（车辆工程专业论文）沥青路面铣削与深度控制技术研究.pdf

摘要 本研究通过对沥青路面的破坏机理和沥青路面铣刨机铣削运动 的理论分析，建立了刀具铣削受力计算的数学模型。利用该数学模型， 计算出了刀具在铣削过程中的铣削受力以及与其主要影响参数之间 的关系，应用m a t l a b 计算并绘制出关系曲线，通过试验及试验数 据分析，得出在一定工况条件下，铣刨机作业时刀具铣削阻力影响的 因素。 本研究叙述了路面铣刨机深度控制系统的组成及工作原理，路面 铣刨机的铣削深度控制采用闭环控制技术可保证铣削路面的平整，提 高路面维修的质量，降低维修成本。应用机电液系统的传感技术，基 于预设的作业基准，实时控制铣削路面的厚度。通过建立路面铣刨机 的铣削滚筒工作的数学模型，提出了路面铣刨机深度控制系统的控制 方法。 关键词：沥青路面铣刨机，沥青路面铣削，控制技术，试验研究 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , b a s e do nt h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s o fd e s t r o y i n g m e c h a n i s ma n dc u t t i n gm o t i o no f c o l da s p h a l tp a v e m e n tm i l l i n gm a c h i n e ， am a t h e m a t i c a lm o d e lo fc a l c u l a t i n gc u r i n gf o r c eh a sb e e ne s t a b l i s h e d b yt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ec u r i n gf o r c eo ft o o l si nt h ec o u r s eo f c u r i n gm o t i o nh a sb e e nc a l c u l a t e da n db ym e a n so fm a t l a bt h e r e l a t i o nc a r v eb e t w e e nt h ec u t t i n gf o r c ea n dt h em a i np a r a m e t e r sh a sa l s o b e e np a i n t e d b yu s eo ft e s ta n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t e s ，t h eo p t i m a l m a t c h i n gp a r a m e t e r si ng i v e nj a d i t i o n sh a v eb e e no b t a i n e d i no r d e rt oe n s u r el e v e l i n gi nm i l l e dp a v e m e n ta n dd e c r e a s et h ec o s t o fm a i n t e n a n c er o a d ，t h ec l o s e d - l o o pd e p t hc o n t r o ls y s t e mi su s e dt ot h e r o a dc o l dm i l l i n gm a c h i n e r y t h ee l e c t r o m e c h a n i c a ls e n s i n gt e c h n o l o g y i su s e dt ot h es y s t e mb a s e do nd e p t hs t a n d a r d ，a n dt h es y s t e mg i v e r e a l - t i m ec o n t r o ld e p t hi nm i l l e dp a v e m e n t i nt h ea r t i c l e ，i ti sa n a l y z e d t h a tt h ed e p t hc o n t r o ls y s t e mi nr o a dc o l dm i l l i n gm a c h i n e r ya n dw o r k e l e m e n t s ，a n dt h ep h y s i c a lm o d e lo fm i l l i n gd r u mi sm a d ea n dt h ec o n t r o l m e t h o di sg i v e n k e yw o r d s ：r o a dm i l l i n gm a c h i n e r y , m i l l i n ga s p h a l tp a v e m e n t , c o n t r o l m e t h o d , t e s ta n dr e s e a r c h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文韵规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学 位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名：书舫 jj 签字目期：力i 降b 月b 日 学位论文作者毕业层去向 工作单位： 通讯地址： 保密囡，在j 年解密后适用本授权书。 不保密口 导师签名i 四警漱 签字日期：洳b 丰年b 月8 闷 电话 邮编 独创性声明 y 1 0 1 g 9 5 5 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：哗钢奇身 日期： 少叶年k 月b 日 江苏大学工程硕士学位论文 第1 章绪言 1 1 课题概述 1 1 1 课题的来源 l x z y h 2 0 0 0 型四轮驱动沥青路面铣刨机，列入2 0 0 2 年国家技术创新计划 项目( 编号0 2 c j 一_ 0 8 0 1 0 7 ) ，获得省财政新产品开发、省“3 3 3 工程”和市 “1 6 9 工程”项目资助。本论文沥青路面铣削与深度控制技术研究，是该项 目的研究内容，是该项目的一个组成部分。 1 1 2 选题背景和课题的研究意义 随着高等级公路的发展，路面维修的技术装备性能要求愈来愈高，路面铣刨 机可用于损坏路面的铣削作业，并可完成路面油包、波浪、车辙的铣削平整等作 业。路面铣刨机现已成为公路及城市道路维修作业的关键技术装备之一。 国内已有不少厂家及科研机构研制开发了沥青路面铣刨机，但基础研究较 少。 铣刨机的主要工作部件是铣削刀具，研究刀具运动参数及几何参数对刀具铣 削受力的影响，可为今后进行的研制和铣刨机的改进提供理论依据。 路面铣刨机的深度控制质量与机器的运动学参数和动力学参数有关，并且与 铣削材料的特性有关。 本研究从分析铣刨机的铣削运动入手，建立刀具在铣削路面过程中受力的数 学模型，通过试验研究刀具运动参数及几何参数对刀具铣削受力的影响规律。 路面冷铣刨机的铣削深度控制采用闭环控制技术可保证铣削路面的平整，提 高路面维修的质量，降低维修成本。应用机电液系统的传感技术，基于预设的作 业基准，实时控制铣削路面的厚度。通过建立路面铣刨机的铣削滚筒工作的数学 模型，提出了路面铣刨机深度控制系统的控制方法。 1 2 沥青混凝土路面铣刨机技术的发展 沥青混凝土路面铣刨机【“2 1 1 是近几年发展起来的一种路面翻修机械，它利 江苏大学工程硕士学位论文 用滚动铣刨的方法把旧沥青混凝土路面局部或全部破碎，铣削下的沥青碎料经再 生处理后，可直接用于路面表层的重新铺筑。此外，铣刨机还可以修整沥青路面 的油包、车辙、裂缝、和坑槽，获得理想的防滑路面，可兼作简单的路面整形作 业和整体再生。 沥青路面铣刨机是一种高效的路面维修养护设备。按铣刨工艺的不同早期它 被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沥青路面进行铣削 作业。冷式沥青路面铣刨机具有使用成本低、且不污染环境等优点。 冷式沥青路面铣刨机在国内外得到了迅速发展，品种规格繁多，并己形成完整 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。 1 2 1 国外沥青路面铣刨机的技术状况 1 ) 国外沥青路面铣刨机的概况 2 0 世纪5 0 年代，世界上第一台铣刨机“日本国产l 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 , 铣削深度为2 0 m m , t 作速度o 1 2 k m h 。2 0 世纪6 0 时年代后期，日本又在 平地机上改装成了世界上第一台冷式沥青路面铣刨机，铣刨宽度为2 m , 深度3 0 5 0 m m 。进入7 0 年代，由于能源危机的出现，伴随沥青路面再生技术的发展，德、 美、英、瑞典、前苏联等国家相继开发了沥青路面铣刨机。目前，国外铣刨机械 发展迅速。其中德国维特根( w l r t g e n ) 作为以生产铣刨机为主的专业公司，除生产 热铣刨机外，冷铣刨机己形成了完整系列，规格品种多达几十种。并在世界各国得 到广泛使用，我国进口的铣刨机绝大多数为该公司产品。 2 ) 国外沥青路面铣刨机的主要技术参数 铣刨宽度和铣刨深度是铣刨机的主要性能参数。国外铣刨机的铣刨宽度从 3 0 0 4 2 0 0 m m , 范围很广，其中应用最多的为l m 和2 m 机型。为了使一台机器能适 应不同的铣刨宽度，有些铣刨机的铣刨宽度被设计成有级可调，通常是在转子上装 有可拆卸铣刨瓦，通过拆装铣刨瓦来调整铣刨宽度。但在实际施工过程中，真正要 求铣刨宽度经常改变的并不多见，况且铣刨瓦拆装起来非常麻烦，工作量也很大。 德国w l r t g e n 公司曾推出过一种4 2 0 0 l v a r i 型铣刨机可在2 6 0 0 4 2 0 0 m m 范围内 2 江苏大学工程硕士学位论文 无级调节，其结构较复杂，使用操作起来也不是很方便。 国外标准型铣刨机的铣刨深度一般在o 2 5 0 m m 之间，有些铣刨深度可达 3 0 0 m m 甚至5 0 0 m m 。对一般路面养护施工而言，一次性铣刨深度在o 1 2 0 m m 范 围之间是足够的，铣刨深度在o 3 0 0 m m 及以上的机型主要是为拓宽机器的应用 范围而考虑的，如进行路面的整体再生，稳定土拌和作业等。 3 ) 国外沥青路面铣刨机的结构特点 大型路面冷铣刨机主要由发动机动力总成、行走及驱动系统、机架、液压电 器控制系统、铣削工作装置和深度控制系统等组成。行走系统实现机器的运动， 铣削工作装置完成对损坏路面的剥离及破碎，深度控制系统实现对机器铣削深度 的控制。图1 1 为路面铣刨机外形结构示意图。图1 2 为路面铣刨机施工作业现 场。 圈l l 路面净铣创机结构及工作原理示意图 图1 - 2 路面铣刨机的施工作业 江苏大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 发动机国外一般中小型铣刨机常选用风冷柴油机，功率小的3 0 4 0 k w , 最大可达5 5 0 k w 。 ( 2 ) 行走驱动系统铣刨机的行走方式分为轮胎式和履带式两种。轮胎式机 型一般都采用实心胎，具有机动灵活、转运方便和适宜狭小区域作业等优点。履 带式机型附着力大，自找平性能好，但机动性稍差。国外一些较新型的铣刨机采用 轮胎和履带可以互换的行走机构，以提高机器的适应性和使用性能。铣刨机的驱 动方式有前桥转向驱动、三轮、三履带或四轮、四履带独立驱动等型式。采用全 轮驱动型式是为了提高机器的牵引能力，其中四轮、四履带独立驱动型式技术水 平较高，需要机、电、液协调控制以实现机器的平滑转向和同步。 ( 3 ) 铣刨机工作装置铣刨机一般采用转子式铣刨鼓结构，有顺铣和逆铣两 种。绝大多数采用逆铣，刀具由几十个甚至一百多个按左、右螺旋线均匀排列在 铣刨鼓上。铣刨鼓的驱动有机械式和液压式两种。机械式由发动机输出动力后， 经皮带传送给位于铣刨鼓内的齿轮减速器，再驱动铣刨鼓。国外大部分机型均采 用这种方式，认为功率利用率较高。德国w i r t g e n 部分机型采用全液压驱动，优点 是安装布置较简单，容易实现缓冲和安全保护功能。 ( 4 ) 自动回收装置为减少铣刨后的清扫工作量，大中型铣刨机配带旧料自动 回收装置，将铣削下来的旧料通过皮带输送机直接卸入运输车辆内。按安装位置 不同输送机可分为前置式和后置式两种。铣刨鼓在两后轮之间一般为后置式，铣 刨鼓在前、后轮之间或四履带式采用前置式较多。前置式优点是铣刨机可与运输 车辆同向，便于配合操作，对交通影响不大；缺点是结构复杂，一般需两级输送。后置 式结构简单，工作时与运输车辆的配合要求较高。为提高机器的行驶性能，有些输 送机做成可折叠式。 ( 5 ) 国外一些新型的铣刨机大量采用了一些先进的技术，如全轮驱动技术及机 电液一体化控制技术、智能化故障诊断和维护系统，以提高机器的使用性能、减 轻操纵者的劳动强度。为了提高铣刨机纵向和横向的铣刨精度，有些机型还装有 精确的自动找平装置。 1 2 2 国内沥青路面铣刨机的技术状况 。 1 ) 国内沥青路面铣刨机的发展概况 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。湖北襄樊公路机械厂以铁牛 4 江苏大学工程硕士学位论文 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 研制出了l x 5 0 型铣刨机。铣刨宽度为5 0 0 m m ，铣刨深度为6 0 m m , 行走为液压驱 动，工作装置为机械驱动。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，铣刨宽度l m ，铣刨深度8 0 m m , 行走、工作均采用机械驱动。随后的1 0 来年， 我国正处于筑路的热潮当中，路面的维修保养并不显得十分迫切，没有得到足够的 重视。国产铣刨机没有得到相应的发展。 长期以来，国内用户使用的大中型铣刨机均为进口产品，国产铣刨机仅剩下镇 江的o 5 m 和天津的l m 。多用于市政部门的日常养护作业，只能满足一般的使用 要求。 近几年，随着我国公路建设的发展，高等级路面的机械化养护已越来越得到重 视并被广泛采用。沥青路面铣刨机也得到了较快的发展。 1 9 9 9 年，合资后的镇江华晨华通路面机械有限公司在吸收国外先进技术的基 础上研制出了有较高技术水平的l x z y l 0 0 0 型铣刨机，铣刨宽度为1 m ，并采用全 液压驱动。随后徐州工程、徐州路遥、山东德工和维坊通用等厂家也相继开发出 了l m 铣刨机。2 0 0 0 年镇江华晨华通公司在l m 铣刨机的基础上又研制开发了国 内第一台l m 带回收装置的铣刨机。随后相继研制出了1 3 m 、2 m 带回收铣刨机。 使国产沥青路面铣刨机向全系列方向迈出了重要的一步。 2 ) 国产沥青路面铣刨机存在的问题 国产沥青路面铣刨机近几年有了很大的发展，国家十五期间，由原国家计委、 交通部和科技部分别列出路面铣刨机技术创新项目，支持有关企业及科研院所进 行技术攻关，对完善我国铣刨机系列型谱，提高我国路面铣刨机的技术水平和综 合竞争能力起到积极的推动作用。主要机型的使用性能己基本可满足国内高等级 公路及市政道路的养护要求，良好的性能价格比与国外进口产品相比也有较大的 竞争优势，但在基础研究、产品技术水平等各方面仍存在较大的差距。其主要表 现为： ( 1 ) 沥青路面铣刨机的产品可靠性低，国内元件的配套能力较差。所以高可 靠性是国产铣刨机长期追求的一个目标。 ( 2 ) n 产沥青路面铣刨机大多仍采用行走液压传动，工作装置机械传动形式， 目前国外采用操纵方式为先进的机、电、液一体化控制技术，自动化找平技术和 智能化故障诊断技术。 5 江苏大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 沥青路面铣刨机配置的旧料回收装置有后置式、前置式和可折叠式回收 装置，集料效率较低。 4 ) 国产沥青路面铣刨机的市场前景 我国公路交通建设经过十几年的快速发展。已具备了相当的规模。到2 0 0 0 年 底，公路总里程将达1 6 0 万公里，其中高速公路为2 5 万公里，二级以上高等级公路 近2 8 万公里。 为保持道路通行的安全、舒适、快速，对它们进行及时、有效、高质量的养 护将是今后日常工作的重点；此外随着我国经济的发展，综合国力的增强，乡镇城 市化、中小城市大型化、大中城市花园化的趋势日渐明显，城市道路的改扩建工 程也越来越多。沥青路面铣刨机作为道路机械化养护必不可少的设备之一，在国 内市场的需求量会越来越大；国外进口产品尽管性能先进，但价格昂贵，维修服务 不便。因此可以预计国产沥青路面铣刨机将具有较广阔的市场前景。国内生产企 业应抓住机遇，使国产沥青路面铣刨机尽快形成完整的系列，并不断提高产品的使 用性能和可靠性，为用户提供经济、实用、高质量的铣刨机。 1 3 课题研究的内容 路面铣刨机的深度控制直接关系到路面最终的施工质量和施工成本，深度的 控制质量与机器的运动学参数和动力学参数有关，并且与铣削材料的特性有关。 故本课题研究内容为： ( 1 ) 分析沥青混凝土路面的破坏机理。沥青混凝土一般是弹一粘一塑性体，在 不同的条件下破坏时，呈现不同的性质。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 ) 对沥青路面铣刨机铣削过程的理论进行分析并提出沥青路面铣刨机铣削过 程的一些基本假设。 ( 3 ) 建立刀具铣削受力的数学模型。沥青路面铣刨机在实际铣削工作中，分垂 直进给和水平进给两种工作方式，给出两种工作方式的数学模型。 ( 4 ) 研究刀具运动参数及几何参数对刀具受力影响规律。应用m a t l a b 计算并绘 出不同路面材料各种参数对刀具的影响曲线。找出变化规律。 ( 5 ) 通过建立路面铣刨机的铣削滚筒工作的数学模型，提出了路面铣刨机深度 控制系统的控制方法，并通过试验的方法对铣刨机的工作参数进行比较，获得实 现深度控制的参数变化趋势。 6 江苏大学工程硕士学位论文 第2 章沥青混凝土路面的破坏机理 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 配一定的矿料和融化的沥青混合并经强力拌合后形成的混合物。 一般沥青混合料是弹一粘一塑性体，在不同的条件破坏时，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；重复载荷作用下出现疲劳破坏。 本章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 沥青混凝土路面的病害的成因 当前，沥青路面的养护任务以路面垃圾清扫、路面交通设施的维护、路面的 龟裂、坑槽等病害处治为主。若路面病害处理不得力和交通安全设施维护不及时， 病害在车轮载荷的反复作用下，向四周扩散，破碎、掉渣，形成大面积的坑槽， 损害的交通安全设施会给过往车辆的行驶安全带来隐患，尤其是夜间造成的车辆 损坏及交通事故。公路养护技术规范中将公路的病害定为七种类型【1 1 】。 1 ) 变形。变形指蹋陷和沟槽。蹋陷或沟槽形成是由压缩和剪切引起的路面永久 变形。形成的关键原因是混合料中沥青的含量低、设计负荷低于实际交通负荷。 2 ) 车辙。车辙是由层与层之间的混合料切向流动和滑动引起的。原因是混合物不 稳定或切向负荷过大，车辆轮胎作用形成车辙。 3 ) 裂纹。路表面的裂纹使表面的水份渗入面层，进入到稳定层，通过稳定层进入 到路基层。明显减低了路面强度且导致路面变形、龟裂。路面在裂纹后发生破坏。 裂纹型式并不相同。形成裂纹的原因有许多，为了确定修复的最佳方法，必 须找到形成裂纹的原因。裂纹可能是路面疲劳、过热原因造成。 4 ) 剥落。沥青路面表面的聚合物脱落。影响路面的平整性。如果路面出现这一破 坏，将导致路面的防水层损坏，公路大面积损坏，严重影响交通通行量。 5 ) 磨损路表面纹理损坏。面层混合料质量较差可能是产生路面磨损的主要原因 7 江苏大学工程硕士学位论文 之一。日益增大的交通流量也对路面磨损产生一定的影响。物料过细也能导致路 表面纹理破坏，使路面附着系数下降。混合料中过多的沥青，摊铺作业后产生条 状发亮的油带，也能导致路表面磨损加剧。 6 ) 脱落。由油料级配差或沥青粘结剂强度弱而造成脱落，这将引起路面疏松和破 坏。 7 ) 坑洼。坑洼是交通流量的作用，路面的材料破坏，在路面形成孔洞，特别是在 大雨过后，水通过裂纹渗入路面下，极易形成坑洼。水的进入引起路基变软，路 面开裂，承载能力降低。细小颗粒也被排到路表面，使路基减弱。 2 2 沥青混合料的流变模型 2 2 1 流变模型的基本元件 沥青混合料时为粘弹塑性体【1 s l ，物理状态且与温度有关。其变形和流动属于 流变学的内容，研究其流变特性，要用流变方程来表示。而一般材料流变模型的 建立都基于以下三种理想的模型。 ( n ) 虎克梗型( b ) 牛4 j i 梗型 ( c ) 圣维南模型 图2 1 流变模型 ( 1 ) 弹性元件即虎克模型，用弹簧表示如图( 2 1 a ) 。如以盯表示拉应力， 表示应变，则： 式中：e 为弹性模量 盯= e 8 8 ( 2 - 1 ) 江苏大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 粘性元件及牛顿模型，用粘壶表示，如图( 2 1 b ) 。如以。表示拉应力， e 表示应变，则： 盯：灯坐( 2 2 ) 出 式中：q 为于粘性有关的常量 ( 3 ) 塑性元件，用圣维南固体模型表示，当应力o 旦时，物体呈现弹性。 讲打 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 当宰 ! ，故按弹性体简化。因此，上述模型可简化为： 讲 打 ( 匐简化模型 ( b ) o e 关系 图2 1 4 沥眚混凝土路面铣削破坏简化模型与。一e 关系 e 江苏大学工程硕士学位论文 当盯 ，时，模型被破坏。 常温切削时，沥青混凝土路面材料呈现脆性材料的特征，温度越低，其脆性 越显著。因此沥青路面铣刨机在不加热即冷式切削路面的情况下，路面是一个典 型的弹塑性体，在结束变形后立即进入破坏状态。 2 3 沥青混合料的强度 沥青混合料是由矿质骨料和沥青混合料所构成的，具有空间网状的结构。其 强度主要由矿质集料之间的摩擦力和沥青与集料间的粘结力所构成。 沥青混合料按其强度构成原则，可分为嵌挤原则形成的结构强度和按密实级 配原则形成的结构强度两大类。 按嵌挤原则构成的沥青混合料的结构强度是以矿质颗粒之间的嵌挤力和内 摩擦力为主，沥青混合料的粘结力为辅。沥清贯入式路面，沥青表面处治以及沥 青碎石路面均属此类结构。 按密实级配原则构成的沥青混合料的结构强度是以沥青与矿料之间的粘结 力为主，矿质颗粒间的嵌挤力和内摩擦力为辅而构成的。沥青混凝土路面和沥青 碎石混合料路面均属于此类结构。 按密实级配原则构成的混合料，其结构由下列方式组成： ( 1 ) 悬浮密实结构。由连续级配矿质混合料组成的密实混合料，材料从大 到小连续存在，并且各有一定的数量。实际上，同一挡较大的颗粒都被小一挡颗 粒挤开，大颗粒犹如悬浮于小颗粒中，这种结构按最佳级配原则进行设计，密实 度和强度较高。 ( 2 ) 骨架空隙结构。较粗石料彼此相接，较细粒料的数量较少，不足以充 分填充空隙。因此，混合料的空隙较大，石料能够充分形成骨架。在这种结构中， 粗骨料之间的内摩擦力起着重要的作用。 ( 3 ) 骨架密实结构，是综合以上两种方式组成的结构，混合料中即有一定 数量的粗骨料形成骨架，又根据细料空隙的多少加入细料形成较高的密实度。此 结构是按间断级配原理设计的。 江苏大学工程硕士学位论文 2 4 沥青路面的破坏理论 沥青路面在常温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下列条件： r c + 仃增 ( 2 8 ) 式中：f ：外荷作用时，在某一面上产生的剪应力； c ：材料的粘结力： 0 外荷产生的正应力； 中材料的内摩擦角 t f 新卵 图2 - 5 摩尔应力圆 从图上可以看出： f = 丢( q o 2 ) c o s 盯= 三( q + 一兰( o - 。- 0 9 “n 将上两式代如( 2 8 ) 式得： 即： 志一蚴一( o i + 0 2 ) “n 州s c 二卫鼍一【仃1 一f 。】i 窖。 c o s 口 当上式取等号时，则产生剪切破坏。 ( 2 9 ) 江苏大学工程硕士学位论文 2 4 切削沥青混凝土路面材料机理的分析 高速切削是指切削速度达到或超过沥青混凝土应力波传播速度的切削。高速 切削与低速切削时，路面的破坏机理是不一致的。下面通过分析单把刀具铣削过 程来分析其不同的破坏机理。 对于子弹头形铣刀而言，存在着前刀面和刀尖角，因此铣刀破坏路面就是刀 尖切削和前刀面推挤的综合效果。根据路面切削过程的变形情况，可将其变形分 为以下四个变形区，图( 2 - 6 ) 。 渊 懈骰效 摩擦区 刃前变形区 图2 - 6 变形区图 根据施工试验及脆性材料切削机理，刀尖角越大，则其挤压作用越强。低速 切削时，刀具刚与路面材料接触，在刀尖的作用下，接触处首先产生弹性变形； 由于刀具继续转动，刀具对路面的作用力迅速加大，路面内部应力也上升很快。 当被切材料与刀尖接触的应力超过路面材料的弹性极限时，这部分路面经过很小 的变形便被破坏，此时刀具开始切入路面，同时靠近刀尖的前刀面也进入了切口， 刀尖的切入将使刀尖前一定范围内的沥青混凝土材料呈现拉应力状态，因为脆性 材料的抗拉强度降较低，所以拉应力的作用结果将使这部分路面开始裂成刃前裂 口。刀具继续前进，刃前裂口以很快的速度扩展。当切削厚度达到一定数值时， 由于材料抵抗能力的增大，刀具对路面将形成某种冲击。刃前裂口扩展的裂纹将 贯穿于整个切削层，于是路面材料就变成了形状不规则的较大颗粒的切屑。切削 江苏大学工程硕士学位论文 速度越低，切屑的粒径越大，而切削阻力则随速度的升高而升高。 高速切削时，即切削速度达到或超过应力波传播的速度时，刀具对路面材料 作用而产生的挤压、剪切等变形来不及传播，而材料的抵抗能力( 断裂强度) 会 大大增加，以至于刀具刃前裂口还来不及扩展之前，整块的路面材料已被切掉， 因此材料的局部变形小，此时，铣削下来材料的粒径小。 通过上面所述，可以知道对于低速切削和高速切削，其破坏机理的不同点在 于剪切表现形式不同，低速切削以挤压变形为主，此时局部的剪应力变大，高速 切削时以材料的撕裂和剪切为主，但此时局部的剪应变较小。 江苏大学工程硕士学位论文 第3 章沥青路面铣刨机铣削过程的 理论分析及基本假设 3 1 铣削装置的简化 3 1 1 工作方式及原理 路面铣刨机的主要工作部件就是铣刨鼓( 或螺旋滚筒) ，铣刨机上均匀布置 着按左右螺旋线规律排列的铣刀【4 5 2 2 , 2 3 j 。如图3 1 所示。 图3 - l 铣刨鼓铣刀排列 1 ) i 作方式 冷铣刨机的实际工作方式分垂直进给和水平进给两种： ( 1 ) 垂直进给工作方式 铣刨机原地不动，提升左右后支撑轮，铣刨装置在回转的同时，垂直向下铣 削路面。 ( 2 ) 水平进给工作方式 当铣刨机垂直铣削路面达到要求的深度以后，铣刨机沿着行进方向对路面进 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 行逆式铣削。 2 ) i 作原理 由铣刨机的铣削装置我们可以知道，在实际铣削路面的过程中，承担铣削任 务的是铣刨滚筒。铣刨机以工作速度向前移动的同时，铣刨鼓逆转，均匀分布于 滚筒上并按螺旋线排列的铣刀，顺序接触沥青面层，将沥青面层材料铣削成碎颗 粒状。 3 2 铣刨滚筒及其刀具布置 假设铣刨滚筒刀尖园的直径为d ，铣刨宽度为l ，相邻两刀头齿迹距为a ， 相邻两假想齿杆距为h ( 圆周距) ，螺旋线头数为k ，由此便可画出铣刨滚筒简 图来。为了研究课题的方便，沿铣刨滚筒轴线方向切开滚筒，则得到如下的展开 图( 图3 2 ) ： 、 ， ， i 图3 - 2 1 7 江苏大学工程硕士学位论文 图3 - 3 在展开图上，通过刀尖所在位置画纵线，表示铣刨滚筒转动时刀尖的圆周迹 线，即前面提到的齿迹线。沿边刀头的刀尖位置画横线，该横线称为假想齿杆。 由于螺旋线的头数为2 ，所以在同一齿迹园上对称分布着两把刀具，见图( 3 3 ) 。 这就是铣刨机铣削路面机构的最小单元，该最小单元也就是本文所确立的研究对 象，至于螺旋线如何分布，刀具的数目等在此就不进一步详细研究了。 3 3 沥青面层铣削过程分析 沥青面层材料的性质随沥青的性质及老化程度、骨料与骨料级配，以及路面 损坏情况、气候变化情况等因素而变化。实际铣削过程是一个非常复杂的过程【4 2 1 1 。 在刀具连续运动的过程中，在刀尖开始接触旧沥青面层材料的极短时间内， 刀尖接触的局部范围内产生弹性变形，接着产生集中接触应力并逐渐增大。当它 超过某个极限值时，被压碎成粉末而形成密实块。刀具继续向前移动，密实核积 聚的能量越多，体积扩大。在密实块与沥青面层表面的交界处发生小块剥落。由 于摩擦力的作用，后部i 贴附在刀头前面，成为刀瘤，对面层材料有楔开的作用， 并使刀头的前面不易磨损。 小块剥落后，密实块的体积缩小，压力降低。但随后又扩大体积，增强压力， 再次发生小块剥落。总的趋势是密实块的体积和压力逐渐增加。这样的情况重 复若干次以后，当刀头移动到b 点时( 见图3 - 4 ) ，密实块积聚的能量相当大， 以致引起c b d e 大块剥落。随着刀具的连续运动，刀尖将再次切入沥青面层材 江苏大学工程硕士学位论文 料中，从而进入下一个铣削循环。 图3 - 4 由此可见，刀具在铣削过程中承受冲击载荷作用，作用力的大小与切削材料 的机械性质、刀具的运动参数和几何参数以及刀具的磨损情况等因素有关，这里 包括随机影响因素，故实际切削受力随机波动，因而计算刀具的实际瞬时受力是 非常困难的。从另一方面来说也没有实际参考价值。因此，本文提出如下假设： 1 ) 路面材料均匀一致，切削比阻力q 为常数。实际路面为非均匀材料，切 削比阻力q 在一定范围内随机变化，但对某一指定路段而言，其变化不大，可以 近似作为常值考虑。 2 ) 实际铣削过程中，刀具受到的事随机变化的动载荷作用。为研究方便， 假定刀具铣削过程为连续的均匀受力过程，滚筒在切削过程，阻力为一定值。 通过此假设，便可对刀具铣削过程加以简化，以便从理论上能够对刀具受力状况 进行研究。尽管刀具实际受力是随机波动的，但从整个过程来看，随着刀具切削 厚度的增大或减少，刀具的受力仍表现为增大或减少的趋势。 3 ) 侧向力和同时参与切削作业刀具的相互影响忽略不计。 4 ) 设定作业路段切削比阻q 与切削速度无关。铣刨机铣削刀具对路面材料 的切削速度是铣刨装置旋转速度与机器行走速度的合速度。当铣削装置旋转速度 不变时，刀具转动线速度远大于铣刨机行走速度，刀具的切削速度变化较小。 1 9 4 江苏大学工程硕士学位论文 第4 章铣削过程刀具受力数学模型的建立 4 1 垂直进给运动刀具受力数学模型的建立 4 1 1 运动分析 垂直进给运动分析口t 孤2 3 l 简图见图4 1 。以铣削过程的最小单元为研究对象， 假设在过齿迹圆的截面上相距1 8 0 。对称布置两把刀具，以此刀刀尖圆与地面相 切时其圆心为坐标原点，设铣刀1 切入时，装置下降h l ，铣刀2 切入时，下降 h 2 ，则可得如下关系： 0 玛。i 刍【些 窝晚 饼嘲+ 如 滁： 怠叁秒 兰胃 图4 _ 1 吃= 啊+ 3 0 心以 办= s i n 。1 【( r 一| 1 1 1 ) 尺】 九= s i n 。1 【( r 一心) 捌 其中： k ：垂直进给速度( r a m s ) ； 栉：铣滚转速( r r a i n ) ： r ：铣刀尖圆半径( m m ) ： 0 ( 4 1 ) ( 铊) ( 4 3 ) 江苏大学工程硕士学位论文 破，戎：铣刀l 和铣刀2 的切入转角 假设铣刀l 轨迹曲线上任意一点a t 的坐标为( x 1y 。) ，铣刀2 轨迹曲线上任 一点b l 的坐标为( x 2 ，y 2 ) ，则可得： ( 1 ) 铣刀l 轨迹曲线方程： = r c o s ( 庐i + 氟) ( 4 4 ) y t = h + r s i n ( , + 氟) ( 4 - 5 ) 妒l = 6 押( 啊一 ) 心( 4 - 6 ) ( 2 ) 铣刀2 轨迹曲线方程： x 2 = r c o s ( 以+ 丸) ( 4 - 7 ) y 2 = h 2 + r s i n ( # 2 + 戎) 办= 6 雄( 呓一h 2 ) v 。 4 1 2 切削厚度的计算 ( 4 8 ) ( 4 9 ) 刀具的切削厚度是垂直于刀具运动方向上切削材料的厚度。如图4 2 所示， 铣刀2 在b 点时，切削厚度即为径线与铣刀两条轨迹曲线交点臀及b 的距离。 0 叫岛f 兰兰 a k 心 慧撬罗 喾遵妒 y 。 图4 _ 2 2 l 江苏大学工程硕士学位论文 假设切削厚度为t ，刀具2 转角为由，则铣刀2 的刀尖坐标为： x 2 = r c o s 矿 y 2 = t + r s i n 矿 比较4 7 ，4 8 ，4 1 0 ，4 1 1 式，可得： = t 办+ 九= 将4 3 ，4 - 9 ，式代入上式可得： s i n - 1 ( r 一吃) 月 + 6 刀o 一k ) 屹= 此式即为关于如的超越方程，令： ( 4 1 0 ) ( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) ( 4 一1 4 ) f ( h 2 ) = s i n 。1 【( 足一h e ) r + 6 n ( t 一) 心一矿 ( 4 1 5 ) 则： 厂。( 吃) = 1 6 n 仉+ 1 属面雨砑 ( 4 1 6 ) 3 f ”( 吃) = ( r j i l 2 ) 【吃( 2 r 一吃) 】2 ( 4 1 7 ) 由4 一1 5 ，4 - 1 6 ，4 1 7 式，利用牛顿迭代法即可求出满足给定精度的岛值，将 吃值代入4 - 1 式，则： 啊= 一3 毗n 从而啊，也值均可确定。 由图4 - 2 ，在d 3 曰。d 2 及d 3 4 d l 中： 又4 点在轨迹1 上， y i = 鬼+ 0 2 一f ) 屯】而 7 而2 + 瓴一琏) 2 = r 2 y 。= 啊+ 留氟 ( 4 1 8 ) ( 4 - 1 9 ) ( 4 2 0 ) 式中；以= 氟+ 6 玎( 啊- h , ) v 由4 1 8 ，4 1 9 ，4 - 2 0 式，经推导可得： 辔 唬+ 【6 一化】【h 眦一t ) l x 2 一一厢一 】 = 厢毛 ( 4 2 1 ) 江苏大学工程硕士学位论文 此式即为关于而的超越方程，令： ，( _ ) ：办+ 【6 刀叱】【f + ( j ，：一t ) x ：善一碍一h ，一t g 一- ( 碍而) ( 4 - 2 2 ) f 0 1 ) = 6 n l v c 眇2 - h ) x 2 - t - x 1 扯2 一奸】( 4 - 2 3 ) 3 f 。( x 1 ) = ( 6 h e 2 也+ 毛) ( r 2 一# ) j ( 4 2 4 ) 由4 - 2 2 ，4 - 2 3 ，4 - 2 4 式，利用牛顿迭代法即可求得满足给定精度的而值，将 而代入式4 - 1 6 后，又可求出y 。的值，故切削厚度t 的计算公式为： t = ( x 2 - x 1 ) 2 + ( y 2 - y 1 ) 2 ( 4 - 2 5 ) 4 1 3 刀具受力计算 刀具在切削沥青面层材料时，主要承受切削阻力p 及切削对刀具的摩擦阻力 f 的作用。如图4 3 所示： 由：刀具转角： n ：刀具安装角 1 3 ：刀尖角： t ：切削厚度 江苏大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 切削阻力p 的计算 切削阻力与刀具受力面积成正比，刀具尖部为圆锥状，切削投影面积为三角 形，如图4 - 4 所示。 图4 - 4 j = t 2 t g c o s c z p = q s ( 1 + 占) ( 4 2 6 ) ( 4 2 7 ) 式中：q ：单位面积沥青面层材料的切削比阻力( k g m m 2 ) ； e ：刀具磨损系数。 ( 2 ) 摩擦阻力f 的计算 刀具向下运动，切屑对刀具的摩擦力即为相反的向上方向( 如图4 - 3 ) ，切削 阻力p 作用点可假设为b 点( 切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： f = f p c a 3 s ( c z - p ) ( 4 - 2 8 ) 把以上得到的p 力及f 力沿x 及y 方向分解，又可得出； 也= p s i n _ i f c o s ( 妒+ 口一) ( 4 - 2 9 ) r ，= p c o s + f s i n ( 妒+ 口一) ( 4 - 3 0 ) 朋i = p ( r 一2 t 3 ) + f r s i n ( 口- p ) ( 4 - 3 1 ) 江苏大学工程硕士学位论文 4 2 水平进给运动刀具受力数学模型的建立 4 2 1 运动分析 水平进给运动分析简图见图4 5 。以铣削过程的最小单元为研究对象，假设 在过齿迹圆的截面上相距1 8 0 。对称布置两把刀具。以铣刀l 与铣削底面相切时 的转动中心o 。为铣刀轨迹曲线的坐标原点o 。以铣刀2 与铣削底面相切时的转 动中心o ：为铣刀2 轨迹曲线的坐标原点。 r n 。r 孛o l n 1 3 卜 0 。 f 。：? m h ，h 【怂。 、? s 图4 _ 5 ( 1 ) 铣刀l 轨迹方程的建立 假设铣刀1 的转角为中l ，则由图4 - 5 可得： 而= 岛+ r s i n 办 y l = r c o s 磊 毛= 也磊( 6 n ) ( 2 ) 铣刀2 轨迹方程的建立 假设铣刀2 的转角为中2 ，则由图4 5 可得： x 2 = s 2 + r s i n 2 y 2 = r c o s 办 ( 4 3 2 ) ( 4 3 3 ) ( 4 3 4 ) ( 4 3 5 ) ( 4 3 6 ) 江苏大学工程硕士学位论文 j 2 = v ，丸( 6 n ) 其中：r 铣刀刀尖园半径( n 吼) ； v s 铣滚水平进给速度( m m s ) ； 1 1 ：铣滚转速( r m i n ) 2 2 切削厚度的确定 ( 4 3 7 ) 切削厚度是垂直于刀具运动方向上切削材料的厚度。铣刀2 经过p 2 点时， 切削厚度t 为p i 和p 2 点之间的距离。p - 点是p 2 点与瞬时转动中心o ：点连线与铣 刀l 轨迹曲线的交点。假设切削深度为h ，铣刀2 转角为中2 ，则铣刀2 刀尖的 坐标为： x 2 = s 2 + r s i n # 2 y 2 = r c o s 如 j 2 = 也丸( 6 n ) 工2 l = x 2 + 3 0 = 3 0 v o n 由图4 5 知，在p l n i m 中： y 1 2 + ( 而一j 1 ) 2 = r 2 ( 4 - 3 8 ) 在a p l p 2 a 中： 喀办= 2 l - x o ( y 2 仉) ( 4 3 9 ) 又 毛= 【v j 6 n a r c c o s ( y l r ) ( 4 - 4 0 ) 由4 - 3 8 ，4 - 3 9 ，4 - 4 0 式，利用牛顿迭代发即可求出满足给定精度的y l 值，从 而x 。值也可以确定了。 由4 3 9 式可得： 毛= x 2 一y 2 t g 九+ m t g 办 把4 - 4 0 ，4 - 4 l 式代入4 - 3 8 式可得： y 1 2 + x 2 一y 2 姆欢+ y i 增九一( v ，6 n ) a r c c , o s ( y i r ) 】2 = r 2 令留晚= k ，x 2 - y ：喀办= k l ，经简化整理可得： ( “1 ) ( 4 - 4 2 ) 江苏大学工程硕士学位论文 ( 七2 + 1 ) m 2 + v 1 2 a r c c o s ( y , ，r ) 】2 ( 3 6 n 2 ) + 2 七l 锄一2 k i v , a r c c o s ( y l r ) ( 6 n ) 一2 h o y la r c c o s o ，, r ) ( 6 n ) + k 1 2 一r 2 = 0 令彳= 七2 + l ，b = v ，2 ( 3 6 n 2 ) ，c = 2 k l k ，d = 2 k l v 。( 6 n ) ，e = 2 k v ，( 6 n ) ， f = k 1 2 一r 2 。 从而可得： 4 y 1 2 + b a r c c o s ( y i r ) 】2 + q h d a r c c o s ( y 1 r ) 一亘h a r c c o s ( y i r ) + f = o ( 4 - 4 3 ) 这是关于未知量y ，的超越方程。 令 f ( y 1 ) = 砂1 2 + b a r c c o s ( y l 置) 】2 + e h d a r c c o s ( y l r ) 一e y l a r c c o s ( y l r ) + f ( 4 - 4 4 ) 则： ，。) = 2 a y i 一2 b a r c c o s 0 , 1 r ) 1 厢+ c + d 厢一e a r c c ：0 s r ) + e y 。| 蹋 由牛顿幺