（机械电子工程专业论文）隆声带铣刨机工作机构对铣刨精度影响分析.pdf

a n a l y s i so ft h ee f f e c ta b o u t t h ew o r k i n g b o d y f o rt h er u m b l e s t r i pc u t t i n gm a c h i n ea n d c u t t i n gp r e c i s i o n ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r ，。 c a n d i d a t e ：l iw e i z h a n g s u p e r v i s o r ：x i el i y a n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 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已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：本2 葺 叫年，7 月哆日 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。学校亨有以任何方式发表、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：孪丑聋 导师签名：韵寸主多专 劢阵7 月j 弓日 沁一趴卵 q ( - - 卜j ：茹， ；。 摘要 近年来，随着我国经济的高速发展，国家高速公路的建设也是突飞猛进，但在公路 旱程数不断加大的| j 时，公路交通事故的发生也日益增多，其中尤以二、三级公路为最。 为了减少道路交通事故的发生比例，一般都在高速公路以及二、三级公路两侧的路肩上 铣刨隔离隆声带。铣刨隆声带前后的公路交通事故数据表明，隆声带的设置能很好的减 少道路交通事故的发生，而作为进行隆声带施工的主要设备，隆声带铣刨机的应用也只 益频繁。 我国目前对于隆声带铣刨机的研究还处在初始阶段，同样的对于控制隆声带铣刨深 度的铣刨机工作机构的研究也还十分薄弱，无论在理论还是实践上都十分的欠缺，在隆 声带铣刨机的实际使用中也主要以进口型隆声带铣刨机为主。并且由于施工环境、路面 隆声带应用环境等状况的不同，适合于国外生产环境的进口隆声带铣刨机也并不完全适 合于国内生产环境。为了尽早使隆声带施工机械适合我国国情下的施工环境，并使得隆 声带铣刨机国产化、降低生产成本、提高竞争力，本文在前人研究的基础上，通过对不 同尺寸、不同凸轮爪数对铣刨隆声带深度的影响以及凸轮与降声带之l 白】的关系做出分 析。 本文首先对隆声带铣刨机铣刨系统建立数学模型并对凸轮与铣刨深度之间的数学 关系做出分析，然后在适合我国生产环境的隆声带尺寸的基础上，通过比较不同爪数凸 轮在铣刨相同尺寸的隆声带时所需要的凸轮半径，确定出适合我国施工环境的凸轮尺 寸。最后分析了各种路面环境状况下，铣刨机工作机构对铣刨深度的影响，并在分析后 所得结论的基础上，对六爪凸轮提出初步优化方案。 关键词：隆声带、隆声带铣刨机、凸轮、牵引梁、深度控制 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，w i t ho u rc o u n t r y se c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，r o a dc o n s t r u c t i o ni sb yl e a p s a n db o u n d s ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fh i g h w a ym i l e a g e ，t h er o a dt r a f f i ca c c i d e n t si n c r e a s i n g s i m u l t a n e i t y , e s p e c i a l l yi ns e c o n d a r yr o a da n dt e r t i a r yr o a dh a sm o s tr o a da c c i d e n t s i no r d e r t or e d u c et h er o a dt r a f f i ca c c i d e n t s ，g e n e r a l l yi sc u t t i n gr u m b l es t r i p sa l o n gt h es h o u l d e ro f ah i g h w a y w i t ht h ed a t ao fe x p e r i m e n t a la n dt h eu s i n go fr u m b l es t r i p s ，t h ec u t t i n gr u m b l e s t r i p sh a v eag r e a tu s eo fr e d u c et h ei n c i d e n c eo fr o a dt r a f f i ca c c i d e n t s f o ram a j o r c o n s t r u c t i o ne q u i p m e n to fr u m b l es t r i p s ，t h eu s eo ft h er u m b l es t r i pc u t t i n gm a c h i n ei s b e c o m e si n c r e a s i n g l yf r e q u e n t t h es t u d yo ft h er u m b l es t r i pc u t t i n gm a c h i n ei ss t i l li nt h ei n i t i a ls t a g ei no u rc o u n t r y ， t h es o u r c eo fi n f o r m a t i o ni so n l yan u m b e ro ff o r e i g np a t e n t s t h eu s i n gr u m b l es t r i pc u t t i n g m a c h i n ei sm o s t l yi m p o r t i n gf r o mf o r e i g nc o u n t r i e s ，t h ei n v e s t i g a t i o no ft h er u m b l es t r i p s d e p t ha n dl e n g t hi sv e r yp o o r , t h el a c ko fw h i c hi sn o to n l yi nt h e o r yb u ta l s oi nt h ep r a c t i c e d e e p l yd e p e n d e n to fi m p o r t sr u m b l es t r i pc u t t i n gm a c h i n ei sg r e a t l yr e s t r i c t e d t h e d e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r i e sr u m b l es t r i pc u t t i n gm a c h i n e a n da sar e s u l to ft h ed i f f e r e n t s i t u a t i o nf o ru s i n gc o n d i t i o na n dt h en a t i o n a lc o n d i t i o n s ，c o n s t r u c t i o ne n v i r o n m e n t ，t h e r u m b l es t r i pc u t t i n gm a c h i n ew h i c hi ss u i t ef o rf o r e i g nc o u n t r i e si sn o tn e c e s s a r i l ys u i t e dt o o u rc o u n t r i e s a ss o o na sp o s s i b l ef o rt h er u m b l es t r i pc u t t i n gm a c h i n es u i t e do u rc o u n t r i e s u s i n gc o n d i t i o n ，a n dm a k es u r et h a tt h er u m b l es t r i pc u t t i n gm a c h i n ed e s i g na n dp r o d u c ti n o u rc o u n t r y ，l o w e rp r o d u c t i o nc o s t s ，e n h a n c ec o m p e t i t i v e n e s s ，i nt h i sa r t i c l e ，f r o mt h es t u d y o fo t h e rp e o p l e s ，t a k e st h ec o n t r a s t i v ea n da n a l y s i sf o rd i f f e r e n tn u m b e ro fs i d el i n e sp i s t o l w h e e la n dt h er u m b l es t r i p sd e p t ha n dl e n g t h t h i sa r t i c l ef i r s tm a k et h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h er u m b l es t r i pc u t t i n gm a c h i n e ，t h e n a n a l y s i st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep i s t o lw h e e la n dt h ed e p t ho fr u m b l es t r i p ，a n do nt h e b a s i co ft h ed a t aw h i c hf i t t i n gf o ro u rc o u n t r i e s ，c o n t r a s td i f f e r e n ts i d e l i n ep i s t o lw h e e la n d m a k es u r et h ed a t ao ft h er a d i u so f p i s t o lw h e e l ，f r o mt h er a d i u so fp i s t o lw h e e lm a k es u r e t h en u m b e ro fs i d e l i n ef o rp i s t o lw h e e l i nt h ee n d ，a n a l y s i st h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tr o a d s u r f a c ef o rt h er u m b l es t r i p sd e p t h ，a n di nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i sd a t a ，t oo p t i m i z et h e i i i p i s t o lw h e e l k e yw o r d s ：r u m b l es t r i p ；r u m b l es t r i pc u t t i n gm a c h i n e ；p i s t o lw h e e l ；d r a f ts i l l ； c o n t r o l l i n gd e p t h 目录 第一章绪论一1 1 1 课题提出的背景1 1 1 1 隆声带施工技术的出现背景1 1 1 2 降声带施工技术的基本施工形式3 1 1 4 隆声带铣刨机国内外研究现状5 1 2 课题的研究内容和方案6 1 2 1 研究内容6 1 2 2 研究方案7 第二章隆声带铣刨机凸轮与转子运动分析8 2 1 隆声带铣刨机工作原理8 2 2 隆声带铣刨装置凸轮的运动分析9 2 2 1 六爪凸轮的运动曲线1 3 2 2 2 不同外接圆半径下的六爪凸轮运动曲线对比1 4 2 3 一般铣刨机铣刨鼓的运动分析1 5 2 4 隆声带铣刨机铣刨鼓刀尖运动分析1 6 2 4 1 隆声带铣刨机刀尖的轨迹曲线1 7 2 4 2 隆声带铣n 木j l ) j 尖的切削速度和加速度曲线1 8 第三章深度及宽度控制机构运动分析2 1 3 1 铣刨转子与铣刨深度及宽度之间的关系2 1 3 1 1 甩爪凸轮对铣刨深度及宽度的影响2 l 3 1 2n 爪凸轮的滑移2 4 3 1 3 对隆声带的要求2 5 3 2 以爪凸轮的尺寸及深度控制工况对比分析。2 6 3 2 1 六爪凸轮的尺寸参数确定以及工况分析2 6 3 2 2 五爪凸轮尺寸参数确定及工况分析2 8 3 2 3 四爪凸轮尺寸参数确定及工况分析3 0 3 3 隆声带和凸轮的尺寸对比及选择3 l 3 3 1 相同尺寸隆声带的不同凸轮对比3 1 3 3 2 不同爪数凸轮下铣刨出的深度对比3 3 3 3 3 凸轮的受力以及滚动临界分析3 3 3 3 4 凸轮爪数以及尺寸的选择3 5 第四章影响隆声带铣刨机铣刨精度的因素3 6 4 1 隆声带铣刨机的铣刨机构3 6 4 2 路面高低变化对铣刨深度的影响3 7 4 2 1 牵引梁对路面铣刨深度的影响3 8 4 2 2 凸轮对路面铣刨深度的影响3 9 4 2 3 凸轮与牵引梁对路面铣刨深度的共同影响4 0 4 3 铣刨机的自动找平抗干扰能力分析4 l 4 3 1 铣刨一定坡度路面时铣刨系统数学模型的建立4 l 4 3 2 路面波动的周期与铣刨精度关系4 3 4 4 隆声带铣刨机凸轮优化方案的提出4 4 第五章结论与展望4 8 4 8 4 9 v l 长安人学硕j ：学位论文 1 1 课题提出的背景 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 1 隆声带施工技术的出现背景 高速公路作为专门为汽车交通服务的基础设施，正式的出现是在二十世纪三十年代 的西方发达国家开始的，它在运输能力、安全以及速度等方面都具有突出优势，高度公 路在对实现国土的均衡开发、建立统一的市场经济、提高现有的物流效力以及公众生活 质量等方面都有巨大的作用。经过多年的发展，到现在为止已经有8 0 多个国家和地区 拥有高速公路，公路里程数已经超过2 3 万公里并且还在进一步增加中。高度公路的发 展代表了一个国家交通以及经济的现代化水平。 高速公路在我国的建设是以十一届三中全会为起点，并且在“九五”、“十五”阶段 以突飞猛进的速度进行了发展，随着囡家高速公路网规划的制定实施，我国的高速 公路建设已经进入发展的黄金阶段，公路的通车罩程在进一步快速的增加中。但在公路 罩程数快速增加的同时，道路交通事故的发生频率也在快速增加着。交通事故的发生：在 很大比例上都与司机注意力不集中有关，如疏忽大意、疲劳驾驶、判断失误、措施不当、 纵向问距不够等。例如2 0 0 7 年，1 9 j 全国共发生道路交通事故3 2 7 2 0 9 起，造成8 1 6 4 9 人 死亡、3 8 0 4 4 2 人受伤，直接财产损欠1 2 亿元。其中公路事故较为集中，二、三级公路 事故多发。公路上发生交通事故导致6 0 2 5 6 人死亡，占总数的7 3 8 。其中，二级、i 级公路事故死亡人数分别占2 6 9 和1 7 6 。如何从道路安全技术方面出发，减少由于 驾驶人的注意力分散，打瞌睡等原因引发的交通事故成为目前道路交通安全研究中的重 要内容之一。我国是世界上道路交通事故最为严重的国家之一。 杭州市绕城公路南段隆声带项目施工中对项目施工前后的事故情况进行了详细调 查，并对设置隆声带的南段和未设置隆声带的东段、西段和北段偏离事故数据进行了分 析和对比【l 】，具体数据见表1 1 ： 第一章绪论 表1 1 杭州市隆声带施工前后事故调查表 编毒事故统计1 次l 爨段名称长凌 稿离摹教率 统计时润澍捧铃侧护冲出外铡护偏离事技对冼馕沉 k m i 事故觳，荟万霉公里i 拦事技数拦事故数小访 2 蝴年卜1 2 月 殇段，2 31 0 i j 9o 2 6 璃段2 3j 3 o 1 3o 2 2毙上年洚偃ls i t 段4 02 422 矗o 2 器毙南段太2 7 * , 2 5 笨l 、7 习 求段2 42 矗o2 4o 4 l比南段大8 3 酬受7 | i i72 9 o 2 比甫段大9 从表1 1 中可以看出，设置隆声带后事故率有所降低，并且相对于未设置隆声带的 东段、西段和北段，车辆偏离道路事故有明显减少。因此，从安全改善效果来看，隆声 带能够明显减少因长时间驾驶所引起的道路交通事故的发生率。 1 2 】国外的调查结果表明，驶出道路事故( r o r ) 占到每年全国高速公路系统事故伤 亡总量的几乎1 3 。许多年来，疏忽驾驶被认为是在许多交通事故因素中占据非常重要 地位的一个因素。在事故调查中，心烦意乱、昏昏欲睡或疲乏驾驶等因素都是很难认定 的，而涉及这些行为的各类肇事事故t 叶据的数量和其他因素相比同样重要，与酒后丌车、 服用药物驾驶一样，被认为是引发交通事故的主要原因之一。 一些调查显示，路肩隆声带能够减少由于疏忽驾驶而导致驶出道路的交通事故 ( r o r ) 的伤亡率，尽管该种调查在不同的州有不同的数据结果，但都表明在不同程度 上由于设置了路肩隆声带而减少了驶出道路事故( r o r ) 。许多调查还表明在成本n 益 估算( b c ) 上，设置路边隆声带要比其他安全设施更加节约成本。对隆声带使用效果的 调查主要着重于乡间高速公路和收费站公路段上的数据调查，附加的调查则侧重于双向 公路。 设置隆声带并不会减少过速、急转避让、路面凹陷或高角度的变道等原因造成的驶 出道路事故，因为设置隆声带的目的在于警告司机不要“漂出行车道。隆声带的有效 设置位置是在公路外边缘线或外路肩上进行隆声带设置，设置在该位置的目的是在车辆 偏离车道的时候对司机进行提醒，并允许司机及时将车辆重新驶入安全的行车道。在路 肩边缘无可用空间的部位使用隆声带的效果还有待确定，最适合使用隆声带的道路是允 许长距离直线行驶的道路。 2 长安人学硕t 学位论文 设置隆声带的另一个目的是当路面有路边停车者或非机动车、行人或是高速公路施 工人员时，对行驶至路边的车辆中的司机进行提醒，以保护路边的人员生命安全。隆声 带也能在恶劣气候条件下给公路边缘线定位，在能见度差或能见度有限的情况下，隆声 带能够帮助司机行驶在正确的行车道位置上。 1 1 2 隆声带施工技术的基本施工形式 国外于2 0 世纪8 0 年代开始广泛使用的r s ( r u m b l es t r i p ) 隆声带技术可以有效降 低司机由于疲劳、疏忽等原因所造成的交通事故的发生。 隆声带根据施工方式的不同可分为4 种基本类型，铣刨，压入式，预成型或凸起型。 ( 1 ) 铣刨式：该设计是使用合金刀，以直径大约6 0 0 m m 旋转刀桶，在路面铣刨( 或开 槽) 而成。形成约1 3 m m 深、1 8 m m 宽，平行于行车道，长约4 0 0 m m ，垂直于行车道， 槽中心距离为3 0 0 m m ，距离路边边缘线约1 0 0 m m 3 0 0 m m 的浅窄槽。 链孟二二：o 叠二：篓。二= ：漕灏醢缸茹玉酯缸蠡龇纽幽觑稻蹴磁嘣施罐赫靠翱蜊螂玉锄泐曾，栩描幽翻嘲缸绷嘲别嘲自涩 图1 1 铣刨式隆声带 ( 2 ) 压入式：压入式设计通常使用压路机将半圆的钢管、或焊接的钢棒压入路面。 从而将其形状留在热沥青的表面。最终结果是形成2 5 m m 深，5 0 m m 到6 4 m m 宽的平行 于行车道，4 5 0 m m 到9 0 0 m m 长的垂直行车道的槽。一般间距为2 0 0 m m ，在外边缘线 外1 5 0 m m 到3 0 0 m m 的地方。 图1 2 压入式隆声带 第一章绪论 ( 3 ) 预成型：在水泥未干前将预成型的模具加入新鲜的水泥中，最终形状是造成 2 5 r a m 深，5 0 m m 到6 4 r a m 宽且平行于行车道，4 0 0 m m 到9 0 0 m m 长的垂直行车道的槽。 可使用连续的模版，一般为5 7 个，间距为1 5 m ，在外边缘线外至少3 0 0 m m 的地方。 。囊 f7 ， 蟹 羹二二薹诚二幺瑰。l 图1 3 预成型隆声带 ( 4 ) 凸起式：凸起式隆声带的设置可使用不同的材料和施工方式进行作业。包含道 路表面凸起标线漆、凸起标带，挤出式材料加部分凸起块。或沥青材料在路肩形成凸起 爨r 赫毳 长安人学硕i j 学位论文 1 1 4 隆声带铣刨机国内外研究现状 路肩隆声带技术在国外已经大范围使用，以美国为例，美国交通部高速公路管理局 2 0 0 1 年发布“公路路肩隆声带技术指导”，该技术指导包含有隆声带设计和安装的国家 实施信息。路肩隆声带一般纵向的设置于道路车行道的路肩上，它是由连续的凹型或凸 型沟槽组成，施工目的是通过震荡和声音给由于疏忽而导致行车超出车行道的司机以提 醒。在个别高速公路上，隆声带也典型使用于中间分隔线和车道外路肩上。 美国联邦高速公路管理局( f h w - a s ) 的一个基本目的是为减少单一车辆冲出道路 的事故而服务，同时也为保护非机动车和行人。道路改进旨在减少车辆冲出道路的事故， 它包含更好的地理设计、增加道路表面的防滑性、更耐用的道路标线和可视性更好的道 路标示。近年来，美国许多州的交通协会和道路收费当局都使用和评估了路肩隆声带对 减少冲出道路事故的作用，特别是乡村州际高速公路和收费站。评估结果明显的表明设 置隆声带能大大的减少单一车辆冲出道路的事故。 在8 0 年代中期，宾夕法尼亚t u r n p i k e 委员会，在考虑和测试几种形状的隆声带 后，将隆声带设置为曲线凹陷形，深1 3 m m 、1 8 0 m m 宽、平行于行车道，4 0 0 m m 长垂 直于行车道。委员会认定该形状隆声带为最好的隆声带设计，并会为轿车及卡车司机在 通过隆声带时提供最好的警告效果。委员会发现铣刨式的隆声带效果比压入式的效果 好，不光是因为前者更有效率，而且闵为前者可以在已有的路而上使用，同时在施工时 更加容易控制。进而，许多其他州也都冈为铣刨式隆声带的有效性和易安装性而使用铣 刨式隆声带设计。 隆声带铣刨机的设计应用在我国还处在摸索与初始发展阶段，参考国外2 0 多年的 应用经验，在我国应用铣刨式隆声带的施1 二技术条件已经成熟。但目前在我国铣刨式隆 声带的应用还仅处于初始阶段，仅在吉林、浙江、河南等省份有部分试用。由于我国公 路的施工方法、路面结构、交通状况、车流构成均与国外有一定差异，因此在隆声带设 置参数等方面不能盲目套用国外某个地区的设置规范。隆声带的使用效果与道路类型、 行车速度、道路线形、交通环境条件、车流结构等诸多因素有关。如果对其作用机理和 应用中的影响因素不进行深入分析，就加以盲目使用，则可能使设置的隆声带达不到预 期效果：一方面，如果设置的隆声带的宽度和深度等尺寸过小，可能会对行驶在隆声带 上的车辆的激励力度过小，以至于达不到提示驾驶员的目的；另一方面，如果设置的隆 声带尺寸过大或位置不合理，则可能会影响车辆的操稳性或造成行驶系统零部件的损坏 加剧和路面的早期破损等状况的发生。因此，有必要根据我国的公路条件、车辆技术条 第一章绪论 件、交通状况等因素对隆声带的应用形式、设置技术条件进行研究。隆声带在我国的应 用研究，主要包含两方面的内容：一方面是警示效果的研究，这主要包括噪声和振动； 另一方面是使用安全性的研究，这主要包括隆声带对驶入车辆行驶系的振动冲击影响和 瞬态方向稳定性的影响研究。 0 7 年的时候，由长安大学人一车一环境系统安全交通部重点实验室和杭州市公路管 理局共同进行了适合我国国情的路肩隆声带警示效果的试验研究，使用w i r t g e n w 6 0 0 d c 型铣刨机在试验路段上设置了5 种形式的路肩隆声带，采用驾驶员头部位置处 的噪声值、地板和座椅处的振动加速度值作为测量参数，进行了3 种车型( 轿车、中型客 车、重型货车) 的道路试验，建立了路肩隆声带警示效果与结构参数问的经验模型。验 结果显示，在铣刨式隆声带路面条件下噪声增大了8 d b - - - 2 3 d b ，且在车速为2 5 k m h 时出 现峰值，在车速大于4 0 k m h 时，随车速的增加而增大；车辆地板加速度均方根值平均增 大4 倍7 倍，车辆座椅加速度均方根值平均增大2 倍 - - 3 倍，车辆地板和座椅加速度在隆 声带深度大于1 4 m m 时增幅较大，且对于同一结构尺寸的隆声带在车速为2 0 k m h - - - 3 5 k m h 时出现波峰，在车速大于4 0 k m h 时，随车速的增加而增大。最后，在保证路肩隆 声带警示效果以及使用安全性的条件下，提出了适用于我国高等级公路的路肩隆声带合 理结构参数建议。 1 2 课题的研究内容和方案 1 2 1 研究内容 本文从铣刨机的轮鼓与铣刨鼓以及牵引梁之白j 的结构关系出发，确定轮鼓与铣刨鼓 在牵引梁的作用下在进行铣刨作业时对路面铣刨精度的影响，找出不同路面环境、不同 行驶速度下铣铯宽度、铣刨深度与工作机构之间的相关关系，得出隆声带铣铯机工作机 构对铣刨精度影响的一般性规律，从而使得我们在确定铣铯机结构与铣铯性能时有相应 准确的参考，并最终对隆声带铣刨机工作机构进行设计及优化。具体内容如下： 1 收集并分析国内外相关研究资料，确定研究方案和试验方法。 2 对所需研究的铣铯速度与铣铯性能进行初步的分类分析，找出基本原因并对解 决方法进行初步分析，得出其相关关系。 3 结构设计及相应的理论。 4 进行铣刨机工作机构对铣刨精度影响的一般规律性的研究，包括铣刨机不同凸 轮尺寸下铣铯宽深度的研究。 6 k 安大学硕 ：学位论文 5 进行工作机构对铣刨精深度的分析研究，基本确定凸轮尺寸与凸轮结构方案， 对凸轮形状进行初步优化。 1 2 2 研究方案 1 以w i r t g e nw 6 0 0 d c 型隆声带铣刨机铣刨类型作为本课题试验设计的依据并建立 运动学模型，对建立的运动学模型进行结构和运动方面的分析。 2 分析铣刨机工作机构对铣刨精度的影响，并分析各种情形下凸轮尺寸与铣刨精度 之间的关系。 3 根据牵引梁与铣刨鼓以及凸轮之间的结构关系，分析工作机构在各种路面状况下 对铣刨精度的影响，确定工作机构与铣刨精度之间的关系，并在适合国内的隆声带尺寸 的基础上确定工作机构的大体尺寸。 4 在上述分析结束后，进行进一步理论分析，在理论的基础上提出凸轮优化方案， 最终确定凸轮尺寸并对凸轮提出基本优化方案。 7 第一二章隆声带铣刨机凸轮j 转了：运动分析 第二章隆声带铣刨机凸轮与转子运动分析 2 1 隆声带铣刨机工作原理 铣刨隆声带所使用的基本施工机械是隆声带铣刨机。隆声带铣刨机是由安装有铣刨 刀头的铣刨鼓在传动系统的带动下进行旋转运动，并在铣刨刀头与沥青路面接触的时候 对路面进行铣刨作业。 由于隆声带铣刨机要求铣刨的间断性，所以使用凸轮来调整铣刨鼓相对于路面的高 低以便铣刨出需要的隆声带沟槽。凸轮可以根据需要设计为3 爪、5 爪或者其他数日。 凸轮与铣刨鼓间的基本关系如图2 1 所示： 图2 1凸轮与铣刨鼓基本关系示意图 图2 1 中，五爪凸轮1 与铣刨鼓2 相连并固定于一端o ，当凸轮与路面着点于3 位 置时，铣刨鼓远离地面，不进行铣刨。当凸轮与路面相着点由3 位置经过旋转慢慢向4 位置靠近的时候，铣刨鼓逐渐贴近地面对沥青路面进行铣刨。铣刨鼓与凸轮的具体连接 位置也可以有其他方式【4 羽，例如图2 2 为维特根铣刨机的六爪凸轮与铣刨鼓间的连接方 式： 图2 2 凸轮与铣刨机连接方式图 长安人学硕士学位论文 图2 2 中通过凸轮转动时凸轮中心与地面的间距影响铣刨鼓与地面的高度，而铣刨 鼓在铣刨时路面隆声带的铣刨深度与纵向宽度则是通过调整铣刨鼓与机架间的丝杠l 来控制，如图2 3 所示： 图2 3 隆声带铣刨机铣刨鼓高度调节系统 2 2 隆声带铣刨装置凸轮的运动分析 为了能够清楚的描述转鼓轴心的运动轨迹，我们将隆声带铣刨装置的结构简化为图 2 4 所示： 图中标注参数如下： 图2 4 拖挂式隆声带铣刨机装置结构简图 9 第二章隆声带铣刨机凸轮j 转了运动分析 ，一门角凸轮外接圆半径： ，2 一铣刨鼓半径； 三- 一力爪凸轮轴中心0 l 到拖车轴中心0 水平距离； z 一转鼓轴心0 2 到拖车轴中心0 水平距离； v 一拖车速度； 0 9 1 一，2 爪凸轮旋转角速度； 国一铣刨鼓旋转角速度； 其中国- 是在玎爪凸轮前进一个周期翌内的大小，由函数y ：彩c o s ( n - 一f 一c o , d t ) h r l 定。 为描述转鼓轴心的运动轨迹，我们先做以下证明。不妨设o l 点为最高点与最低点在 y 轴方向的距离为d ，参考图2 5 。则几何上有： d ：，i 一厂l c o s 三：，1 ( 1 一c o s 三) n，2 再设o l 绕o 点所在水平直线为基准上下最大摆角为2 a 。 图2 5o l 绕0 点i j r 在水半豆线为基准上卜摆角2 a 不葸图 于是0 l 绕0 旋转的单方向最大角度口 怍a r c s i n 瓦r l ( 1 _ c o sa 聆- ) ( 2 1 ) 由于厂小于厶，从几何上我们可以认为： c o s 口= 刺n 去( 一s = 1 - r l ，一s 乩 1 0 长安人学硕i ：学位论文 所以0 2 点在水平方向速度分量可看作与车架行进速度一致，大小为以又可知o l 和0 2 到o 的距离可看作分别是它们的投影- 和三2 。 在如此设定下，我们可以顺利描述出在机架匀速运动时，转鼓轴心在刀爪凸轮旋转 带动时的运动轨迹。 不妨先讨论转鼓轴心在门角凸轮旋转一个周期丝内的运动轨迹。可以假设0 2 点起 力 始坐标为( 0 ，0 ) 。设到达时间f 时， 爪凸轮轴心在竖直方向移动距离为缈t ，如图2 6 所示： 图2 6髓爪凸轮轴心纵向位移变化示意图 按投影定律，缈，和y ：的表达式可求： 缈l = 九c o s ( - 万一f ；伽l a t ) 一厂l c o s 至 于是时间t 时，转鼓轴心纵坐标由投影定律可得： 胪鲁缈 ： c o s ( - 万一胁t a t ) - - c o s 刍_ r l l 2 ( 2 2 ) n 。 ，ll l 显然还有转鼓轴心横坐标： 缈- x = y t 在一个周期内，转鼓轴心的运动轨迹的方程为： x = l i t ( 2 3 ) 第一二章隆声带铣刨机凸轮j 转子运动分析 l ，= c o s ( 万- 一f o o , l d t ) - - c o s 刍半 n 。 刀l 1 从而，可得轴心旋转的整个轨迹的参数方程： x = v t ( o t 丝) 玎国 ( 2 4 ) 】，：【c o s ( 魂一丝i n t 些竺一7 ) - - c o s 一7 1 】_ r l l 2 ( 2 5 ) 。 ，2，z 万门nl i 图2 7o t 绕o 点所在水平直线为基准上下摆角2 a 示意图 x 纠2 = v 哪t 咿净。掣专嘲9 警 亿6 ， 甩一凸轮爪数o y 一设备作业速度； 卜时间； 国l 一玎爪凸轮旋转角速度； 三l 一凸轮轴到凸轮与铣刨轮相连固定点的距离0 0 l ； 三广铣刨轴到凸轮与铣刨轮相连固定点的距离0 0 2 。 当凸轮的爪数聆= 6 时，凸轮轴心运动的轨迹图如下，且当有： 1 2 长安人学硕i ：学位论文 爿2 2 u ，y 2 2 0 局= 詈，匕= 百( 2 - , f s ) r , l z 彪= 军，y 2 = o 通过分析其运动过程，凸轮轴心的轨迹可以看作周期为要，在每个周期内轨迹为余 弦函数匕截取的一段，整个轨迹如图2 8 所示： 图2 8 隆声带铣刨机六爪凸轮轴心轨迹图 2 2 1 六爪凸轮的运动曲线 以六爪凸轮为例，因为六爪轮旋转角速度的不停变化，为方便分析，彩t 以常数计 算，即六爪轮做匀速旋转运动，则有： x = 所 ( 2 7 ) y = c o s c 州一警i n t 詈一c o s 詈，等 亿8 ， 令l = 鲁( m s ) ，l 2 - - 4 m ，l i = 3 m ，n - - 6 ，l = o 3 m ，则v 取- g 数= o i n ( r a d s ) 又由于加工一条隆声带的周期为1 m ，令运行时间为6 s 。 运用m a t l a b 画出如下图2 9 所示的六爪凸轮中心运动曲线图。 第一二章隆声带铣刨机凸轮与转了运动分析 图2 9 凸轮轴心运行轨迹图 l 九1 轮轴心轨迹如图2 9 所示，旋转轨迹的这个特征决定了n 轮轴心的卜下起伏性周 期性运动，它为加工具有周期性的隆声带提供的提。凸轮轴心起始的时候处于最下端( 图 中的坐标为零) ，该时刻刀尖处于切削最深的位置；随着时间推移，凸轮轴心上移，刀 尖上移，直至离开地面，停止切削；如此，周而复始，完成隆声带的加工。从图中还可 以看到在6 s 的时间内，轴心轨迹上下运动共6 个周期；刀尖也切削了6 个周期，完成 6 道条状形凹型震荡槽。 2 2 2 不同外接圆半径下的六爪凸轮运动曲线对比 令( o i = x 3 ( r a d s ) ，l 2 = 4 m ，l l - - 3 m ，运行时间扔为6 s ，r l 取值0 3 m 到0 4 2 m 之 间，步长随意取为o 0 2 。则不同外接圆半径的六爪凸轮中心运动轨迹如图2 1 0 所示： 图2 1 0 六爪凸轮轴心在不同六爪凸轮半径下的运行轨迹图 1 4 长安人学硕f j 学位论文 从上图可以看到，随着六爪凸轮半径的加大，在机架向- f i l f 运行同样的距离内隆声带 铣刨装置切削地面的频率相对减小，状形凹型震荡槽条数也减少，所切削的条状物之间 的间隔也变大，切削深度也变大；事实上，隆声带铣刨装置就是通过调整六爪凸轮的半 径，进而改变隆声带凹槽的问距。 7 2 3 一般铣刨机铣刨鼓的运动分析 铣刨机车辆牵引系统的工作方式主要是由：发动机传动系一行走机构工作装置来 完成的。铣刨机的工作装置是由刀头安装在铣刨鼓上面，在高速转动的铣刨鼓转动时带 动刀头进行铣刨作业。 不考虑凸轮转动，只考虑铣刨鼓作业的时候，铣刨鼓在动力的作用下进行旋转，安 装在铣刨鼓上的刀头对施工路面进行挤压切削破坏。施工过程与路面铣刨机原理相同， 如图2 1 1 所示： 图2 n隆声带铣刨机转f 切削铣刨示意图 图2 1 1 中转子的切削运动，是由转子围绕转轴的圆周运动和转轴的直线运动复合 构成。取转子轴轴心为坐标原点，设备前进方向为横坐标x 的方向，铣刨深度方向为纵 坐标z 的方向。是在时间t 内设备前进的距离( 图2 1 1 ) ，刀头h 点运动轨迹关于时问t 的运动示意图如图2 1 2 所示： 第二章隆声带铣刨机凸轮0 转了运动分析 矿， 暑_ 一： 0 一 x 图2 1 2 一般铣刨机刀尖运行轨迹图 如图，设铣削曲线上一点f ，y ) 可用旋轮线方程描述为： 其中： v 设备作业速度； 缈一铣刨转子回转角速度； 屯，一转子刀尖的回转速度； 这时候的运动轨迹，是由转子旋转和设备行走的不同速度影响而确定的。 2 4 隆声带铣刨机铣刨鼓刀尖运动分析 因为隆声带铣刨机前进的速度与整机速度相同并不与凸轮的转速相关，即刀头x 的运动轨迹仅与整机速度和运行时间以及铣刨轮的转速相关，所以糊。而铣刨机运 行时候对路面的切削作业与凸轮与铣刨鼓相关，既】，是在凸轮运行的基础玢上加上铣 刨鼓刀尖自己转动的基础上的形成的运动轨迹。既隆声带铣刨机的运动轨迹方程为： 荨y 2 1 6 缈q 岫 删 叱m发 长安大学硕l 学位论文 篡二嘶辞硫攀一，牡。， xk=kx哆1=vt：+r叫。s。incot研，制胁击等缸攀专，一予等 设定国5 2 万( r a d s ) ，国- = 三3 ( m s ) ，：= o 4 m ，运行时间为6 s 。则刀尖运行轨 图2 1 3 刀尖运行轨迹图 1 7 第二章隆声带铣刨机凸轮j 转了：运动分析 从图2 1 3 中司知，7 j 失旋转轨迹的特征为它买现刷期性加工隆声带提供口 能。就分 析单刀加工隆声带而言，图中底端的弧形凹槽就是单个凹型震荡槽的形状。 2 4 2 隆声带铣刨机刀尖的切削速度和加速度曲线 己知：刀尖上的切削速度： 阽鲁圳也肛o s 引 ( 2 1 1 ) 巧= 鲁一( 疵( 洲一警吨测删 ( 2 1 2 ) 所：步丽 = 万r l l 2 2 ( 2 1 3 ) 由于取整函数很难分析，下面只讨论一个周期内的情况。令缈。= i 7 l ( r a d s ) ，n = 0 3 m ，l 2 = 4 m ，l i = 3 m ，缈= 2 x ( r a d s ) ，r 删f = o 3 m 。由假设，可得描述刀尖在x 轴方向卜运动谏唐的轨协图形如图2 1 4 ： 图2 1 4刀尖槲方向速度图 图中可看出，群由方向上，刀尖的坐标随时间变化的情况很类似于余弦函数。 刀尖在y 轴方向上运行速度的轨迹图形如图2 1 5 ： k 安人学硕l 学位论文 图2 1 5 刀尖在嘞方向运行速度图 刀尖运动速度的轨迹图如图2 1 6 所示： 图2 1 6 刀尖运行速度图 刀尖加速度的轨迹图形如图2 1 7 ： 图2 1 7 刀尖运行加速度图 1 9 第一二章隆声带铣刨机凸轮与转了运动分析 r ix ，= v t 1 冲s c 胁一铷i 2i t o c o l d t 一s 争等 r 1h 咖s 酬哪c 肛一等i n t 攀。s 吾，鲁 长安火学硕i j 学位论文 第三章深度及宽度控制机构运动分析 3 1 铣刨转子与铣刨深度及宽度之间的关系 隆声带铣刨机是为了对司机驾驶安全性提示的情况下进行路肩隆声带铣刨作业的 特殊机械，它是在一般铣刨机的基础上改制而成。作为新型公路和城市道路施工和养护 机械，其性能也来越受到各施工养护单位的重视。铣刨机铣刨作业的时候，对铣刨深度 要进行严格的调整控制。在确定隆声带铣刨机铣刨深度的情况下，一般通过更换隆声带 铣刨机凸轮以及调整凸轮高度的方法来调整铣刨的深度。在对铣刨机凸轮进行运动分析 后可根据公式倒推出凸轮的尺寸半径。 隆声带铣刨机凸轮一般根据路面状况或者需要的不同采用3 爪、4 爪、5 爪或者6 爪等。不同的爪数导致凸轮中心运动曲线的、= i 司，而铣刨鼓的运动是在凸轮中心运动曲 线的基础上做圆周运动的，不同的凸轮中心运动曲线也导致了铣刨鼓刀尖的4 r ，。 置如图3 4 所示： 长安人学硕士学位论文 图3 4 六爪凸轮边改为一定弧度后的图形 图3 4 中为六爪凸轮的曲边改进图的一种，当隆声带凸轮有一定弧度的时候，凸轮 中心运动轨迹和铣刨机铣刨鼓刀头运动轨迹都付l 应改变。凸轮在铣刨机给凸轮的力的作 用下，凸轮将沿着【n 1 轮边的曲晴i 弧度做商低运动，从而导致铣刨鼓的曲线运动，存作、【k 的时候铣刨出隆声带。， 由上面的分析可知，在不考虑滑移以及其他一些路面状况的情况下，隆声带铣刨机 铣刨出的隆声带深度，宽度以及隆声带之间的距离与n 爪凸轮的爪数和刀爪凸轮的半径 以及刀尖到地面的距离，有关。 3 1 3 对隆声带的要求 不同国家公路宽度、路面常行驶车辆车轮尺寸等因素决定了不同深度、