（机械电子工程专业论文）基于patran的水泥路面破碎机理研究及设备研制.pdf

摘要 旧水泥砼路面采取加铺沥青面层进行改造，重要的是防止反射裂缝出 现，而多锤头碎石化技术能有效的消除旧水泥砼路面的反射裂缝。 论文首先从旧水泥砼路面碎石化后的强度机理入手，分析了碎石化后 水泥砼板块的分层情况及各层的受力特点，提出了咬合嵌挤理论，解释 了板块破碎后强度形成机理，并以实例结构为计算对象，通过有限元分 析，多锤头破碎机破碎水泥路面之后，水泥砼颗粒粒径在不同深度处是 不同的，破碎后形成的裂纹不是竖向贯穿，这样水泥砼板块碎裂后在其 原位就形成了裂而不碎的嵌挤效果 本文还利用a u t oc a d 对多锤头的破碎机工作装置进行了设计，并利 用先进的p r o e 软件不但实现了多锤头破碎机工作装置的三维参数化造 型、虚拟装配，还利用p r o e 的“机构 模块进行了机构运动学仿真。而 且还借助其运动仿真对相关运动构件的运动状态进行了分析，其操作方 法简单快捷、产品形式形象直观、分析结果准确可靠。从分析结果看， 整个过程与实际的工艺过程相吻合。 本文内容涵盖了旧水泥路面碎石化后的强度机理、破碎过程的有限元 分析、破碎机整机实现的各个环节，为该设备的推广应用提供了参考。 关键词：多锤头破碎机；强度机理；有限元分析；整机实现 a b s t r a c t o l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tt r a n s f o r m st oa s p h a l ts u r f a c el a y e r ，i t i s i m p o r t a n tt op r e v e n tr e f l e c t i v ec r a c k s ， m u l t i p l e h e a db r e a k e rr u b b l i z a t l o n t e c h n 0 1 0 9 yc a ne f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h er e f l e c t i o nc r a c k so ft h eo l de e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n t f i r s t l y ，t h ec o n c r e t e sd e l a m i n a t i o ns i t u a t i o na n dm e c h a n i c se h a r a c t e r s a r ea n a l y z e d o c c l u d i n ga n dw e d g i n gt h e o r y i sp r o p o s e d ，i te x p l a l n s t n e i n t e n s i t ys o u r c eo fb r e a k i n gs l a b s u s i n gt h ef e a m e t h o d ，b a s e do na c t u a l s t r u e t u r e ，t h a tp a r t i c l e s i z eo fc e m e n tc o n c r e t e a td i f f e r e n td e p t h sa r e d i f f e r e n t a n dt h ec r a c k si sn o tv e r t i c a lf o r m e dt h r o u g h o u ta f t e rr u b b l i z a t e d t h e nt h ep a r t i c l ec a nb eo c c l u d e da n dw e d g e di n i t sp l a c ei nac r a c kb u tn o t f r a e t u r ec o n d i t i o n t h i sa r t i e l ea l s od e s i g n e dt h em u l t i p l e - h e a db r e a k e ru s e s a u t oc a d a n dn o to n l yt o a c h i e v et h em u l t i p l e h e a db r e a k e rw o r k i n gd e v i c e 3 d p a r a m e t r i cm o d e l i n g ，v i r t u a la s s e m b l y ，b u t a l s ou s e “f r a m e w o r k m o d u l e c a r r i e d o u t k i n e m a t i c s s i m u l a t i o n w h i c ha n a l y z e d t h em o v e m e n t c o m p o n e n t ，ss t a t eo fm o t i o nb yp r o e t h eo p e r a t i o ni s s i m p l ea n dq u l c k ， t h ep r o d u c tf o r mv i s u a l l y ，t h er e s u l t sa r ea c c u r a t ea n dr e l i a b l e t h ew h o l e a n a l y s i sp r o c e s sc o n s i s t sw i t ht h ef a c tt h r o u g ht h er e s u l t t h ec o n t e n t o ft h i sp a p e ri n v o l v e s t h ei n t e n s i t ym e c h a n i s mo t o l d c o n c r e t e p a v e m e n t a f t e rr u b b l i z a t i o n ， r u b b l i z a t i o n p r o c e s s fe a , m u l t i p l e h e a db r e a k e rd e s i g n ，a n dw i l lb ear e f e r e n c ef o rp r o m o t e t h eu s e o fm u l t i p l e h e a db r e a k e r k e yw 。r d s ：v e h i c l ef l e e t ；m u l t i p l e h e a db r e a k e r ；i n t e n s i t ym e c h a n i s m ； f e am e t h o d ；m u l t i p l e h e a db r e a k e rd e s i g n n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名： 主，1 颦霸扩 日期：2 夕户年月歹勺e t 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、使用学位论文的规定， 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。本人授权长沙理工大学可以将本学位 论文的全部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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：畜、1 秀狰日期：沙p 年j ，月弘日 导师签名： 易，日期：fo 年卜月夕。日 人 。 第一章绪论 1 1 研究背景及课题来源 我国的水泥砼路面的建设起步相对国外而言比较晚。截止到l9 7 0 年， 我国公路水泥砼路面的里程还只有2 0 0 k m ，约占高级和次高级路面总里 程的0 8 7 ；而到了l98o 年，水泥砼路面的总里程也只有16 0 0 k m ，占高 级和次高级路面里程的1 01 。水泥砼路面具有著多优点，例如荷载扩散 能力强、具有强度较高、刚度较大、稳定性好等，在我国得到了长足的 发展。随着高等级公路的不断发展，水泥砼路面的发展也在不断加快； 到19 9 0 年时，我国水泥砼路面总里程增加到l l7 7 3 k m ，约占高等级和次 高级路面总里程的6 4 9 。在这3o 多年里，水泥砼路面所占百分比增长 高达7 4 倍。中国现已成为拥有水泥砼路面里程最多的国家之一。 l9 7 8 19 8 5 年全国科学技术发展规划纲要( 草案) 中关于交通科学技术 的发展规划可分为二个阶段。首先，安排了“水泥砼路面研究”的课题， 即在19 7 8 19 80 年之间( 第一阶段) ，着重研究设计理论、方法和参数以及 探讨某些施工养护问题等。取得的主要研究成果有：用有限元分析面板 的荷载以及温度翘曲应力、编绘了可供生产使用的荷载应力、温度应力 计算图以及我国若干典型地区温度梯度值；旧水泥砼路面强度的评定与 加厚层设计方法；在刚性路面下地基综合模量取用方法；设计主要参数 如水泥砼强度参数、动荷系数、传荷系数以及防冻层的设计等。还调查 总结了81 个地区水泥砼路面的构造和一般使用情况，并给出了相应的改 进意见和建议。第二阶段( 19 8 2 一l9 85 年) 的主要研究，进一步完善了设计 理论、方法及参数。在这个阶段里的主要研究成果包括：温度翘曲应力 计算和试验验证；考虑荷载应力及温度应力疲劳作用综合的结构设计方 法；老旧机场道面的评定方法，双层水泥砼路面应力分析与加厚层设计； 还包括若干设计参数如水泥砼板下地基综合模量；在全国范围内水泥砼 路面板温度梯度值；还有轮迹横向分布系数等。 我国的公路自从上世纪八十年代开始，就成为中国公路交通历史上 发展速度最快、规模最大、最具活力的时期。现在，我国高速公路的总 里程已跃居世界第二位。到2 0 0 7 年底，我国公路总里程已达3 58 37 万公 里，其中包括沥青水泥砼路面约4 0 16 万公里，水泥砼路面约8 4 88 万公 里，可见，水泥砼路面占总里程的比例达到6 7 9 心1 。我国现已成为世界 上拥有水泥砼路面里程最多的国家。 19 8 7 年时，国家科委为推动我国水泥砼路面的不断发展，针对修筑 中存在的一些问题和新技术开发，制定了相应的发展策略，并下达了科 技工作引导性的项目：“我国水泥砼路面发展对策及修筑技术研究”，使 水泥砼路面研究进入到第三个阶段( 19 88 19 9 0 年) 。这个阶段取得主要的 新的研究成果包括：在发展对策研究方面提出供国家制定和发展我国水 泥砼路面的政策和措施；在重交通道路和水泥砼路面设计等方面，提出 考虑高低应力比来分析水泥砼疲劳特性、控制挠度的结构设计方法与水 泥砼路面结构可靠度；在修筑技术等方面，提出普通水泥砼、碾压水泥 砼和钢纤维水泥砼的一般施工工艺和施工须知，还包括旧水泥砼路面的 检测评价以及维修养护等多项成套使用技术。在材料方面，提出水泥砼 混合料设计和路面接缝材料的试验。主要内容包括检测试验标准和方法 以及仪具的开发研制等。在历时三个阶段l0 几年坚持不懈的研究，我国 对水泥砼路面系统的研究获已得了丰硕的研究成果。其中，多项重要成 果已达到了国际先进水平。特别是提出一套先进的、适合我国国情的水 泥砼路面设计和施工方案，大大提高了我国水泥砼路面的设计、施工水 平以及路面使用的质量，加速了我国水泥砼路面的发展，并取得了显著 的社会和经济效益1 。 水泥砼路面由于其具有良好的使用性能，且具有建设费用低、寿命 长、抗灾能力强、养护费用低、社会效益及经济效益等显著优点，在公 路的建设中得到了更为广泛的应用1 。但随着水泥砼应用的不断增加， 在现实的应用过程中也产生了许多病害，如裂缝、错台、碎裂、板底脱 空等。在这些病害中最常见，最普遍并对水泥砼路面性能的影响最大的 就是裂缝。裂缝的处理在道路养护中已成为很重要的一个分支。因此， 水泥砼路面后期的养护和维修工作就显得尤其重要。 1 2 水泥混泥土路面的国内外维修现状 由于超载车辆的影响和设计、施工等方面的一些因素，部分水泥砼 路面会出现大面积破损，水泥砼路面在其使用年限末期时，已不能再承 担服务功能，这时，就需要对其进行处理来建构新的路面结构。 对水泥砼路面的破损和维修问题，国内外都给予了足够的重视，同 时进行了大量的研究，并取得了很多有益的成果。国外开展这方面的研 究较早，从19 8 0 年以来，水泥砼路面的养护修复技术就开始提上了议事 日程。美国联邦公路管理局于19 8 5 年出版的水泥砼路面修复手册在 水泥砼路面的排水、全深以及部分深度裂缝的修补和旧水泥砼路面材料 2 的再生利用等方面都给出了具体的规定。在50 年代初期，以多条试验路 研究为基础，并对在旧水泥砼路面上加铺沥青面层开展了很多研究，提 出了水泥砼路面差额概念的沥青加铺层厚度计算方法。w a t e w r y a 试验中 心又在试验验证的基础上于l9 81 年对上述方法进行了修正，并提出了两 种加铺层设计新方法，包括动力刚度模量法与弹性层状理论法。确定加 铺层厚度的方法有a a s h t o 设计法，日本的t a 法，a i 主a r e 法等1 。 俄国、欧洲的一些学者也采用了弹性层状体系理论、线弹性断裂力学、 能量原理等对这个问题进行了计算分析，并提出了各自的理论方法。对 于加厚层的理论研究，即双层水泥砼板的一般应力计算问题，美国陆军 工程兵于l9 4 6 年最早提出了一个半经验公式。l9 5 6 年苏联的儿n r o p e 根据两种不同强度和厚度的水泥砼板抗弯力矩相等，找出两者之间的当 量换算关系，进而提出了水泥砼加厚层的一般计算公式；l9 61 年苏联 的c b o r c o b c k n h 等利用h k m e o h k n h 链杆法，来求解弹性地基上双层板 的一些计算问题。但由于计算相当复杂，并没有得到推广应用。对于作 用在轴对称垂直荷载的弹性地基上且分离无限大的双层板问题，n r o r h a 于l9 6 2 年提出了理论的计算方法，把双层板的问题转化为单层板的问题。 e i s n e m n a 将两层水泥砼换算为当量单层水泥砼路面后，代之以板梁体系， 用来计算各层的弯曲应力或厚度。福田假设板在荷载作用下，可产生纯 弯曲变形，用来计算板的弯曲应力。r y a 则要求近似取需要的单层板厚度 和原有板厚之差为加厚层厚度。综上所述，双层水泥砼板的应力计算问 题，国外研究只解决了分离式双层板轴对称问题的解析解，而结合式与 部分结合式双层板则只采用了简化假设，仅给出近似的解答，还在探索 中。因此，至今在欧美和苏联等国家，加厚层设计仍采用半经验公式为 主。这些半经验公式的特点就是形式简单、计算较为方便。但它们都不 能全面考虑双层水泥砼板的实际内力分布状况，因而必然会导致不够合 理的分析结果。为此还是需要从理论研究入手，从根本上来解决加厚板 设计问题。美国新泽西洲城市人口众多，其公路是纽约市大都会地区的 主动脉，交通拥挤是该洲的主要问题，而修补作业则往往会需要交通停 顿，多年来新泽西洲运输部早已经试验了各种各样的新方法，以降低水 泥砼路面的修补时间，采用快硬性早强水泥砼的方法在新泽西洲南部2 9 5 号洲际公路进行了全厚修补取得了很好效果3 。在法国和德国还采用环 氧树脂等材料组成的修补剂对水泥砼路面进行修补。美国和日本则采用 了环氧树脂乳液和聚酞胺，硅酸盐悬浮物和异氛酸盐等组成的水泥砼路 面修补材料用来进行水泥砼路面的修补工作，也都起到了很好的效果。 此外日本还采用了加入乙烯基细颗粒的环氧树脂来作为水泥砼路面的修 补材料，还做了一定面积的试验路，效果也很令人满意。在日本，聚合 物水泥砼的研究开发以及工业化生产都己经实现正规化。在聚合物水泥 砼材料的研究领域中，近年来致力于s b r 改性的超快速硬化水泥砼作修 补材料和覆盖层的研究，并引起了世界各国同行的关注。 由于水泥砼路面的各种危害在我国从南到北都比较普遍，所以在我 国自8 0 年代中期以来，在进行水泥砼路面的设计和施工技术研究的同时， 对水泥砼路面的养护维修技术也进行了一些深入的研究。首先是江苏省 交通厅和广东省揭阳市采用j k 2 4 型快凝修补剂、奈系减水剂外加一部 分无机增强材料所组成的j m 1 型修补材料，还有由硅粉和高效减水剂等 组成的复合早强剂，由磺酸盐和甲醛缩合物等组成的s n i i 高效减水剂也 在试验路的修补过程中取得了不同的效果。河南新乡和长安大学合作利 用f d n 减水剂，n f a 10 减水剂，硫酸钠，元明粉三乙醇胺作为外掺剂 做成一种高效早强水泥砼路面修补材料，并在河南省新乡市做了路面试 验，效果很明显。北京首都机场与科研部门合作研制了k m 复合胶结材 料，成功的对机场进行了快速修补。浙江省嘉兴市还利用钢纤维水泥砼 等来修补水泥砼路面。在浙江的杭甬的高速公路上，用粉煤灰高性能水 泥砼来修复具有病害的一些水泥砼路面。黑龙江省、山西省、辽宁省等 交通部门的科技人员也在水泥砼路面的维修上，也都做了大量的研究并 取得了一定的成果。一些市政部门也在水泥砼路面的修补方面进行了大 量的研究，例如福建省福清市的市政部门采用半水石膏、减水剂、高效 减水剂和早强剂同水泥砂子混合一起研制出高强水泥砂浆，对水泥砼路 面进行修补并取得了可喜的成果凹1 。另外，还有很多个人也在这个研究 领域做出了不错的贡献，取得了很好的社会效益和环境保护效果凹1 。许 书萍在文献中也指出，早强钢纤维水泥砼的快速修补技术中砼的初凝强 度和早期强度明显较高，已达到了快速修补、极早开放交通的目的，且 具有较好的实用价值。它可适用于要求施工期较紧，交通封闭周期较短 的道路大中修工程以及建设工程等，用来避免或减少由修补工程所产生 的种种不良影响，具有很好的社会效益0 j 。廖福勇在文献中指出，采用 水泥砼路面的快速修补技术来配置砂浆和所采用的技术措施，操作很简 单，取材也方便，且技术可行，更重要的一点是造价低廉，经济效益可 观，值得推广和应用1 。鲁统卫等人指出k n c 系列水泥砼快速修补剂配 制水泥砼具有早强、高强、高抗折强度、高体积稳定性及耐久性等一些 特点。在水泥砼中分别掺入6 10 k n c 1 、13 15 k n c 2 、2 0 k n c 3 所配制出的k n c 水泥砼可用于快速修补水泥砼路面，分别在6 h 、l2 h 和 2 4 h 后开放交通n 引。尹键等人以超细粉煤灰为基材研究，研制并开发了 4 粉煤狄复合超细粉的快速修补专用掺合( c u f a i i ) 系列产品，并等量取 代水泥3o ，配制高性能的快速修补水泥砼( h p r r c ) 在l2 4 8 h 内可 达到丌放交通的要求，基本解决了破损水泥砼路面整板翻修后需快速开 放交通问题，并且大大降低了工程成本3 1 。水泥砼路面的病害有结构性 的和功能性两种。结构性的病害会造成路面承载能力部分或全部丧失。 功能性的病害则可造成路面的安全度和舒适度不好。这些病害可以归结 为材料问题，排水问题，施工问题和设计问题等等。其主要表现有接缝 处损坏、错台、挤碎和拱起、脱空、板块活动和唧泥、填缝料的失效、 损坏等。但由于这些研究一般只侧重于水泥砼路面破损的修补材料和修 补方法，对路面病害产生的原因则只进行了一些简单的归纳，很少涉及 对病害产生的原因进行的系统性定量分析，且综合性的处治方法研究还 基本没有开展。 水泥砼路面改造方法通常采取的有局部挖除补强法、直接加铺罩而 法、板式破碎法、碎石化法、冲击压实法、整体挖除换填法等，经过研 究，旧水泥混凝上路面改造常用方法的优缺点比较，详见表1 1 。 表1 1 旧水泥砼路面改造常用方法优缺点比较 方法名称适应条件优点缺点 机动、灵活、适用 局部挖除补强法局部断板仅小范围、成本高 性强 直接加铺罩面法 ( 加土工布、格栅断板率 15 局部交通管制 好 震动大、高填方路段和结 冲击压实法基础较差路段解决基础不实 构物附近慎用 改造彻底、无裂缝造价高、污染大、影响交 整体挖除换填法断板率 2 0 反射通 国内在旧水泥砼路面的处理方面方法还不够完善，这与我国机械设 备制造工艺相对较为落后有关。国外( 主要指美国) 在处理旧水泥砼板 块这方面积累了丰富经验，并形成了在旧水泥砼路面一般破损状况相对 较严重时的原位利用水泥砼路面以及碎石化工艺。这一工艺能可将水泥 砼路面破碎成较小粒径嵌挤颗粒，从而可为新的沥青水泥砼加铺层来提 供理想的基层4 1 。水泥砼路面的碎石化就是一种原位利用原水泥砼路面 的方法，在原水泥砼路面的使用末期，其他方法不能起到很好的效果时 则可以采用。这里，碎石化方法、震裂压稳以及破裂压稳技术都能很好 的消除反射裂缝。确定碎石化的适用条件是合理使用这种方法的前提， 根据资料显示，进行碎石化应具备以下几个条件：当功能性罩面上出现 大量反射裂缝；大量错台、翻浆和角隅破坏；超过2 5 的板开裂，超过 2 0 的路面已经修补或需要修补，超过10 的路面需要开挖修补；出现严 重冻胀开裂或碱集料反应；在进行碎石化f j 要或其它方案进行必要的技 术经济评价1 。 水泥砼路面修复方法可以概括为：修缮复原( ( r e s t o r a t i o n ) ，加铺层 ( r e s u r f a c i n g ) 和重建( ( r e c o n s t r u c t i o n ) 。英文简称为“c p r 3 ”。修缮复原方 法适用于轻度的功能性病害或局部性轻度结构性病害6 j 。例如路面状况 指数( ( p c i ) 在7 5 10 0 之间时可被采用。加铺层的方法适用于某些中度的 和较严重的病害，例如当路面状况指数( p c i ) 在35 8 0 之间时可被采用。 重建的方法可适用于有严重病害，但用前两种方法都不能有效修复的路 面，例如当路面状况指数( ( p c i ) 在0 4 0 之间时可被采用。这里，还可以 根据路面破损的不同程度以及路基、土基状况来采用不同的路面修复方 法7 1 。这些方法一般包括：局部修补、功能性沥青罩面( 较薄、用于改 善行驶性能的加铺层) 、结合式双层板、分离式双层板等引。在水泥砼路 面的整个使用周期内，其路面状况与修复方法有如图1 1 关系。 捷崩牛限 图1 1 使用年限与修复方法的关系1 从结构上考虑，可以说水泥砼路面的破碎工艺是一种重建的工艺手 段，它应该在其它方法不能起到很好的效果时才可以被采用。严格破碎 工艺选用标准的主要原因就是这种措施是排它性的，而且破碎后水泥砼 路面不可能再作为面层。但水泥砼路面破碎( 包括碎石化) 是重建的重 要手段。 1 3 碎石化技术研究意义和依托 随着我国经济的迅猛发展，公路交通量不断增大，重型运输车辆的 比重也越来越大，这对公路路面结构强度和使用性能提出了更高的要求， 而水泥路混泥土路面强度高，稳定性好，使用寿命长，承载能力更强， 6 而且具有抗车辙能力，水稳定性，温度稳定性要强于沥清混泥土路面的 优点，在高速公路、国道及城市公路中得到了更为广泛的应用。 近几年来随着交通量的不断增加，特别是重载车辆的大幅增多，水 泥路面出现了诸如：错台、断板、唧泥等一些病害，严重的影响了路面 的行车性能和结构性能等。同时九十年代修建的那些水泥路面，本身己 达到了使用寿命的边缘，出现了很严重的病害，小修小补已经无法满足 道路通行能力的需要，大修则迫在眉睫。传统意义上的修复方法主要是 针对旧水泥砼路面实施压浆、灌缝等措施后加铺沥青混泥土层或者是设 置反射裂缝的吸收层，如设置防裂层和加铺基层等。但由于这两种方法 的思路是延缓而并不是有效减少水泥砼板接缝、裂缝处在荷载和温度、 湿度变化下的位移。因而这两种方法虽然简单，但是使用寿命较短，往 往在修复后一、两年之内，罩面层就会出现反射裂缝，加速了沥青罩面 层的破坏。而水泥砼路面的重建相比于修复则更加困难。传统的做法就 是将旧的水泥砼路面风炮锤击碎，然后用装载机或挖掘机将碎块装进自 卸车运走，再重新铺设新的路面。这种做法不但工作效率低、耗时、耗 能，还可能造成了环境污染。因此，如何防治及消除反射裂缝就成了水 泥路面修复的关键。 碎石化技术的开发与应用不仅解决了制约水泥砼路面发展的主要问 题，有利于水泥砼路面的建造和使用，而我国是世界上水泥资源丰富( 水 泥产量占世界的30 ) ，石油资源相对贫乏的国家，水泥砼路面的建造和 使用更加有利于我国资源的优化配置；该项技术使得工程造价更低，经 过碎石化技术改造的旧水泥砼则不需清除，可以直接用于新路的基层， 不但节约了基层的材料，还节约了资金资源和减少了浪费，符合建设节 约型社会和可持续发展的战略决策；经过碎石化技术改造后的水泥砼不 需清除，避免了产生大量建筑垃圾和破坏沿途植被，且有利于保护沿途 的生态平衡；该项技术不仅施工周期短，而且可以在半幅施工半幅通行， 将对人们通行的影响减少到了最小。 1 4 多锤头破碎机国内外研究及应用现状 第一台多锤头破碎机诞生在美国，该机主要由动力系统，转向系统， 液压控制系统，破碎系统，机架等机构组成。后半部为破碎系统( 即多 锤头破碎机工作装置) ，由两排重量在4 5 4 到5 4 4 8 千克之间的重锤组成。 每对锤头由一个液压油缸来进行提升，这里，提升的高度和速度可以独 立调节，最大提升高度可达1 5 2 m 。重锤下落时可产生1 38 k j 到1 1 1k j 的冲击能量。另外，这个工作装置的主要工作原理就是通过液压泵向工 7 作油缸提供高压油，工作油缸将锤头举高到相应高度，而后依靠锤头的 自重下落。通过数字控制装置用来控制油缸的运动频率和主要行程，带 动锤头向水泥砼板块砸，从而使它破碎。到现今为止已有2 0 多年历史， 该项技术已经发展得很成熟了。第一个热拌沥青( h m a ) 罩面水泥砼路 面破碎项目是在19 8 6 年的美国纽约完成的。截止至2 0 01 年，美国已有 35 个州使用了此项技术，项目数量可多达30 0 多个，使用里程也达到9 0 0 多公里，总计约l2 8 0 万平方米，并且美国沥青协会及部分州均将该技术 列入规范。 密歇根州可以说是采用碎石化技术的先行者。自19 8 6 年以来密歇根 州就已经完成了近6 0 项工程，并且这里各项工程的设计使用年限均达到 2 0 年。但是，容易出现的多种早期破坏，使得必须进行大修前的平均使 用年限减少到14 年。密歇根大学的研究者通过研究影响使用性能持久性 的一些相关因素，使他们发现：直径大于6 英寸的水泥砼碎块就必须进 行进一步破碎以使其变成更小的颗粒，破碎后的表面要求相对较为平整， 而且暴露的钢筋必须切除。碎石化前应清除原来存在的沥青修补处，以 防止对路面进行二次破碎。破碎后路表应该严禁通车心0 l 。2 0 0 2 年1 1 月 美国密苏里州的路面养护手册( m i s s o u r ig u i d ef o rp a v e m e n t r e h a b i l i t a t i o n ) 中记录了美国各州的相应碎石化实践结论：碎石化可以 说是一种将水泥砼路面( p o r t l a n dc e m e n t c o n c r e t e ) 离散化的施工工艺， 其中加铺层可以是沥青混凝土还可以是水泥砼。这种施工工艺可将水泥 砼板块破碎成3 12 英寸( 约7 5 30 c m ) 的不同颗粒，但是不会扰动这些颗 粒之间的嵌挤结构，这样所形成的碎石化层的刚度大约可达普通碎石基 层的三倍。这里应该注意的是必须避免有破损颗粒压入土基。进行碎石 化的根本目的就在于消除反射裂缝产生可能性心1 1 。在美国，大多数研究 认为碎石化比破碎压稳方法更为行之有效。破碎压稳方法的主要缺点在 于很难对破碎板块是否存在被压稳做出检验，因而不能保证不会产生反 射裂缝。关于破碎压稳方法处理的道路的一项全国性研究表明，这种方 法仅仅使反射裂缝的发生延缓了3 5 年。美国的国家规范即允许使用多头 破碎机，也可允许使用共振破碎机，这要根据具体情况选用。另外，至 少还有十几个其它州也使用了多锤头破碎机进行碎石化方法的实践。在 多数情况下，完成后效果都很好，只有极少数路段失败，原因可能是加 铺面层厚度太薄或土基强度太低心列心3 | 。 山东路德公司开发的多锤头破碎机，中间有两排各3 对6 5 0 k g 的锤 头，两侧各一对8 50 k g 的翼锤。每对锤头由一个液压油缸进行提升，提 升高度和速度可以独立调节，最大提升高度为1 3 m 。在不加和加上侧翼 的两种情况下，它可以实现破碎8 英尺( 约2 4 0 c m ) 到13 英尺( 约4 0 0 c m ) 两种宽度的路面。最小破碎宽度8 0 c m 。该机在我国得到了广泛的应用， 并创造出了较高的经济效益和社会效益，赢得了社会的好评。其典型的应 用实例有： l 、2 0 0 5 年浙江境内32 0 国道改造工程成功应用； 2 、2 0 0 5 - 2 0 0 6 四川s 30 3 省道、成渝高速、国道l0 8 ； 3 、2 0 0 6 浙江衢州32 0 国道、常山3 2 0 国道、龙游4 6 省道。 4 、2 0 5 国道临沂段和京沪高速公路泰安段旧水泥砼路面碎石化改造 5 、安徽合淮路、合宁路碎石化改造 6 、10 4 国道泰安段，即泰安至曲阜一级公路改造心4 1 。 1 5 本文研究的主要内容 本文对多锤头水泥路面破碎机冲击水泥砼进行建模分析，通过对模 拟结果进行分析，得到水泥砼在重锤击下冲击能量对水泥砼的当量回弹 模量的影响。本文的研究为多锤头水泥砼破碎设备的研制提供理论依据； 另外，本文的研究也将为进一步研究水泥砼重锤冲击下的破碎机理提供 理论基础。 ( 1 )碎石化机理及碎石层强度分析 ( 2 )水泥砼路面破碎过程的有限元分析 ( 3 )利用a u t oc a d 多锤头破碎机整机实现 ( 4 )工作装置设计及p r o e 运动仿真 9 第二章碎石化机理及强度分析 2 1 碎石化机理分析 m h b 碎石化的过程是一个重锤自由落体将势能转化为动能的能量 转换的过程，与路面结构接触后将动能的绝大部分转化为路面结构各质 点的动能和势能。从这个意义上讲，m h b 碎石化过程与强夯是极为相似 的。强夯相关研究中波动理论已经得到了成功运用并逐渐成熟。如果将 土基上各路面结构层次视为不同强度的介质层，则运用波动理论来分析 m h b 碎石化机理仍然是合适的。 2 1 1 波动理论的基本原理 在强夯或m h b 碎石化的过程中，重锤下落对介质表面施加一个冲 击力，冲击力引起锤下介质质点振动，一点振动也带动邻近质点振动，各 质点按相邻顺序依次卷入振动就形成波心5 j 。波是振动的传播过程，实质 上也是一种能量的传播方式。 表2 1 冲击波的性质 波的性质、介质质点运动传播特点 压缩波：介质质点振动方向和波的前进沿一个半球阵面径向地向外传播，振动 方向一致，属于一种推拉运动，振动的振幅小，周期短，能在液体与固体中传 破坏力较小。播，传播速度快。 剪切波：介质质点振动方向和波的前进 沿一个半球阵面径向地向外传播，振动 方向垂直，属于一种剪切运动，振动的振幅较大，周期长，只能在固体中传播， 破坏可力人。波速仅为压缩波的1 2 1 3 瑞利波：介质质点在波的传播方向与自沿一个圆柱波阵面径向地向外传播，振 由面的法线组成的平面内作逆时针椭圆幄大，周期k ，波速小于压缩波，与剪 运动。切波相近，只能在同体中传播。 乐大波：介质质点在与波的传播方向垂 沿一个圆柱波阵面径向地向外传播，振 直的自由面内作平面运动。幅大，周期长，波速小于压缩波，与剪 切波相近，能在吲体与液体中传播。 著名物理学家m i l l e r 在19 5 4 年就指出夯击所产生的冲击波，按其在 介质中的传播和对介质的作用特征可分为界面波和体积波，其中界面波 包括瑞利波( 或称为r 波) 和乐夫波，体积波包括纵波( 或称为压缩波、 p 波) 和横波( 或称为剪切波、s 波) ( 各波的性质见表2 1 ) 。对于位 于均质各向同性弹性半空间表面上竖向振动的、均布的圆形振源，其纵 波、横波、界面波所占的相对能量为：p 波占7 ，s 波占2 6 ，界面 波占6 7 2 引。 物理学上将与波动方向垂直的截面上， 的能量称为能流密度i ，它反映了波的强度。 能流密度i 的公式如下： i = 三倒2 矿 单位时间穿过单位面积上波 对于沿一根棒传播的波，其 ( 2 21 ) 式中：p 为介质密度， a 为振幅，彩为圆频率，y 为波速。 由于p 是介质的物理性质，国和v 是介质的动力学特性，对于一定介 质在一定的条件下，三者都是常数，因此波的强度是与a 的平方成正比的。 或者从定性方面来讲，波的强度变化是与振幅的变化密切相关的。这种 定性表述在其它情况下一般也是正确的。 如果介质是完全弹性的，则介质质点是作简谐振动，由于没有能量 消耗，冲击波可以无限的传播下去。事实上，冲击波在传播的过程中是 存在阻尼。一方面由于介质质点之间存在摩擦阻力或粘滞阻力而消耗能 量所致，称之为物质阻尼；另一方面随着传播距离的增大，冲击波的波 阵面就会越来越大，分布到单位面积上的能量就有所减小，称为几何阻 尼。由于存在阻尼，冲击波的强度随传播距离的增大而减小，在传播一 定距离之后，波的强度变得很小，无力继续往前传播，波动视为到此终 止。 波在前进的过程中遇到结构面之后将发生反射和折射，不论入射波 为p 波或s 波，反射波和折射波均为p 波，且入射角a 和b 、反射 角a 和a l ( = a ) 以及折射角e 相互之间存在以下关系： 竺：坐：型 ( 2 2 2 ) 一= 一= 一 厶一j 嵋， 式中：v1 、v 2 分别为在第一介质和第二介质中p 波波速，l 。为在第 一介质中s 波波速。 2 1 2 冲击波的性质 底面半径为r o ，质量为m 的夯锤从h 高处自由下落，与地表产生 碰撞，并在地基半空间中做自由振动，夯锤与半空间地基所组成的体系 具有无限个自由度，但g u tz wi 1le r 用数学方法证明了这个问题完全可 以近似利用单自由度振动系统来加以描述，并解出振动的阻尼比y 、最 大振幅a 、无阻尼和有阻尼时的固有频率f n 和f d ： 1 2 刚s s 胨 彳：竺丛1 二娑 2 g r o ( 1 一，2 ) = 芝1 万、_ ， 4 。g 。一r o i f b = f 。瓦j ( 2 23 ) 式中：g 、p 、v 分别为介质的剪切模量、密度和泊松比心7 j 。 m h b 碎石化所引起的振动也存在阻尼，因此“为振动的主频率。通 常阻尼比很小，因此式( 2 23 ) 可简化为： 厂a ：r a s h ( 1 - v ) ( 2 2 4 ) ”二 l，一1f4 吼一， 一2 xvm o v ) 一“ 从式( 2 2 4 ) 可以看出，冲击波的振幅和频率与破碎机械相关的参数 为落锤高度h 、重锤底面半径r o ( 或当量圆半径) 和重锤质量m 。其中 振幅的平方与重锤底面半径成反比，与重锤质量和落锤高度成正比；而 频率的平方与重锤底面半径成正比，与重锤质量成反比，与落锤高度无 关。结合式( 2 21 ) 可知，冲击波的初始能流密度仅与落锤高度成正比。 由于在均匀介质中传播过程中，冲击波的频率是恒定的，而振幅将随着 传播距离的增大而减小，因此在其它条件相同的情况下，具有较大初始 振幅的冲击波可以传播到较远的地方。 另一方面，与冲击波的振幅和频率相关的路面状况参数为介质剪切 模量g 和泊松比v 。一般情况下介质的泊松比 v 的大小主要受土基 影响，而且变化不大。当原路面状况良好，介质剪切模量较大时，为了 充分破碎水泥砼板块，应采用较大的落锤高度；反之则应减小落锤高度， 以避免破坏基层。在特殊情况下，当原路面下存在软弱土基时，冲击波 将具有的振幅较大，这将使得作用于基层的能流密度较大，可能破坏基 层。因此，当原路面下存在软弱土基时，碎石化技术应谨慎选用。 介质中的波速是介质的动力学特性，以v ”v ”v r 分别表示纵波、 横波和瑞利波的传播速度，则vp 、v ”v r 与介质的弹性参数存在如下 关系： ( 2 25 ) 式中：e 为介质的弹性模量。 在均匀介质中，各波的波速与振动频率无关，即无频散性。按表2 - 2 选取材料参数，由式( 2 - 25 ) 计算可以得到三种波在各种材料内的传播 速度，结果列于表2 3 。 表2 2 材料参数 水泥水泥水泥 材料类型 土基 水泥砼稳定碎石石灰沙砾土 密度( k n m3 ) 252 32 017 弹性模量 l5 0 01o o o5 0 ( m p a ) 剪切模量 2 8 ( g p a ) 泊松比 o 150 2 00 2 50 35 表2 3 三种波在路面结构内的传播速度 水泥水泥水泥 材料类型土基 水泥砼稳定碎石石灰沙砾土 压缩波 16 4 926 92 4 56 9 剪切波 10 5 8l6 5l413 3 瑞利波 95515 0l3 031 从表2 - 3 可以看出，三种波在路面结构中的传播速度不同，首先到 达的是p 波，其次是s 波和r 波他引。 2 1 3 夯能在路面结构中的传播 m h b 重锤下落所产生的夯能在路面结构中的传播主要是由p 波、s 波和r 波联合形成的。在强夯理论中，由于重锤底面的平面尺寸远小于 土基深度，因此可以将重锤的底面看作一个点振源，此时夯锤所产生的 冲击波可认为是以圆柱波或半球阵面向外传播。对于采用多锤头碎石化 技术，由于研究对象为水泥砼板，而本文研究的m h b 标准重锤底面形 状为2 0 3 2c m x 2 5 4c m 的矩形，平面尺寸与板厚相近，因此考虑其形状 效应重锤所产生的体积波以椭球波阵面径向地向外传播，界面波以椭圆 柱波阵面径向地向外传播心。1 。 1 4 慝挚 = i l = 咯 厂li 0 ，为不稳定的结构；如果w 0 ，则为稳定的超静定结构；如果w = 0 ，则为稳定的静定结构。因此 自然咬合拱结构为稳定静定结构。自然咬合拱结构的稳定性由结构中的 一个( 或多个) “关键咬合面”( 图2 8 中带圈者，“关键咬合面”又连接 着“关键块体”) 决定，一旦出现“关键咬合面”脱咬，结构就会失去平 衡状态，在外力以及自重的作用下，邻近的水泥砼碎块会迅速移动过来， 同原来位置的水泥砼块契合，重新形成咬合面而再次形成静定结构，这 也是结构自稳能力的来源。 由于多锤头破碎机破碎的随机性，碎石化的下层形成的咬合结构也 可能是多种多样的。在水平方向上有可能形成如图2 9 所示的水平向的咬 合梁结构，图中的黑色实心点为咬合点。 图2 9 咬合梁结构模型 假设咬合梁结构中咬合水泥砼块数为r l ，则结构水泥砼块间内部咬合 点为n 一1 个，支承链的杆数为r l 一1 + 3 个。于是结构的自由度w 为： 1 9 n 9 t 限 nj l ，- o w ， 上式说明咬合梁为稳定的静定结构。即使出现由于路面层传来的力 超过咬合点的承载力，咬合点脱落，结构不再静定的情况，由于水泥砼 块可以移动，所以邻近的水泥砼块会在力的作用下迅速的补充过来，重 新咬合在一起形成新的咬合点而重新形成一个静定的咬合梁结构。在碎 石化后的碾压过程中，这些咬合式梁结构本身就处在不断的平衡一不平 衡( 咬脱) 一再平衡周而复始的发展过程中，直到可以移动的水泥砼块 越来越少，结构趋于稳定。 在竖直方向上，上面先断裂的水泥砼块，如果咬合点处形成的应力 小于水泥砼块的抗压强度，且先断裂的水泥砼块厚度又能保证梁的中点 断裂处咬合点位置在梁的两端裂处咬合点连线之上，则可以形成三个咬 合点的三咬拱式平衡，称之为三咬拱结构( 图2 10 ) 。 图2 10 三咬拱结构模型 该结构中咬合水泥砼块数n = 2 ，结构水泥砼块间内部咬合点为n l = 1 个，支承链杆数为n l + 3 = 4 个。于是结构的自由度w 为： w3n - 2 n l 一 n i 3 ”6 2 4 锵o 故这种三咬拱也是静定结构。 根据以上分析，如果下层水泥砼块厚度能够保证水泥砼块内部咬合 点位置在两边的咬合点连线之下，并且内部咬合点处形成的应力小于水 泥砼块的抗压强度，则碎石化下层水泥砼块还可能形成三个咬合点的反 三咬拱结构( 图2 1 1 )。同理，反三咬拱也是静定结构。 图2 11 反三咬拱结构模型 综上所述，由于水泥砼扳破碎前的整体性而破碎后碎石化的下层 又处在裂而不碎的状态，因而该层相邻水泥砼块问在形状上具有非常好 的契台度，容易形成“联锁咬合块体”的结构，比如三咬拱结构、反三 咬拱结构、水平咬合梁结构等，此类结构一般为静定结构并且具有一定 的自稳能力，能够提供比普通的嵌锁作用更强的咬合嵌挤作用”1 。 223 碎石化层的自适应调整 利用多锤头破碎机的碎石化将原来相对完整的旧水泥砼板块破碎成 尺寸较小的水泥砼颗粒。这个过程会在板块中产生无数新的微裂纹，这 些裂纹中有一小部分是连通的它们将整个板块分割成较小的块体，达 到减小板长的目的。但其中大部分并不贯穿块体的，它们存在于水泥砼 颗粒内部。这些裂纹的存在增大了旧水泥砼块体的空隙率，使其具有体 积增大的趋势。在碎石化刚处治完毕时，由于存在周围块体的约束以 及基层阻力的限制，这些裂纹就得不到充分的扩张。在后续碾压及行车 载荷的作用下随着时间的推移，水泥砼颗粒将经历一个自适应调整的过 程，在这个过程中，水泥砼颗粒将逐渐移动到一个相对平衡稳定的位置。 按照标准方法施工的水泥砼板破碎层需要经过多次碾压。碾压的 过程中，这种水泥砼颗粒的自适应调整将逐步发展。图3 5 显示，破碎 层的表面弯沉将随着碾压遍数的增多先是增加，达到一定值后就会逐渐 趋于稳定了。因为在碾压过程中，碎石足通过移动位置来达到碎石间的 重新排列组台。伴随着碾压的次数增多，碎石问的空隙就会越来越小， 碎石可移动的的空问也就会越来越小，碎石层会逐渐趋于一个稳定平衡 的状态。碾压的时候，碎石块既会有竖直方向的移动。又会有水平方向 的移动，经过重新排列达到一个更加密实的状态。同时，破碎层同原基 层之间的联系也随着碾压的进行进一