（机械设计及理论专业论文）路面铣刨机刀具的力学分析和优化设计.pdf

摘要 路面铣刨机是一种专用的、高效的路面维修养护设备，主要用于公路、机场、 货场及停车场等沥青混凝土面的维修及翻新。随着我国高速公路的建设和发展， 路面养护作业成为公路相关行业关注和研究的重要课题这为铣刨机在国内的发 展提供了广阔的发展前景。目前，国内铣刨机性能已完全满足养护作业需求，但 与国外产品相比仍存在很大差距，一方面表现为发动机、液压元器件等配件的自 主生产较少，另一方面表现为对刀具的开发研究较少，基本上都是借用引进国外 刀具，整体上的趋势是刀具的理论知识经验的欠缺，对刀具采用高端的仿真软件 进行优化的技术与平台、实验的欠缺。 本论文以2 米铣刨机为研究对象，采用现代设计方法，运用有限元分析中的 l s d y n a 与a n s y s 结合软件对刀头侵彻路面进行模拟仿真分析，并对刀具参数 进行了优化设计。主要研究内容有： 1 ) 分析路面铣刨机的研究现状、发展趋势，介绍路面铣刨机类型、结构、工 作特点、铣刨刀具组成等； 2 ) 对铣刨刀具设计与刀具布置进行分析。论述了影响刀具设计的主要参数， 对刀具排列方式及安装方式进行了详细说明； 3 ) 在现有的理论基础上，进一步对铣刨刀具进行了运动分析和受力分析； 4 ) 应用非线性有限元对刀具受力分析，利用l s d y n a 与a n s y s 结合软件 对单个刀具侵彻路面进行模拟仿真，并得出刀具路面材料在铣削过程中的应力和 变形分布图，结果可作为刀具选择和发动机选择的参考依据； 5 ) 根据铣刨运动过程分析，建立了刀具运动方程、刀具铣削防干涉关系函数 等，对铣刨机功率、工作速度和铣刨深度等参数进行了分析求解，并利用m a t l a b 进行仿真，分别得出工作速度与铣刨深度的特征关系，同时建立刀具铣刨的优化 数学模型，对刀具参数和铣削参数进行优化分析设计。 现代设计方法中的有限元方法及优化设计在铣刨刀具的研究方面有较成熟的 引用，但是并不尽完善，本文首次采用非线性有限元方法，对铣刨刀具铣削进行 研究，为今后铣刨刀具开发研制提供了指导意义。 关键字：路面铣刨机；非线性有限元分析：a n s y s ：l s d y n a ；优化设计 a b s t r a c t t h er o a dm i l l i n gm a c h i n ei sas p e c i a la n dh i g h l ye f f i c i e n te q u i p m e n tf o rr o a d r e p a i ra n dm a i n t e n a n c e ，i t sm a i n l yu s e df o rm a i n t e n a n c ea n dr e n o v a t i o no fr o a d s ， a i r p o r t s ，f r e i g h ty a r d sa n dp a r k i n gl o t sa n do t h e ra s p h a l tc o n c r e t es u r f a c e w i t ht h e c o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fc h i n e s eh i g h w a y ，t h er o a dm a i n t e n a n c eo p e r a t i o n s h a v eb e c o m eac o n c e r na n da ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i co fr o a dr e l a t e di n d u s t r i e s ，i t s p r o v i d i n g ab r o a dp r o s p e c tf o r t h ed e v e l o p m e n to ft h em i l l i n gm a c h i n ei nt h e c o u n t r y a tp r e s e n t ，t h ep e r f o r m a n c eo fd o m e s t i cm i l l i n gm a c h i n eh a st of u l l ym e e t t h ed e m a n do fm a i n t e n a n c ew o r k ，b u tc o m p a r e dw i t hf o r e i g np r o d u c t s ，i t ss t i l lab i g g a p o nt h eo n eh a n d ，t h ei n d e p e n d e n tp r o d u c t i o no fe n g i n e s ，h y d r a u l i cc o m p o n e n t s a n da c c e s s o r i e sa r el e s s ；o nt h eo t h e rh a n d ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h et o o l i sl e s s ，i t sb a s i c a l l yb o r r o w e dt h ei n t r o d u c t i o no ff o r e i g nt o o l ，t h eo v e r a llt r e n di st h e l a c ko ft h e o r e t i c a lk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c eo ft h et o o l ，t h et o o lw i t hh i g h e n d s i m u l a t i o ns o f t w a r et o o p t i m i z et h et e c h n o l o g ya n dp l a t f o r ma n dt h el a c ko ft h e e x p e r i m e n t t h i sp a p e rt a k e s2 m e t e r sm i l l i n gm a c h i n ea st h er e s e a r c ho b j e c t ， a d o p t i n gt h em o d e md e s i g nm e t h o d ，u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fl s d y n a w i t ht h ea n s y ss o f t w a r ef o rt h ec u t t e rw i t hp e n e t r a t i o np a v e m e n t ss i m u l a t i o n a n a l y s i s ，a n dt h ec u t t i n gt o o lp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s ： 1 a n a l y s e st h es t a t u sq u oa n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h er o a dm i l l i n gm a c h i n e ， i n t r o d u c et h et h et y p e ，s t r u c t u r e ，w o r kc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec o m p o s i t i o no ft h em i l l i n g t o o lo ft h er o a dm i l l i n gm a c h i n e ； 2 s t u d i e st h et o o ld e s i g na n dt o o ll a y o u to fm i l l i n gm a c h i n e d i s c u s s e st h em a i n p a r a m e t e r st h a t a f f e c tt h et o o ld e s i g n ，t h et o o l a r r a n g e m e n ta n di n s t a l l a t i o n i s d e s c r i b e di nd e t a i l ； 3 o nt h ee x i s t i n gb a s i so ft h et h e o r y ，i t sf u r t h e rp r o c e s s e dt h em o t i o na n a l y s i s a n df o r c ea n a l y s i sf o rt h em i l l i n gc u t t e r ； 4 a p p l i c a t i n gn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tf o rt h ea n a l y s i so fs t r e s s e dt o o l ，u s i n g l s - d y n ac o m b i n i n gw i t ha n s y ss o f t w a r et oas i n g l et o o lw i t h p e n e t r a t i o n p a v e m e n ts i m u l a t i o n ，a n dt h a tt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o nd i a g r a mo ft h e c u t t i n gt o o l - p a v e m e n tm a t e r i a l si nm i l l i n gp r o c e s sw e r eg i v e n ，t h er e s u l t sc a nb eu s e d a sr e f e r e n c eo ft h et o o lo p t i o na n de n g i n ec h o i c e ； 5 a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f t h ep r o c e s so ft h em i l l i n gm o v e m e n t ，t h ee q u a t i o n o ft h ec u t t e rm o t i o na n dt h ef u n c t i o no ft h ec u t t e ra n t i i n t e r f e r e n c em i l l i n gw e r e e s t a b l i s h e d ，t h ep o w e r , s p e e da n dm i l l i n gd e p t ha n do t h e rp a r a m e t e r so ft h em i l l i n g m a c h i n ew e r ea n a l y s e da n dr e s o l v e d b e s i d e s ，w i t ht h eu s eo fm a t l a bs i m u l a t i o n ， t h ec h a r a c t e r i s t i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es p e e da n dt h em i l l i n gd e p t hh a s b ee d u c e d ， r e s p e c t i v e l y w h i l eu n d e rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ec u t t e rm i l l i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l o fo p t i m i z a t i o n ，t h et o o lp a r a m e t e r sa n dm i l l i n gp a r a m e t e r sh a v e b eo p t i m i z e d m o d e m d e s i g nm e t h o do ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n do p t i m i z a t i o nd e s i g nu s e d i nt h em i l l i n gc u t t e rh a sam o r em a t u r er e f e r e n c e ，b u ti ti sn o tp e r f e c t ，t h ep a p e rb y u s i n gn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h em i l l i n go ft h ec u t t e ri ss t u d i e d ，i t s p r o v i d i n gag u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to f m i l l i n gt o o li nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：r o a dm i l l i n gm a c h i n e ；n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； a n s y s ；l s - d y n a ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n 路面铣刨机刀具的力学分析和优化设计 1 绪论 1 1 选题背景 随着国民经济的不断发展，人均汽车拥有量的不断增加，我国对于高速公路 的发展需求也在不断的增加，交通运输在国民经济和社会发展中的作用越来越明 显。高速公路的迅速发展不但有效促进我国经济的快速发展，而且促进了各个地 区之间的紧密连接，为普通百姓的方便出行提供了便利的条件n 1 。2 1 世纪，我国 高速公路建设的前景是辉煌的。全国有一半以上的省份高速公路里程超过2 5 0 万 公里，“十二五”时期，继续推进国家高速公路网、国家区域发展战略确定的高速 公路以及省际连接线高速公路建设，加快重要高速公路通道扩容改造建设，争取 在2 0 1 5 年使国家高速公路网全部建成，届时通车里程达将达到5 0 0 万公里乜】。 在这种形势下，公路养护工作也变得日益繁重。目前我国的大部分地区的公 路养护作业基本上维持在2 0 世纪六七十年代的水平，作业方式落后，跟不上现 在公路的高速发展，给公路养护带来较高的考验，所以公路养护实行机械化是必 然的趋势。因此，高质量快速的路面养护作业成为公路交通行业关注和研究的重 要课题。路面铣刨机，作为养护设备中最基本和最主要的设备，这一养护机械专 家的开发，为路面养护事业的发展带来了一片新天地。路面铣刨机是集合了机械、 材料、液压、传感、计算机应用等许多技术领域的现代化路面养护机械口1 。它的 发展对路面的养护来说可谓是雨后甘霖。 欧美及日本等发达国家的高速公路起步，较早养护技术以及与之匹配的养护 设备也比较完善，并不断推陈出新，但国内高速公路的养护机械与之相比，相形 见绌。国内有一些机械设备制造厂家靠引进技术和自主开发养护设备，但技术性 能始终是落后于发达国家。从我国高等级公路修建施工的特点来看，十年前修建 的高速公路，已经开始普遍进入维修、翻新、扩建期，路面的铣刨施工和大量废 料再生利用问题已经迫在眉睫，这为铣刨机在国内的发展提供了广阔的发展前景 与市场，于是我国在引进使用国外产品的同时，应该逐步建立起自己的路面铣刨 机研制和生产系统，使得国内铣刨机也快速的运用于高速公路的机械养护作业中， 铣刨机即将大显身手，迎来蓬勃发展的春天 6 】。 中南林业科技大学2 0 1 2 届1 二学硕：f ：研究生毕业论文 1 2 路面铣刨机刀具的研究现状 铣刨刀具是铣刨机完成路面铣削的执行元件，其力学性能的的优劣、使用寿 命的长短及制造成本的高低，直接影响到路面养护施工企业的生产效率和经济效 益。提高铣刨鼓刀具的技术水平及质量，也就有效地提高了铣刨机产品的市场竞 争力。 图1 2 铣刨鼓 f i g 1 2m i l l i n gd r u m 国外铣刨机经过几十年的研究和实践，技术已十分成熟，特别是对铣刨刀具 材料的研究、刀具形状、结构没计、刀具的空间排布、铣刨速度与深度的合理匹 配的研究等，都有一定的理论基础和实践应用，积累了相当丰富的经验。针对不 同路面材料、不同路面等级和不同铣刨要求( 粗铣或精铣) ，都有不同铣刨鼓和刀 具与之相适应口引。 首先在理论研方面： 1 ) 俄国瓦拉达斯维尔在分析研究刀具与路面相互作用的物理机理时，得出路 面沥青混凝土的种类、介质温度、切削角、刀具的铣削状况、机器铣削宽度、铣 刨深度、单刀铣削厚度及铣刨速度等参数是影响刀具铣削路面材料性能的主要因 素，并提出刀具的选择不但要考虑铣削路面的效率，还需考虑刀具的寿命。 2 ) 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 了铣刨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，分析了铣刨过程中刀具切入、形成冲击和抛掷举升搬移等三个不同 路面铣刨机刀具的力学分析和优化1 5 2 计 阶段工作阻力形成的不同机理。 3 ) 一些铣刨机生产厂家在大量试验的基础上得出铣刨机工作速度与铣刨深度 的关系特性曲线，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 刀具刀尖的线速度限制在4 m s - - 一5 m s ，若超过此限制，则刀具磨损加剧，铣刨鼓 刀具铣削冲击阻力也增大。 其次实际生产应用方面： 国外一些大公司，比如德国w r i t g e n 、美国k e n n a m e t a l 等公司对铣刨滚 筒刀具布置、铣刨刀头、刀座的受力及材料都进行了深入研究。德国w i r t g e n 一 直是世界上最成功的铣刨机厂家，引领着铣刨机发展的潮流。其公司独自开发的 刀具系统也是当今世界无可比拟的。其公司推出快速更换刀具系统这一项专利， 为刀具、刀座更换带来的极人的便利，不仅大大的减少换刀时间，而且极大的提 高了机器的施工效率。美国k e n n a m e t a l 公司在1 9 7 8 年即开发生产出了第一 代铣刨机专用的铣刨鼓和刀具，可以适用于不同路面的开挖、铣刨b 5 叫。经过几 代产品的不断更新发展，如今其公司的刀具已形成系列化，并成为市场上的佼佼 者，也被大多国内铣刨机厂家所引用。 此外，国外刀具还具有以下特点：采用钨钛钴硬质合金的刀头延长了其使用 寿命；旋转式自磨削结构使刀具磨损均匀，同样可延长其寿命；刀具排列的优化 设计使铣刨鼓的运转比较平稳等特点。 国内对铣刨机的设计、研究和生产起步较晚，铣刨过程的理论研究和试验基 础较为薄弱，尤其是对刀具的结构形状、刀具排列布置和刀具参数的优化匹配等， 技术理论和实际经验并不十分成熟。国内大部分铣刨机厂家还是直接采用了德国 w i r t g e n 公司或美国k e n n a m e t a l 公司的铣刨鼓和刀座及刀具。但从铣刨机初 入国内市场开始，便有少数厂家开始并一直着力研究铣刨鼓及其刀具，并自行设 计和制造，尽管基本上处于对国外产品的模仿阶段，刀具性能与国外产品相比也 还存在很大差距，但国内刀具研究水平还是与日俱增，取得了令人欣喜的进展。 首先在理论研究方面： 国内大批研究人员经过试验累积，对刀具的理论也提出了突出性的进展。诸 如： 1 ) 王瑞霞对铣刨滚筒上的刀具布置进行了理论分析，得出铣刨宽度l 与螺旋 头数k ，是取得最小滚筒直径、最少刀头数、最少功率消耗、而且是保证路面铣 削质量的重要因素引； 2 ) 齐晓杰等人通过对沥青路l 面铣削刀具材料性能的研究，分析沥青路面材料 中南林业科技大学2 0 12 届工学硕：l ：研究生毕业论文 性能、铣削刀具的结构与工作方式及刀具材料的失效机理，从提高刀具性能角度 得研究了提高沥青路面铣削刀具使用寿命的具体措施“毛1 ； 3 ) 赵月罗等人对路面铣刨机铣削作业时的铣刨刀头进行了力学分析，建立了 铣刨刀具圆周力的数学模型。从设计变量的选取、目标函数和约束条件的确定等 方面阐述了运用m a t l a b 软件对铣刨刀具部分参数进行优化设计h 引； 4 ) 章水清等人分别从刀具布置方法、刀具安装角度以及抛料板的安装等几个 方面分析了刀具布置中的相关参数，并提出了独到的理论见解h 6 j7 1 ； 5 ) 刘杰辉等人以卧底机铣刨转子为例，运用a n s y s 对铣刨刀具进行了铣 削状态模拟分析，对刀具受力状态进行了仿真h 引。 其次在实际应用方面： 孙旭光等人从国内外对铣刨轮刀具的参数研究资料入手，建立铣刨轮工作状 态的数学模型并导出刀具参数对切削功率的公式，并理论结合实际，对徐工铣刨 鼓刀具参数进行了优化设计并取得可观的成果。同时为保证铣刨轮刀具参数而与 企业联合研制出生产铣刨机铣刨鼓刀具的专机，该专机采用了计算机控制系统， 是国内同行业第一台先进设备，填补了国内同行业的一项技术空白n 0 1 。 中联重科铣刨机发明的防干涉铣削装置，有效缓解刀具磨损的问题，使得国 产铣刨机性能方面更上一层楼，现如今中联重科也开始着手开始与永配得公司合 作开发自己的铣刨鼓及其刀具。 同时，国产铣刨刀具在的使用性能上做出了大量改进，对刀具材料、焊接工 艺及热处理工艺几方面进行专门研究，如增加刀体材料的耐磨性，提高合金化程 度，通过热处理来提高刀体的硬度，对刀体表面强化来提高刀具的耐用性、耐磨 性和和抗冲击性等。 综上所述，国内铣刨机不仅要保持现在发展状况，还应该克服如对刀具的理 论知识经验的欠缺，克服对刀具采用高端的仿真软件进行优化的技术与平台，实 验的欠缺等不足。同时采用现代设计方法对刀具排列、刀具受力分析、刀具偏磨、 排料效果、刀具不合理消耗等问题的改善，在总体上突破创新的局势，逐步实现 铣刨刀具的高质量、高产能及完全国产化h 钆删。 1 3 论文研究的目的和意义 研究的目的和意义：国产铣刨机主要是以欧洲产品为蓝本，对其进行仿制和 借鉴。而铣刨鼓的铣刨刀具基本上是直接采用美国公司或德国公司的产品。目前， 国内部分厂家也开始着手对铣刨刀具的研究，主要以提升铣刨系统刀具的使用寿 4 路面铣刨机刀具的力学分析和优化改计 命为目标，优化铣刨系统结构及参数，科学排列刀具，刀具受力分析，减少刀具 偏磨，改善排料，解决刀具不合理消耗等问题，但采用的基本上是传统的设计方 法，主要还是对国外刀具参数分析，由试验、测试和经验总结进行的优化，总体 上还没有走出突破创新的局势。铣刨刀具的铣削性能与刀具参数对铣刨机的施工 起决定性的作用。其质量及技术水平的好坏直接关系到铣刨机的使用成本，用户 满意度，关系到国内铣刨机的品牌信誉。提高铣刨鼓刀具的技术水平及质量，也 就有效地提高了铣刨机产品的市场竞争力，可有效促进国内铣刨机的快速发展。 因此，本文通过对铣刨鼓刀具受力及刀具参数进行分析和研究利用现代设计方 法建立合理的力学模型，同时对刀具入地角，安装角，刀具铣削参数，刀具磨损 等参数的优化设计。此外，本论文为公司铣刨机生产设计提供理论依据和指导， 加快了公司对铣刨机的优化创新，同时对增强国产铣刨机规模化、系统化及智能 化，提高市场竞争能力等方面具有一定的推动意义。 1 4 论文的主要内容 本论文主要研究的内容： 本文以路面铣刨机铣刨刀具为研究对象结合国内外技术的研究现状，采用 现代设计方法，从刀具布置，刀具安装、刀具运动、刀具受力、作业参数匹配、 刀具磨损等方面进行分析论述，主要内容有： 1 ) 分析路面铣刨机的研究现状、工作特点等，介绍路面铣刨机类型、结构、 铣刨刀具组成等： 2 ) 对铣刨机刀具设计与刀具布置进行分析。分析影响刀具设计的参数，刀具 排列方式，刀具螺旋角和安装角等参数： 3 ) 利用非线性有限元对刀具受力进行受力分析，利用l s d y n a 与a n s y s 结合软件对单个刀具侵彻路面进行受力分析与仿真，并得出刀具一路面材料在铣削 过程中的应力和变形分布图，同时根据刀具受力分布情况为选择刀具和发动机提 供参照： 4 ) 根据铣刨机刀具防干涉理论及各系统功率的匹配关系，对铣刨机功率、工 作速度和铣刨深度等参数进行了分析求解，并利用m a t l a b 进行仿真，分别得 出工作速度与铣刨深度的特征关系，确定铣刨速度与深度的合理匹配； 5 ) 根据铣削阻力建立刀具铣刨的优化数学模型，运用m a l l a b 软件对刀具 参数和铣削参数进行优化分析设计，得到刀具参数和铣削参数的优化组合。 5 中南林业科技人学2 0 1 2 届t 学颂：j ：研究生毕业论文 2 路面铣刨机铣刨刀具总成 铣刨刀具是路面铣刨机工作的核心部分，刀具的工作性能状况直接影响着铣 刨机的作业质量。由于刀具的工作环境恶劣、受力情况复杂，在工作过程巾会出 现剧烈磨损、疲劳破坏甚至刀头崩断、脱落、刀杆折断等现象。因此刀具结构、 刀具安装、刀具的空间排布参数都是影响刀具工作性能和寿命的重要因素哺。 2 1 铣刨系统简介 铣刨系统是路面铣刨机的主要工作部分。它由铣刨鼓机架、铣刨鼓总成、左 右浮动边板、尾门刮料板、防板块装置等组成。 铣刨鼓总成主要由铣刨鼓( 铣刨转子) 、减速器、联轴器、皮带轮、铣刨鼓支 撑等组成，如图2 1 。 - - 州橛 强p ” f 奠商 图2 1 铣刨鼓总成 f i g 2 1t h eg r o u po fm i l l i n gd r u m 铣刨鼓( 铣刨转子) 是路面铣刨机的主要工作部分，它由铣刨滚筒、铣刨刀 6 孰爹， 路- 匾铣刨机刀具的力学分析和优化设计 具总成和抛料板组成，如图2 1 。铣刨转子可分为固定宽度和可变宽度两种瞄引： 1 ) 固定宽度是指铣刨鼓的宽度是定值，目前大部分铣刨机厂家开发的铣刨机 其铣刨鼓宽度均为固定值； 2 ) 可变宽度是指铣刨鼓的宽度设计成有级可调的，一般是在铣刨鼓上装可拆 卸铣刨瓦，通过拆装铣刨瓦来调整铣刨宽度。还有的铣刨鼓被设计成可在一定范 围内无级调节铣刨宽度。拥有这种可变宽度的铣刨系统后，一台铣刨机可以铣刨 出多种不同的宽度规格的路面，这就相当于多台铣刨机在施工，大大提高了及其 的经济型。但目前只有德国维特根独家拥有这种通用铣刨系统，国内方面还没有 厂家在这方面开发研制。 2 2 铣刨刀具的结构 铣刨刀具的刀头为子弹形结构，它由刀尖和刀体两部分焊接而成，刀头由高 硬度、高耐磨的硬质粉末冶金制作，刀体用优质合金钢制作，一般铣刨刀头焊接 后再做特殊的强化处理。刀头工作时直接与路面摩擦，为使其磨损均匀，刀头在 刀座中要能自由旋转，刀头为铣刨机的主要消耗件。铣刨转筒上焊有k ( 一般取2 、 3 、4 ) 条左右对称的螺旋线刀座，螺旋线方向能保证铣削时将铣刨出的散料推向滚 筒轴的中间，以利于抛料板将堆积的散料抛向集料皮带。 2 2 1 刀具总成 2 2 1 1 铣刨刀具 铣刨刀具总成有两大部分构成：刀头部分和刀座部分。刀头部分一般由刀尖、 刀体、护圈( 耐磨垫片) 及弹性卡套等组成，如图2 2 所示。刀尖呈子弹头结构， 其材料一般由高硬度、高耐磨的硬质合金材料组成。刀体的材料大多为中碳合金 结构钢或优质合金钢。一般刀头焊接在刀体上后，需再做特殊强化处理。由于刀 头工作时直接与地面接触，为使其磨损均匀，刀体把柄外部应装有弹性卡套，使 得刀柄能够在刀座内旋转。垫片的作用是减小刀尖与刀座之间的磨损。 7 中南林业科技大学2 0 12 届工学顾i ：硼f 究生毕业论文 刀尖 一一刀体 护圈 。1 耐磨垫片) 一“”m ” i 弹性卡套 i 爹 ；。 蒸岛 净 。 图2 2 刀具组成 f i g 2 2c u t t e r 2 2 1 2 刀座部分 铣刨刀具刀座可分为：刀座、活动刀座、基座。基座又分为两种：刀具基座 与带销孔基座。刀具基座自行带有两个定位销孔，刀具基座与带销孔基座一般匹 用在一起且通过定位销连接。刀具刀座的配备方式常见的有两种：一种是刀具只 有一个刀座和一个带销孔基座：另一种是刀具有三个刀座，分别为可拆刀座或活 动刀座、刀具基座和带销孔基座。由此可以将刀具总成的方式分为三种：1 ) 焊接 式刀具；2 ) 可拆式刀具；3 ) 快换式刀具。 1 ) 焊接式刀具 如图2 3 所示，该种刀具方式只有一个刀具刀座( 也称固定刀座) ，另外配备 一个带销孔基座。带销孔基座是指基座上带有两个销孔畸引。 该种形式刀具总成为刀头装在刀座内，固定刀座与带销孔基座通过定位销相连接 并焊接固定，带销孔基座焊接在铣刨鼓上，带销孔基座的销孔使刀座与基座能够 相互定位。当刀座磨损严重时，可将刀座切除，重新焊上新的刀座，带销孔基座 一般不容易损坏。其优点是结构简单，制造成本低等；缺点是刀座小，更换周期 短，更换费事费力，重新定位基准较低。该种刀具方式一般用在小型铣刨机上， 如o 5 m 或者l m 机型。 一 路面铣刨机刀具的力学分析和优化设计 弓紫 带销孔基 一夕座1 刚懂 爹 固定刀座 - t j 具总成 图2 3 焊接式刀具总成 f i g 2 3w e l d i n gc u t t e r 2 ) 可拆式刀具 如图2 4 所示，与焊接式的固定刀座不同，该种刀具连接方式增加一个可拆 刀座。刀具安装在可拆刀座内，然后将可拆刀座通过楔安插在刀具基座内，并用 螺栓对其进行紧固。同理刀具基座与带销孔基座通过定位销连接并且焊接固定， 然后一起焊接在铣刨鼓上。当可拆刀座磨损较为严重时，可以将可拆刀座敲打出 来，重新换上新的刀座。此种刀具安装方式的优点是可以较快更换刀座，制造成 本较为经济；缺点是可拆刀座与刀具基座楔紧固方式不牢靠，容易出现折断故障。 可拆式刀具安装方式在市场上运用较为少见，国外有几家公司铣刨机采用的是此 种安装方式，国内较为鲜见。 g盹拶 g 艇 憾 lh 图2 4 可拆式刀具总成 f i g 2 4k n o c k - d o w nc u t t e r 上述可拆式刀具安装属于横插式，其还有另一种安装形式：竖插式。见图2 5 。 9 拿 中南林业科技人学2 0 1 2 届t 学坝i j 研，誓b 毕业论义 斜雾 尹。1 舌鼹廖 带销孔基廑 l j 刀具总成 心整 图2 6 快换式川具总成 f i g 2 6r a p i d - c h a n g i n gc u t t e r l ( j 路面铣刨机刀具的力学分析和优化设计 2 2 2 刀具基本结构参数 1 ) 刀尖角 路面铣刨机的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，叫做刀尖角嘲5 7 1 。在铣刨机作业过程中，刀具刀头要承受 巨大的切削阻力和冲击。刀尖角过大，使得刀具切削阻力增大，影响铣削效果； 反之，刀尖角过小，则会造成刀具强度不足，如刀头折断等。通常子弹形刀头常 采用9 0 。锥角。 2 ) 刀头圆角直径 刀头圆角直径范围：2 m m - 1 0 m m ： 3 ) 出刀长度 出刀长度是指铣刨刀具刀尖与刀座之间的长度，即刀头裸露在刀座外面的长 度。出刀长度的选择是以铣刨过程中避免直接磨损刀座为原则，是刀具设计与选 型的一项重要参考因素隅刖。出刀长度将在第3 章详细说明。 4 ) 市场上几种知名刀具厂家 市场上主要生产刀具的厂家有：国外有德国维特根w r i t g e n 、美国肯纳麦特 k e n n a m e t a l 、瑞典戴纳派克d y n a p a c 等；国内有台湾永配得马鞍山诺基等。 5 ) 铣刨鼓上刀具分类 铣刨鼓刀具按功能可主刀、边刀和立刀。关于主刀、边刀和立刀的布置与安 装将在下一章节中阐述。 2 3 铣刨刀具布置 铣刨刀具采用何种方式布置在铣刨鼓上是决定铣刨机铣刨性能的关键因素。 刀具排列的方式是由螺旋升角、螺旋头数、铣刨宽度、刀具在铣刨鼓上的直径、 刀具轴向间距和刀座体积等众多参数决定。 2 3 1 刀具布置原则 铣刨刀具按照螺旋线方式均匀排列在铣刨鼓上面，为了保证刀具布置具有使 刀具有较小的力切入地面和对铣刨料粒有聚拢回收的功能，刀具排列应满足下列 要求5 引： 1 ) 刀具沿铣刨鼓圆周方向均匀布置。即相邻刀具在圆周上的投影间距( 周向 间距) 相等： 2 ) 刀具沿铣刨鼓宽度方向均匀布置。即铣刨鼓两相邻截面上刀具间距( 刀具 中南林业科技人学2 0 12 届t 学硕 ：研究生毕业论文 轴向间距) 相等； 3 ) 刀具排列应以铣刨鼓轴线的中垂面为中心成对称状态。即刀尖分布按左右 对称原则，双螺旋线对称排列。铣削时，当左边刀头铣完，下一个即为右边对称 的刀头铣削，这样使得铣刨鼓受力均匀； 4 ) 铣刨鼓上瞬时切入路面的刀具数量应为一把，以保证瞬时切削的冲击阻力 最小，深度上可以同时有两把或三把刀铣削： 5 ) 选择一个最佳的螺旋升角。合理的螺旋角能保证刀具铣削平稳并或得最佳 排料或集料效果。 2 3 2 刀具布置参数确定 1 ) 螺旋升角 螺旋升角是指刀具排列位置线展开与铣刨鼓滚筒母线的夹角。如下图2 7 ，1 3 为螺旋升角。 选择一个理想的螺旋升角对铣刨机的功率、刀具铣削的稳定性和物料回收具有 极其重要的意义旧3 。 由 引入插值函数一 求解位 移一 得到场函数。 有限元法的主要优点有： 1 ) 物理概念清晰，容易理解与掌握。有限元方法以简化的角度出发，使初学 者对于力学能够入门容易。对有限元法的理解可拓展了多种方法方式，比如可以 通过简单明了的结构力学方法着手，也可以通过虚功原理方面进行了解，还可以 通过变分原理建立基于严格的数学分析的理论。 2 ) 有限元法的适用性与灵活性非常强，应用范围也十分广泛。它不仅能成功 路面铣刨机刀具的力学分析和优化设计 的处理线性力学、弹性力学问题、非均质材料、各向异性材料、非线性应力应变 关系、大变小问题、动力学问题以及复杂非线性边界条件等一系列问题，而且还 能用来求解如热传导、流体力学、电磁场等领域的各类线性、非线性问题。简而 言之，能够用偏微分方程表示的问题，都可以用有限单元法来求解，因此它可以 适用于求解所有的连续介质和场问题。 3 ) 有限元法采用矩阵型式表达，便于编制计算机程序。这样不仅可以充分利 用高速电子计算机所提供的方便，使问题得以快速求解，而且可以求解问题的方 法规范化、软件商业化，为有限元法推广和应用奠定了良好的基础。 3 3 2l s - d y n a 非线性有限元分析 非线性分析是指载荷与位移之间的关系已经不是直线，而是曲线关系。材料 非线性是指材料的应力一应变是非线性的。 l s d y n a 是一个通用显式非线性动力分析有限元程序。是世界上最著名的 通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种 二维、三维线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题【8 4 , 8 5 】。 l s d y n a 3 d 软件是功能齐全的几何非线性( 大位移、大转动、大应变) 、材 料非线性( 1 4 0 多种材料动态模型) 以及摩擦和接触分离等界面状态非线性有限 元数值计算程序。它以l a n g r a n g e 算法为主，兼有a l e 和e u l e r 算法：以显式求 解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流固耦合功能；以 非线性动力分析为主，兼有静力分析功能( 如动力分析前的预应力计算和薄板冲 压成型后的回弹计算) ；是军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元程序。 l s d y n a 在全球拥有1 0 0 0 多家用户，遍布世界各国的研究机构、大学和工业部 门，在航空航天、汽车、国防、石油、核工业、电子、船舶、建筑、体育器材等 领域中均获得广泛应用。凡是涉及接触碰撞、爆炸、穿甲与侵彻、应力波传播、 金属加工、流固耦合等问题，l s d y n a 都可以进行求解。 3 3 3a n s y s l s d y n a 3 d 联合建模 虽然l s d y n a 3 d 具有强大的计算功能，但其前期处理功能相对较差。1 9 9 7 年美国的a n s y s 公司购买了l s d y n a 3 d 的使用权，形成了a n s y s l s d y n a 软件，弥补了上述不足。但是l s d y n a 3 d 的一些功能不能从a n s y s l s d y n a 中直接使用，所以通常的做法是使用联合建模求解技术。本论文将使用 a n s y s l s d y n a 3 d 联合建模求解技术来分析铣刨刀具刀头的受力分析。 使用a n s y s 建立铣刨鼓及刀具模型，然后对其进行划分有限元网格，并由 2 9 中南林业科技大学2 0 1 2 届工学硕i ：研究生毕业论文 a n s y s 生成l s d y n a 3 d 使用的关键字输入文件( 文本格式) ，对该文件进行修 改、增加或删除部分控制参数语句后，交由l s d y n a 3 d 软件进行数值计算。计 算结束后，采用a n s y s 的后处理功能。 通过a n s y s 建立三维模型之后，运用a n s y s l s d y n a 3 d 对刀具受力分析 的步骤如下： ( 1 ) l s d y n a 的单元特性及定义 ( 2 ) l s d y n a 材料模型及其选用 ( 3 ) 建立几何实体模型 ( 4 ) 建立有限元模型 ( 5 ) l s d 、y n a 的接触及其定义 ( 6 ) 载荷、初始条件和约束 ( 7 ) 求解与求解控制 ( 8 ) a n s y s l s d y n a 后处理 3 3 4 刀具铣削a n s y s l s d y n a 分析 在3 3 2 与3 3 3 小节已经讲述的a n s y s l s d y n a 基本原理与方法，在此 不作重复。铣刨刀具铣削路面材料的过程，类似于弹丸侵彻靶板的过程。本节将 应用a n s y s l s d y n a 对刀头切削路面进行模拟仿真及力学分析【8 5 1 。 1 ) 定义单元的类型 选择m a i nm e n u p r e p r o c e s s o 卜- e l e m e i l tt y p e - - - a d d e d i t d e l e t e 命令，在弹 出的e l e m e n tt y p e 对话框中选取单元类型。在弹出的l i b r a r yo fe l e m e n tt y p e s 对 话框中选择3 ds o l i d1 6 4 实体单元，然后再e l e m e n tt y p er e f e r e n c en u m b e r 文本框 中输入2 ，最后单击o k 即完成s o l i d i 6 4 实体单元的定义。 选择单元类型以后，还需对单元算法进行设置。在e l e m e n tt y p e s 对话框中， 单击o p t i o n s 按钮，弹出的s o l i d l 6 4e l e m e n tt y p eo p t i o n s 对话框，在该对话框的 s o l i de l e m e n tf o r m u l a t i o n 选项行中选择c o n s t s t r e e ( d e f ) ，在m a t e r i a lc o n t i n u u m 选项行中选择l a g r a n g i a n ，最后单击o k 即完成对单元算法的定义。 2 ) 定义材料模型 本设计中分析的对象材料并不统一，因此需要分开定义。刀头材料为硬质合 金钢，属于刚性材料模型，路面材料为沥青混凝土或水泥混凝土，属于弹塑性材 料模型。 ( 1 ) 定义刀具的材料模型： 3 0 选择m a i nm e n u - - p r e p r o c e s s o r - - m a t e r i a lp r o p s - - m a t e r i a lm o d e l s 命令，在 d e f i n em a t e r i a lm o d e l b e h a v i o r 对话框巾选择相应的材料类型：r i g i dm a t e r i a l ，如 图4 1 1 。然后在r i g i dp r o p e r t i e sf o rm a t e r i a ln u m b e r2 对话框r f l 输入卡h 应的参数， 在下方的自由度栏内选择无限制n oc o n s t r a i n t s ，最后单击o k 即可完成刀头材料 模型的定义。 ( 2 ) 定义混凝土的模型： 在d e f i n em a t e r i a lm o d e lb e h a v i o r 对话框r f l 单击m a t e r i a l - - n e wm a t e r i a l 命 令，在弹出的d e f i n em a t e r i a li d 对话框巾单击o k 按钮确定默认材料参考号的定 义，然后在d e f i n em a t e r i a lm o d e lb e h a v i o r 对话框右侧的m a t e r i a lm o d e l s a v a i l a b l e 中选择p l a c t i ck i n e m a t i c 材料模型，依次输入材料参数，单击o k 结束， 即完成对路面材料模型的定义。 3 ) 建立实体模型 由于刀头和路面材料均可看作是对称结构，因此为了在分析中节省计算空间 取整个模型的二分之一进行模拟计算。 ( 1 ) 首先建立刀具的模型 选择m a i nm e n