度以及收集物料的物性等[7-8]。

拋料板安裝角的大小直接影響砂土的拋甩效果。圖7給出了拋料板中心旋轉(zhuǎn)線速度為10 m·s-1、拋料板與運動切線夾角(安裝角θ)不同時砂土的受力情況[9]?？梢钥闯?，隨著安裝角的增大，砂土受到的拋離力F增大，抗拋力減??；當安裝角約為20°時，抗拋力和拋離力相等，砂土處于平衡狀態(tài)；當安裝角大于 20°時，砂土受到的拋離力大于抗拋力，砂土被拋出。所以要保證較高的一次性收集率，拋料板的安裝角至少應(yīng)大于20°。

同樣，集料螺旋的螺旋升角及高度的設(shè)計也要保證在銑刨鼓旋轉(zhuǎn)1周的時間內(nèi)，砂土能夠被輸送至拋料板并被拋出。設(shè)計方法在此不再贅述。

另外，刀具的形狀及排列方式影響作業(yè)面的平整度，進而影響一次性收集率。為此，設(shè)計了一套實驗型銑刨鼓，如圖8所示，并進行了實驗[8-11]。表1給出了在不同拋料板安裝角θ、銑刨鼓轉(zhuǎn)速ω、銑刨機行進速度v下，不同形狀刀具對收集率η的影響。其中，Xij表示銑刨鼓安裝楔形刀，下標i=1、2分別表示無尾門和有尾門，j表示實驗序號;D表示銑刨鼓安裝點沖擊刀具?？梢钥闯觯壕哂休^長切削面的楔形刀具比點沖擊刀具表現(xiàn)出更強的砂土收集能力；無尾門情況下，楔形刀具對砂土的一次性收集率最高為89.7%，點沖擊刀具對砂土的一次性收集率最高為75.8%；有尾門時，楔形刀具與點沖擊刀具對砂土的收集率均在98%左右。

表1　楔形/點沖擊刀具正交實驗結(jié)果

(a) Wedge cutter

(b) Milling drum

3銑刨收集裝置研制及外場實驗

根據(jù)以上研究，綜合多種因素，優(yōu)化設(shè)計并研制了一臺用于松散砂土收集的銑刨實驗裝置，如圖9所示。該裝置由銑刨系統(tǒng)、輸料系統(tǒng)、底盤、液壓系統(tǒng)、柴油機動力系統(tǒng)、測控系統(tǒng)及牽引車等部件組成。其中底盤設(shè)計為三點支撐的輪式結(jié)構(gòu)[12]，兩個前輪分別為液壓缸獨立支撐結(jié)構(gòu)，后橋為一個鉸接結(jié)構(gòu)，安裝在鉸鏈上的液壓缸為設(shè)備提供另一個支點，車體繞鉸鏈可進行±10°的自由擺動，以實現(xiàn)車體對地面橫坡的自適應(yīng)[12]；“恒”壓力探測器限深輪直徑為254 mm、輪寬為66 mm。實驗中，根據(jù)不同區(qū)域污土軟硬程度，“恒”壓力取值為1.5～3 kg；根據(jù)表1的實驗結(jié)果，進一步將刀具設(shè)計成雙面楔形，并在銑刨鼓斜上方增加了擋片和噴水裝置，以提高一次性收集率并降低揚塵及刀具溫度。利用該裝置在野外開展了戈壁地貌條件下的砂土收集實驗，如圖10所示。

圖9　自行研制的銑刨裝置Fig.9　Photograph of the developed milling and planing device

圖10　銑刨收集裝置實驗測試現(xiàn)場Fig.10　The test site for milling and planing device

實驗時，預(yù)先在待銑刨的區(qū)域多點埋入金屬片作為深度測量基準。表2給出了切深分別為15，20，25 mm，銑刨鼓轉(zhuǎn)速分別為100，140，180 r·min-1時深度誤差的實測數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯m然深度控制誤差因為切削深度、銑刨鼓轉(zhuǎn)速不同而有所改變，但均在±4 mm之內(nèi)。表3給出了拋料板安裝角為40°、行進速度分別為2，6，10 m·min-1、銑刨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為65，80，100 r·min-1。銑刨鼓無尾門時一次性收集率的實驗結(jié)果，可見收集機械對砂土的一次性收集率均大于97%。

表2　不同轉(zhuǎn)速、切深下的深度控制誤差

表3　不同轉(zhuǎn)速、行進速度下的一次性收集率

4結(jié)語

針對現(xiàn)有路面銑刨機用于戈壁地貌砂土收集時存在的問題，研究了戈壁松散砂土的地形探測技術(shù)，分析了影響銑刨鼓一次性收集率的因素，研制了用于戈壁地貌測量的探測器和用于戈壁地表砂土收集的實驗裝置。實驗測試結(jié)果表明：

1)利用現(xiàn)有路面銑刨的切削收集原理在戈壁起伏地形條件下進行污染砂土仿形切削收集在技術(shù)上是可行的；

2)采用安裝了 “恒”壓力地形探測器及切削深度控制系統(tǒng)的銑刨機，可以實現(xiàn)戈壁起伏地表污染砂土的定深度收集，收集深度誤差在±4 mm之內(nèi)；

3)研制的雙面楔形刀具銑刨鼓具有較高的一次性收集率，外場試驗達到了97%以上。

基于該銑刨收集裝置的工程試驗樣機目前正在研制中，該銑刨機及相關(guān)技術(shù)可推廣至露天采礦和場坪污染等類似污染地表的治理工作。

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A Milling-Planing Device for Collecting Polluted Sandy Soil of Specific Depth

QIU Shi,HU Hao,LI Wen-jie,WANG Xiang-li,YIN Liang,FENG Xiao,CHEN Zhong-kai,LYU Xiang-hui

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China)

Abstract:In the disposal of a site polluted by toxic materials, the polluted sandy soil within a certain depth beneath the earth surface should be collected completely so as to reduce the secondary pollution and minimize the waste. A milling-planing device was developed based on the common milling-planing machines which are not suitable for Gobi sandy soil collection, and some key technologies for Gobi terrain detection, accurate control of milling-planing depth, and improvement of the one-lump collection efficiency of milling-planing drum were discussed. The device was tested in the fluctuating Gobi surface, and the result indicated that the experimental device can successfully collect the polluted sandy soil within a specific depth for an uncertainty less than ±4 mm, and the one-lump collection efficiency higher than 97%. The device and relevant technologies can be used for mining and site pollution disposal of similar operating conditions.

Key words:terrain detection; loose and soft sandy soil; depth control; milling-planing collection

中圖分類號：TL81

文獻標志碼:A

文章編號：2095-6223(2016)011201(6)

作者簡介：秋實(1967- )，男，陜西乾縣人，研究員，博士，主要從事環(huán)境工程機械研究與制造。E-mail:qiushi@nint.ac.cn

收稿日期：2015-11-18；修回日期：2016-01-14