（机械设计及理论专业论文）铣削转子类道路机械虚拟样机设计方法研究.pdf

摘要 铣削转子类道路维修机械主要有：冷再生机、稳定土拌和机和铣刨机。本论文主要 研究道路冷再生机的动力学系统及虚拟样机设计方法。冷再生机主要用于路面的再生工 作，冷再生机可以在常温下连续地完成路面材料的铣刨、破碎、拌和及摊铺过程。因此， 冷再生机的研究对公路养护来说具有重要意义。通过简化的沥青路面切削受力及其破坏 模型，并参考金属材料切削的基本原理，建立冷再生机工作装置的运动学和动力学模型， 然后进行仿真研究。仿真研究中主要讨论冷再生机的行驶速度、铣削深度、转子转速和 材料特性对工作阻力的影响，根据工作阻力和功率之间的关系，探讨其工作性能。在建 立冷再生机的实体模型及仿真过程中，首先用u g 软件中的c a d 模块建立冷再生机的整 机模型，然后导入仿真软件a d a m s 中，对其各个部件进行合理约束，从而建立冷再生机 的虚拟样机。经过大量仿真实验得到多把刀具在仿真过程中，不同行驶速度、铣削深度、 转子转速对水平工作阻力的影响，用a d a m s 中的后处理程序绘制出曲线图，从而直观的 描述出三大要素与水平工作阻力的关系。本文通过虚拟样机技术，对冷再生机模型进行 仿真分析，从而对冷再生机的深入研究提供了基础。 关键词：道路冷再生机，工作装置，虚拟样机，u g ，a d a m s ，计算机仿真 a b s t r a c t r o t o r - t y p em i l l i n gm a c h i n e sf o rr o a dm a i n t e n a n c ei n c l u d e ：c o l dr e c y c l i n gm a c h i n e ，s o i l s t a b i l i z e ra n dc o l dm i l l i n gm a c h i n e t h i sp a p e rs t u d i e st h ek i n e t i c so fc o l dr e c y c l i n gm a c h i n e s y s t e ma n dv i r t u a lp r o t o t y p ed e s i g n i tc a na c c o m p l i s ht h em i l l i n g ，b r e a k i n gu p ，m i x i n ga n d s p r e a d i n gp r o c e s sc o n t i n u o u s l yi ne n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e t h u s ，t h es t u d yo fc o l dr e c y c l i n g m a c h i n ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oc o n s e r v a t i o n t h ep a p e rb a s e do nt h es t r e s sc o n d i t i o no f a s p h a l tp a v e m e n tw h e ni ti sm i l l i n g ，s i m p l i f yt h ed e s t r o ym o d e lo fa s p h a l tc o n c r e t ea n d d i s c u s st h em i l l i n gm e c h a n i s m ，t h e nb u i l dk i n e t i cm o d e lo ft h er o t o rw o r k i n gd e v i c ea n d s t u d yt h eb a s i cd e s i g np a r a m e t e rb a s eo na n a l y z ec o l dr e c y c l i n gm a c h i n e 7 sw o r k i n gd e v i c e t h ee f f e c tr u l eo ff e e d i n gs p e e d ，c u t t i n gs 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 gr e s i s t a n c ea n dp o w e ri sd i s c u s s e da n de d u c et h eh o r i z o n t a lw o r k i n gr e s i s t a n c e o ft h ec o l dr e c y c l i n gm a c h i n e ，t h ew o r k i n gr e s i s t a n c ea n dp o w e re q u a t i o no fc o l dr e c y c l i n g m a c h i n ei sd e d u c e df r o mt h ea s p e c to fp 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 ，f i r s tu s e dt h eu g s o f t w a r ec a dm o d u l eb u i l dc o l dr e c y c l i n gm a c h i n em o d e l ，a n dt h e ni m p o r ta d a m s s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a n de a c hp a r t sh a sb e e nc o n s t r a n tr e a s o n a b l y ，b u i l dc o l dr e c y c l i n g v i r t u a lp r o t o t y p i n gm a c h i n e b yal a r g en u m b e ro fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti tc a nc o n c l u d et h e e f f e c to ft h ec o l dr e c y c l i n gm a c h i n e sf e e d i n gs p e e d ，c u t t i n gs p e e d ，c u t t i n gt h i c k n e s so nt h e h o r i z o n t a lw o r k i n gr e s i s t a n c ei nt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n ，u s i n ga d a m st od e s c r i b ec u r v e s ， w h i c hd e s c r i b e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h r e ee l e m e n t sa n dt h eh o r i z o n t a lw o r k i n gr e s i s t a n c e i nt h i sp a p e r ，t h r o u g hv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ，t h em o d e lo fc o l dr e c y c l i n gm a c h i n e h a sb e e ns i m u l a t i o na n a l y s i s ，w h i c hc a np r o v i d e st h eb a s i sf o ri n - d e p t hs t u d y k e yw o r d s ：p a v e m e n tc o l dr e c y c l i n gm a c h i n e ，w o r k i n gd e v i c e ，v i r t u a lp r o t o t y p e ，u g a d a m s ，d y n a m i cs i m u l a t i o n 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己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 矫杰 三。产多月日 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) d6 圹年 | 2 口7 年 f 月 日 石月日 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 铣削转子类道路维修机械研究现状 1 1 1 铣削转子类道路维修机械的分类及作用 铣削转子类道路维修机械主要有：冷再生机、稳定土拌和机和铣刨机。 稳定土拌和机主要用于路面基层作业，有时也包含面层，其对材料切削的目的主要 是将铺层材料用来与稳定剂拌和在一起，而铣刨机的主要工作对象是道路面层，主要目 的在于将道路面层材料去除，然后将材料运走回收，铣刨机一般都设有回收装置。冷再 生机主要用于结构层的翻修，将需要改建或大修的旧路面，经过翻挖回收、破碎、筛分， 并加入适量的稳定剂( 水泥、乳化沥青、泡沫沥青等) ，在常温情况下重新拌和，形成 具有一定路用性能的再生混合料，用于铺筑路面基层或底基层的整套工艺技术。 1 1 2 道路沥青冷再生机技术简介 当前，在公路建设中，为了加快施工进度，缩短断交时间，减少环境污染，保持原 路面标高，提高资源利用效率。成为新时期公路建设的新理念，于是新材料、新技术、 新工艺成为公路建设者越来越关注的问题。道路就地冷再生技术是一种新途径，它经济 科学地对旧路进行改造。 冷再生法分为两种。 1 现场冷再生法 现场冷再生法是用大功率路面冷再生机将路面混合料在原有路面上就地铣刨、翻 挖、破碎，再加入稳定剂、( 或加入乳化沥青) 和骨料同时就地拌和，最后碾压成型。 这种方法主要应用于冷法施工中，新添加的结合料是乳化沥青，这种方法对设施要求较 低，主要是用于等级低的道路或铺筑基层使用，国外多用于乡村道路的翻修。 2 厂拌冷再生法 厂拌冷再生或称集中厂拌冷再生，实质上是对废旧沥青混合料的集中处理与加工。 由于对沥青路面的冷铣刨作业仍然是当前路面维修的重要方式，大量的废旧沥青混合 料需要再生利用。因此，采用集中厂拌冷再生技术是一个自然的由路面维修方式所决定 的选择。旧沥青混合料可用于多种养护作业，实践证明，将其进行厂拌冷再生处理是最有 效的方式。冷再生混合料可直接运到现场摊铺或堆放储存以备使用。现代冷再生设备所 生产的冷再生混合料是高质量的路面材料，比用新混合料可节省2 5 - - - - 5 0 的费用。 1 第一章绪论 就地冷再生机是沥青路面冷再生施工中的主要设备，冷再生机的核心是装有大量 专用刀头的铣刨和拌和转子。冷再生机向前行进时，转子向上旋转铣刨原路面材料， 同时自再生机前方的水罐车中的水及再生添加剂( 以水泥及乳化沥青为主) ，通过软管 输送给再生机，并由机载喷洒系统喷入拌舍罩内，喷洒量由再生机的微机控制系统进 行精确地计量，必要时可在铣削前由石屑撒布机在未破碎的旧路上均匀撒布一层新集 料，由洒水车喷洒一定量的添加剂。在拌台罩壳内，各种材料进行充分、均匀的拌合 后，由摊铺器摊铺，最后由压实机械碾压成型后，成为具有所需承载力的新路面面层 或路面基层。 道路冷再生工艺过程如图11 ： 耢料撤布车水罐车乳化沥青罐车玲再生机压路机 箜馥壁夔! 塑鲎鳖邀：盟甄曼! 蠢羲溉。曩冬磷 图l1 就地冷再生工艺过程 就地冷再生技术的主要施工机械为集破碎与拌和为一体的路面冷再生机，其工作过 程如图1 2 所示“”。 再生剂精确雨加 新路面冷再生机工作装置压订1 日黼 围12 就地冷再生机工作b f f ： r 作过程 维特根w r 2 5 0 0 s 路面冷再生机简介。其发动机配备的是梅塞德斯啼驰5 0 0 k w 低排 放柴油发动机动力强劲，采用四轮独立驱动转向系统和超低压大轮胎确保其在各种复杂 的工况下作业，铣刨转子采用机械驱动，基本传动路线为：发动机一 变速离台器一 一 传动皮带 手动换档变速箱 行星减速机( 置于转子内) ，采用可变空间 式拌合转子，铣刨鼓上装备了快速更换刀具座系统，可以快速的更换新铣刀，减少停工 时间，配有乳化沥青( 泡沫沥青) 和水复合式喷洒系统。如图13 t 6 1 长安大学硕士学位论文 圈13 维特撮慨2 5 0 惦冷再生机 11 3 旋转刀具切削沥青混凝土路面简介 轮转类机械的运动学和动力学特性相类似，相对冷再生机来说，稳定土拌和机和铣 刨机国内外已有成熟的理论和试验研究成果。为了深入探讨冷再生机工作部件的结构形 状、刀具主参数的展优配置、刀具排列布置和工作参数等，以及在实际工作中各个部件 的相互作用原理，来达到在实际工作中更快，更好和节省能源的目的，本文引入国内外 稳定土拌和机和铣刨机的工作装置的研究资料，对冷再生机工作装置进行深入讨论。 国内外研究机构对铣刨机工作过程进行了大量试验和研究得出冷式铣刨机工作速 度、铣刨鼓转速与铣刨机深度的相关特性曲线，路面材料和环境的变化也会影响冷再生 机的工作，同时许多研究人员对路面铣削机械的基本性能也进行了诸多探讨： 1 在以往的研究中，主要针对铣刨机的工作过程进行了理论分析和试验研究。转 子上的刀具铣削沥青路面的主切削力主要参照金属切削原理，并分析、研究、计算铣刨 机工作过程中的阻力及其影响因素，晟后讨论和计算行驶速度、铣削深度和转子转速与 铣刨机工作过程中阻力的关系 2 对稳定土拌和机反向旋转工作部件的工作过程进行理论分析和试验研究，在对 单刀切屑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，把工作过程分为三个阶段：入土平稳切削阶段、冲击贯入阶段和纯粹抛土阶段。根 据工作过程不同阶段的不同机理，建立稳定土拌和机反转工作过程的动力学模型，为预 测转鼓反转型稳定土拌和机的动力学性能提供了理论基础“。 3 对铣削拌和两用转鼓铣自忉具的排列方式提出了7 项原则，满足动力性最好、拌 和最均匀、破碎物料最细密的综合要求。对铣刀的安装方式进行探讨，对其工作及受力 状态进行了分析，提出弹头状铣刀合理的安装前角为5 0 。左右，后角n 8 。左右，刀具 3 第一章绪论 轴线安装角为2 8 。3 0 。n 2 1 劓。 4 通过对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，建立了刀具铣削受力计算的数学模型，得知：在稳定铣削中，其他参数不变的 条件下，水平进给速度( 或垂直进给速度) 与刀具受力之间为单调递增函数关系；转鼓 转速与刀具受力之间为单调递减函数关系；刀具安装角( 或刀尖角) 与刀具受力之间为 单调增函数关系；在满足刀具抗截强度的条件下，刀具的水平进给速度( 或垂直进给速 度) 与铣刨鼓转速之间存在着最优匹配关系。对于不同的最大切削厚度，匹配关系是不 同的，并与刀具的安装和尺寸有密切的关系n 制。 5 铣刨机工作过程中的进给速度、铣削深度和转子转速和工作阻力的规律，可以 得出，工作阻力随进给速度和铣削深度的增加而增大，随转子转速的增加而减小。 6 根据单个刀具受力模型和计算公式，确定了铣刨轮载荷波动的计算方法，对铣 刨轮性能进行评价，优化刀具排列参数，提出了降低载荷波动的方法，提高了铣刨机的 工作平稳性和可靠性“功。 上述轮转类机械的研究成果，为本论文提供了理论成果和研究资料，因为上述研究 都是建立在旋转刀具铣削路面的基础上，各个理论及成果与冷再生机的工作过程非常相 似。 1 2 虚拟样机技术的现状及发展前景 随着现代社会的发展，市场竞争越来越激烈，产品的更新换代周期越来越短。为了 提高市场竞争力，各企业必须不断缩短新产品的研发周期，提高产品质量、性能，降低 开发成本。在这种需求下，以虚拟现实技术为代表的计算机技术不断发展，使虚拟设计 逐步成为工程领域一种新的现代化设计手段。运用虚拟设计的方法，可以在产品设计初 期，设计、分析和评估产品的性能，确定和优化物理样机参数，从而降低新产品的开发 风险，提高产品性，能缩短开发周期。 在各种成熟的三维c a d 、c a e 商业计算机软件的推动下，虚拟样机技术( v i r t u a l p r o t o t y p e ) 不断发展，使机械产品的虚拟设计逐步走向成熟。但对于虚拟样机技术这 种新观念、新技术，目前尚无统一的定义与体系结构，因此许多国内企业面对市场上众 多的c a d 、c a e 商业软件，却不能充分应用虚拟样机技术。本文从虚拟样机技术的概念 出发，基于并行设计思想，构建虚拟样机研究平台。 4 长安大学硕七学位论文 虚拟样机技术是一种全新的技术，开创了一种全新的研发模式，为机械企业的迅速 发展提供了以下几种便利条件： 1 可以促进产品的更新换代，提高生产效率。 2 可以实现不同企业之间产品技术的快速交流 3 一个产品必须由多个研发小组协同工作，对技术人员的素质提出更高要求。 虚拟样机技术将成为2 1 世纪各种机械研发的主流，为了适应新时期的研发环境， 提高企业的竞争力，必须加强虚拟样机技术的研究。 1 3 论文研究的目的和内容 论文研究的目的：通过冷再生机动力学过程分析，应用现代计算机虚拟仿真技术建 立冷再生机的力学模型，对冷再生机的力学模型进行初步仿真和优化设计，以得到各个 零件装配后机械的模拟运动，从而将整机设计中可能存在的问题消除在萌芽状态，减少 试制样机的费用，并大大缩短机械产品的设计更新周期，为冷再生机的设计研究提供理 论与技术基础。 本文主要研究内容有以下方面： 1 对冷再生机工作装置进行全面的分析，并建立冷再生机的模型，重点是工作装置 模型。 2 利用物理数学模型及金属铣刀的切削原理，分析冷再生机铣刀铣削路面的过 程并建立其运动模型；分析铣削过程中各种因素与铣削阻力的关系。 3 通过u g 设计软件绘制出各个零件，并进行组装，形成三维实体模型，然后把模 型导入a d a m s 软件，对冷再生机模型进行仿真分析，并得出冷再生机的最佳性能和参数， 从而对冷再生机的深入研究提供基础。 5 第二章沥青路面的破坏机理及转子的运动分析 第二章沥青路面的破坏机理及转子的运动分析 沥青混合料是经选配具有一定级配组成的矿料( 碎石或轧碎砾石、石屑或砂、 矿粉等) 和一定比例的路用沥青材料，在严格控制条件下拌制而成的混合料。对 热沥青混合料摊铺后经压路机压实而形成沥青路面。 沥青混合料的强度主要表现在两个方面。一是沥青与矿粉形成的胶结料的粘 结力；另一是集料颗粒间的内摩阻力和锁结力。 般认为沥青混合料是粘弹塑性体，在不同的条件下破坏时，呈现不同的 性质。高温时伴随流动；低温破坏时，呈现脆性破坏；重复载荷作用下出现疲劳破坏； 长期载荷作用下，变形随时问的增长而增长。 冷再生机工作装置铣削路面时，路面受力很复杂，无法用统一的方法衡量，本章主 要介绍沥青路面的流变模型，破坏机理，冷再生机的工作原理及其结构等方面的内容 2 1 沥青路面的病害成因和冷再生机的适用性 在行车荷载和自然因素的共同反复作用下沥青混凝土路面会逐渐出现会出现各种 损坏。当前，沥青路面的养护工作并不能消除所有的路面损坏，只能使路面的各种性能 得到缓解，在长期车轮载荷的作用下，沥青路面破坏到一定程度，就必须对路面进行大 修，沥青路面主要有以下几种损坏： 1 变形。变形包括车辙、波浪和推挤等不同类型。车辙是路面在纵向行车轮迹产生变 形的现象，这种损坏的原因是由于混合料的低空隙率，大交通量和高轮胎压力所致。 波浪是指在路表面产生横向波纹的损坏现象。推挤是路表面局部突起的现象，同波 浪一样，这种病害是由于混合料缺乏足够稳定性所致。 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，车辆轮胎作用形成的车辙。 3 路面缺陷。这种类型的损坏包括松散或风化、坑槽、泛油和磨光。松散是由于集料 颗粒和沥青损失引起的；坑槽是由于相当厚度的沥青面层损失形成的碗形路面缺陷； 泛油是由于沥青用量过高，使得过多的沥青从混合料中挤出；磨光是由于集料被磨 光而使得路表面变光滑。 4 裂缝。沥青路面的裂缝主要有三种，分别是荷载型、非荷载型和复合型。荷载型裂 缝是由于重复作用的重车轮荷载引起的：非荷载型裂缝是由于环境因素引起的；复 6 长安大学硕士学位论文 合型裂缝是由荷载和非荷载因素共同引起的。不同种类的裂缝还可以细分出更多的 类型，本文就不一一阐述。 5 基层或路基问题。未稳定或排水不良的基层或路基会导致沥青路面产生严重开裂、 沉降或车辙等。 不同的再生方式可以适应不同的路面破坏，沥青路面冷再生技术是一种节能环保的 新技术，其主要优点有：保护环境和资源工艺简单；成本较低生产效率高；可不中断交 通进行施工。 道路就地冷再生属于道路维修、改造的范畴，主要用于低等级的公路和乡村道路 的翻修，冷再生机适用的病害类型主要有：疲劳、高温损害以及路面裂缝；路面车辙和 变形；由于路面粘接力降低而造成的破坏。 2 2 沥青混合料的流变模型 2 2 1 流变模型的基本元件 沥青混合料为粘一弹一塑性体乜2 i ，随温度的变化其物理状态也发生变化。流动与变形 是流变学的内容。而一般材料流变模型的建立都基于图2 1 三种理想的模型乜2 2 引。 ( a ) 虎克模型( b ) 牛顿模型( c ) 圣维南模型 图2 1 三种流变模型 1 弹性元件即虎克模型，用弹簧表示如图2 1 a 。如以0 表示拉应力，表示应变，n - 仃= e s( 2 1 ) 式中：卜弹性模量。 2 粘性元件即牛顿模型，用粘壶表示，如图2 1 b 。如以0 表示拉应力，e 表示应变， 则： d s 仃2 叩。面 ( 2 2 ) 式中：r l 与粘性有关的常量。 3 塑性元件即圣维南模型，用滑块表示，当应力ioi f 时，伸长= o ；当10f = f 时， 7 第二章沥青路面的破坏机理及转了的运动分析 。司为任蒽值，f 为望变极限。见图2 1 c 。 j s = o阶f ( 2 3 ) 【s 专o oh f 可以通过对各种基本元件的并联或串联获得沥青混合料的流变模型。常用的二元模 型有麦克斯韦尔模型和开尔文模型。开尔文模型是由一个弹性元件和一个粘性元件并联 组成，如图2 b 。麦克斯韦尔模型由一个弹性元件和一个粘性元件串联组成，如图2 2 a ； ( a ) 麦克斯韦尔模型 ( b ) 开尔文模型 图2 2 沥青混合料的两种流变模型 2 2 2 沥青路面铣削时的流变模型 冷再生机在在铣削沥青路面时，在各种影响沥青路面材料强度的条件中，剪切强度 主要由粘性确定。可用下图表示沥青混凝土路面在粘性作用下的破坏模型，如图2 3 所 示。 图2 3 沥青混凝土路面在粘性作用下的破坏模型 以下主要研究沥青路面破坏模型的动力特性。 1 粘弹性变形 在未发生塑性变形前，沥青混合料表现出粘弹性，即应力消散的速度与应力的 大小及变形分别成正比。 在纯弹性的情况下： 仃- - - e s 8 长安大学顾仁学位论文 式中：o 沥青路面材料的应力； e 沥青路面材料的弹性模量； s 沥青路面材料的相对变形。 在粘弹性变形的情况下可以用以下公式表示：如2 4 式 d c r d s = e 2 弹性塑性形变 弹性塑性形变时，可用如下公式表示： 旦里：e 坐一a 仃 式中：a 变形时的比例系数。 桃融舶凇弩驴衣 当。的值是常数时，式2 5 可以改成： o = e ( i d s ) 群数一a 仃 计算得：a - 呈! 盏 进而可以得到： a = 把式2 6 代入到式2 5 可以得到： 进而得到： 塑：e 坐一e 旦 d td t 7 7 堕d t - e ( 坐d t 一争1 7 、， 在孚远大于里的时候，材料模型主要表现为弹性。 d t 在_ d s 远小于里的时候，材料模型主要表现为粘性。 d t刀 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 可以认为沥青路面材料的粘、弹性主要取决于变形过程中的速度、模型破坏时所受 的应力以及粘滞度系数比旦。 7 7 9 第二章沥青路面的破坏机理及转子的运动分析 3 弹性变形 对于铣削刀具工作时，瞬间沥青路面被切削破坏，此时可近似认为孚专， a t 孚竺，故按弹性体简化。因此，上述模型可简化为如图2 4 ： d t 力 ( a ) 简化模型( b ) o 一关系一 图2 4 沥青路面材料被铣削破坏时简化模型和0 一关系 在仃 f 的时候，沥青路面简化材料模型将会受到破坏。 道路冷再生机转子在铣刨沥青混凝土路面时，忽略摩擦力带来的温度变化，可以认 为转子在常温下铣刨沥青路面，在这种情况下路面材料主要呈现脆性变形，可以认为路 面是弹塑性体。 2 3 沥青混凝土路面的破坏机理 转子在常温下铣刨沥青路面的时候，主要变现为剪切破坏，可用摩尔库仑公式 来表示其模型。在公式中，材料的剪切力f 应满足公式2 8 ： f c + c r t g 砂 ( 2 8 ) 式中：t 材料的剪应力； c 材料的粘结力； 0 工作过程中荷载的正应力； 耷材料之间的内摩擦角。 从图2 5 可以看出： l o 长安大学硕十学位论文 图2 5 摩尔公式应力圆 r = 三( 文一蚴c 哪 仃：i 1 ( 仃，+ 仃：) 一i 1 ( 仃l 一仃：) s 1 n 仃= 一i 仃+ 仃， 一一i 仃一仃，1 p 2 、1 “ 2 、1 “。 将上两式带入2 8 式得： l一(01-02)一(仃。+仃：)sin】c2 c o s $ 7、127 。 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 即：二卫鼍- c r l f 。瓤】t g 驴c ( 2 1 1 ) c o s 9 式2 1 0 或式2 1 1 为沥青路面材料强度与稳定性的判别式。式2 1 l 左边计算式称为活 动剪应力。当沥青材料受到的剪应力小于等于粘聚力c 时，沥青路面材料处于稳定状态； 当沥青材料受到剪应力大于粘聚力c 时，则沥青路面就会发生塑性变形。 2 4 沥青混合料的强度和切削沥青混凝土路面材料机理的分析 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【2 2 1 。 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。沥青贯入式路面，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。 第二章沥青路面的破坏机理及转了的运动分析 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 内摩擦力与嵌挤力起着决定性作用。 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足够的较细的沥青填料，形成较高的密实度 和较小的残余空隙率，因此矿料级配是一种非连续的间断级配。 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堙引。如图2 6 。 渊 猢姣妖 摩擦区 刃前变形区 图2 6 变形区i 司图 从变形区间图2 6 可得出，路面材料在受到破坏时：低速切削主要以挤压变形为主 而高速切削时主要以撕裂和剪切为主。 2 5 冷再生机的工作原理及其结构 道路沥青冷再生机主要由转子、水泥稀浆喷洒装置、乳化沥青喷洒装置、破碎棒、 动力装置、驾驶室、车架、驱动轮系等组成，其结构如图2 7 所示h 一朝。 1 2 长安 学砸学位论立 g 动一喷洒装置 图27 冷再生机结构图 冷再生机在工作过程中动力装置驱动轮系向前运动同时驱动铣刨转子逆时针旋转 对路面进行破碎、铣削和新旧材料的拌和其中粒度调节装置和添加剂喷洒装置分别控 制路面材料的破碎粒度及新材料的添加。 冷再生机的主要工作装置是铣刨鼓及其布置在上面按左右螺旋排列的铣刀，铣刨鼓 的驱动方式有液压传动、机械传动和液压机械组合3 种传动方式。如图2 8 所示。 图28 铣刨鼓上的刀具 冷再生机工作方式有垂直和水平进给两种。在实际冷再生作业的过程中是多个过程 同时进行的，车辆的行进提供向前的速度，铣刨转于的旋转完成铣削工作。冷再生机在 实际工作过程中，确定铣削深度后合理的选择工作速度，从而平稳的完成铣削工作。 26 铣刀的铣削速度和铣削轨迹 铣刀头部h 点的铣削速度v 。： v ，= v 十u( 21 2 ) 式中；v 机器的前进速度； u 铣刀端部h 点的圆周速度，u = r u 。 将式2 1 2 分别对时间求导数，则求得h 点沿x 方向和z 方向的分速度： 第二章沥青路面的破坏机理及转子的运动分析 则刀头点的绝对速度为： v ，= d x ：，+ r c o s t v x = j f 2 + c o s v ：= 面d z = r s i n t v t = 厢= 、( v + r c o c o s0902+(rcosinogt)2 v t = 4 v 2 + r o ) 2 + 2 v r c o c o s m t = 4 v 2 - - u 2 + 2 v u c o s o a t 设九：一u ：一r ( o ，则v ：_ r ( o ，代入2 1 5 式，得： vvl r 污焉忑 速度v t 对水平轴x 的方向余弦为： c o s 妒2 百v x2面v$+rcocoscotv t r n l r l 牟二牟兰p n r m t 、经 c o s 妒2 ( 1 + 2 2 c o s t + a 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 由式2 1 6 和2 1 7 可见，当冷再生机工作时，铣刀铣刨速度的大小和方向是不断变化 的，与r 、入有关。 根据冷再生机的工作原理，铣刀的绝对运动是转子绕转子轴旋转的相对运动和机器 的前进运动( 牵连运动) 复合而成的。这种运动的轨迹为摆线，随着两种运动速度的不 同，摆线的形状也不一样。冷再生机的作业要求是余摆线，如图2 9 【2 7 1 。 1 4 长安大学硕。l - 学位论文 图2 9 刀尖运动轨迹 在图2 9 中，x 轴的正方向为冷再生机转子行进的方向，z 轴正方向为冷再生机转子 变换铣削深度的方向，o o l 是t 时间内转子平移的距离，在工作过程中刀尖轨迹与时间的 方程如2 1 8 所示。 x 甜r 8 m 烈( 2 1 8 ) lz = r c o s c o t 式中：r 冷再生机转子作业速度； 驴一铣刨转子回转角速度； r 转子刀尖的回转半径； 卜冷再生机运行的时间。 2 7 影响铣削不平度的因素 铣刀的迸给量s ，是指同一回转平面内，相邻两铣刀转过一个安装角时，机器前进 的距离，如图2 1 0 所示。图中阴影所示之断面就是每把铣刀所铣削的断面。 图2 1 0 铣刨进给量与不平度 可以看出，铣刀的铣削厚度及铣削断面被破碎的程度均与进给量s 有关。而s 又取决 第二章沥青路面的破坏机理及转子的运动分析 于工作部件的运动学参数，s 可由下式求出： s = v a t ：v 2 z r ：2 r t r( 2 1 9 ) z a z 式中：转子角速度； z 同一回转平面上安装的铣刀数； t 同一回转平面相邻两铣刀转过一个安装角所需的时间。 图2 1 l 表示出了匹配不同的九时，对s 与c 值的影响。 x 2 九3 一 图2 1 1入值对s 值和c 值的影响 在图2 1 1 中九值从大到小的顺序依次为九1 、尥、硒。其中s 和c 值随九的减小而增大， 所以在冷再生机工作过程中要合理选择行驶速度和转子转速，这样才能更快更好的完成 工作。 1 6 长安大学硕士学位论文 第三章道路冷再生机工作装置的力学模型 3 1 冷再生机受力模型 3 1 1 整机受力分析 如图3 1 所示为多把刀具切削沥青混凝土路面时冷再生机两轮及铣刨鼓整体受力分 析啪，驯。 为： 图3 1 冷再生机的工作过程受力分析 图中转子旋转方向与驱动轮旋转方向相反，为反转方向，则可列出机器受力平衡式 即 即 yx ：0 j 一 吒= 哆- + 2 + c y = 0 g + c = 1 + 2 乃。+ 哆：= ( l + 2 ) 厂 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) f = f c o s 0 i ：心n p ( 3 4 式中：f 。_ 作用在驱动轮上的驱动力； 1 7 第三章道路冷再生机工作装置的力学模型 f 九、f ，r 分别为作用在前后轮上滚动阻力； n 。、n 广地面作用在两轮上的支持力； g 整机质量； f 滚动摩擦系数； f 、f 。、f ，有多把刀具的铣刨鼓受到地面给予的切削合力及其水平分力和垂直分力； o 合力f 与x 方向的夹角。 3 1 2 冷再生机工作装置受力分析 力。 图3 2 表示冷再生机铣刨转子在铣削过程中某一瞬时转子所承受的铣削力及其分解 图3 2 铣刀的铣削力及其分解 在图3 2 中： ( 1 ) 转子的铣刨速度，且国：_ 2 z _ n ，n ( r m i n ) 为铣刨鼓的角速度； 0 u 0 转子铣削路面瞬时接触角； v 冷再生机整机的作业速度，m s 。 冷再生机的转子在工作过程中刀头上的作用力f 可分解为： 1 切向铣刨力； 2 径向铣刨力； 3 轴向铣刨力。 在研究过程中，为了更方便更快捷的研究铣刀的作用力，通常将作用力f 分解为以 下几个分力： 1 水平分力； 1 8 长安大学硕上学位论文 2 垂直分力； 3 轴向分力。 铣削过程中，由于刀齿切削位置变化，上述三个力的大小要发生变化，但方向不变， 所以只要将各刀齿作用在路面上的三个分力，分别求代数和，就可能得到总的水平分力 f x 、总的垂直分力f y 、总的轴向分力f ：。 冷再生机在作业过程中，进给量、铣削厚度等因素同样影响到机器的稳定性与作业 质量，现分别讨论冷再生机铣削的基本参数n0 2 6 2 7 1 。如图3 3 所示。 图3 3 铣削的基本参数 1 每齿进给量s ：铣刀每转过一齿，相对于路面材料在行驶运动方向上的位移量即转子 在转过同一刀排上相邻刀具之间夹角这一角度的时间血内，转子轴线前进的水平距 离，当转子每排z 把刀具时，由图3 3 可知，进给量为： s ：v 出：v 堡：2 z c r v( 3 5 ) z t ou z 2 铣削深度a 。：是垂直于铣刀轴线、又垂直行驶方向测量的，是铣刀与路面材料接触 的切削层尺寸，如图3 3 。 3 铣削厚度a 。：是指相邻两齿从路面材料上形成的两过渡表面之间，沿铣刀半径方向 测量的距离，由图3 3 可知： q = s s i n o ( 3 6 ) 式中：0 瞬时接触角，它是刀齿瞬时切削位置与切入位置之间的夹角。由此可见， 切削厚度a 。随0 角度变化而变化，当瞬时接触角0 等于接触角1 l r 时，切 削厚度最大。 q 一= s s i n g t ( 3 7 ) 1 9 第三章道路冷再生机1 二作装置的力学模型 式中：1 l r 最大接触角，即在垂直铣刀轴线的端平面内测量的、铣刀与路面材料接触 弧的中心角。由图3 3 可知： 啷y ：蟹小等 8 ， 2 一 则 = s 瓜而瑙孵a e ( 3 9 ) 4 铣削宽度巩：指沿刀刃测量，刀刃与路面材料接触的长度。 5 铣刨厚度a p ：冷再生机切削路面时，所有刀具共同参与切削宽度为b 的路面时，平 行于铣刀轴线测量，铣刀与路面材料接触的切削层尺寸。对于子弹头刀具，铣削宽 度巩等于铣刨厚度a ，即巩= a p 。 口。：旦 ( 3 1 0 ) 咋2 乏 。 6 铣削面积a 。：指铣刀每齿切削层的截面积。 4 = 嘭吼 ( 3 1 1 ) 如果铣刨鼓的齿数为z ，则铣刀在接触角1 l r 内同时- 1 - 作的齿数为z 。 ( 乙：至鎏) ，则切削总面积a 等于同时工作的齿数的各刀齿切削面积之和，即 z 刀 z fz e a = 4 = q i = li = i 3 2 冷再生机铣削数学模型的建立 3 2 1 切削的基本参数 ( 3 1 2 ) 1 剪应变 切削过程中，剪应变是衡量变形程度的指标。如图3 4 所示，剪应变可近似地 看成是发生在剪切面n h 上。 长安人学硕上学位论文 图3 4 剪切变形示意图 剪切面n h 被推移到p g 的位置，平行四边形o h n m 发生剪切变形后，变为o g p m ，其 剪应变为： s = 万a s = 豢= 等= c t 鲥+ 培( 咖- y o ) = 丽c o s y o ( 3 1 3 ) s 。石2 面2 百 砷+ 培【 ) 2 盂瓦而 3 1 3 ) 2 作用在切屑上的力 忽略切屑的重力不计，作用在切屑上的力有两个方面：一个是作用在前刀面上的法 向力f 。和摩擦力f ，其合力为f ；另一个是作用在剪切面上的剪切法向力f 。和剪切力 f 。，其合力为f7 ，这两对力的合力应该相互平衡，如图3 5 a 所示。如果把所有的力都 画在切削刃前方，可得如图3 5 b 的各力关系。 图3 5 作用在切屑上的力 2 l ( b ) 第三章道路冷再生机工作装置的力学模型 图中，巾是舅切角，1 3 是f 和f n 的夹角，又叫摩摞角，yo 是7 具丽角，f x 是切肖0 运动方向的切削分力，f ，是和切削运动方向垂直的切削分力，a c 为切削厚度，巩为切削 宽度，a 。表示剪切面面积( a 。，。= a 。巩) ，t 表示剪切面上的剪应力，则： 只= f 4 = 鲁= 警 ( 3 1 4 ) s 1 n 驴s l n p f ：_ 上弋：鲨b ( 3 1 5 ) c o s ( 妒+ 卢- 1 , o ) s i n ec o s ( 妒+ 卢- 7 0 ) f y = f s i n 卢2 面丽v g a 而w s i n f l ( 3 - 1 6 ) f r = f c o s ( 卢- 7 0 ) = 面v a c 面a wc o 而s ( f 1 - 7 0 ) ( 3 1 7 ) 3 剪切角 剪切角是剪切方向与切削速度方向的夹角。根据材料力学原理，材料在一定应力状 态下发生塑性变形时，其剪切滑移的方向完全取决于作用力的方向，而与作用力大小及 材料性质等均无关。类似地，由于剪切角由代表了切屑变形的剪切滑移方向，而前刀 面的作用力是切屑变形的唯一动因，因此可以推论：剪切角由取决于刀面切削合力f 的作用方向，而合力f 的方向是刀具前角y 。和摩擦角b 的函数，即： 妒= ( y 。，卢) ( 3 1 8 ) 式3 1 8 材料被切削的方程式。 在铣削过程中可以通过各种方式改变剪切角巾，主要体现为b 的变化。 从式3 1 7 可以得到切削能量p 可由式3 1 9 求解： 尸：辟坼：竺型驾堕生4 ( 3 1 9 ) s i n s c o s ( 咖+ p 一) 由譬：0 ，可以得出f 最小时剪切角由的值。 a d 西：三一旦+ 丛( 3 2 0 ) 。 422 3 2 2 切削功 冷再生机在工作过程中，铣削单位体积路面材料所消耗的切削功由式3 1 2 决定n o 2 2 长安大学硕士学位论文 ：l ：上( ，。m s )2 2 v j v t q c a wa c a w 式中：p 。冷再生机在工作过程中单位体积路面材料的切削功； ( 3 2 1 ) 冷再生机在工作过程中切削速度。 冷再生机在工作过程中单位体积路面材料的切削功主要体现为以下四种1 3 别： 1 单位体积剪切功； 2 单位体积摩擦功； 3 单位体积表面能； 4 单位体积运动能。 在铣削过程中，第三和第四功率消耗较小，所以可以忽略第三和第四项。 下面将分别讨论其剪切功p 。和摩擦功p ，的意义及计算方法。 1 p 。是单位体积的被切削材料在通过剪切面时，剪切力沿剪切方向所作的功，其 大小为： n ：盟( j m 。) 啤a 。 如图3 6 所示几何关系，可知： 图3 6v 、v 、v 曲及a s 与a c 的关系 式中：v 。切屑剪切变形速度，m s 。 ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) 褊端 第三章道路冷再生机t 作装置的力学模型 因为有相对滑移= 垒a y2面丽cos)sin c o s ，又可得： 咖i 西一y 。i 综上可得： 旦= es i n v ps = t 暑 ( 】磕、) 其中一c 。( n m 2 ) 和e 分别为剪切面上的剪应力和剪应变。 2 p r 为单位体积被切削材料与前刀面摩擦所消耗的能量，其