（机械工程专业论文）沥青路面冷铣刨机铣削装置研究.pdf

摘要 伴随着国内公路建设的快速发展，市场对路面养护设备的需求量也越来越大。沥青 路面冷铣刨机作为路面维修和养护的主要设备，以其高质量、高效率的施工效果，越来 越受到施工单位的重视，市场需求也越来越大。 尽管国内铣刨机，尤其是2 米左右大型铣刨机经过这几年的发展已有了很大变化， 但是无论从技术性能、可靠性、外观质量、人性化设计及自动化程度等方面来说，国产 铣刨机还有很长一段路需要走。究其原因是凶为国内目前的理论研究较少，虽然它的工 作原理与农业上的旋耕机及稳定土拌和机相近，但是它们的作用对象不同。针对沥青混 凝土材料，国内缺少统一的理论指导，因此本文试图通过对沥青路面铣刨机铣削装置的 工作方式、工作原理、刀具布置和铣削运动的理论分析，建立刀具铣削受力数学模型。 利用该数学模型，计算出在铣削过程中刀具处于最大铣削深度时的铣削受力，分析刀具 运动参数和几何参数与铣削受力之间的关系，并运用计算机仿真，得出给定条件下刀具 参数对刀具铣削受力的影响规律。本文为以刀具结构及材质为研究对象，分析了造成刀 具早期磨损的原因，同时分析了铣刨生产率的影响因素，试图通过研究为最大限度提高 铣刨机的使用性能提供理论依据。 本文第一章主要为沥青路面铣刨机概述、国内外沥青路面铣刨机发展历程及技术现 状；第二章主要介绍沥青路面铣刨机铣削装置结构，包括铣刨装置工作方式及工作原理， 罩壳、铣刨滚筒结构；第三章主要介绍刀具受力分析及参数影响规律；第四章主要介绍 沥青路面铣刨机铣刨转子刀具布置及刀具的几何角度确定；第五章主要介绍铣刨机刀具 磨损与影响因素；第六章主要介绍影响铣刨机铣刨生产率的因素。 关键词：路面铣刨机刀具布置数学模型铣削受力 计算机仿真铣削作业 a b s t r a c t w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to fh i g h w a y , c h i n ar e q u e s tl a r g en u m b e r so fm i l l i n g m a c h i n e sm o r ea n dm o r e t h ec o l dm i l l i n gm a c h i n ei st h em a i ne q u i p m e n tf o rr o a dm a i n t a i n s a n dp r e s e r v e t h ec o l dm i l l i n gm a c h i n ea t t a c hi m p o r t a n c et oc o n s t r u c tc o m p a n yw i t hh i g h q u a l i t ya n de f f i c i e n c yc o n s t r u c ti m p a c t ，m o r ea n dm o r ec o l dm i l l i n gm a c h i n e sa r er e q u e s t e d t ot h em a r k e t i nc h i n a ，t h ec o l dm i l l i n gm a c h i n e sh a v eh u g ec h a n g ei ns e v e r a ly e a r s ，e s p e c i a l l y2 m e t e r s i n p e r s o n a l l ys p e a k i n g ，f o r mt e c h n i q u ec a p a b i l i t y , d e p e n d a b i l i t y , a s p e c tq u a l i t y , h u m a n i s t i cd e s i g na n dr o b o t i z a t i o na n ds oo n ，t h eh o m e g r o w nm a c h i n e r yh a sal o n gt i m et o d e v e l o p t h er e a s o no ft h a ti sw eh a v eal i t t l et h e o r yi n v e s t i g a t i o ni nc o l dm i l l i n gm a c h i n e a l t h o u g ht h ec o l dm i l l i n gm a c h i n e sp r i n c i p l eo fo p e r a t i o n i ss a m ea sr o t a v a t o ra n ds t a b i l i z e d s o l i da m a l g a m a t o r , b u tt h e yh a v ed i f f e r e n to p e r a t i n go b je c t w ed o n th a v eu n i f o r ml o d e s t a r f o rt h em a t e r i a lo fa s p h a l t u mc o n c r e t e ，s ot h i st e x tt r yt oa n a l y s et h ec o l dm i l l i n gm a c h i n e s w o r k i n gp r i n c i p l eo fo p e r a t i o na n dd i s p o s a lo fc u t t i n gt o o l sa n dm i l l i n gm o v e m e n t ，s e tu p m a t h e m a t i c sm o d e lo fc u t t i n gt o o l s m i l l i n gf o r c e m a k eu s eo ft h em a t h e m a t i c sm o d e lt o w o r ko u tt h eb i g g e s tm i l l i n gf o r c ew h e nc u t t i n gt o o l sw o r ka tt h eb i g g e s tm i l l i n gd e p t h ， a n a l y s et h ec o n n e c t i o no fc u t t i n gt o o l s m o v e m e n tp a r a m e t e r , g e o m e t r yp a r a m e t e ra n d m i l l i n gf o r c e ，e x e r tc o m p u t e re m u l a t i o n ，e d u c et h er u l ea b o u tc u t t i n gt o o l sp a r a m e t e rt o c u t t i n gt o o l s m i l l i n gf a c ei ns p e c i f i c a l l yc o n d i t i o n t h i st e x ti sa l s of r o mt h es t r u c t u r ea n d m a t e r i a l sf o rt h es t u d yt oa n a l y s et h er e a s o no fe a r l ya b r a s i o nf o rc u t t i n gt o o l s a n di ta l s op u t f o r w a r dt h em i l l i n gb yt h ei m p a c to ff a c t o r sa f f e c t i n gp r o d u c t i v i t y , t h r o u g hr e s e a r c ht ot r yt o m a x i m i z et h eu s eo fm i l l i n gm a c h i n e sa n dp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i s t h ef i r s tc h a p t e ri st h es u m m a r i z ea b o u tt h ec o l dm i l l i n gm a c h i n e ，t h ep h y l o g e n yo ft h e c o l dm i l l i n gm a c h i n ei no u rc o u n t r ya n da b r o a d t h es e c o n dc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e st h a t t h ec o l dm i l l i n gm a c h i n e ss t r u c t u r eo fm i l l i n gd e v i c e t h a ti n c l u d e st h ew o r k i n ga n d p r i n c i p l eo fo p e r a t i o na b o u tt h ec o l dm i l l i n gm a c h i n e ，t h es t r u c t u r eo fm a n t l ea n dt h em i l l i n g d r u m t h et h i r dc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e st h ea n a l y s i so fc u t t i n gt o o l s m i l l i n gf o r c ea n dt h e a f f e c tr u a lo fp a r a m e t e r t h ef o u r t hc h a p t e rm a i n l yt oi n t r o d u c et h ec u t t i n gt o o l s d i s p o s a lo f t h ec o l dm i l l i n gm a c h i n ed r u ma n dc o n f i r mt h ec u t t i n gt o o l s g e o m e t r ya n g l e t h ef i f t h i l c h a p t e ri n t r o d u c e st h ea b r a s i o no fc u t t i n gt o o la n dd u r a b l eo ft h ec o l dm i l l i n gm a c h i n e t h e s i x t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ep r o d u c t i v i t yf a c to fc o l dm i l l i n gm a c h i n e k e y w o r d s ：c o l dm i l l i n gm a c h i n e c u t t i n gt o o l s d i s p o s a l m a t h e m a t i c sm o d e l m i l l i n gf o r c e c o m p u t e re m u l a t i o n m i l l i n gt a s k i i i 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，均己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已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝作者躲引着畸 川和月，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：i - 着屿 导师签名：育宁最手 如u 酽年p 月j 日 z 蜘了年fq 月f 日 长安人学硕：学位论文 1 1 沥青路面铣刨机概述 第一章绪论 沥青路面铣刨机是一种高效的路面维修养护设备。按铣刨工艺不同分为热铣和冷铣 两类。热铣是在铣刨机上加装远红外或其它加热装置，将路面预热到一定的温度后再进 行铣削作业；冷铣是在常温下直接对路面进行铣削作业。相比之下，冷式沥青路面铣刨 机具有使用成本低、深度范围广及不污染环境等优点。随着铣削刀具的发展及寿命的提 高，近2 0 多年来，冷铣刨机在国外得到迅速发展，品种规格繁多，并形成完整的系列。 目前国内外生产和使用的基本上都是冷铣刨机，因此在名称上已习惯简称为沥青路面铣 刨机或铣刨机。 在对沥青路面进行机械化维修养护过程中，沥青路面铣刨机可以完成以下工作：对 沥青路面进行大面积铣刨破碎，同时将旧料回收再利用，以便重铺新料，使路面得以重 新翻修；对局部损坏需修补的路面进行铣刨作业，使其成为规则的方形坑槽，以便修补 后接缝整齐、美观；对路面油包、油浪、车辙等常见病害进行铣平修整作业，以提高路 面的平整度和通行能力；对附着系数较低的路面进行拉毛作业，以获得一定的路面粗糙 度；有些沥青路面铣刨机还被允许用来铣刨水泥路面及水泥稳定土路基等。 鉴于沥青路面铣刨机的上述功能及其机动灵活、工作质量好、效率高、可回收旧料 等特点，使其成为高等级公路和城市道路机械化养护必不可少的设备之一，也是旧沥青 路面再生的重要设备之一。 铣刨机的主要性能参数是铣刨宽度和铣刨深度。不同机型的铣刨宽度从3 0 0 m m - - - 4 2 0 0 m m 范围宽度，其中应用最多的是1 0 0 0 m m 和2 0 0 0 m m 的机型。铣刨深度一般在o 3 2 0 m m 之间。 铣刨机按行走方式分为轮胎式和履带式两种。轮胎式机采用实心轮胎，具有机动灵 活、转运方便、适合狭小区域作业等优点。履带式机型附着力大、自动找平性好，但机 动性稍差。轮式行走方式一般应用在小型机，大中型机多采用履带式行走方式。国外一 些铣刨机采用轮式和履带可以互换的行走机构，以提高设备使用的适应性能。 1 2 国内外沥青路面铣刨机发展历程 2 0 世纪5 0 年代，日本研制了国产1 号电热式铣刨机，它是在平地机上安装了一个 第一章绪论 加热装置，后部装备铣刨器，边加热边铣刨，加热宽度为2 0 0 0 m m ，铣刨深度只有2 0 m m ， 工作速度也只有o 1 2 k m h 。2 0 世纪6 0 年代，日本又在平地机上改装成了世界上第一台 冷式铣刨机，铣刨宽度2 0 0 0 m m ，铣刨深度3 0 5 0 m m 。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着沥青路面旧料再生技术的发展，德国、美国、瑞典、意 大利等国家也相继开发了沥青路面铣刨机。其中德国维特根( w i a g e n ) 公司作为以生产沥 青路面铣刨机的专业公司，1 9 7 1 年开发了装有红外线路面预加热系统的小型铣刨机，开 创了道路养护施工新纪元，并很快为承包商所接受。到2 0 世纪7 0 年代中期，全欧洲已 有一百多台这样的铣刨机在使用。十年后，维特根公司又开发了带直接收集旧料装置的 小型冷铣刨机，并迅速推广。2 0 世纪9 0 年代初，维特根公司的铣刨机的大型化、系列 化、液压及控制技术得到显著提高，迄今为止，已发展成为全球产量最大、品种最齐全、 技术水平最高的铣刨机专业厂商，并以铣刨机为基础，开发了沥青路面冷、热再生设备， 其中w 2 2 0 0 型代表了当今冷铣刨机技术的最高水平。意大利的b i t e l l i 公司、美国的c m i 公司、c a t e r p i l l a r 公司均在2 0 世纪9 0 年代初开发了自己的冷铣刨机，尤以意大利b i t e u i 公司的技术水平发展最快，它的s f 系列产品在技术与性能方面几乎可完全与w i r t g e n 公司的产品媲美。 国内对沥青路面铣刨机的研究开始于2 0 世纪8 0 年代，1 9 8 5 年交通部对沥青路面旧 料再生设备进行了立项研究。随后，湖北襄樊公路机械厂及镇江路面机械厂研制出了简 单的铣刨机。1 9 9 0 年天津市道桥机修厂也研制出l z 1 0 0 0 型铣刨机，但当时及随后的 1 0 年中，我国主要处于筑路的建设中，路面的维护和保养并不显得十分迫切，国产铣刨 机由于市场容量有限，没有得到相应发展。 2 0 0 2 年以前，我国公路养护市场对路面铣刨机的需求主要依赖进口，尤其是以铣刨 宽度为2 0 0 0 m m 为主的大型铣刨机。2 0 0 2 年后，随着2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初修建 的一批高速公路陆续进入大修期，我国对路面铣刨机的需求明显增加。此时国内一些厂 家在借鉴国外铣刨机设计和制造的经验基础上，开发和生产了具有现代液压传动技术和 电子控制技术于一体的路面铣刨机。 目前，以铣刨机为主要设备的机械化养护作业方式已经在我国高速公路和市政养护 上被广泛采用，成为目前形势下的一种标准养护模式，铣刨机的市场需求也随之升温。 但从目前国内市场上来看，铣刨宽度在2 0 0 0 m m 以上的高端产品，国外产品处于一种绝 对的领先优势，截止目前国内这一规格产品技术还不成熟，处于摸索阶段，而1 0 0 0 m m 左右铣刨国内产品占据绝对优势。 2 长安人学硕一l ：学位论文 1 3 国内外沥青路面铣刨机技术现状 路面铣刨机是工程机械中结构较为复杂的机型之一，它的设计与生产涉及机械制 造、液压传动、电子控制等技术领域，它的发展经历了较长的历程。从技术角度看，国 内外各厂家生产的大中型铣刨机( 铣刨宽度1 5 0 0 m m 以上) 总体结构大同小异，但在传动 系统、电子控制系统及行走驱动系统上有所区别。 1 动力传动系统 大中型铣刨机的动力传动系统目前可分为两种：一种是以维特根w 2 0 0 0 型为代表 的机型。这种机器在动力传动上采用发动机一端输出方式，发动机动力通过飞轮传给分 动箱，再由分动箱驱动液压系统和铣刨转子系统，具体见图1 1 。这种传动系统结构紧 凑，可靠性高，对发动机选择没有限制，是目前大部分生产厂家采用的传动方式。另一 种是以维特根2 0 0 0 d c 型为代表的机型。这种机器在传动方式上采用发动机两端输出方 式，一端经飞轮和离合器驱动铣刨转子，另一端则通过分动箱驱动液压系统，具体见图 1 2 。这种传动系统的缺点是由于受整机横向尺寸的限制，需要选用v 型发动机，优点 是离合器、分动箱及液压泵分开布置，便于维修保养。 皮带轮离合器液瓜象分动筘 发动静l 图1 1 一端传动示意图 3 第一章绪论 图1 2 两端传动示意图 2 控制系统 控制系统分为两种，一种是全数字网络控制系统。这种系统由两个或两个以上的 c a n b u s 或r s 4 8 5 接口的数字控制器和一个总线以及若干传感元件所组成、所有控制 和反馈信号均由同一个总线传递。这种系统具有实时性强、可靠性高、结构简单、互操 作性好等特点。另一类控制系统是分立式的控制系统，即同一台机器上有两个或两个以 上的独立控制系统，比如行走及皮带控制器、自动找平控制器。它们之间相互没有通信 关系，不存在信息资源共享。 3 行走驱动方式 国内外大中型铣刨机均采用履带式行走驱动系统。以维特根为代表的欧洲j x l 格均采 用四履带行走驱动；以c m i 为代表的美国风格采用三履带行走驱动系统。三履带式铣 刨机与四履带式相比较，其转向灵活，四履带式优点是结构紧凑，设备稳定性好。 4 铣刨转子驱动方式 国内外铣刨宽度1 5 0 0 m m 以上的机型全部采用机械驱动方式，铣刨宽度1 5 0 0 m m 以 下的机型有些采用机械驱动方式，有些采用液压驱动方式。 从技术角度来看，我国铣刨宽度2 0 0 0 m m 以上铣刨机技术几乎全部为引进技术，普 遍缺少核心技术，尤其是发动机、液压件、传动件等关键配套件技术几乎全部依赖进口。 因此铣刨机产业的技术升级极其缓慢。如果今后国内企业要涉足高端产品市场或推进国 4 长安人学硕 ：学位论文 际化战略，就应设法摆脱在国际铣刨机产业链上的下游地位。随着外资企业本土化战略 的推进实施，国内和外资企业的原材料成本和人工成本则完全站在同一水平线上，而国 内企业在技术、品牌等主要因素上却处于劣势地位。因此，鉴于我国铣刨机市场的巨大 潜力，国内的铣刨机主机生产厂家应该和关键件配套企业，尤其是有实力的工程机械发 动机生产企业联合攻关，从而拥有自己的核心技术。 1 4 国内外铣削装置研究现状 1 4 1 国外研究现状 1 俄国瓦拉达斯维尔在分析了修理路面的各种机型的技术经济指标的基础上，得 出铣刀式路面铣刨机具有最高效率阳1 ；研究了刀具一路面相互作用的物理机理及对主要 因素的变化范围进行了研究，提出主要因素有：沥青混凝土的种类、介质温度、切削角、 刀具的切削状况、整机切削宽度和深度、单刀切削厚度及进刀速度；并指明刀具形状选 择不但要考虑切削过程的效率，而且还应考虑刀具的寿命。 2 俄国瓦劳夫涅夫报道了用加热方式在模型试验台上研究沥青混凝土路面切削过 程的成果口1 。该试验台以刨床或平面铣床为基础研制的，确定了比切削阻力与沥青混凝 土路面温度、切削刀具切削速度以及路面铣刀角速度之间的关系，指出当介质温度为 6 0 - - - - 6 5 时，采用3 - - 一1 0 m m i n 的铣刨速度，能耗比最低。 3 德国w r i t g e n 公司开发通用铣刨系统，即一台设备可配置多种宽度的铣刨转子， 只需要更换不同转子和相应的辅助部件即可实现不同宽度铣刨功能，大大提高了设备的 利用率和经济性。 4 国外一些大公司，比如德国w r i t g e n 、美国k e 套沦i a m e t a l 等公司对铣削滚筒 刀具布置，铣削刀头，刀座的受力及材料都进行了深入研究。 5 国外一些铣刨机生产厂家在大量试验的基础上得出铣刨机工作速度与铣刨深度 的关系特性曲线，其关系特性曲线会因路面材料和环境温度的变化而变化；并将转子刀 尖的线速度限制在4 - - 5 m s ，若超过此限制，则刀具磨损加剧，转子受铣削冲击阻力增 大。 1 4 2 国内研究现状 1 吴国祥分析和计算了沥青路面铣削的垂直进给负荷和行驶铣刨工作负荷引。指出 了铣刨工作负荷随行驶速度的增加而迅速增加。而在其它条件相同时滚筒转速增加，负 5 第一章绪论 荷减小；铣刨工作负荷随切削比阻力的变化而成倍的增减，切削比阻力是工作负荷的主 要影响因素。 2 曾卫兵等人通过对沥青路面铣刨机铣削机理的分析，建立了铣刨机铣削作业的动 力学模型，进而利用能量守恒原理，对铣刨作业的铣削功率和铣削阻力进行了研究，推 导出了铣刨机铣削功率和铣削阻力的计算应用公式呻1 。 3 齐晓杰通过沥青砼路面铣削刀具材料性能的研究，分析沥青砼路面材料性能、 铣削刀具的结构与工作方式及刀具材料的失效机理，从提高刀具性能角度研究了提高沥 青砼路面铣削刀具使用寿命的具体措施n 0 | 。 4 赵月罗等人介绍了路面铣刨机的铣削原理，对路面铣刨机转子进行铣削作业时的 铣刀刀头进行了力学分析，建立了铣刨转子圆周力的数学模型。从设计变量的选取、目 标函数和约束条件的确定等方面阐述了用m a t l a b 软件对铣刨转子主要结构参数进行优 化的方法，并以实例进行了应用。 5 王群等人针对路面冷铣刨机作业特点，提出了铣刨转子作业阻力和作业功率的 计算方法，并分析了影响作业阻力和功率的因素n 2 | 。 6 章水清等人分别从刀具布置方法、刀具安装角度以及抛料板的安装等几个方面 分析了刀具布置中的参数，对该项技术进行了探讨n 引。 7 诸文农等人在分析刀具排列图形及其参数的同时，对铣削装置的铣削阻力、阻 力矩等计算进行了详细的分析n 引。 8 王瑞霞对滚筒上的刀具布置进行了理论分析，得出滚筒工作宽度l 与螺旋头数k ， 齿杆数和螺旋头数这两个重要参数关系是取得最小滚筒直径，最少到头数，最少功率消 耗，而且是保证路面铣削质量的重要因素n 5 j 。 1 5 选题背景和意义 目前，随着我国高等级公路的迅速发展，路面养护机械也得到迅速发展。沥青路面 铣刨机作为一种常见养护设备，尽管近些年来有了一定的发展，但和国外产品相比，我 们在品种规格、技术性能上仍有较大差距。这些年来我国许多专家在这一方面进行了大 量研究，也取得了很多成果，但是和国外的研究水平相比我们还有一定差距。 基于以上原因，笔者将沥青路面冷铣刨机铣削装置研究作为学位论文研究课题。 本文试图通过对铣削装置结构分析、刀具受力分析、刀具排布分析、刀具磨损及使用寿 命分析，从而得出结论，为国内铣刨制造研究提供理论依据。 6 长安人学硕i ：学位论文 1 6 论文的主要研究内容 1 介绍铣削装置结构组成及特点。 2 建立刀具受力数学模型，分析刀具参数对刀具受力的影响规律。 3 分析和阐述刀具的合理布置及刀具安装。 4 介绍刀具结构组成、刀具磨损及影响使用寿命因素的分析。 5 分析影响铣刨生产率的因素。 7 第一二章沥青路面铣刨机铣削装置结构 第二章沥青路面铣刨机铣削装置结构 2 1 铣削装置的结构组成 一般情况下，铣削装置由以下主要部件组成：铣刨转子、转子罩壳、传感器浮动板 等，见图2 1 。铣刨转子是铣削装置的核心部件，它的作用是依次将路面材料铣削下来， 并通过滚筒上排布的双螺旋将废料集中在滚筒中部，然后通过滚筒上的抛料板将废料送 入输料皮带机。转子罩壳包裹着铣削滚筒，与地面一起形成密闭容仓，转子罩壳的容积 大小应设计合适，容积太大时铣刨下的旧料不能及时被送入皮带机，会堆积在转子罩壳 内，从而增大铣削阻力。容积太小时，如果一次铣削深度过深，导致罩壳内积料过多， 也会造成铣削阻力增大。转子罩壳容积大小也会影响铣削颗粒大小。 1 传感器浮动板2 铣刨转子3 转子罩壳 图2 1 铣削装置结构组成 2 2 铣削装置工作方式及特点 2 2 1 铣削装置工作方式 8 23 * 安凡学项l 学位论文 铣削装景的核心部件是铣刨转子，滚筒上沿两条螺旋线分布着铣刀。当设备工作时 铣刨滚筒以垂直和水平进给两种方式进行工作，均匀分布在螺旋上的铣刀顺序接触路 面，将路面材料铣削成碎颗粒状。铣刨下的材料在密闭罩壳内通过滚筒上的抛料板送入 输料皮带机。铣削装臂工作示意图见图2 2 。 图22 铣削装置工作小意图 22 2 铣刨转子的铣削方向 一般来说，铣刨转子铣削方向有两种，即顺铣和逆铣。所谓逆铣是指刀具旋转方向 与铣刨机行走方向相同，如图2 3 所示；顺铣是指刀具旋转方向与铣刨机行走方向相 反，如图2 4 所示。 出示意图可以看出，逆铣时，每个刀齿的切削厚度由零增至最大，开始铣削时由于 阻力小，因此机器稳定性好。但是在刚开始时刀具刃口处总有圆弧存在，刀具不能立刻 切入地面。而是在已铣刨地面上挤压滑行一段后方能切入。逆铣时，铣削垂直分力向上， 铣削水平分力方向与行走方向一致。 顺铣时刀齿的切削厚度是从最大到零，开始铣削时由于阻力大，因此机器稳定性差。 顺铣时，铣自0 垂直分力向下，铣自0 水平分力方向与行走方向相反。 由以上分析可以看出，顺铣时刀具受到的阻力大于逆铣，同时顺铣时铣刨下的废料 要在罩壳内旋转几乎一周才能被抛入输料皮带机，也大大增加了铣削阻力。这样一来对 滚筒以及刀具的要求就更高了。逆铣时铣刨下的大部分废料瞬时被抛入输料皮带机，减 跨斛 第二章沥青路面铣刨机铣削装置结构 小铣削阻力。因此，目前铣刨机基本采用逆铣方式。 图2 3 逆铣工作示意图 2 2 3 铣削装置工作特点 图2 4 顺铣工作示意图 铣刨机切削路面时，其工作原理类似金属切削时的圆柱铣，可将铣刨鼓的端平面看 成圆柱铣刀。它具有以下工作特点： 1 刀具切削路面过程不连续，是一间歇工作的周期性过程。 2 当刀具铣削路面时，由于起始铣削的路垡厚度较小，作业过程中铣削厚度由薄 到厚，因此，工作装置所受冲击负荷相对较小，机械作业平稳。 3 当刀具由下向上铣削时，路面铣削部分对刀具垂直方向的作用力先上后下，其 大小和方向与铣削深度和路面材料强度有关。该力在作业初始阶段不利于刀具的切入， 在铣削后期使刀具稳定性好。 4 铣刨转子工作时，作用于铣刨转子刀具水平方向的阻力与机器运动方向相反。 从而产生了附加的牵引阻力，牵引力功率消耗较大。 5 铣刨转子转动时，刀具的运动轨迹是一条曲率不断变化的曲线，故刀具的切削 角及法向力和切向力时刻在变化。 6 采用不同的刀具断续切削沥青混凝土路面，刀具和机身都承受剧烈的冲击和振 动，因此，刀具材料和几何尺寸必须保证其具有较高的耐磨性能外，还必须具有足够强 度和冲击韧性，机身必须具有足够的使用重力和较低的中心位置，才能保证机器工作于 平稳的工作状态。 1 0 长安人学硕 ：学位论文 2 3 转子罩壳结构 转子罩壳由抛料口、传感器浮动板、前端挡料板、罩壳弯板、后刮料门、左右侧板 等部分组成，见图2 5 。这些结构与地面形成一个密闭容积，当铣削转子铣削路面时， 堆积在该密闭容积的铣削后的材料通过罩壳上的抛料口将料送入输料皮带机。传感器浮 动板分为两件，左右各一件，它的作用有两个，其一是与其它罩壳结构组成密闭容积； 其二安装铣削深度传感器。它可以沿着左右侧板上下滑动，滑动距离大小与设备设计最 大铣削深度有关。为了减小密闭容积的体积，前端挡料板安装时与竖直地面有一夹角。 在其上面设计一些特殊结构，当铣削出现大块料时可以将料压碎，从而避免早期损坏输 料皮带。一般情况下后刮料门由两部分组成，即固定门和活动门，整个后刮门可以向上 翻转，目的是维修保养铣削滚筒及刀具。为料减小密闭容积的体积，后刮门安装时也与 23456 1 抛料口2 传感器浮动板3 前端挡料板4 罩壳弯板 5 后刮料门6 左右侧板 图2 5 转子罩壳结构 与竖直地面有一夹角。后刮门也有两个作用，其一是与其它罩壳结构组成密闭容积；其 二是刮削铣削后路面，尽量将路面上废料送入输料皮带机。左右侧板和罩壳弯板焊接组 成一刚性体，铣削滚筒就安装其上。由于铣削后的路面材料需在罩壳内进行二次破碎以 第一二章沥青路面铣刨机铣削裟置结构 及路面对罩壳的较大冲击作用，所以要求罩壳设计时应考虑承受足够冲击强度。 2 4 铣刨转子结构 铣刨转子是铣削装置的核心部件，对于大中型铣刨机来 兑，铣刨转子采用皮带机械 驱动；对于小型铣刨机来说，有些采用皮带机械驱动，有些采用链条机械驱动，有些采 用液压驱动。铣刨转子的基本结构( 含驱动装置) 大致包括以下几个部分：驱动组件、滚 筒、集料螺旋、抛料板、刀座及刀头等，见图2 6 。滚筒是铣刨转子的基体，其它各部 件均装于其上，同时，动力也由它传至刀具。集料螺旋将转子铣刨下来的旧料集中到一 起，以便送入收料皮带机。 12345678 1 皮带轮或链轮或液压马达2 减速机3 抛料板4 滚筒 5 支撑轴6 刀头7 刀座8 底座 图2 6 铣刨转子结构 不同制造商铣刨转子的具体结构不尽相同，大致分以下几种结构： 1 铣刨转子为两半式结构，刀具座与瓦式铣刨转子铸为一体，不设集料螺旋和拨 料板，瓦式铣刨转子用内六角螺钉与铣刨轴相连。 2 刀具座焊接在连续集料螺旋上，而集料螺旋焊接在铣刨鼓转子上，抛料板与焊 接在铣刨转子上的抛料板座用螺栓相连。 3 刀具座焊接在不连续集料螺旋上，而集料螺旋焊接在铣刨转子上，抛料板与焊 接在铣刨转子上的抛料板座用螺栓相连。 4 刀具座由焊接刀座和可拆卸刀座组成，焊接刀座与集料螺旋焊接，可拆卸刀座 安装在焊接刀座内，用螺栓固定，当可拆卸刀座磨碎时方便更换。而集料螺旋焊接在铣 刨转子上，抛料板与焊接在铣刨转子上的抛料板座用螺栓相连。 1 2 k 安大学碗i 学位论空 图2 7 为日前常用铣刨转予实物照 图2 7 铣刨转子实物照 第三章刀具受力分析及参数影响规律 第三章刀具受力分析及参数影响规律 3 1 沥青混合料的强度 根据沥青路面的材料组成和施工工艺的不同，常见的沥青混合料类型主要有沥青混 凝土、沥青碎石、沥青贯入式和沥青表面处治四种。随着科技进步，一些新材料、新技 术、新工艺也在不断出现，如沥青玛踢脂碎石路面、透水性沥青路面、塑料格栅沥青路 面和半刚性路面等。压实成型的沥青混合料是由石质骨料、沥青胶结料和残余空隙所组 成的一种具有空间网络结构的多相分散体系，其材料属性为颗粒型材料。颗粒性材料的 强度构成起源于内摩阻力和粘结力。对于沥青混合料，它的力学强度主要取决于骨料颗 粒间的摩擦力和嵌挤力、沥青胶结料的粘结性以及沥青与骨料之间的粘附性等方面。不 同级配组成的沥青混合料，具有不同的空间结构类型，也就具有不同的内摩阻力和粘结 力。因而，沥青混合料的结构组成对其强度构成又起着重要作用。沥青混合料的组成结 构形态有三种典型类型： 1 密实悬浮结构：此种沥青混合料采用连续型级配，表现为粘结力较高，而内摩 阻力较小； 2 骨架空隙结构：这种材料采用连续级配，其内摩阻力较大，而粘结力较小； 3 密实骨架结构：这种沥青混合料是综合以上两种类型组成的结构，混合料同时 具有较高的内摩阻力和粘结力。 3 2 沥青路面的破坏机理 沥青路面在常温铣削破坏时呈现脆性的特征。对脆性材料而言，其破坏属于剪切破 坏的情况。其破坏机理可用摩尔一库仑公式来解释。根据库仑定律，外力作用下材料不 发生剪切滑动应具有以下条件： f c + a t g 矽 ( 3 1 ) 式中：r 外荷作用时，在某一面上产生的剪应力； 卜沥青混合料的粘结力； 口外荷产生的正应力； 西沥青混合料的内摩阻力角。 从图3 1 可以看出： 1 4 长安大学硕i ：学位论文 ， z 二二皇 t 1 7 形卜 一 j ，一一 图3 1 摩尔应力圆 f = 1 o 一仃：) c 。s 矽 仃= 丢( q + 一互1 ( 盯。一吒) s i n 将式( 3 2 ) 和式( 3 3 ) 代入式( 3 1 ) 得： 瓦1 万 ( ( 7 i - - 0 2 ) 一( q + c r 2 ) s i n 小c 急一【q 一蛔c 当式( 3 4 ) 取大于或等于号时，则产生剪切破坏。 3 3 刀具受力数学模型 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 路面铣刨机的主要工作部件是铣刨转子，在其上均匀布置着按左右螺旋线规律排列 的铣刨刀具。铣刨转子是以垂直进给或水平进给两种方式进行工作，铣刨机以工作速度 向前或向下移动，铣刨转子旋转均匀布置于滚筒上并按螺旋线排列的铣刨刀具，顺序接 触路面表层，将路面表层材料铣削成碎颗粒状。 3 3 1 铣刨转子的工作模型 如图3 2 所示，铣刨转子铣削路面时，铣刨转子以转速n ( r m i n ) 作旋转运动的同 时，还以速度v ( r n m i n ) 作水平运动，由安装在滚筒上的刀具完成对路面的铣削任务。图 中阴影部分为切削断面。 在不同切削位置，刀具的实际切削厚度不同，受力也不同，刀具处于不同位置时 的实际切削厚度h 为： 1 5 第三章刀具受力分析及参数影响规律 h ：兰s i n , 式中：朋每条截线的刀具数； 一铣刨转子水平速度，m m i n ； 卜铣刨转子转速，r m i n ； 矽刀具的位置角。 ： 、一 _ 笛 卜鞑n j 一 ( 3 5 ) 图3 2铣刨转子工作示意图 3 3 2 铣刨转子刀具受力分析 铣刨转子所受载荷主要是在铣削过程中产生的，瞬时载荷在工作过程中是不断变化 的，由参与切削路面的各个刀具的载荷叠加而成。单个刀具在铣削路面材料时，主要承 受铣削阻力p 及铣削面层材料对刀具的摩擦阻力f 的作用。铣刨转子刀具在安装中要求 具有侧向倾角& ，这一特殊要求主要使刀具在切削开始的瞬时能绕刀座旋转，减小刀具 的磨损。图3 3 为刀具安装位置图。图中o x y z 坐标系建立在铣刨转子的端面上，0 为铣刨转子回转中心，o x y 平面与刀具齿尖运动轨迹所在的平面平行。d x 】，z 坐标系 是建立在刀具上的，它是将o x y z 坐标系沿z 轴平移一段距离，然后绕】，轴旋转& 角并 使刀具的轴线在d x 】，z 平面内得到的。图3 4 为刀具在上述两个坐标系中的位置关 系图。图3 5 为铣刨转子单个刀具在某一位置铣削时的受力图。 i y ， z 图3 3刀具安装位置图图3 4刀具在两个坐标系中的位置关系 1 6 k 安大学硕l ：学位论文 图3 5刀具平面受力图 3 3 2 1 铣削阻力p 铣削阻力尸与刀具受力面积s 成正比，刀具尖部为圆锥状，如图3 5 所属铣削投 影面积为三角形，铣刀阻力尸为： p = q s ( 1 + 占)( 3 6 ) 式中：卜刀具锥体接触面积，s = h 2t a np c o s a ； p 单位面积路面材料的铣削比阻力； f 刀具磨损系数； b 刀具在任意位置的铣削厚度； 刀尖角； 口刀具安装角。 2 3 2 2 摩擦阻力f 铣刨转子在工作过程中，铣削面层材料对刀具的摩擦力如图3 5 所示，铣削阻力p 作用点假设为口点( 铣削投影面积的形心位置) ，作用方向为刀具运动的相反方向。由 此可得摩擦力f 为： f = f p c o s ( a 一) ( 3 7 ) 式中：卜刀具与面层材料间的摩擦系数 1 7 第三章刀具受力分析及参数影响规律 铣刨转子是以垂直进给或水平进给两种方式进行工作，在实际工作中铣刨机大部分 以水平进给方式工作，因此以下仅对刀具在水平进给时受力进行分析。 把铣削阻力尸、摩擦阻力f 及阻力矩心在x 】，平面内沿r 、r 方向分解，得： r x = p e o s 矽+ f s i n ( 矽+ 口一)( 3 8 ) r f y = f e o s ( # + 口一) 一p s i n 矽 m z = p ( r 一2 h 3 ) + f r s i n ( o r 一) 把力r x ，r y 和m z 沿x 、y 和z 方向分解，得： r x = r xc o s & r y = rv y r ，= r ，s i n & 厶 m z = m z c o s & 3 4 刀具参数对刀具受力的影响规律n 鲫 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 刀具铣刨过程中，运动参数是指水平进给速度魄，垂直进给速度1 ，。和铣刨转速刀； 刀具的几何参数是指刀具安装角度仅及刀尖角。由于垂直进给运动刀具的有关参数对 刀具受力的影响规律与水平进给运动基本上一致，因此以下仅分析水平进给运动刀具的 有关参数对刀具受力的影响规律。 假设铣削深度日为6 5 m m ，对应于硬、中、软路面，参考国内有关资料，切削比阻 力q 分别取o 2 ，0 1 4 ，0 0 8 m p a ，刀具磨钝系数为0 1 ，刀具与面层材料问的摩 擦系数厂为0 5 ，利用建立的刀具受力数学模型，编制计算机程序，利用m a t l a b 软件， 绘制出不同的刀具参数对刀具受力影响规律。 为便于研究单参数的变化对刀具受力的影响，假设其中任意三个参数保持不变，另 一个参数的数值发生变化，由计算机反复迭代计算，即可自动绘出满足给定要求的已知 参数与刀具受力之间的关系曲线。 1 1 ，。变化，刀= 1 2 0 r m i n ，刀= 2 4 0 r m i n ，口= 4 8 0 ，= 3 0 。其关系曲线见图3 6 。 由图3 6 可以看出，在其他参数不变的条件下，随着刀具水平进给运动速度k 的增 1 8 长安大学硕仁学位论文 加，铣刀受到的铣削阻力矩鸩，铣削阻力的水平分力b 和铣削阻力的垂直分力r ，也将 单调地增加；以= 1 2 0 r m i n 时铣刀受到的铣削阻力要大于n = 2 4 0 r m i n 时铣刀受到的铣 削阻力。这与实际情况相符，即在其他参数不变的条件下，随着水平迸给速度的增加， 将会导致铣削层厚度的增大，从而使刀具受到的铣削阻力矩、水平阻力水平分力和垂直 g z 、 v ( r a m s ) 釉 ；钓 勰 i 2 v l h 隧瞄自 协) 一n = 1 2 0 r m i n n = 2 4 0 r m i n 图3 6 水平进给速度与铣削阻力、阻力矩关系 分力相应增大。从图中可以看出，对于不同性质的路面，铣削阻力矩变化的幅度也是不 同的，随着切削比阻力的增加，铣削阻力变化的幅度也将显著增加，尽管铣刨装置的工 作参数都一致，但是铣刀实际受力状况是不一样的。切削比阻力为0 2 m p a 的硬性路面 对应着最大增加幅度。 2 n 变化，v 。= 2 0 0 m m 只口= 4 8 0 ，= 3 0 0 。其关系曲线见图3 7 由图3 7 可以看出，在其他参数不变的条件下，随着转子转速玎的增加，刀具在铣 刨过程中受到的铣削阻力矩、铣削阻力的水平分力和垂直分力将单调地减小。对于不同 藿 f 埘b f 、谪蚺 冬 廿 图3 7 转子转速与铣削阻力、阻力矩关系 1 9 i 柏 o h “由心 j 蹩一型星鐾当坌堑丝叁鍪丝堕塑堡 性质的路面，铣削阻力下降幅度也不同，切削比阻力越小，铣削阻力下降的幅度越大。 3 髓变化，b = 2 0 0 m m s ，纡= 1 2 0 r m i n ，2 4 0 r m i n ，：3 0 。其关系曲线见图3 8 由图3 8 可知，随着安装角口的增大( 在一定范围内) ，铣刀受到的铣削阻力矩、 铣削阻力的水平分力和垂直分力也将单调地增加；胛：1 2 0 ，m i n 时铣刀受到的铣削阻力 靶 钓 差3 0 i 9 3 嚣：激 ，掣吨德m 黢。 一薏 一墨 ：= 三三三二量 二=