（机械设计及理论专业论文）沥青路面铣刨机作业阻力及牵引性能的研究.pdf

摘要 本文对冷式沥青路面铣刨机的动力学工作过程进行了理论分析与试验研究， 并利用金属材料切削的基本原理，研究了主切削力，并从能量转化守恒的角度推 导了铣刨机铣创作业阻力和功率计算公式，讨论了机器切削速度、铣刨厚度以及 刀具与材料特性对铣刨作业阻力和功率的影响规律，最后讨论了铣刨机牵引性 能，且通过试验研究验证了铣刨作业阻力和功率公式。 关键词：沥青路面铣刨机动力学模型铣刨作业功率 主切削力水平工作阻力 a b s t r a c t t h i sp a p e re m p h a s i z e so n t h e o r ya n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho nd y n a m i c sw o r k i n g p r o c e s so fc o l d - a s p h a l tr o a dp l a n em i l l i n gm a c h i n ew i t i lm u l t i c u t t e r b a s e do nt h e p r i n c i p l eo fm e t a lc u t t i n g ，t h em a i nc u t t i n gf o r c ei ss t u d i e d t h ew o r k i n gp o w e r c a p a c i t ye q u a t i o no fr o a dp l a n em i l l i n gm a c h i n ei sd e d u c e df r o mt h e a s p e c t o f p r i n c i p l eo fe n e r g yc o n s e r v a t i o n t h ee f f e c to fc u t t i n g s p e e d ，c u t t i n gt h i c k n e s s ， c u t t i n gk n i f ea n dm a t e r i a l s o nt h ew o r k i n gp o w e rc a p a c i t yi s d i s c u s s e d f i n a l l y t r a c t i v e p r o p e r t y o fr o a d p l a n em i l l i n gm a c h i n ei s a l s o s t u d i e d t h r o u g h t h e c o m p a r i s o no f t h er e s u l t so f t h e o r yc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t st h ee q u a t i o n o f w o r k i n gp o w e rc a p a c i t yo f m i l l i n gm a c h i n e i sm o d i f i e d k e yw o r d s ：a s p h a l tr o a dp l a n em i l l i n gm a c h i n e d y n a m i c m o d e l w o r k i n gp o w e rc a p a c i t ym a i n c u t t i n gf o r c e h o r i z o n t a l w o r k i n g f o r c e 第一章综述 1 1 沥青混凝土路面铣刨机的发展状况 沥青混凝土路面铣刨机是一种高效的沥青路面维修养护设备，其原理是利 用滚动铣削的方法把沥青混凝土路面局部或是全部破碎。铣削下来的沥青碎料经 再生处理后，可直接用于路面表层的重新铺筑。主要用于公路、城镇道路、机场、 货场、停车场等沥青混凝土土地面层的开挖翻修，可以高效地清除路面拥包、油 浪、网纹、车辙等；还可用于水泥路面的拉毛及面层错台铣平；亦可开挖路面坑 槽及沟槽，铣削公路的边缘，恢复其排水能力；也可兼作简单的路面整形作业和 整体再生。随着我国高等级公路的逐步修建应用，公路建设部门对铣刨机等成套 设备的需求会越来越迫切，需求量也会越来越多。 高速公路随路面龄期的增加，由于行车载荷与自然环境因素，路面会陆续出 现一些病害，严重影响行车速度与安全。显然，这些病害快速有效的处理方法是 使用铣刨机铣刨路面，使路面保持平整。用冷铣刨机械铣刨损坏的旧铺层，再铺 设新面层是一种最经济的现代化养护方法，特别是在道路标高受到限制时，选择 此种冷铣刨养护法最好，它特别适合解决道路出现的各种病害问题。 按铣刨工艺的不同早期它被分为熟铣和冷铣两类。热铣是在铣刨上加装远红 外线或其它加热装置，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、铣深范围广及不污染环境等优点。随着铣削刀具的发展及其寿命的提高，近 2 0 年以来，冷式沥青路面铣刨机在国外得到了迅速发展。品种规格繁多，并已 形成了完整的系列。目前国内生产和使用的基本上都是这种冷式沥青路面铣刨 机，因此在名称上已习惯简称为沥青路面铣刨机。 在国外，利用旋转式装置进行作业，早在本世纪初就有应用。5 0 年代，世 界上第一台铣刨机“日本国产一号”电热铣刨机问世。它是在平地机上安装了一 个加热装置，后部装备铣刨器，边加热边铣刨，加热宽度为2 m ，铣深只有2 0 m m ， 工作速度也只有0 1 2 k h a n 。6 0 年代后期，日本又在平地机上改装铣刨机。进入 2 0 世纪7 0 年代后，随着沥青路面旧料再生技术的发展，德国、美国、瑞典、意 大利等国也相继开发了沥青路面铣刨机。目前，国外铣刨机械发展迅速，品种繁 多，结构多样，并形成了各自的系列。 现代冷铣刨机技术进步的主要特点有：铣刨机的行走机构从轮胎式、履带式、 轮胎履带组合式发展到轮胎和履带可以互换式；为满足冷式路面铣刨机技术性能 要求，在现代化的机型中，其行走机构均为独立驱动：行走机构驱动系统从机械 式发展到高速液压传动加行星齿轮减速机的行星驱动系统。发动机的功率从 1 7 k w 发展到7 4 5 k w ，功能由零修碎补转向路面整体再生、稳定土拌和作业或开 采矿料。铣削宽度从3 0 0 m m 变化到4 2 0 0 m m ，宽度调整方式从有级发展到无级； 铣刨深度变化在o - 1 5 0 m m ，有时达3 0 0 r a m ，转子驱动方式从机械式发展到内藏 行星减速器的液压一机械传动。为了进一步提高机器的技术性能，满足冷式铣刨 作业过程因工况变化，其传动系统之间需要重新分配功率和保证机器安全作业要 求，采用全液压式和电液式两种途径实现自动功率控制技术和安全保护技术。为 控制铣削后形成新的路面表层的平整度，在现代冷式铣刨机上均装设了纵横坡自 动找平液压式控制系统，其平整度误差控制在3 m m 之内。 综上所述，国外冷式路面铣刨机在研制技术上集机电液技术一体化，目前正 朝大功率、多功能和高效能方向发展。 国内沥青路面铣刨机的发展起步于2 0 世纪8 0 年代中期，1 9 8 5 年交通部将” 沥青路面旧料再生设备的研究”列为重点科研项目。随后，湖北襄樊公路机械厂 以铁牛5 5 型拖拉机为底盘，研制了一种简易的l m 铣刨机。1 9 8 7 年江苏镇江路 面机械厂参照国外机型研制出了l x 5 0 型铣刨机。1 9 9 0 年天津市道桥处机修厂也 研制出了l x 1 0 0 0 型铣刨机，行走、工作均采用机械驱动。由于在随后的1 0 来 年，我国正处于公路建设的快速发展当中，路面的维修保养并不显得十分迫切， 因此铣刨机因国内市场容量有限，没有得到相应的发展。但近几年来，随着我国 公路建设的持续发展，高等级路面特别是高速公路的机械化养护已越来越引起公 路使用管理部门的重视。沥青路面铣刨机也得到了较快的发展。国内的镇江华晨 华通公司、徐州工程机械集团以及山东德工等厂家已先后开发出了采用全液压驱 动的铣刨机。2 0 0 0 年镇江华晨华通公司又研制出了国内第一台l m 带回收装置的 铣刨机，结束了国产铣刨机无回收装置的历史。目前国产沥青路面铣刨机正朝着 多品种、系列化的方向发展。 尽管国产沥青路面铣刨机近些年来有了一定发展，但在品种规格，技术性能、 总体技术水平上与国外产品相比仍存在较大差距，因此在国内市场上面临同类进 2 口产品的严重挑战。 究其原因，主要是由于国内有关沥青路面铣刨机的设计、研究和生产起步较 晚。特别是有关沥青路面铣刨机工作过程的理论研究，在国内显得比较薄弱，尤 其是在铣创作业阻力的实际计算以及铣刨机转子切削速度、机器作业速度与铣刨 厚度对铣刨作业阻力的影响规律还缺乏精确性的定量分析。 沥青路面铣刨机的运动学和动力学有着各种旋转机械的共同特点。尤其是在 相关的农业旋耕机械和稳定土拌和机方面国内外已有成熟的理论和试验研究成 果。沥青路面铣刨机与上述两种机械的工作过程有很大的相似性，但在作业对象 和刀具类型上却有其显著的独特性。本文试图通过理论分析和试验研究来揭示铣 刨机作业过程中影响铣刨阻力的各种因素及相关关系，深入了解其动力学特性和 工作特点，为现在的铣刨机参数优化和设计提供科学的依据。 1 2 国内外研究现状 1 - 2 1 旋转刀具切削土壤的研究 i 逆转旋耕二面楔切削土壤的剪切模型国内外学者的多数研究结果表明 【1 】：在二面楔作用下，沙性土壤和壤土多毁于剪切，粘性土壤在楔角较小时，出 现撕裂破坏，楔角较大时，则出现剪切失效面或二者兼而有之。一般情况下，将 二面楔推进土壤后，作用于二面楔上的推力，由楔面作用于沿楔面的表层土粒， 再由此层土粒经水膜、空气传递到邻近的土粒，在这个过程中产生土壤的预压、 挤压等作用，当积累起来的总作用力超过某个失效面的抗剪强度时，沿此剪切面 形成垡片。 日本学者坂井纯认为旋耕刀切削土壤时，随着剪切面的增大，上层土块的运 动受到下层土块的约束，仅能保持大致水平或略向上斜的抛土方向。从而提出了 保持良好翻土状态的理想抛土方向为：上层土块沿水平方向向后，下层土块向后 上方抛掷。进而根据地表附近土块抛土性能较其他耕深位置差，提出了以最上层 土块为研究重点的理想抛土模型建立条件：最上层土块沿水平方向向后抛掷；为 使最上层土块获得大于必要的最小抛掷距离所需的速度，应使土块沿正切面滑 动，并给土块以等加减小与旋耕刀的磨损。 2 高速切削土垡撞击破坏模型前苏联学者西涅阿科夫认为，高速切削( 旋耕刀 削速度接近或达到塑性应力波在土壤中的传播速度的土壤切削) 时，确定被抛土 块微粒的速度，应考虑旋耕刀正切面与土壤的撞击作用，当刀片的切削角为b 并 以切削速度v 。切削土壤微粒a 时，可将运动视为土壤微粒与静止刀片在9 0 0 b 角情况下的撞击。其土壤微粒相对速度的法向分量撞击后和撞击前的比例关系 为： ”2 = j 】( i - 1 ) u 一 式中：七为土壤微粒的还原系数。 土壤微粒相对速度的切向分量撞击后和撞击前的比例关系为 屹，= ( 1 一f ) v l ， ( 1 - 2 ) 式中：厂为瞬时摩擦系数。 撞击后，土壤微粒的绝对速度y 为相对速度n 和牵连速度k 的矢量和。这 样可根据此模型确定旋耕刀正切面上各点安装角( 旋耕刀正切面切削角与安装角 互余) 和土壤微粒抛掷速度之间的关系，以确定合理的正切面。模型中土壤微粒 和旋耕刀正切面的撞击为非弹性碰撞。土壤微粒的还原系数的推荐值为0 - 0 4 。 已有的研究表明，高速切削时旋耕刀片对土壤切削而产生的剪切变形来不及 传播多远，土壤已被切掉。因此切削速度越大变形越小，也即土壤的切削阻力越 小，土壤破坏形式主要为刀片的撞击破坏。 3 低速切削土垡剪切破坏模型 涉泽荣对比分析了正反旋耕( 包括刀轴位于地表以上和刀轴位于地表以下) 四种旋耕方式的耕作特点后提出了该种模型。模型中，涉泽荣假定被剪切而堆积 在正切刃上的土块变形不大，可近似看作刚体，因而认为刀尖的切削长度和土壤 在正切面上滑移长度近似相等。从而可根据抛土方向和抛土距离确定旋耕刀正切 面参数。本模型分为未耕土和已耕土两个抛土子模型。在未抛土模型中，被刃口 剪切破坏的土块。沿正切面从刀尖向正切末端滑移变位时被加速抛掷：在已耕土 抛土模型中，因堆积在地表面上的已耕土比较松软，对正切面上近地表所切下来 的土块在切削方向上已没有足够的支承力，已耕土在离心力、科氏力等的作用下， 沿正切面刀尖方向加速抛掷。 1 2 2 旋转刀具切削沥青混凝土路面的研究 目前国内对沥青路面铣刨机的研究工作主要集中于工作部件的工作参数、结 构形状、刀具排列布置和刀具主参数的最优配置等。 4 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， 对刀具一路面相互作用的物理机能和主要因素的变化范围进行了研究，并指明刀 具形状选择要综合考虑切削过程的效率和寿命。 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。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问的关系，指出 当介质温度为6 0 一6 5 。c 时，采用3 - l o m m i n 的切削速度，能耗比最低。 国外铣刨机生产厂家在大量试验的基础上得出冷式铣刨机工作速度与铣刨 机深度的关系特性衄线，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。 国内也有许多研究人员对沥青路面铣刨机的基本性能也进行了诸多探讨： 对黑色路面破碎机械的基本性能参数进行了探讨。指出此类机械的性能参 数涉及到多种因素。主要因素有切削深度、宽度、切削转子直径、转速、工作行 速度以及冷铣或热铣有关，切削转子转速一般在7 0 1 5 0 转分，线速度在5 m s 以下，切削转子直径一般在5 0 0 7 0 0 衄“。 分析和计算了沥青路面铣刨机的垂直进给负荷和行驶铣刨工作负荷，指出 了铣刨工作负荷随行驶速度的增加而迅速增加。而在其他条件相同时滚筒转速增 加，负荷减小；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“”。 根据模型试验和理论分析相结合，按相似理论的方法，在特定条件下，对 路面铣刨机总体参数的合理匹配和路面铣刨机主要性能参数的优化作了初步的 探讨【4 】。 对滚筒上的刀具布置进行了理论分析，得出滚动工作宽度l 与螺旋头数这 两个重要参数关系，取得最小滚筒直径，最少刀头数，最少功率消耗，而且是保 证铣刨质量的重要因素“”。 分析了刀具发生摩擦失效的原因，认为主要原因是：石英硬粒。并对刀具 几何角度和安装角度进行了改进。指出螺旋角6 ) = 3 0 - 4 0 0 ，刀具前角v = 3 3 - 1 2 。， 法向后角a 。= 6 9 卜l o 3 9 。时磨损较少，使用寿命较长“。 在对分析对刀具排列图形及其参数的同时，对铣削装置的铣削阻力、铣削 阻力矩等计算进行了详细的分析。研究结果表明铣削装置的运动可分解为直线运 动。最大铣削厚度受到横向最大铣削距离的限制，且不应超过铣削刀具外伸长度 的7 0 。另外对螺旋滚筒式铣削装置应根据铣削刀具总数来确定铣削线上的铣削 刀具数”1 。 对刀具主参数最优匹配做了研究，求出在给定条件下刀具铣削受力，提出 了在刀具铣削参数”最佳切片”的观点，并利用正交试验设计方法，求出在给定 条件下刀具铣削受力的最优参数匹配o ”。 对沥青路面铣刨机反向旋转的工作过程进行了理论分析和试验研究。分析 了转鼓反向旋转的运动学。在对单刀切削路面的动力学过程进行了大量试验研究 的基础上，分析了工作过程中刀具切入，形成冲击和抛掷举升搬移等三个不同阶 段工作阻力形成的不同机理。 上述国内外专家的研究成果，因为这都是以旋转刀具切削沥青混凝土路面作 为研究对象，研究目标各有侧重，无疑这些研究成果为本项研究工作的开展，从 不同角度提供了重要价值。 1 3 论文的主要研究内容 由于目前铣刨机在切削功率计算以及牵引性能研究方面均为较微观方面的 讨论，其计算和讨论偏于繁琐，不太适合实际应用，故本文在前人研究的基础上， 特别借鉴了理论与应用均较为成熟的金属切削原理，旨在寻求一种较为科学的方 法估算切削功率及工作阻力，并研究其牵引性能，从而对铣刨机功率进行合理匹 配。 ( 1 ) 在试验研究的基础上，利用数学一物理模拟的方法，对铣刨机铣削路面的工 作过程建立了动力学模型； ( z ) 利用能量转化原理研究路面参数、机器结构参数以及工作参数对铣刨机作 业功率及水平工作阻力的影响规律，并推导出相关计算公式； ( 3 ) 对铣刨机功率进行合理匹配； ( 4 ) 通过试验验证铣刨作业功率及作业阻力的理论推导公式。 6 第二章沥青混凝土路面的铣刨机理 沥青路面是由热的沥青混合料经摊铺压实而形成的，而沥青混合料则是将级 配一定的矿料和热沥青结合料经强力拌和后形成的混合物。 典型的沥青混合料是弹一粘塑性体，在不同条件下破坏时，呈现不同的性质。 低温破坏时，呈现脆性破坏；高温时伴随流动；长期载荷作用下，变形随时间的 增长呈现松驰：重复载荷作用下出现疲劳破坏。 铣刀铣削路面时，路面材料受到的破坏力很复杂，应力在路面材料中的分布 与传播也带有很大的随机性，很难用某种简单的统一规律来描述。而本文根据沥 青路面被铣削时的受力条件，将简化沥青混合料的破坏模型，并初步探讨刀具对 它的切削机理。 2 1 沥青路面常温铣削时的流变模型 2 1 1 流变模型的建立 沥青混合料的力学特征应该包含弹性、粘弹性及流动极限。在流变学模型理 论中，描述材料的这种特性一般是通过对弹性元件( 弹簧) ，粘性元件( 粘壶) 和塑性元件( 滑块) 的并串联组合来实现的。在土工材料的研究与应用中，材料 流变模型的选择与确定