（机械设计及理论专业论文）路面冷铣刨机铣刨转子智能化设计系统研究.pdf

摘要 铣刨转子是沥青路面铣刨机的核心工作部件，其力学参数优化计算尚无软件，工 程化设计绘图是借助于c a d 软件由人工完成，没有实现自动化和智能化。 本文依据国内外对铣刨转子的理论研究，参照国外铣刨机生产厂家现有的种类和 型号，对铣刨转子的参数设计进行总结，利用软件使得铣刨转子的参数设计实现智能 化和自动化，同时自动生成对应参数的铣刨转子的三维实体图和二维工程图，使得用 户可以直观铣刨转子的实体状态。 总之，本文围绕提高铣刨机作业性能，如何利用计算机软件，自动优化设计转子 运动学参数和动力学参数，并自动生成三维实体图和二维工程图纸，从而提高设计质 量和设计水平，缩短产品开发设计周期。通过本文对现有理论的分析，实现从基本作 业参数出发，对转子进行运动学和动力学分析，并根据经验数据和公式，得出合理的 铣刨转子设计参数，自动生成三维实体图形和二维工程图形，引导用户逐步地完成设 计工作，探寻了一种铣刨转子智能化设计系统。 本智能化设计系统可以提高产品设计的效率，减轻设计者的劳动强度。因此，希 望本文可以推广先进的设计理论、设计方法以及c a d 技术。文章可以为研究其他产品 的智能化设计方法作参考，也可以为研究人员开发基于p r o e n g i n e e r 平台的设计系 统作参考。 关键词：铣刨机，铣刨转子，设计智能化系统 a b s t r a c t t h em i l l i n gd r u mi sak e yp a r to fc o l dm i l l i n gm a c h i n e s t h e r ei sn os o f t w a r et o c a l c u l a t ea n do p t i m i z a t ei t sm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s t h ed e s i g nd r a w i n gi s c o m p l e t e d m a n u a l l yw i t hc a ds o f t w a r e t h ed e s i g nh a sn o tb e e nr e a l i z e dt h ea u t o m a t i o na n dt h e i n t e l l i g e n t i z a t i o ns of a r t h e r e f o r e ， i nt h i sp a p e r ，t h ek i n e m a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s a b o u tt h ed r u mi sd o n eb a s e do nt h eb a s i co p e r a t i o np a r a m e t e r s a c c o r d i n gt ot h e e x p r e i m e n t a ld a t aa n df o r m u l a ，d e s i g np a r a m e t e r so fm i l l i n gd r u mi sr e s e a r c h e d ，t h r e e d i m e n s i o n a la n dt w o d i m e n s i o n a ld r a w i n ga r em a d ea u t o m a t i c a l l y ，a n dd e s i g no ft h ed r u m i sf i n i s h e ds t e pb ys t e pw i t ht h ei n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e mw h i c hi se x p l o r e di n i t i a l l y t h i sp a p e rf o c u so nh o wt oi m p r o v et h em i l l i n gm a c h i n eo p e r a t i o np e r f o r m a n c e ，a n d h o wt ou s et h ec o m p u t e rs o f t w a r e ，a u t o m a t i cr o t o rk i n e m a t i c sp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n d e s i g na n dd y n a m i cp a r a m e t e r s ， a n da u t o m a t i cg e n e r a t i o no ft h et h r e e d i m e n s i o n a le n t i t y g r a p ha n dt w o - d i m e n s i o n a le n g i n e e r i n gd r a w i n g s ，t h u st oi m p r o v et h ed e s i g nq u a l i t ya n d d e s i g nl e v e l ， r e d u c ep r o d u c td e v e l o p m e n td e s i g nc y c l e t h r o u g ht h i sp a p e ra n a l y s i sa n d r e a l i z ef r o mt h eb a s i co p e r a t i o np a r a m e t e r so na n do f fo ft h er o t o ro fk i n e m a t i c sa n d d y n a m i c sa n a l y s i s ， a n da c c o r d i n gt oe x p e r i e n c ed a t aa n df o r m u l a ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h e r e a s o n a b l em i l l i n g p l a n e r r o t o rd e s i g n p a r a m e t e r s ，a u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e d t h r e e d i m e n s i o n a lg r a p h i c sa n dt w o d i m e n s i o n a le n g i n e e r i n gg r a p h i c s ，a n dg u i d et h eu s e r g r a d u a l l yf i n i s hd e s i g nw o r k ，p r e l i m i n a r ye x p l o r e dt h e am i l l i n gp l a n e rr o t o rd e s i g n i n t e l l i g e n ts y s t e m t h i si n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e mc a ni m p r o v et h ep r o d u c td e s i g ne f f i c i e n c ya n dr e l i e v e l a b o ri n t e n s i t yo ft h ed e s i g n e r t h e r e f o r e ，w eh o p et h a tt h i sp a p e rc a np o p u l a r i z ea d v a n c e d d e s i g nt h e o r y , d e s i g nm e t h o da n dc a dt e c h n o l o g y a r t i c l ec a l lb ear e f e r e n c ef o rt h es t u d yo f o t h e rp r o d u c t so fi n t e l l i g e n td e s i g nm e t h o d ，a l s oc a nb ear e f e r e n c ef o rr e s e a r c h e r st od e v e l o p ad e s i g ns y s t e mt h a tb a s e so np r o e n g i n e e rp l a t f o r m k e y w o r d s ：c o l dm i l l i n gm a c h i n e ，m i l l i n gd r u m ，i n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e m i i 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 作为路面养护不可缺少的设备，铣刨机主要用于各种类型和各种等级的路面面层 的翻修，清除和剥离l l 】。在现代的路面养护方式中，经济性最好的作业方式是：先用 铣刨机铣刨掉旧路面面层，再用摊铺机摊铺新的沥青混合料，最后用压路机压实。该 作业方式在城镇市政道路和高速公路养护作业中得到广泛应用【l 】。 改革开放三十年以来，我国的公路交通建设事业取得了前所未有的成就。截止 2 0 0 9 年底，全国公路总里程达3 8 6 0 8 万公里，且公路技术等级和路面状况进一步提 升。全国等级公路里程3 0 5 6 3 万公里，公路密度继续增加，通达水平进一步提高，全 国公路密度为4 0 2 2 公里百平方公里。 近十年来，全国公路通车里程数据如下表( 表1 1 ) ： 表1 1 近十年全国公路通车里程数 年份 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 9 里程 1 6 9 81 4 0 2 71 7 6 5 21 8 0 9 81 8 7 0 73 3 4 5 23 4 5 73 5 8 3 73 7 3 0 23 8 6 0 8 ( 万公里) 近十年来，全国高速公路通车里程数据如下表( 表1 2 ) ： 表1 2 高速公路通车里程数据 年份 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 82 0 0 9 里程( 万公里) 1 61 9 52 5 233 44 14 5 45 36 0 36 5 近十年来，全国公路通车里程数据柱状图如下图( 图1 1 ) ： 图1 1 全国公路通车里程数据柱状图 第一章绪论 近十年来，全国高速公路通车里程数据，如下图( 图1 2 ) ： 图1 2 高速公路通车里程数据柱状图 由图1 1 和图1 2 看出，近十年来，全国公路里程数逐年增多，特别是2 0 0 4 年， 里程数大约增加了6 0 ，高速公路也在每年逐步的稳定增长。 近十年来，高速公路里程的不断增加，国省干线公路网将继续扩展，农村公路建 设也将进入前所未有的发展阶段。随着我国公路的逐步修建应用，公路建设部门对作 为路面养护机械的主要设备的路面铣刨机的需求量会越来越多。 随着各种等级公路的继续建设和投入使用，越来越多的公路进入修补期或者大修 期，这就需要各种型号的铣刨机铣削j 日的病害路面，再用其他设备铺设新路面。用这 种方式养护各种路面，效率高，经济性好，且不会严重妨碍道路的交通。 1 1 路面铣刨机发展现状 1 1 1 国外路面铣刨机的发展水平和趋势【1 3 j 上个世纪5 0 年代，世界上首台铣刨机由日本生产，其名为“日本国产一号”。该 铣刨机是由平地机改装而成，其铣削方式为热铣，铣刨宽度为2 m ，铣刨深度为 2 0 m m ，工作速度为2 m m i n 。6 0 年代后期，日本又一次改装平地机为铣刨机，铣刨 深度可达到3 0 5 0 m m 。1 9 7 1 年，德国维特根( w i r t g e n ) 公司开发生产了小型铣刨机，其 加热装置是红外预加热装置，在随后的十几年里，上百台得该类型铣刨机投入欧洲市 场。后来，维特根公司又开创了带有收料装置的小型冷铣刨机。7 0 年代后，德国、美 国、瑞典、意大利等发达国家开始开发沥青路面铣刨机。 国外铣刨机的发展速度快，品种比较齐全，结构形式多样。就施工工艺而言，国 2 长安大学硕士学位论文 外铣刨机经历了由热铣到冷铣的过程；就铣削废料的集料装置而言，经历了由无集料 装置到有集料装置的过程；现在，德国维特根公司还开发了多宽度的铣刨机，铣刨机 经历了单一铣刨宽度到多铣刨宽度的过程。当今世界上最大的铣刨机生产厂家是德国 维特根公司，品种最齐全，其中、宽型铣刨机的产量约占世界总产量的5 5 以上。 1 1 2 国内路面铣刨机的发展水平和趋势【m 】 2 0 世纪8 0 年代，国内开始关注路面铣刨机的研究与开发，湖北襄樊公路机械厂 和镇江路面机械厂研制出了简易型冷铣刨机。最初是对农用拖拉机的改造，直接将铣 削装置固定在拖拉机上，形成了最初的轮式冷铣刨机，结构比较简单，但是不适用于 高强度的沥青路面作业。1 9 9 0 年，天津市道桥机修厂也研制出了自行式冷铣刨机。在 随后的十几年中，我国筑路建设发展迅速，路面养护工程比较少，所以铣刨机的需求 量不大，较小的需求还主要依赖与进口，导致国内铣刨机的发展受到了较大的限制。 2 0 0 2 年后，高速公路的大量投入应用，导致了越来越多高速公路逐渐出现病害，路面 养护工程越来越多，从而路面铣刨机的需求量突飞猛涨，强烈的市场需求迫切要求发 展和生产国产路面铣刨机。因此，国内的铣刨机生产企业在借鉴国外铣刨机技术的同 时，研制开发了国内现代高科技技术的路面铣刨机。 现在，国内许多铣刨机生产制造企业都可以生产制造铣刨宽度为2 m 、铣刨深度为 3 0 0 m m 、带有收料装置等含有国际先进水平的大型的路面铣刨机，并且在很多方面还 达到了国际领先的水平。 1 2 国内外研究现扶 h l 1 2 1 国外研究现状 俄国瓦拉达斯维尔详细分析了路面养护设备在其作业过程中的经济性，且深入地 研究了刀具与被铣削路面的受力，确定了作用力的相关因素和作用力的大小范围，同 时指出刀具形状对其自身的寿命及其路面作业的效率有很大影响。 俄国瓦劳夫涅夫用刨床或平面铣床研制了模拟铣刨机铣削路面作业过程的试验 台，确定了切削阻力与被铣削路面的温度、作业速度及铣刨转子的旋转角速度的确切 关系，明确了能耗最低时的作业参数大小：被铣削路面的加热温度为6 0 - 4 5 c ，刀具 的切削线速度为3 l o m m i n 。 国外铣刨机制造企业通过试验证明了铣刨机的工作速度与铣刨机深度的确切关 3 第一章绪论 系，并以特性曲线的方式表达了路面材料和路面温度的关系，将最合理的刀具切削线 速度的范围缩小在4 - - 5 m s 。 德国w r i t g e n 公司开发了多铣刨宽度的铣刨机，就是完成不同宽度铣削作业只需 要更换不同转子和相应的辅助部件即可，这样可以大大提高铣刨机的通用性。 国外许多铣刨机大型制造企业都非常注重铣刨机技术的研究，对铣刨机整机及其 零部件的材料、结构及其参数、受力等方面都进行了深入研究。 1 2 2 国内研究现状 国内的许多研究人员研究和探讨了路面铣刨机的基本性能，指出此铣刨机的性能 参数与许多作业参数有关，如：铣削深度、铣削宽度、铣刨转子的直径和转速、作业 速度以及铣削方式等。 模型试验结合理论分析，在一定的条件下，使用相似理论的方法，初步探讨了路 面铣刨机总体参数的合理匹配和主要性能参数的优化。 指出了刀具失效的主要原因是由于路面材料中的高硬度石英颗粒摩擦，确定了减 少磨损、延长刀具使用寿命的刀具参数：螺旋角卢= 3 0 4 0 0 ，刀具前角 y = 3 3 1 2 0 ，法向后角a = 6 9 1 l o 3 9 0 ，。 近几年，国内铣刨机发展比较快，但就产品方面来说，国内铣刨机在总体的技术 水平上还有较大的差距。关于路面铣刨机的理论研究，国内铣刨机生产厂家做的还比 较少，铣刨机铣刨转子设计的不尽合理，某些方面没有精确的定量分析1 1 。 1 3 虚拟设计在国内外的应用与发展【5 1 虚拟设计技术是一种新型的技术，以现实的科研成果和专业技术为基础，以机械 产品为对象，以计算机辅助设计软件为手段。虚拟设计技术的发展历程还很短，但在 制造业已经得到广泛应用，用以取代了传统设计方法，在一定程度上取得巨大成功， 特别是国外发达国家。 美国的航空业、工程机械行业、汽车业等行业的产品设计及分析都普遍采用了虚 拟设计技术，在经济性、高效性、方便快捷等方面都取得了比较理想的效果。且美国 波音公司的“波音7 7 7 ”飞机的成功设计是虚拟设计技术发展历程的里程碑，标志着 虚拟设计及制造从理论转向实用。 在国内，虚拟设计技术的发展比较晚，还只是处于初步应用阶段，虽然已经掌握 4 长安大学硕士学位论文 了虚拟设计技术部分技术的基础，但就虚拟设计工具和环境来说，还有自主研发产品 和自己的只是产权。现在，虚拟设计技术已经引起了国内的重视，正在被研究和普及 应用过程中。 总体上看，虚拟设计技术在国内应用比较成功的案例还很少，与国外相比还有很 大的差距。国内应用虚拟设计技术的机构主要是专业研究机构和高校研究机构，一般 的制造企业还没有普及到，并且国内在虚拟设计技术的应用过程中，产品模型的理想 化过于严重，整体性较差。 总之，虚拟设计技术已经引起了足够的重视，大量的学者和应用机构都在不断的 研究。现在，虚拟设计技术在国内外都还处于初级阶段，其应用比较广泛，且正在普 及和研究过程中。 1 4 课题提出的背景和意义【6 1 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，其工作部件铣刨转子 的设计将会直接影响到铣刨机作业质量和作业效率。铣刨转子是沥青路面铣刨机的核 心工作部件，其力学参数优化计算尚无软件，工程化设计绘图是借助于c a d 软件由人 工完成，没有实现自动化和智能化。 在全球经济一体化、市场竞争日益激烈的今天，企业的适应力和竞争力对于企业 的生存和发展至关重要。如何得到用户的肯定是企业的适应力和竞争力的评判标准。 要让用户获得满意的产品，快速、直观的向用户提供产品设计方案的重要性不言而 喻。就铣刨机制造企业而言，围绕提高铣刨机作业性能，如何利用计算机软件，自动 优化设计转子运动学参数和动力学参数，并自动生成三维实体图和二维工程图纸，从 而提高设计质量和设计水平，缩短产品开发设计周期，是铣刨转子设计过程中所面临 的问题。 计算机虚拟设计技术作为计算机科学与机械设计的产物，是促进科研开发和成果 转化、实现设计自动化和智能化、加快机械产品发展和经济现代化的一项关键技术； 是提高产品的设计水平、缩短产品的开发周期、提高生产率、降低消耗的一种重要手 段；是企业加强自主研究开发与创新能力、提高管理水平、参与国际合作与竞争的一 个重要条件。这项技术的开发与应用水平已经成为衡量一个机械类企业乃至一个国家 科技现代化和工业现代化的重要标志之一。 通过对本课题的研究，将计算机虚拟设计技术用于铣刨机铣刨转子的设计，由此 第一章绪论 解决铣刨转子的智能化设计问题，提高路面铣刨机铣刨转子的设计效率，设计合理的 参数，大幅度、全方位提高的铣刨机设计水平，促进我国工程机械的迅速发展。 1 5 智能化设计系统的开发方法及意义 7 1 铣刨机铣刨转子智能化设计系统是以p r o e n g i n e e r 作为开发平台，借助于p t c 公司( 美国参数技术公司p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 提供的p r o e n g i n e e r 及其自带的高级开发工具包p r o t o o l k i t ，利用高级程序语言v i s u a lc + + 的集成开发 环境，采用动态链接库( d l l ：d y n a m i cl i n kl i b r a r y ) 的方式对p r o e n g i n e e r 进行 二次开发，实现p r o e n g i n e e r ，p r o t o o l k i t 和m f c 三者之间的通信。 智能化设计系统的界面友好，提示充分，操作方便、直观；可以实现铣刨转子的 设计的自动化和智能化，显著缩短产品的设计周期，提高设计效率；系统为后续的过 程提供了丰富的信息，促进铣刨转子的设计、分析及制造的集成；具备一定的产品信 息数据分析处理功能；促进铣刨转子设计的系列化、标准化和通用化。如果能将本系 统加以完善，应用于铣刨转子及其零部件的生产实践，将带来巨大的经济效益。 1 6 本论文研究的内容 由于铣刨机铣刨转子的形状比较复杂，仅用计算机平面设计难以表达清楚，且转 子设计需要根据不同的作业参数频繁修改，因此，本文提出基于p r o e n g i n e e r 二次 开发的铣刨机铣刨转子智能化设计系统，将计算机虚拟设计概念应用于铣刨转子的设 计，开发出一套铣刨机铣刨转子智能化设计系统，有利于设计者相对自由的修改作业 参数，可以提高铣刨转子的设计质量，缩短开发和设计周期，降低设计成本，同时， 还符合了现代化机械设计的要求，顺应了现代化机械设计的发展趋势，开辟了铣刨转 子设计研究的新概念、新领域。 课题选用p r o e n g i n e e rw i l d f i r e3 0 作为开发平台，利用高级程序语言v i s u a l c + + 6 0 集成开发环境，以实现产品的快速设计为核心，研究铣刨机铣刨转予的智能化 设计与p r o e n g i n e e r 二次开发技术在智能化设计系统中的应用。本课题的内容主要 包括： ( 1 ) 对铣刨机铣刨转子的设计进行理论研究，对铣刨转子的各个参数进行分析， 并对铣刨转子进行动力学和运动学分析。 ( 2 ) 使用p r o e n g n e e r 建立标准的零部件模型，如铣刨机转子滚筒、刀具等零 长安大学硕士学位论文 部件的模型。 ( 3 ) 研究v i s u a lc 抖及其提供m f cd l l 框架，利用v c + + 开发工具建立方便快捷的 人机对话界面。 ( 4 ) 解决p r o e n g i n e e r 与v i s u a lc + + 提供m f cd l l 框架、数据库访问技术的接 口问题，实现数据的正常计算和输出。 ( 5 ) v i s u a lc + + 与p r o e n g i n e e r 结合，开发出界面友好、提示充分、通用性强、 操作方便的的铣刨机铣刨转子快速设计工具。 整个程序是通过v c + + 的无模式对话框和p r o t o o l k i t 系统的u i 对话框链接而 成，本系统包括五个组成模块：参数输入模块、参数计算模块、输出模块、三维实体 形成模块、二维工程图生成模块、运动学和动力学分析模块、专家库模块等模块。 论文从基本作业参数出发，根据专家库的经验数据和公式，得出合理的铣刨转子 设计参数，自动生成三维实体图形和二维工程图形，并对转子进行运动学和动力学分 析，引导用户逐步地完成设计工作，初步探寻了一种铣刨转子设计智能化系统，实现 智能化设计系统的功能。 7 长安大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章路面铣刨机铣刨转子主要参数的研究 铣刨机作业时，铣刨机的向前运动的同时，铣刨转子作旋转运动，由于铣刨机自 重的存在，安装在铣刨转子上的刀具作用于被铣刨的路面，在铣刨刀具与被铣路面物 料处产生很高的接触应力，当接触应力超过被铣路面所能承受的极限时，路面物料就 被压碎和崩落，随着铣刨机不停地向前运动和铣刨转子的旋转运动，路面物体被压碎 和崩落不间断地交替进行，形成铣刨1 8 l 。 路面铣刨机作业过程中，刀具逐一、左右交替地依次切入路面，形成不连续的切 削作业过程。路面的硬度较高，使得铣刨机的作业过程中产生较强的冲击力，以致铣 刨机产生振动、刀具损耗增加。要保证铣刨机作业的顺利进行，刀具必须有较长的寿 命、足够的强度和足够好的切削性能。转子的铣削作业轻快、功率损耗较少需要合理 的铣刨转子参数来保证，因此，合理的铣刨转子参数是非常重要的【引。 2 2 路面铣刨机铣刨转子排列方式分析【9 】 刀具布置对路面铣刨机及其零部件的寿命和作业质量有很大的影响，排列参数的 不合理设计，会直接造成铣削废料粒度的过大或过小，粒度过大会使作业过程中的铣 刨机振动增大，使用寿命大大缩短，可靠性迅速降低；粒度过小会产生大量的粉尘， 使得施工环境极为恶劣，施工人员的身体健康不能得到保障【3 l 。 一般情况下，刀具的排列方式基本符合以下原则： ( 1 ) 为了使铣削掉的废料易于清理，铣刨转子的刀具排列应具有向内积聚作用，所 以，铣刨转子的刀具一般为螺旋式相对对称布型1 0 】； ( 2 ) 为了使铣刨机作业过程平稳，转子受力相对均衡，刀具应依次切入路面，左、 右两侧刀具交错切入地面【1 1 】； ( 3 ) 为了使铣刨机的功率得到充分发挥，铣刨转子转矩应尽可能充分的抵消铣削阻 力，刀具要单个逐切入路面i 叼； ( 4 ) 为了使转子可以平稳的切人路面，应该控制转子的切削阻力矩相对平稳，铣刨 转子的两个周向相邻的刀具之间要有相同的角度间隔 4 1 ； ( 5 ) 为了提高铣刨机的作业质量和作业效率，作业过程中既要充分利用崩落效应来 9 第二章路面铣刨机铣刨转子主要参数的研究 提高作业效率，又不能留下中间路面物料脊而影响作业质量。因此，铣刨转子两轴向 相邻刀具的轴向距离( 刀际横向间距) 相等，且达到一定的极限【1 2 1 。 ( 6 ) 边刀和立刀的布置原则是要尽可能均匀，使得转子在铣削作业过程中受力均 匀。 同时符合上述要求的排列只能有相对对称的单头或多头人字形螺旋状排列。这种 排列方式保证了刀具依次切入地面的同时，实现铣削废料的收集功能。而且，螺旋线 的对称布置，可以使铣削过程中产生的轴向力在一定程度上相互抵消，保证转子工作 平稳状态。 刀具在铣刨转子上沿圆周方向和横向都是均匀布置。其中，圆周方向的均匀布置 是由两相邻刀具沿圆周方向的周向间距保证，横向的均匀布置是由铣刨转子两相邻刀 具间的直线距离( 轴向间距) 保证【4 】。 2 3 路面铣刨机铣刨转子刀具排列参数分析【3 , 4 , 9 , 1 3 】 2 3 1 螺旋升角 刀具以螺旋状安装在铣刨转子上形成螺旋线，其螺旋升角对铣刨转子的作业效率 和作业质量有着重要的影响。理想的螺旋升角既可以保证较小的切削阻力，同时又能 将铣削废料快速的向中间聚集。 为了提高路面铣刨机的作业质量，提高铣削废料的回收率，铣刨转子螺旋升角要 小于螺旋叶片的摩擦角，以推动铣削废料快速向滚筒中部聚集。根据国内外的相关资 料和试验证明，路面的摩擦角一般为3 0 。 4 0 。 螺旋升角越大，螺旋包角就越小，这样单条螺旋线所推动的废料就相应地减少， 所产生的阻力也较小，但是废料向中间聚集就比较困难；要加快废料的聚集速度，就 要减小螺旋升角，也就增大了螺旋包角，同时增加了单条螺旋线所推动的废料，增大 了阻力。螺旋升角的大小一般不能超过3 0 。实际螺旋升角为1 4 。 2 0 。维特根公 司生产的各种型号的铣刨机，不同铣刨宽度的铣刨转子的螺旋升角如下( 表2 1 ) ： 表2 1 维特根公司铣刨机铣刨转子的螺旋角 铣刨宽度( m m ) 1 0 0 01 3 2 01 5 0 01 9 0 52 0 1 02 1 0 02 2 1 0 1 5 51 4 6 螺旋升角( 。) 1 7 8 1 4 7 5 1 5 31 8 81 8 2 1 5 21 6 9 1 0 长安大学硕士学位论文 2 3 2 铣刨宽度 路面铣刨机的型号一般是根据铣刨宽度来确定的。在其他参数不变的情况下，铣 刨宽度的大小会直接影响铣刨机的作业效率和作业性能。 在其他参数不变的情况下，铣刨宽度变大，作业效率提高，但螺旋线包角变大， 铣刨转子内的废料增多，增大了阻力。反之，螺旋线包角变小，作业效率降低，废料 减少，阻力变小。 铣刨宽度不同，通过改变螺旋升角和螺旋线头数来保证铣刨转子的作业效率和作 业性能。铣刨宽度变大，增大螺旋升角来保证螺旋线包角处于理想范围，否则会影响 铣削废料的集聚和回收，以致影响铣刨机的作业质量；若保持螺旋升角不变，为了保 证螺旋升角不至于太大，增加螺旋线头数，使得单条螺旋线包角变小。否则，单一的 改变螺旋升角和螺旋线头数，则影响阻力和废料的聚集效果。 同理，如果铣刨宽度变小，也要同时改变螺旋升角和螺旋线头数来保证铣刨机的 作业效率和作业性能。 2 3 3 转子刀尖圆直径 不同型号的铣刨机，其转子刀尖圆直径不同。铣刨转子铣削路面时，铣刨机的行 驶速度为v ，铣刨转子的转速为。铣刨机作业时，铣刨机转子同时作水平运动和旋 转运动，加上铣刨机自重的存在，使得安装在转子上的刀具完成铣削作业。在铣刨机 的作业过程中，相邻两刀具的切削轨迹相交，形成切屑截面，其形状近似半月牙形 ( 图2 1 ) 。 y 泛 5 、! l 髟一! 一：i 冬| ：| 二 图2 1 不同直径的铣刨转子作业示意图 由图2 1 得，两铣削圆不同的铣刨转子，铣刨机的行驶速度一定，且铣刨转子的 转速不变的情况下，也就是铣刨转子的单周进给量一定的情况下，路面的切削厚度与 第二章路面铣刨机铣刨转子主要参数的研究 铣刨转子的直径成反比，且铣削角度与转子直径亦成反比。 2 3 4 刀际横向间距 刀际横向间距，即两轴向相邻刀具的刀尖距。刀际横向间距的大小直接影响铣刨 机的作业质量和作业效率。 铣刨转子在切削路面时，应充分利用崩落效应，且不能形成中间物料脊，也就是 应该使两相邻截槽顶点( 7 3 尖) 的连线与崩落面重合，同时也要方便清除铣刨掉的废 料。标准铣刨转子刀尖距般选择1 5 r a m ，精铣转子刀尖距选择8 姗【1 4 】。一般情况 下，刀尖距一般为l5 2 0 m m 。 如果刀际横向间距过大，铣刨后的路面会有明显的物料脊，影响作业质量；如果 过分追求作业质量，过度缩小刀际横向间距，则不能充分利用铣刨机的性能，造成性 能的浪费和作业效率的低下。 2 3 5 螺旋线头数 铣刨转子的刀具排列是“人 字形螺旋排列，且两侧相对对称分布。螺旋线头数 是指铣刨转子刀具排列转子单侧的螺旋线条数。 从铣刨机作业过程方面考虑，刀具排列的螺旋线之间应该有一定的搭接重合，一 方面可以利于铣削废料的集聚，并且刀具排列的螺旋线的搭接可以防止铣刨转子上受 到巨大冲击。刀具排列示意图如图2 2 ( 三头) 所示。 a0 图中：厂一铣刨转子长度 图2 2 三头转子示意图 1 2 长安大学硕士学位论文 ，单条螺旋线的轴向距离 s 单条螺旋线的包角 口螺旋升角 9 螺旋线的轴向夹角 采用最小的螺旋升角时，单条螺旋线的螺旋包角不能超过3 6 0 。，否则铣刨转子 在作业过程中，其循环物料的过度增多，影响装载效率，增大作业过程中的铣削阻 力；采用最大的螺旋升角时，最大的螺旋升角要受到最小的螺旋包角的限制，否则， 影响到铣刨转子的铣削效率和铣削废料的集中。任何铣刨转子最小包角总数应为4 2 0 。，两头螺旋线的最小包角为2 1 0 。，三头为1 4 0 。，四头为1 0 5 。 铣刨转子的直径和铣刨宽度不同，螺旋线头数也不尽相同。铣刨转子上的叶片头 数一般设置2 4 头，一般以2 头和3 头为主。 铣刨滚筒直径较小的设备( 铣刨宽度小于1 0 0 0 m m 的铣刨转子) 刀具布置一般利 用单头螺旋线布置或双头螺旋线布置，大型设备( 铣刨宽度为1 0 0 0 m m 以上) 的刀具 布置一般利用三头螺旋线布置，四头螺旋线布置则一般用于冷再生设备。 2 3 6 同一轴向截面上的刀具数量 在功率一定的情况下，为了克服足够大的切削阻力，且使铣刨转子转矩尽可能充 分的抵消铣削阻力。因此，在刀具布置时，一般情况下，在同一轴向截面上只设置1 把刀具( 边刀和立刀除外) ，使得铣刨机在作业过程中，刀具单个逐一、两侧依次交替 切入路面。 2 3 7 同一螺旋线上两相邻刀具的转子横截面距离 螺旋线上两相邻刀具在转子横截面上的投影距离是由刀际横向间距和螺旋升角来 确定，一般选择范围为1 0 0 2 0 0 m m 。 z = 嚣s l n ( 2 1 ) d 广一横截面距离 七螺旋线头数 6 刀际横向间距 第二章路面铣刨机铣刨转子主要参数的研究 j b 螺旋升角 2 3 8 刀际周向间距 刀际周向间距是由刀际横向间距和螺旋升角来确定。 3 6 0 0肠 驴2 面面 2 2 妒刀际周向间距 七螺旋线头数 b 刀际横向间距 卢螺旋升角 d 转子直径 2 3 9 周向两相邻刀具间相位差 铣刨转子的刀具排列是两侧相对对称布置，周向两相邻刀具的相位差由刀际周向 间距和螺旋线头数来确定。 9 = 旦2 k ( 2 3 ) 咖刀际周向间距 七螺旋线头数 一般情况下，以上各参数是由铣刨宽度和铣刨深度来确定。也就是一旦铣刨机的 铣刨宽度和铣刨深度确定，铣刨转子的各个参数就可以确定各自的合理值。 2 4 路面铣刨机铣刨转子刀具的安装角度分析1 4 1 铣刨转子是路面冷铣刨机的工作装置，其结构形式已经基本固定，即在铣刨滚筒 上安装子弹头式铣刀，排列方式为两侧螺旋相对对称排列。刀具排列所遵循的原则已 经比较成熟，比较全面，且在前文已经叙述。但是刀具的安装角度对铣刨机的作业质 量、作业效率、铣刨机的功率发挥等方面有着重要的影响，各个刀具在各自位置的安 装角度不同，其使用效果亦不同。 刀具的安装角度主要包括切削前角、切削后角、刀尖角、侧向倾斜角和安装角 1 4 长安大学硕士学位论文 等。 2 4 1 切削前角 切削前角是切削刀具前刀面与轨迹切线之间的夹角。切削前角越小，切削变形越 大，摩擦阻力大，摩擦磨损增加。切削前角越大，切削变形越小，切削轻快，但刀具 的强度降低，刀具容易损坏。 2 4 2 刀尖角 铣刨机的铣削刀具一般是圆锥状的子弹头结构，刀具刀尖的圆锥角，即前刀面与 后刀面间的夹角，叫做刀尖角。 在铣刨机作业过程中，铣刀刀头要承受巨大的切削阻力和冲击。刀尖角过大，切 削阻力相应增大；刀尖角过小，则刀具强度不足，刀头易折断。子弹形刀头锥角一般 为9 0 。 2 4 3 切削后角 切削后角是铣削刀具后刀面与切断处轨迹线间的夹角。 铣刨机的铣削方式是逆铣，切削厚度由零逐渐增大，刀具在切入路面的过程中， 先与地面发生相对摩擦，作用一段距离后切入路面，切削后角的存在可以减少刀具的 磨损，切削过程轻快。理想的切削后角应为6 8 。 2 4 4 侧向倾角 侧向倾斜角是刀具刀尖轴线与转子轴线垂直平面的夹角。 在铣刨机的作业过程中，铣刀的前刀面与铣刨掉的废料接触产生摩擦，有了侧向 倾斜角的存在，使得在刀具进行切削作业时，借助于作用在刀具上的路面与刀具间的 接触应力产生巨大摩擦力矩，使刀具在刀座孔中灵活转动，致使磨损均匀，使用寿命 提高。 在铣刨机铣刨路面的过程中，刀具开始与地面接触，由于路面的弹性，刀具有一 个滑动摩擦区，刀具并不切入地面。随着转子的转动和水平运动，摩擦力矩的不断增 大，初期路面和刀具间的摩擦力矩不足以使刀具转动，但当摩擦力矩增大到足以使刀 具转动的时候，刀具开始转动，并且快速切削路面。当路面与刀具间的接触力达到一 定程度，摩擦力矩不足以克服刀具在刀座内转动的摩擦阻力，刀具不再转动，继续切 入地面。随后，刀具切削完毕离开地面，刀具不再在刀座内转动15 1 。 第二章路面铣刨机铣刨转子主要参数的研究 2 4 5 安装角 安装时刀具轴线与切削点切线之间的夹角即安装角。铣刨刀具合理的安装角应该 保证：在铣刨路面的过程中，后角尽可能的最小，但是要保证铣刀后刀面与铣削后的 新路面不发生摩擦，这样可以获得尽可能大的前角，从而保证铣削阻力最小。安装角 一般取4 0 - - 4 5 。p 6 。 2 5 本章小结 总之，铣刨转子的刀具排列应该按照相对对称的单头或多头人字形螺旋状排列， 其排列参数主要有铣刨宽度和铣刨深度确定；切削前角、后角是为了使刀具具有较小 的切削力和较高的工作寿命。侧向倾角是为了使刀具磨损均匀，提高刀具使用寿命， 降低使用成本。 1 6 长安大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章路面铣刨机铣刨转子动力学和运动学分析 动力学主要研究作用于铣刨机铣刨转子的力与其的运动的关系，运动学是研究铣 刨转子及刀具的运动特征。动力学和运动学参数决定着刀具的耐用性、路面的加工精 度和路面的作业质量等重要参数，也是铣刨转子、刀具、夹具等零部件的工艺系统设 计的重要依据。 3 2 铣刨机的作业过程 铣刨机作业时，铣刨机向前运动的同时，铣刨转子作旋转运动，由于铣刨机自重 的存在，安装在铣刨转子上的刀具作用于被铣刨的路面，在铣刨刀具与被铣路面物料 处产生很高的接触应力，当接触应力超过被铣路面所能承受的极限时，路面物料就被 压碎和崩落，随着铣刨机不停地向前运动和铣刨转子的旋转运动，路面物体被压碎和 崩落不间断地交替进行，形成铣刨。 安装在铣刨转子上的刀具工作状态如图3 1 所示，铣刨转子以水平前进运动和旋 转运动来铣削路面，当刀具运动至图所示最下方位置a 点时铣削作业开始，运动至b 点，该刀具的本次铣削作业结束。 前进方向 图3 1 刀具工作状态示意图 1 7 第三章路面铣刨机铣刨转子动力学和运动学分析 3 3 路面铣刨机铣刨转子动力学分析1 2 】 铣刨转子的动力学是描述安装在转子上的铣削刀具在铣刨过程中所受的力与转子 转动的关系。 3 3 1 铣刨机工作过程的刀具受力分析 在铣刨机作业过程中，刀具所受的铣削阻力是不断变化的，铣刨转子所有的旋转 阻力是所有参与铣削作业的刀具的铣削阻力之和。 刀具运行加载被铣刨路面时，在铣削刀具与路面接触处产生的接触应力很高， 当接触应力达到一定的极限时，路面物料被压碎和崩落交替进行，当该刀具加载的路 面被铣削掉时，该刀具的一次铣削作业完成。随着铣刨机的向前运动和铣刨转子的旋 转运动，安装在铣刨转子上的刀具依次铣削路面。铣削阻力可以看作是作用在铣削刀 具上的一组力的合力，该合力包括刀具前刀面与铣削废料接触时产生的压力、摩擦力 和后刀面与路面的摩擦力等。研究表明，靠近刀具切削路面的切削刃处压力最高， 在远离切削刃处此压力将迅速减小， 因此，在实际计算中通常都用集中力代替分布 力1 7 1 。 刀具开始接触铣削路面，其接触处首先产生弹性变形，刀具主要承受铣削阻力及 铣削面层材料对刀具的摩擦阻力。刀具随着转子的旋转而旋转，刀具与地面之间的接 触压力越来越大，铣刨阻力和摩擦阻力增大。铣刨转子刀具的安装具有侧向倾斜角， 侧向倾斜角的存在使得当摩擦阻力引起的摩擦阻力矩大于铣削阻力所引起的刀具与路 面材料的摩擦力矩时，刀具在绕刀座旋转，减小刀具的磨损。刀具随着转子继续转 动，铣削阻力迅速增大，刀具所受的摩擦阻力引起的摩擦阻力矩不足以克服铣刨阻力 所引起的刀具与路面材料的摩擦力矩，刀具不再转动。 3 3 2 铣削力的研究意义 在铣刨机作业过程中，刀具的铣削阻力包括：切屑与未铣削路面的摩擦力、切屑 与铣削路面的摩擦力、路面的剪切力、路面与刀具的摩擦力等。铣削力的大小决定着 刀具得耐用性、路面的加工精度和路面的作业质量等重要参数，也是铣刨转子、刀 具、夹具等零部件的工艺系统设计的重要依据【2 1 。 研究铣削力的重要的意义在于： ( 1 ) 铣削力可以用来衡量铣削作业过程的好坏、刀具切削性能的好坏、路面材料被 1 8 长安大学硕士学位论文 铣削性能的坏等。 ( 2 ) 铣削里的存在，会引起一系列的物理现象和化学现象的产生，如：刀具的磨 损，塑性破损和脆性破损，以及铣刨作业过程中的热现象、振动、路面的破坏过程 位 号子0 ( 3 ) 铣削力可以作为铣刨转子和刀具等零部件等的设计、制造工艺系统的主要依 据。 3 3 4 铣削力的构成【1 8 】 从铣刨机作业过程来看，铣削力f 主要包括：被铣路面、切屑和未铣路面的变形 所引起的阻力；刀头与切屑、刀头和未铣路面之间的摩擦阻力。了解铣削力的来源， 对定性研究铣削力有重要的作用。 为较为容易的理解铣削力的构成，以铣刨转子的轴向为z 轴，现将刀具在某一点 的铣削力f 分解为切向铣削力、径向铣削力和轴向铣削力，其分解如图3 2 所示。 l 图3 2 铣刀的铣削力及其分解 图中：国铣刨速度，r 融 v 铣刨机的作业速度，i i l s r 切向铣削力 径向铣削力 兄轴向铣削力 铣削力f 的分解结果为： 1 9 第三章路面铣刨机铣刨转子动力学和运动学分析 切向铣削力r 与某点在刀具的运动轨迹的切线方向一致，它消耗了功率的大 部分； 耻孓葛一 ， 刀具切削宽度 卢刀面摩擦角 刀具实际切削前角 径向铣削力民在铣刨转子半径方向上的分力，该力不消耗功率，但它会严重 影响铣刨机作业过程的平稳性和作业质量； 轴向铣削力巴未在图中标出，在铣刨转子轴线平行方向上的分力。侧向倾斜 角的存在，刀具切削路面时产生一个轴向力，且刀头的不均匀受力产生摩擦阻力矩， 当力矩在一定范围内的时候，刀具在刀座内转动，从而使铣刀刀头四周磨损均匀，延 长了刀具的使用寿命。 在铣刨机作业程中，刀具的铣削位置随时间的变化而变化，铣削力分解为上述三 个力的大小和方向也要随时间的变化而发生变化。为了便于研究，将刀具受到的铣削 力f 分解为三个固定方向的正交力，分解如图3 3 所示： 长安大学硕士学位论文 图3 3 铣刀的铣削力及其分解 水平分力民铣削力在作业行走速度方向的分力； 垂直分力r 铣削力在作业行走速度的法线方向分力； 轴向分力兄铣削力在铣削滚筒轴线方向的分力。 铣刨机作业过程中，刀具铣削位置随时间的变化不断变化，而水平分力民、总的 垂直分力瓦、总的轴向分力兄这三个力的大小发生变化，但方向不变。 3 4 路面铣刨机铣刨转子运动学分析 1 6 , 1 8 , 1 9 】 铣刨转子的运动学是研究在铣刨转子及刀具的运动特征。 3 4 1 铣刀运动轨迹 铣刨机作业时，铣刨机向前运动的同时，铣刨转子反向旋转，刀具的绝