一种用于污染砂土定深度收集的铣刨装置

秋　实,胡　昊,李文杰,王香丽，殷　亮,冯　晓,陈忠凯,吕香慧

(西北核技术研究所,西安　710024)



一种用于污染砂土定深度收集的铣刨装置

秋实,胡昊,李文杰,王香丽，殷亮,冯晓,陈忠凯,吕香慧

(西北核技术研究所,西安710024)

摘要：在治理某些被有毒物质污染的场地时，为了尽量减少二次污染，最大程度地缩减污染废物量，需要对地表一定深度内的污染砂土进行精确收集。针对现有路面铣刨机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测、铣刨深度误差控制、提高铣刨鼓一次性收集率等关键技术，研制了用于戈壁地貌砂土收集的实验装置。野外实验结果表明：该装置在连续起伏的戈壁地貌条件下，实现了污染砂土的等厚度收集，一次性收集率大于97%，收集深度误差在±4 mm之内。该铣刨收集装置相关技术及设备可用于类似工况的采矿或场坪污染治理工程。

关键词：地形探测；松软砂土；深度控制；铣刨收集

某污染场地治理工程中，需要将地表约数厘米深度内的污土收集起来。为了减少对有毒污土的后续处理成本，要求尽可能减小污土收集机械对收集厚度的测控误差；同时，为了尽可能减少二次污染，要求收集机械具有较高的一次性收集率。前期研究认为[1]，仿形铣刨收集工艺可以实现起伏地形条件下污染砂土的等厚度收集，但前提是技术上能够实现对起伏地形的实时精确测量，并能将测量数据方便地应用于收集深度的控制。目前，用于公路修复的路面铣刨机基本上具备对松散砂土的切削及收集功能，但对于戈壁地表，路面铣刨机的切削深度控制精度差，一次性收集率低。为此，研究了铣刨机切削深度控制技术，探索提高一次性收集率的方法，并研制了专门用于戈壁地表有毒污土收集的地形探测器、铣刨鼓和铣刨收集装置，进行了外场实验。

1铣刨机切削深度控制及地形探测器研制

国内外关于地形探测器的研究主要应用在农用机械、路面工程和海底采矿机械中[2-3]。根据探头是否与地面接触，地形探测器可分为接触式和非接触式两种。接触式探测器，如石河子大学的CWYs-400A型耕深传感器[4]，测量精度为厘米级；路面铣刨机地形探测器用于硬质柏油及水泥路面时测量误差约±3 mm。非接触式探测器，如超声、激光测量探头等，测量误差小，但造价昂贵，且需要通过拉线或预先铺设路基来设置基准，不适合地形起伏近似弧面的地段。本文涉及的污染区域局部地势起伏不定，且以剥蚀残积地貌为主，地表砂土松散粗糙，部分区域地表多有积沙碎石，如果采用接触式探测器，滑靴、限深轮存在陷入砂土或被石子垫起而失效的风险。为此，实地测量了不同待治理区域污土的物性参数及力学性能，研制了新型“恒”压力接触式地形探测器，成功用于戈壁污染砂土的治理。

图1是利用野外原位直剪仪测量得到的两个不同区域污染砂土沉陷量δ与垂直载荷W的关系曲线。实验中探头面积为200 mm×200 mm。可以看出，在垂直载荷小于200 kg时，砂土表现出明显的弹塑性，且以塑性变形为主；随着垂直载荷的增大，土体颗粒之间的相对位置开始发生变化，颗粒间孔隙被压缩，介质体积变形增大。

图1　沉陷量与垂直载荷曲线图Fig.1　Sinkage vs. vertical loading

图2为设计的新型地形探测器，其中限深轮为从动轮。利用计算土壤在垂直载荷作用下的应力-变形关系的贝克公式，可推导出限深轮沉陷量δ与限深轮半径R、轮宽b、垂直载荷W以及土壤特性之间的关系：

(1)

式中，n为土壤变形指数；Kc为土壤变形的黏聚力模量；Kφ为土壤变形的内摩擦力模量。从图1和式(1)均可以看出，当限深轮的结构尺寸与土壤特性参数确定后，沉陷量仅取决于垂直载荷W的大小。所以，在某一特定的区域，当限深轮尺寸一定时，只要选择合适的垂直载荷并使其保持“恒”定，保证限深轮在工作时既不会陷入砂土又不会被个别石子垫起，就可避免探测器失效。

图2　 “恒”压力地形探测器的结构1-驱动电机；2-力传感器；3-滚珠丝杠；4-螺母；5-外套筒；6-位移传感器；7-外套筒；8-限深轮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软件，分析了采用PID控制器的探测器对单位阶跃和正弦信号的响应，结果见图3和图4[5-6]。可以看出系统的响应稳态误差小，响应时间约为0.4 s。

图3　探测器对阶跃脉冲的响应Fig.3　Response of the detector to step pulse

图4　探测器对正弦脉冲的响应Fig.4　Response of the detector to sine pulse

采用不同粒径、不同颗粒级配制作了不同形状、不同硬度的模拟地形，开展了“恒”压力探测器测量误差测试实验[7]。图5和图6分别是在限深轮直径为80 mm、轮宽 30 mm、“恒”压力取值为1 kg、行进速度为5 m·min-1时，探测器对模拟砂土起伏地形的探测曲线和测量误差，其中，L为模拟地形的水平投影长度，H是模拟地形的垂直高度。可以看出：该探测器可以很好地反映地形的起伏变化。排除限深轮刚接触模拟地面时造成的冲击误差，探测器稳定运行期间的测量误差较小，多次实验中测量误差均在±2 mm之内。

图5　探测器对起伏地形的实测结果Fig.5　Results of terrain detection

图6　探测器对起伏地面的测量误差Fig.6　Error of terrain detection

2影响一次性收集率的因素及铣刨鼓研制

图7　抛料板与运动切线夹角对抛料力的影响Fig.7　Effect of tangent angle between throwing plate and moving direction on throwing force

影响铣刨机一次性收集率的因素很多，包括铣刨鼓刀具形状、刀具排列方式、抛料板参数、集料螺旋升角、铣刨鼓转速、铣刨机行进速度以及收集物料的物性等[7-8]。

抛料板安装角的大小直接影响砂土的抛甩效果。图7给出了抛料板中心旋转线速度为10 m·s-1、抛料板与运动切线夹角(安装角θ)不同时砂土的受力情况[9]。可以看出，随着安装角的增大，砂土受到的抛离力F增大，抗抛力减小；当安装角约为20°时，抗抛力和抛离力相等，砂土处于平衡状态；当安装角大于 20°时，砂土受到的抛离力大于抗抛力，砂土被抛出。所以要保证较高的一次性收集率，抛料板的安装角至少应大于20°。

同样，集料螺旋的螺旋升角及高度的设计也要保证在铣刨鼓旋转1周的时间内，砂土能够被输送至抛料板并被抛出。设计方法在此不再赘述。

另外，刀具的形状及排列方式影响作业面的平整度，进而影响一次性收集率。为此，设计了一套实验型铣刨鼓，如图8所示，并进行了实验[8-11]。表1给出了在不同抛料板安装角θ、铣刨鼓转速ω、铣刨机行进速度v下，不同形状刀具对收集率η的影响。其中，Xij表示铣刨鼓安装楔形刀，下标i=1、2分别表示无尾门和有尾门，j表示实验序号;D表示铣刨鼓安装点冲击刀具。可以看出：具有较长切削面的楔形刀具比点冲击刀具表现出更强的砂土收集能力；无尾门情况下，楔形刀具对砂土的一次性收集率最高为89.7%，点冲击刀具对砂土的一次性收集率最高为75.8%；有尾门时，楔形刀具与点冲击刀具对砂土的收集率均在98%左右。

表1　楔形/点冲击刀具正交实验结果

(a) Wedge cutter

(b) Milling drum

3铣刨收集装置研制及外场实验

根据以上研究，综合多种因素，优化设计并研制了一台用于松散砂土收集的铣刨实验装置，如图9所示。该装置由铣刨系统、输料系统、底盘、液压系统、柴油机动力系统、测控系统及牵引车等部件组成。其中底盘设计为三点支撑的轮式结构[12]，两个前轮分别为液压缸独立支撑结构，后桥为一个铰接结构，安装在铰链上的液压缸为设备提供另一个支点，车体绕铰链可进行±10°的自由摆动，以实现车体对地面横坡的自适应[12]；“恒”压力探测器限深轮直径为254 mm、轮宽为66 mm。实验中，根据不同区域污土软硬程度，“恒”压力取值为1.5～3 kg；根据表1的实验结果，进一步将刀具设计成双面楔形，并在铣刨鼓斜上方增加了挡片和喷水装置，以提高一次性收集率并降低扬尘及刀具温度。利用该装置在野外开展了戈壁地貌条件下的砂土收集实验，如图10所示。

图9　自行研制的铣刨装置Fig.9　Photograph of the developed milling and planing device

图10　铣刨收集装置实验测试现场Fig.10　The test site for milling and planing device

实验时，预先在待铣刨的区域多点埋入金属片作为深度测量基准。表2给出了切深分别为15，20，25 mm，铣刨鼓转速分别为100，140，180 r·min-1时深度误差的实测数据。可以看出，虽然深度控制误差因为切削深度、铣刨鼓转速不同而有所改变，但均在±4 mm之内。表3给出了抛料板安装角为40°、行进速度分别为2，6，10 m·min-1、铣刨转子转速分别为65，80，100 r·min-1。铣刨鼓无尾门时一次性收集率的实验结果，可见收集机械对砂土的一次性收集率均大于97%。

表2　不同转速、切深下的深度控制误差

表3　不同转速、行进速度下的一次性收集率

4结语

针对现有路面铣刨机用于戈壁地貌砂土收集时存在的问题，研究了戈壁松散砂土的地形探测技术，分析了影响铣刨鼓一次性收集率的因素，研制了用于戈壁地貌测量的探测器和用于戈壁地表砂土收集的实验装置。实验测试结果表明：

1)利用现有路面铣刨的切削收集原理在戈壁起伏地形条件下进行污染砂土仿形切削收集在技术上是可行的；

2)采用安装了 “恒”压力地形探测器及切削深度控制系统的铣刨机，可以实现戈壁起伏地表污染砂土的定深度收集，收集深度误差在±4 mm之内；

3)研制的双面楔形刀具铣刨鼓具有较高的一次性收集率，外场试验达到了97%以上。

基于该铣刨收集装置的工程试验样机目前正在研制中，该铣刨机及相关技术可推广至露天采矿和场坪污染等类似污染地表的治理工作。

参考文献

[1]李文杰, 曾庆良, 沈志康，等. 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): 70-74. (LI Wen-jie, ZENG Qing-liang, SHEN Zhi-kang, et al. Design scheme and type selection of machinery for removing contaminated surface soil [J]. Mining & Processing Equipment, 2010, 38(16): 70-74.)

[2]SAEYS W, ENGELEN K, ANTHONIS R J. An automatic depth control system for shallow manure injection: part 1: modeling of the depth control system[J]. Biosystem Engineering, 2007, 98(2): 146-154.

[3]卜英勇, 陈旭, 周木容, 等. 基于TMS320C6416的水下微地形实时探测系统设计[J]. 郑州大学学报： 工学版, 2008，29(3): 43-46. ( BU Ying-yong, CHEN Xu, ZHOU Mu-rong, et al. Designing of underwater real-time tiny-terrain detection system based on TMS320C6416 [J]. Journal of Zhengzhou University: Engineering science, 2008，29(3): 43-46. )

[4]李玲, 李江全, 李新荣，等. 耕深电子测试系统的设计与试验研究[J]. 石河子大学学报： 自然科学版, 2001, 5(3): 246-248. (LI Ling, LI Jiang-quan, LI Xin-rong, et al. Design researches on tiling depth electron testing system [J]. Journal of Shihezi University: Natural Science, 2001, 5(3): 246-248.)

[5]QIU S, HU H，LIU J P, et al. A kind of land form detector for loose and soft sandy soil milling planing and collecting device machinery[J]. Advanced Materials Research, 2011, 328/330: 1 772-1 777.

[6]胡昊, 胡永乐, 孔凡让, 等. 污土铣刨收集机械切深模糊控制策略研究[J]. 现代制造工程, 2011 (1): 111-114. (HU Hao, HU Yong-le, KONG Fan-rang, et al. Research on fuzzy control strategy of polluted soil milling machine cutting depth [J]. Modern Manufacturing，2011 (1) ： 111-114.)

[7]陈忠凯，钟方平，孔凡让，等. 基于labVIEW的铣刨深度控制实验台测控系统[J]. 测控技术，2014, 33(11): 71-74. (CHEN Zhong-kai, ZHONG Fang-ping, KONG Fan-rang, et al. Measurement and control system for milling depth control test-bed based on labVIEW[J]. Measurement & Control Technology, 2014, 33(11): 71-74.)

[8]李文杰, 曾庆良, 殷亮, 等. 砂土铣刨收集试验装置的性能研究与参数优化[J]. 矿山机械[J]. 2011, 39(6): 125-129. (LI Wen-jie, ZENG Qing-liang, YIN Liang, et al. Performance study and parametric optimization of surface gravel soil cutting and collection experimental device [J]. Mining & Processing Equipment, 2011, 39(6): 125-129.)

[9]李文杰，曾庆良, 殷亮, 等. 用于砂土收集的铣刨转子刀具排列方式选择[J]. 建筑机械化, 2011(1): 53-55. (LI Wen-jie, ZENG Qing-liang, YIN Liang, et al. Arrangement mode selection of milling-planing rotor tool for sand collection[J]. Construction Mechanization, 2011(1): 53-55.)

[10]冯晓, 孔凡让, 秋实, 等. 基于Matlab的砂土铣刨收集机械抛料板的设计[J]. 机械研究与应用, 2014, 27(1): 73-75. (FENG Xiao, KONG Fan-rang, QIU Shi, et al. Design of throw-out plate of sandy soil milling machine based on Matlab[J]. Mechanical Research & Application, 2014, 27(1): 73-75.)

[11]李文杰, 曾庆良, 丁六怀, 等. 楔形铣刨刀具砂土切削阻力的理论和试验研究[J]. 矿业研究与开发, 2012, 32(1): 78-81. (LI Wen-jie, ZENG Qing-liang, DING Liu-huai, et al. Theoretical and experimental study on sand cutting resistance of wedgy milling cutter[J]. Mining Research and Development, 2012, 32(1): 78-81.)

[12]王香丽, 秋实, 孙野, 等. 一种车用液压盘式转向结构分析[J]. 机械设计, 2015, 32(2): 22-25. (WANG Xiang-li, QIU Shi, SUN Ye, et al. Structural analysis on vehicle steering with hydraulic disc[J]. Journal of Machine Design, 2015, 32(2): 22-25.)

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

中图分类号：TL81

文献标志码:A

文章编号：2095-6223(2016)011201(6)

作者简介：秋实(1967- )，男，陕西乾县人，研究员，博士，主要从事环境工程机械研究与制造。E-mail:qiushi@nint.ac.cn

收稿日期：2015-11-18；修回日期：2016-01-14