（机械电子工程专业论文）多锤头破碎机设计开发.pdf

摘要 我国早期修筑的水泥混凝土路面接近设计年限，出现了不同程度的破损，需要加以 改造。采用碎石化技术处理旧路面，然后直接加铺沥青混凝土结构层，改造成为黑色路 面，是国内目前研究和发展的一个重要方向。多锤头破碎机作为碎石化水泥混凝土路面 施工的关键设备，在国内对其做的设计与研究，仍处于比较落后的状态。对多锤头破碎 机破碎机理的分析、总体方案、液压系统和控制系统的设计是本文的研究重点。 文章在分析混凝土破碎机理的基础上，建立了破碎锤破碎水泥混凝土路面的数学模 型，并利用a n s y s 软件对重锤破碎水泥混凝土路面时路面的受力情况进行了分析，分 析了达到破碎效果的重锤上升高度、锤迹距离以及锤刃的形状。设计了多锤头破碎机的 总体方案、液压系统和控制系统。最后利用鼎山重- r _ n 作的样机，对本文设计的多锤头 破碎机进行了破碎效果检验。 检验结果表明，本文设计的多锤头破碎机总体方案、重锤的p l c 控制以及液压系 统可以达到碎石化技术的要求，可以在降低适当强度的情况下，较好的消除反射裂缝。 关键词：多锤头破碎机，设计，开发 a b s t r a c t t h ee a r l yp a v e m e n to fc e m e n tc o n c r e t e ( p c c ) i sc l o s et ot h ed e s i g nl i f ei nc h i n a ，e m e r g e sa d i f f e r e n td e g r e eo fd a m a g e ，a n dn e e d st ob er e m a d e u s i n gt h et e c h n o l o g yo fr u b b l i z a t i o n t r e a t m e n tm e t h o d so fo l dp c ct ot r e a tt h eo l dp a v e m e n t ，t h e nd i r e c t l yo v e r l a yt h el a y e ro f a s p h a l tc o n c r e t es t r u c t u r e ，t r a n s f o r mi ti n t oab l a c ks u r f a c ep a v e m e n t ，i sc u r r e n tr e s e a r c h i n g a n dd e v e l o p i n gd i r e c t i o n m u l t i p l e - h e a db r e a k e ri sak e ye q u i p m e n to fr u b b l i z a t i o nt r e a t m e n t m e t h o d so fo l dp c c d e s i g na n dr e s e a r c ho nm u l t i p l e h e a db r e a k e rs t i l li si nt h er e l a t i v e l y b a c k w a r ds t a t e a n a l y z i n gt h eb r o k e nm e c h a n i s m ，d e s i g n i n gt h eo v e r a l ls t r u c t u r e p l a n ， h y d r a u l i cs y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e mi se m p h a s i so ft h ep a p e r o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h em e c h a n i s mb r e a k i n gt h ec e m e n tc o n c r e t e ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fac e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tb r o k e nb yh a m m e ri sb u i l d ，a n dt h es t r e s so fc e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n tu n d e rt h ec e r t a i nc o n d i t i o n si sa n a l y z e dw i t ht h ea n s y ss o f t w a r ew h e n t h ep a v e m e n ti sc r u s h e db yah e a v yh a m m e r t h eh e i g h to ft h eh e a v yh a m m e r , t h ed i s t a n c e b e t w e e no n eh a m m e rt oa n o t h e r , a n dt h es h a p eo ft h eh a m m e r sb l a d ea r er e s e a r c h e d t h e o v e r a l lp r o g r a m m e d ，h y d r a u l i cs y s t e m sa n dc o n t r o ls y s t e mo fm u l t i p l e h e a db r e a k e ra r e d e s i g n e d f i n a l l y , i ti st h em u l t i p l e - h e a db r e a k e rp r o t o t y p em a d ei nd i n gs h a nc o l t do f c h i n af o re x a m p l e ，t h eb r o k e ne f f e c to ft h em u l t i p l e - h e a db r e a k e rd e s i g n e di nt h i sp a p e ri s t e s t e d t h et e s tr e s u l t ss h o w st h a tt h eo v e r a l lp r o g r a m m e ，t h ep l cc o n t r o l l i n ga n dh y d r a u l i c s y s t e mo fm u l t i p l e - h e a d b r e a k e rd e s i g n e di nt h e p a p e rc a n a c h i e v et h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s ，c a nr e d u c et h er e l a t i v ed a m a g es t r e n g t ha n de l i m i n a t et h er e f l e c t i n gc r a c k so f p c c k e yw o r d s ：m u l t i p l e - h e a db r e a k e r ，d e s i g n ，d e v e l o p m e n t i l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：舷s 内占年月乡日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：落髯支 导师签名：杰，移 彦响辉占月3 日 州年6 只e l 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 选题的背景 我国的水泥混凝土路面始建于2 0 世纪6 0 年代中期，目前大多接近或超出设计年限， 出现了不同程度的损坏，处于维修、待修状态【1 1 。并且由于早期修建的水泥混凝土路面 中多为二级以下公路，设计强度低、板面厚度薄，随着在这几年交通量大，重载率高， 加上货车超载严重，造成水泥路面现断板、不均匀沉降、板底脱空、部分路段承载不足、 表面功能丧失等病害，严重影响了道路的使用质量。据统计，0 6 年底全国有铺装路面和 简易铺装路面公路里程1 5 2 5 1 万公里，按公路路面类型分组，各类型路面里程分别为： 有铺装路面9 9 6 5 万公里，其中沥青混凝土路面3 5 0 1 万公里，水泥混凝土路面6 4 6 4 万公 里；简易铺装路面5 2 8 6 万公里，所以水泥路面的修复养护日益严重【2 1 。 使现有已损坏的水泥混凝土路面得到快速有效的改造，在进行技术改造后能保持其 合理的结构形式，满足使用功能要求并达到设计使用寿命，保证现有公路网保持良好的 营运质量和服务水平，取得良好的社会经济综合效益，是公路管理部门亟待解决的重要 课题i 引。 与沥青路面相比，水泥混凝土路面的修复比较困难。多年来水泥混凝土的修复技术、 修复工艺和维修材料都一直是科技人员乃至于道路设计、施工、管理、产品制造商等社 会各阶层致力于解决的重大课题。在多年的研究实践中，水泥混凝土的维修方法取得了 一些成熟的应用经验。但由于这些方法，都存在一些固有的缺点，要么病害解决不彻底， 要么污染大、成本高，对交通影响大，所以交通专家一直致力于经济、环保、高效的水 泥路改造技术的开发。目前常用恢复路面性能的方法有很多：路面快速修补法、局部挖 除补强法、直接加铺罩面法、挖除换填法等。经过研究，旧水泥混凝土路面改造常用改 造方法优缺点比较，详见表1 1 【1 9 】。在以上几种方案中，对水泥混凝土路面采取加铺沥青 面层进行改造经济环保，无须处理“白色”污染物，是一种快速改造大面积破坏水泥路面 的办法，但改造后的路面较易出现反射裂缝【4 , 5 , 6 】。 为了防止沥青罩面层出现反射裂缝，常采取水泥板压浆、铺设土工栅格等措施。虽 然理论认为，铺设土工栅格具有消散应力，阻止反射裂缝出现的能力，但是实际效果并 不理想。为了解决反射裂缝的问题，十多年前欧美国家研究了冲击压实技术，打裂压稳、 碎石化等技术，并开发了相应的机械设备【7 ，8 】。 第一章绪论 局部挖除补强法 直接加铺罩面法 ( 加土工布、格栅等) 板式破碎法 碎石化法 局部断板机动、灵活、适用性强仅限小范围、成本高 断板率 1 5 改造彻底、性价比好 延缓裂缝反射 局部交通管制 冲击压实法基础较著路段解决基础不实 震动大、宏瓣和结构 整体挖除换填法断板率 2 0 改造彻底、无裂缝反射造价高、污染大、影响交通 冲击压实技术、打裂压稳技术和碎石化技术都能够解决“白色污染”的问题，又能避 免反射裂缝的出现，但是各有其缺点和不足的地方。 ( 1 ) 冲击压实技术【5 , 1 0 , 1 1 】 冲击压实机是一种具有高冲击能量的压实机械，其钢轮成五边形或者四边形。当它 以1 0 1 5 k m h 行使速度作业，压实轮凸点与冲击面产生交替抬升与落下，产生动能和势 能，同时具有静力、搓揉、振夯、冲击的作用和静压、振动压、冲击压的冲击压实原理， 瞬时释放出大的振动力和冲击能，对地面产生集中的冲击能量，其连续周期性的高振幅 撞击力，以1 5 2 2 次s 的低频率冲击破碎路面，冲击路面产生的强烈冲击可向板下基层 和土基传播。冲击数1 0 遍，即可达到效果。 图1 1 冲击压实基本原理 冲击压实技术需要较大的牵引力，碾压时冲击轮产生的冲击力对机械各部件也有冲 击；冲击压实产生极强的冲击力，对挡土墙、水沟、路段居民房屋等构造物产生震动等 较大的破坏作用。 ( 2 ) 打裂压稳技术【6 ，1 1 】 打裂压稳也称为门板式破碎技术，采用的破碎设备是一种门刀式破碎机( 图1 2 ) ， 其冲击锤有2 4 m 宽，锤头重5 t 以上，冲击锤提升一定高度后自由落下产生巨大的冲击 力将水泥路面横向打裂，然后采用胶轮压路机碾压使其稳固。锤头高度可以采用调整值 至达到破碎要求，一般要求7 5 以上的面板成不规则开裂，颗粒为0 4 。0 6 m 2 大小。 2 长安人学硕t 学位论女 图12 门板式破碎机 冲击压稳技术对周围建筑及结构产生较大影响和冲击，并产生较大的噪音。 采用冲击压稳或打裂压稳技术，要先加铺2 0 2 5 c m 半刚性基层，再加上1 0 1 3 c m 沥 青面层，故标高抬高达3 0 - 4 0 c m ，影响地面排水系统和标高。 ( 3 ) 多锤头破碎技术 多锤头破碎机( m u l t i p l e h e a db r e a k e r 简称m h b ，以下简称破碎机) 技术是以液 压油缸把悬挂在车后的重锤依次提升到一定高度后突然释放，锤头迅速自由落体下滑， 每个锤头产生6 5 0 8 5 0 k g 的能量，对水泥路面进行连续的冲击破碎( 图13 ) ，由于锤头 分散，地血受力均匀，并且破碎后呈k d , 下大，上面层不大于7 5 c m ，中间层不大于 2 2 5 c m ，下面层不大于3 7 5 c m ，且相互镶嵌的结构【1 州2 , 1 3 , 1 4 i ，从力学角度看可以分为三 层【坷： ( 1 ) 碎石化层不是一个均匀的层次，其组成颗粒粒径从上到下由细向粗过渡。 ( 2 ) 因体积膨胀受到约束，碎石化层内颗粒处于“预压应力”的状态。而由于材料内 裂缝沿粗骨料颗粒发展，水泥混凝土破碎后颗粒自j 呈现出复杂的咬合嵌挤状态。 ( 3 ) 碎石化层沿深度的强度形成原理并不相同：表面松散层类似于沥青稳定粒料：碎 石化层上部有较大的内摩擦角：碎石化层下部处于联锁咬舍嵌挤状态，并形成“拱效 应”传递荷载。 这种结构强度具有较好的支撑作用，这种方法可基本上消除反射裂缝，可毗作为沥 青路面结构中的稳定层使用。 然后再用特殊的“z ”字形压路机碾压，相互镶嵌，再喷洒透层油，防止雨水渗入， 这样就可以直接在卜面加铺设计的沥青混凝土层，达到“白改黑”的水泥路面维修效果 【5 l3 l 第一章蠕论 图1 3 多锤头破碎机 采用破碎机施工的工艺为：采用锤式碎石化设备破碎一遍；用z 型压路机振动压实 2 3 遍；测标高并进行级配碎石凋平，检测平整度；用“z ”纹轮压路机振动压实3 “遍；撒 布乳化沥青透层油：破乳后撒布石屑用光轮压路机静压2 遍；8 - 1 2 h 后摊铺基层及而层。 目1 4 z 纹轮压路机现场图1 5 在被碾碎的路血上喷上撕青 破碎机破碎施工时应该保证7 5 的混凝土路面破碎成表面最大尺寸不超过7 5 c m 中问不超过2 2 5 c m ，底部不超过3 75 c m 的粒径i 6 , 1 7 1 。 但足，需要研究专门的碎石化设备，即多锤头破碎机，成本较高。 1 2 国内外状况及发展趋势 国外水泥混凝土路面碎石化工艺应用很广泛，如美围从七十年代术、八十年代初开 始，因大范围水泥混凝土路面损害的出现，碎石化工艺逐渐发展起来，与之相应的碎石 机械得到了快速发展。科罗拉多卅l ( c o l o r a d o ) 2 0 0 0 年丌始在斯特林( s t e r l i n g ) 北部的 i 7 6 号州际公路上应用m h b 共振式破碲机，此前该卅f 未使用过这种工艺，图16 为施工时 的照片1 1 ”。 长生大学硕士学位论卫 图1 6 美国科罗拉多州碎石化施工 为了研究对比冲击破碎和多锤头破碎两种设备碎石化后的路面结构状况，特别是建 成后碎石化层的温度变化、应力扩散等情况科罗拉多州运输局的研究人员在两种设备 的破碎路段上设置了四个测试点在这些点位上埋设了传感器等元器件希望通过其后 五年的连续观测，了解新路面使用状况及两种设备碎石化的对比情况。事实证明，采用 m h b 破碎机效果更好。 目前国外主要的生产厂家有美国的a m i g o 公司生产成型产品，能够作为3 0 0 r a m 厚的 旧混凝土路面破碎，破碎宽度为0 7 5 3 9 m ，工作速度可达3 m r a i n ，每台班5 2 6 5 平方米。 在国内，交通部公路科学研究院与广西区交通厅、哈尔滨工业大学、重庆交通大学 等单位联合承担了交通部西部科研课题“水泥混凝土路面再生利用关键技术研究”。通过 课胚研究，逐步形成了一整套水泥混凝土路面碎石化再生利用“白改黑”施工新工艺，并 在广西平百路、广西国道g 3 2 4 南百线、湖北仙桃、河南新菜线等公路改造工程中得到实 际应用，取得了较好的应用效果 1 6 , 1 7 , 1 9 , 2 0 i 。 我国常规方式处理破坏严重的水泥混凝土路面时存在效率低、费用高的缺点，目前 逐渐采用冲击压实设备进行破碎的工艺。山东省公路局近年引进了m h b 类水泥混凝土 路面碎石化( r u b b l i z a t i o n ) 设备。 1 3 本设计的主要内容以及意义 应用多锤头破碎机改造旧混凝土路面在我国应用尚属起步阶段，具有很大的发展潜 力，但受国外技术保护的壁垒，我国目前只能从国外引进整机。本着强化国有机械技术 水平，减少对国外技术的进口和依赖，本文围绕多锤头破碎机的破碎机理以及破碎机的 设计开发展丌相关研究，拉开自主研发水泥路面多锤头破碎机国产化的序幕。本论文的 主要工作如下： 1 论述破碎机的破碎理论 从水泥混凝土的强度理论、力学特性、单轴压缩特性出发，在对混凝土裂缝扩展分 第一章绪论 析的基础上，对混凝土的断裂机理进行分析，得出冲击破碎机的破碎机理，并建立破碎 模型，利用弹塑性力学知识及有限元分析方法对水泥面板在破碎锤作用下的受力进行分 析，并且利用软件模拟一定条件下的应力应变情况，分析能够达到破碎效果的重锤上升 高度、质量以及锤刃的形状。 2 破碎机总体结构设计 分析破碎机的总体构成，并对各部件的结构形式进行详细的选型和设计分析，并对 一些工作参数做了设定，根据工作要求对破碎机的底盘、动力系统，工作机构等做了整 体布局，以构成一个完整系统。 3 破碎机主要装置设计 根据数值模型分析结果而设计工作机构，并对其液压系统做设计、选型，并对控制 系统的一些要求做分析和设计，以实现破碎机控制系统对整个生产过程的可靠控制。 4 样机试验 利用协作单位( 鼎山重工) 提供的样机，进行试验，对设计功能进行检验分 析。 6 长安人学硕士学位论文 第二章重锤破碎路面的理论 破碎机工作时，重锤下落，依靠势能转化而成的动能，以锤头锤刃作用在水泥混凝 土路面上。在锤刃的下方，水泥混凝土内部产生压应力，引起压缩破坏；在面板的底部 产生弯曲应力，引起撕裂破坏；在锤刃的边沿，产生剪应力和弯曲应力，引起错位破坏。 2 1 重锤破碎的工作机理 m h b 的破碎机理是通过重锤下落的势能对水泥混凝土板块产生瞬时、点状的冲击 作用。所携带的重锤分两排成对装配在整台机械的尾部( 后排重锤对角地装配在前排重 锤间隙中心) ，每对重锤单独地以一套液压提升系统为动力，在破碎时从按一定规律下 落，产生冲击力，冲击力可以由提升高度控制。单个重锤冲击力大小，可根据能量定理 计算【1 8 】： 1 p m 。x a a t = m v o ( 2 1 ) 二 v o = 4 2 9 h ( 2 2 ) 式中，p m 觚为最大冲击力，出为锤板动力接触时间，日为落锤高度，i n 为夯锤质 量，为锤一混凝土路面接触时的初速度，a 为夯锤底面积( 为a x b 的矩形) 。 m h b 重锤下落形成的是低频高幅振动，这种振动对原水泥混凝土板块的破碎作用 很明显，当采用的重锤下落高度大于一定值后，对特定厚度的水泥混凝土板可以一次完 成破碎。工作时，后排位置与前排成对角分布，用于对前排重锤未能破碎的区域进行补 充破碎。因为每对重锤由独立的液压装置提供动力，所以在某些特殊构造物处可以控制 部分重锤进行横向特定范围内的破碎，以避让这些构造物。 m h b 作为一种施工机械，其重锤的重量是固定的，可以控制的指标主要有以下三 项：重锤下落高度、锤击频率和机械行走速度。这三项指标决定了重锤在原水泥混凝土 板块平面上的锤击位置分布特性和每个锤击位置上作用的冲击能形式，从而最终决定了 破碎后结构层在整个厚度范围的粒径分布特性。在实际使用过程中，重锤提升、下落的 时间周期及行进速度最终表现在某重锤的纵向落点间距上，所以可以用这两项指标来控 制设备。 重锤的锤击频率是指重锤在单位时间内完成的锤击次数，它和机械的行进速度一起 决定了锤击作用位置在原水泥混凝土板块平面上的分布。较慢的行进速度和较高的锤击 频率导致锤击位置在板平面上分布集中，相反，较快的行进速度和较低的锤击频率使锤 7 第二章重锤破碎路面的理论 击位置平面分布相对较为分散。这两个因素也是影响破碎效果的重要原因。 2 2 混凝土材料的强度 由于固体材料的破坏，即原子结合的破坏，而形成两个新的单位面积的新表面。物 质的每个质点周围都存在一个力场，内部质点排列有序，周期重复，质点力场平衡对称； 而表面质点周期排列中断，表面立场对称破坏，表现出剩余键力。增加物质的表面就相 当于将物质原子内部移至表面，就要克服原子之间引力而做功，这部分功转化为体系表 面的能量，称为表面能。假设材料单位面积新的表面能为y ，由以上分析可知，破坏单 位面积材料做的功就应等于两个单位面积材料的表面能【2 1 1 ，即： w = 2 7 ( 2 3 ) 若使材料完全破坏，应将原子距由1 0 拉至r o + a ，这时为抵制应力为2 y ，需在单位面 积上做的功为： 矽= r ”仃o ) d r = j ：仲k s i i l 詈p r o ) a r 叫一等c o s 詈( ，一) 虼“一孚( 2 4 ) 即2 a a m ：2 y 石 得到材料的理想强度公式： a m 。、坐 ( 2 5 ) v，d 就剪切破坏而言，进行同样的计算所得的理论强度k 为： g b z m 。= 一 识 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中：g 一材料的剪切弹性模量； b 一材料的弹性模量； 卜原子间的距离。 而实际的强度远低于其理论计算强度，这一现象可以用a a 格林菲斯( g r i f f i t h ) 理 论加以解释。即应力作用在材料上，材料就会产生应变导致变形，应力如增加到一定限 度就会引起破损。破损如进一步发展，材料就要开裂以至断裂。脆性材料在破损前是一 种不完全塑性变形的材料，混凝土虽然被称为脆性材料，但不是真正的脆性材料【2 2 1 。 格林菲斯判别： 0 = 露 ( 2 7 ) 格林菲斯判别给出了临界裂缝c 值对应的裂缝扩展材料断裂的应力临界值。 e 奥罗万( o r o w a n ) 在格林菲斯理论的基础上研究了在双向应力作用下的断裂条件。 8 仗安大学碗上学位论文 如图21 所示，图中x 表示单向( 直接) 抗拉强度。西和0 2 为两个主应力压应力为负。 当作用应力超出国中阴影范围时则发生破坏。o 。当0 2 或为零时单向抗压强度为8 x ，亦 即抗压强度为直接抗拉强度的8 倍，这一理论分析很好地与水泥混凝土材料的实验结果 相符口i 。 圈21翅罗一积h 臆力娜论断裂条什曲线 混凝土强度理论般可分为细观力学和宏观力学理论两类。混凝土强度的细观力学 理论，是根据混凝土材料细观非匀质性的特征研究组成材料对混凝土强度所起的作用。 而混凝土强度宏观力学理论，则是假设混凝土材料为宏观匀质且各向同性材料，研究混 凝十在复杂应力作用下普适化破坏条件1 2 2 , 2 3 1 。 按照断裂力学的观点，决定材料断裂强度的是某处存在临界裂缝宽度，它和孔隙的 形状及尺寸有关。 221 混凝土的力学特性 混凝土是一种主要由嵌埋于水泥浆中不同粒径的骨料颗粒组成的复合材料。依据认 识，着重强调三种基本特性纠： ( 1 ) 较粗骨料和砂浆间界面上存在大量的界面微裂纹； ( 2 ) 水泥浆具有较高孔隙率( 约3 0 ) ，且这些孔隙充满了水( 或) 空气； ( 3 ) 分子尺寸以上级别的各种尺寸内混凝土都存在有气孔和( 或) 水泡。 这些特性中的每一个都严重地影响混凝土的力学性质，在单轴压应力状态下，加载 期间微裂纹的扩展促成混凝土在低应力水平下的非线性性质以及引起接近破坏时体积 增大；在高的静水压力下，气孔和水泥浆孔隙的存在对混凝土强度和力学性质的影响就 变得愈加明显。 混凝士中多数微裂纹是由砂浆的离析、收缩或热膨胀引起的，因此在加载前就已经 第二章重锤破碎路面的理论 存在。某些微裂纹是由于加载期间骨料和砂浆间刚度不同所致，所以，骨料砂浆界面 就成为这种复合系统中最薄弱的环节。 混凝土先天存在微裂纹，在应力作用下微裂纹扩展。 2 2 2 混凝土单轴压缩性质 在单轴压缩试验中，压应力与轴向应变，横向应变及体应变的典型关系曲线如图2 2 所示。图2 2 的曲线表示抗压强度f 。各异的混凝土的不同单轴应力应变曲线。主要观 察结果和这些曲线的特性可概括如下【2 3 1 ： 1 0 、 乏一比例极限 响应茭 0 3 ( ! 】) 临湮力 o t 。 议 ， 体积增量 0 体积压缩量 ( b ) ( a ) 横向和轴向应变；( b ) 体积应变 图2 2 混凝土单轴压缩试验典型的应力应变曲线 轴向应力应变曲线( 图2 2 a ) ，压应力大约在最大抗压强度f c 的3 0 以下时具有接 近线弹性的性质。应力在0 3f c 以上，混凝土开始软化，曲线显示出弯曲程度逐渐增大， 一直到大约o 7 5f c 0 9f c 。此后曲线的弯曲更加明显，一直到达峰值点毛，过峰值点 后曲线有一下降段，一直到某一处极限应变下发生压碎破坏为止。 如图2 2 ( b ) 所示，体应变( = 1 + 2 + 3 ) 从开始至应力为0 7 5 厶0 9f c 处几乎为 线性。在此处体应变的方向反过来，并在接近或达到f c 时发生体积膨胀。相应于体积应 变最小值的应力为“临界应力”。 图2 2 中应力应变曲线的形状是与内部逐渐萌生微裂纹的机理密切联系的。应力在 小于3 0 r e 的区域内，加载前存在于混凝土中的微裂纹几乎保持不变。这说明可得到 的内能小于产生新微裂纹所需的能量。3 0 f c 左右的应力水平称为“局部裂纹萌生”应 力，可作为弹性极限。 应力在3 0 f 。和5 0 f 。之间时，由于微裂纹尖端应力集中，界面裂纹开始扩展，直 至下一应力阶段前砂浆裂纹仍然是可以忽略的。这一应力范围可得到的内能几乎与开裂 1 0 长安大学硕上学位论文 需要释放的能量平衡，在此阶段，裂纹扩展是稳定的，意思是说如果施加应力保持不变， 裂纹迅速达到最终长度。 应力在5 0 f c 和7 5 f 屺之间时，临近骨料表面处的一些裂纹以砂浆裂纹的形式开始 连接。同时，其他界面裂纹继续缓慢扩展。如果载荷保持为常量，裂纹将继续以减慢的 速率扩展至其最终长度。 应力约在7 5 f c 以上时，最大的裂纹达到其临界长度，此时可得到的内能大于开裂 需要释放的能量，因此，裂纹扩展速率加大且系统变得不稳定，因为即使荷载保持不变， 仍会发生彻底崩溃。约7 5 f c 的应力水平被称为“裂纹开始失稳扩展”或“临界应力”，因 其与体积应变、，最小值相对应。 在厶附近，混凝土的逐渐破坏最初是由施加应力方向上砂浆的微裂纹引起的。这些微 裂纹与邻近骨料面的界面微裂纹共同桥接而形成微裂纹区或内部损伤。当承受不断增强 的压应力时，混凝土材料的损伤( 压碎) 继续积累而进入应力一应变曲线下降( 软化) 段，这是一个宏观裂纹出现为特征的区域。 混凝土受压应力应变曲线上升段表示为【冽： y ：1 7 x 一0 4 x 2 0 3 x 3 ( 2 8 ) 式中：x 一表示应力与整个应力的比值； y 表示应变与整个应变的比值 混凝土的初始弹性模量通常取为抗压强度乞的函数，相应于较高的抗压强度有较高 的弹性模量。代替实际的实验数据，初始弹性模量e o 可由经验公式相当精确地算得： e o = 3 3 0 ) 1 5 厂。 ( 2 9 ) 式中：一混凝土单位重量，单位为k n m 3 ： 厶一混凝土单轴抗压圆柱体强度，单位为m p a 。 单轴压应力下混凝土的泊松比v 在大约0 1 5 o 2 2 范围内变化，以o 1 9 o 2 0 为代表 值。逼近0 8 f c 时，泊松比为常数，在此应力下，泊松比开始增大。 在单轴压应力作用下，如果集料颗粒的弹性模量较小，则在颗粒上下部将产生拉应 力，在侧部发生压应力。弹性模量较小的集料一般强度较低，因而在集料颗粒内部就会 产生与载荷作用方向平行的拉伸破坏面，这种混凝土会随着集料的体积率的增加而强度 下降。如果集料的弹性模量较连续相的大时，则在集料的上下部产生压应力，在侧部产 生拉应力【2 4 1 。 第二章重锤破碎路面的理论 2 3 混凝土断裂机理的研究 2 3 1 裂缝扩展的3 中类型 彰一一 t 的b砖 图2 3 裂缝扩展模式 断裂力学认为，裂缝的扩展有3 种位移模式：张开模式、剪切模式和撕开模式。行 车荷载对反射裂缝影响的主要模式是张开模式和剪切模式，当车轮驶经裂缝的正上方 时，以张开模式引起反射裂缝，一般产生于面层的底部，在周期性荷载的作用下垂直向 上扩展；当车轮驶经在裂缝之前和之后的位置时，主要以剪切模式影响反射裂缝，裂缝 在面层中以一定的角度向上发展。撕开模式在面层中不常出现【1 6 , 2 1 】。 ( 1 ) 张开型裂缝( i 型) ，如图1 ( a ) 所示。正应力和裂缝面垂直，在正应力作用下，裂缝 尖端处左右两个平面张开而扩展，且裂缝扩展的方向和作用方向垂直。这种裂缝扩展 模式称为张开型裂缝，也称为i 型裂缝。 ( 2 ) 滑开型裂缝( i i 型) ，如图1 ( b ) 所示。剪应力r 和裂缝表面平行，而且它的作用方向 也与裂缝方向垂直。在剪应力作用下裂缝的上下两个平面相对滑移而扩展。这种裂缝扩 展模式称为撕开型裂缝，或称为i i 型裂缝。 ( 3 ) 撕开型裂缝( i n 型) ，如图1 ( c ) 所示。剪应力r 和裂缝表面平行，而且它的作用方向 也与裂缝方向平行。在剪应力作用下裂缝的上下两个平面撕裂扩展。这种裂缝扩展模式 称为撕开型裂缝，或称为i i i 型裂缝。 混凝土在重锤打击作用下裂缝的扩展采用i 型和i i i 型。 2 3 2 分析的一些预备知识 1 顶端应力场的奇异性【2 5 】 对于平面问题( 如图2 4 ) ，在裂纹顶端附近，应力分量 o y y ( x ，o ) o cr - l 2 , r - 0 ( 2 1 0 ) 图2 4 裂纹顶端与坐标系 这种现象被称为在裂纹顶端区域应力场具有f l 2 阶的奇异性。 2 应力强度因子【矧 由式( 2 1 0 ) 可以得到 r 1 尼q y ( x ，0 ) = 常数，卜0 ( 2 1 1 ) 1 2 长安大学硕上学位论文 式中右端的常数代表了应力场r 1 陀阶的奇异性强弱的程度，因而被称为应力场奇异 性强度因子，简称应力强度因子。 3 塑性本构方程【2 4 】 d e # = 去呶+ 等s ( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 描述了塑性状态下加载过程中应力偏张量的增量d s “与应变偏张量的增 量d e i j 间的关系。 在使用时，需将加载过程分段，在每一段上使用增量理论。在每一小微段上给定d o i i ， 由增量理论可以求出d i 。 例如，在加载路径上取一段，设为第k 段，即从t 时刻至t + a t 时刻，设t 时刻的应 力与应变为( s 日) k - 1 和( 铀) k - l ，给定从t 时刻至t + a t 时刻的应力增量为( d o i j ) k ，此时t + t 时 刻的应力为( s i j ) k ，( s i j ) k = ( s i j ) k - l + ( d o i j ) k 。求出第k 段内的应变增量( d e i j ) k ，从而求出t + a t 时刻的应变： ( s 盯k = ( f , i jk 一1 - i - ( d e o ) 七 此时，式( 2 1 2 ) 为 ( 嘞) 。= 寺a +毪学嘞h 泣 因此利用增量理论求解可充分反映加载过程，但是计算繁琐。 4 双剪应力状态的描述 通常采用正六面体作为应力单元体进行应力状态描述，应力状态由九个应力分量表 示。应力单元体是空间等分体，可有多种取法，采用双剪应力单元体也可描述应力状态， 得到双剪应力状态1 2 6 1 。 双剪单元体是四棱锥体，作用于双剪单元体上的主剪应力，只有两个是独立的，由 三个主应力表示的双剪应力t 1 3 ，c 1 2 ，它3 及其作用面上的正应力0 1 3 ，0 1 2 ，0 2 3 分别为： q ：= 三( 吼一仃：) z 。乏1 ( 仃：一仃，) q ，= 丢( 盯，一仃，) 吼：一三( 吼+ 蚴仃船= 互1e r a ) = j 1 ( 盯。+ ( 2 1 4 ) 5 混凝土破坏时，损伤面方程 2 2 , 2 3 1 3 第二章重锤破碎路面的理论 f - - o 1 - 击+ 吧) 一q0 2 - - 等 f = 击慨+ 吼) 一眠= q 当昨等孚 式中：瓯，瓯分别为抗拉强度和抗压强度， o 。 口= 二 o r ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 6 破坏过程耗能率【2 7 l 破坏过程是耗能过程，在任意时刻t ，混凝土因载荷作用产生的不可逆应变为i j ( t ) ( i ，j = 1 ，2 ，3 ) ，单元的耗能率为啦( t ) 。用折线逼近应力应变曲线，在t 时刻的应力为c r 打o ) ( i ，j = 1 ，2 ，3 ) ，则耗能率为【3 4 】： 够( f ) 昌仃f f 占f f ( f ) ( 2 1 7 ) 式中，i j ( t ) 为对i j ( t ) 求导 7 中低速冲击载荷下材料变形的描述 在中、低速冲击载荷作用下材料的变形行为主要涉及应变率和温度效应，对变形行 为的描述有各种形式的本构方程。 在中、低速冲击载荷作用下，材料不同程度地表现出各种时效，主要是应变率效应。 高应变率效应往往相当于低温效应。常用一个温度和应变率组合而成的参量( z h 参量) z l n 来表示温度丁和应变率，对应力一应变关系、屈服应力和流动应力产生的综合效应 ( k 为材料常数) 。分述如下： 屈服应力的应变率效应和温度效应屈服应力随z h 参量增大而降低。在高应变 率条件下，会发现载荷虽已超过屈服应力，但屈服现象并不立即出现，如碳钢的塑性变形 可滞后几十微秒才发生，这称为屈服滞后。 流动应力的应变率效应和温度效应在应变率为1 0 。5 - - 1 0 3 秒d 的范围内，流动应 力大致随应变率的对数呈线性变化。参量一般随温度和应变的增大而增大。 应变率历史效应表示材料对过去应变率历史不会立即”忘却”。如在剪应变率发 生跳跃实验中，跳跃后的应力应变曲线并不立即与恒定条件下的曲线重合。 弹性前驱波的波幅衰减和应力松弛弹性前驱波就是一维应变下的弹性纵波，它 本应以恒速、恒幅向前传播。冲击实验发现，弹性前驱波虽然是恒速，但波幅却随传播 距离而衰减，而且在波峰后，有一段应力下降( 松弛) ，然后才出现高幅度的塑性波。 1 4 长安火学硕士学位论文 绝热剪切带受冲击载荷作用后，在材料发生大塑性变形的区域中，存在一些白色 的亮带，称为绝热剪切带，在压力加工工艺中则称为热线。这是由于在极高的应变率( 1 0 6 秒。1 ) 下，局部大塑性畸变产生的热来不及传输出去，使变形加剧而形成的。裂纹可 沿绝热剪切带发展，也可出现与绝热剪切带斜交的多个裂纹。 崩落崩落是拉伸应力波造成的材料断裂。拉伸应力波是从受载面开始的压应 力波在自由表面反射形成的，所以崩落多发生在受冲击体的背面自由表面附近或拉伸应 力波相交而增强的区域。崩落破坏面是由许多裂纹或孔洞连接而成的。崩落表现出强烈 的时效，载荷持续时间越短，达到破坏所对应应力越大。 动态脆性由于应变率的增大，屈服应力和流动应力相应地提高，使塑性变形区 缩小，从而导致材料脆化，表现为材料脆性韧性转变温度的提高和断裂韧性的下降。 遗留效应冲击载荷在固体中造成的瞬时高压( 常伴有高剪应力) 、高温和高应 变率，往往造成材料的组织结构和性能的永久变化，这种变化在卸载后依然存在，称为 遗留效应。主要表现为不可逆相变、显微结构和力学性能的变化。 2 3 3 混凝土断裂分析 1 混凝土双剪应力因子断裂准则 直角坐标系中的主应力与柱坐标系中的主应力的关系为【1 8 , 2 1 】： 0 1 + 0 2 + 0 3 20 r + 0 e + 0z o r l 仃2 + 仃2 吗+ 吧o r t o r 口口+ 吒+ 仃：q 一 ；一f 丕一z 二 ， o r l o r 2 c ，3 一盯，o r 口( l + 打坩了出t z r 一( 7 口z 二2 一仃r z 出2 一仃z z j 2 ( 2 1 8 ) 在分析复合型裂纹脆性断裂问题时，应力分量a o ， g r e ，百。：是主要的，其它应力分量起 次要作用，上式简化为【3 3 】： o r l + 2 + 0 3 。8 o r l 盯2 + o 2 0 r 3 + 0 3 0 l2 一f 厶一z 丕 仃1 仃2 仃3 0 ( 2 1 9 ) 解得： o r i 。lr , y o 属i 丽了石】 ( i _ 1 ，2 ，3 ) ( 2 2 0 ) 对于三维裂纹问题。裂纹尖端应力场的一般表达式为： 1 5 第二章重锤破碎路面的理论 _ _ 一 毗咖丽1 【驷炉；n 争詈) 蝴；n c o s 扣刭 彬，2 击卜s 扣屿咖哥驯n 罢c o s 兰c o s 刭 叽卟去卜s 兰一删n 割 ( ，9 ) = 击【巧c o s 詈s 血兰c o s 了3 0 + k l lc o s o ( 1 - s i n 兰s t n 渤 ) ；一丽k ts i n 兰 啪一击c o s 詈 ( 2 2 1 ) 应用回归分析建立的最大载荷的府力分析公式 f l 为地基的柏松比。 对于i i i 复合型断裂，双剪应力准则可表示为【2 6 】： c o s 知刚乏墙崛冬= 1 2 k i r c h h o f f 板理论裂纹断部场【捌 ( 2 2 4 ) 假足混镟土路向为含裂纹的k i r c h h o f f 薄板。取柱坐标( r ，0 ，z ) ，设z 方向的绕度 为w ，弯矩m ，m o ，扭矩m r o ，切力为q ，o o ，采用右手坐标系，按照尉r c h h o f f 薄板 理论，有： d v 2 v w 2 ( ，口) 5p p ，口)( 2 2 5 ) m om - d 字号警+ 专嘉， m ，= - d 咭a z _ _ _ r w w ：州吾詈+ 专等， 一一d ( 1 叫，t 吾等一专鲁， iu lu uro n ( 2 0 h a ，a 臼_ v 2 w ：q ，一n o 打v 2 w 1 6 丢掣苇腱毪裁 = 削婴 为 q 杉f d 萤 r 度 长安大学硕士学位论文 其中：v ：。善+ ! + 要+ 丢羔为柱坐标下的拉普拉斯算子：p ( r ，o ) 为作用于板上 8 r 2 r a r r 2a 8 2一 的载荷。d = e h 3 1 2 0 一，2 ) 为板的弯曲刚度；h 为板厚；e 为混凝土的弯拉模量。 依据上式，得到相应的应力表达式为： ；半一半；警等。) ；等( 等一z 2 ) ；警( 等一z 2 ) ( 2 2 7 ) 边界条件： 0 = 万，m 日= o ，一0 计算可得到： ，。生垒三f 一旦一翌1 + 旦二篓，l 三( 一9 + 7 v 旦+ s iseor - 3 c o sc o ss 1 nn ) + 2 疋z，i f 七一ii + 兰1 一i 一 一) + z ，z 3 2 ( 3 + ，) 2 玎厂h 22 1 2 ( 3 + ，) 2 万rh 、 1 1 ，22 7 仃。旦坠三f竺生童!coseo_+5e1+旦垒三(旦+sin翌)(229)cos c o ss l ns m仃。一士一l + l + 当一i 一 一) l z 7 2 ( 3 + ，) 4 2 = rh 1 一， 22 1 2 ( 3 + ，) 4 2 u rh 、 22 7 1 一， k ，z ，7 + y 05 0 ， 1 一， k ， z，5 + 孙0 5 0 、， 。石丽了嘉万【一百8 1 n 三一s m i j + 五丽了秀嘉万【百s i 一s i ) + 1 z ( 2 3 0 ) i 出外易求得 吒= 鲁专 卜参c o s 詈+ 参s ；n 詈， 一一等詈卜参咖詈+ 参c o s 詈， 3 含裂纹的r e i s s n e r 平板弯曲理论【2 6 】： 裂纹尖端应力场为可表示为： 吒一煮鲁c 。s a 1 “n 罢s ；n 詈卜羞鲁s t n i 0c 2 + c o s 鲁c 。s 詈，+ 。p 。， q 一羞警c o s 罢+ s ；n 罢s 如詈卜羞鲁s ；n 鲁c o s 鲁c o s 詈，+ 。p 。， = 煮等c o s 鲁s ，n 鲁c o s 詈卜羞罟警c o s 鲁o “n 鲁s 血詈，+ 。p o )。赢百c o s 虿s l n j c o s 了j + 意i c o s j ( 1 _ s 1 n i s l n i ) + d ( 广) ；一丽k 竽c o s 鲁+ d ( ，0 ) 吒一参竿咖詈州， 最大周向应力： 1 7 ( 2 3 1 ) *