（机械设计及理论专业论文）沥青路面隆声带铣刨机工作过程的动力学研究.pdf

摘要 本论文在前人研究普通铣刨机的基础上，对隆声带铣刨装置工作过程的运动学和动 力学进行分析。这些将为隆声带铣刨装置的设计计算提供理论依据和技术支撑，为其投 入生产提供帮助，在理论和实践两个方面均具有一定的意义。 本文通过对典型隆声带铣刨装置的分析，就隆声带铣刨装置铣削路面的工作过程建 立运动学的数学模型及其主要运动参数的数学模型；最终建立了隆声带铣刨装置运动学 数学模型，通过该运动方程，顺利求出了刀尖的运动、速度、加速度等相关参数；并确 定了隆声带装置与隆声带之间一些主要尺寸的关系。 在运动学数学模型的基础上，结合前人对铣刨机动力学的研究，建立了隆声带铣戗 装置的动力学数学一物理模型。并运用m a t l a b 软件，对隆声带铣刨装置在工作过程中 的运动学以及动力学进行仿真，并就仿真结果进行具体分析，确定了该装置的一些主要 尺寸，求出了轴心运动轨迹、刀尖运动轨迹、速度和加速度等运动学图形，最后分析了 刀尖的受力情况。 关键词：隆声带铣刨装置运动学动力学仿真 a b s t r a c t b a s e d0 1 1t h er e s u l t sf r o mt h es t u d i e so ft h ec o l dm i l l i n gm a c h i n eb yo u rp r e d e c e s s o r s , t h i sp a p e r a n a l y s i st h ek i n e m a t i c sa n dk i n e t i co f t h er u m b l es t r i pe q u i p m e n ti ni t sw o r k i n gp r o c e s s ，w h i c hh e l p su so n t h e o r ya n dt e c h n i q u et ot h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g0 f 恤r u m b l es t r i pe q u i p m e n tw i t hs i g n l i t yi nt h e o r y a n dp r a c t i c e b yt h ea n a l y s i so nt h et y p i c a lr u m b l es t r i pe q u i p m e n t ，t h i sp a p e rs e t su pt h ek i n e m a t i c sm o d e lo ft h e m a t h e m a t i c a la n di t sm a i nm o d e lo ft h ep a r a m e t e r s ，a n ds e t su pt h ek i n e m a t i c sm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e r u m b l es t r i pe q u i p m e n ti ni bw o r k i n gp r o c e s s b a s e do nt h i sk i n e t i ce q u a t i o n , i ts u c c e s s f u l l ye l i c i t st h e m o v e m e n t , s p e e d ，a c c e l e r a t i o n , a n do t h e rr e l e v a n tp a r a m e t e r so ft h es i n g l e - c u t t e r ，a n da s c e r t a i n st h e c o n n e c t i o nb e t w e e nt h er u m b l es t r i pe q u i p m e n ta n dt h er u m b l es t r i p b a s e do nt h ek i n e m a t i c sm o d e l ，c o m b i n i n gt h er e s u l t sf r o mt h es t u d i e so ft h ek i n e t i co nt h ec o l d m i l l i n gm a c h i n eb yo m p r e d e c e s s o r s ，i ts e t su pt h ek i n e t i cp h y s i c a lm o d e lo ft h er u m b l es t r i pe q u i p m e n t a n du s i n gt h es o f t w a r eo fm a t l a b ，s i m u l a t e st h ek i n e m a t i c sa n dk i n e t i co ft h er u m b l es t r i pe q u i p m e n ti n i t sw o r k i n gp r o c e s s a n dm a k e sac o n c r e t ea n a l y s i so ft h es i m u l a t i o n , e l i c i t st h eo r b i to fa x i sm o t i o n , t h e s i n g l e - c u t t e r o r b i t , t h ev e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o nm o t i o no r b i t ，a n da n a l y s i so f t h es i n g l e - c u t t e r f o r c e s k e y w o r d s ：r u m b l es t r i pe q u i p m e n t k i n e m a t i c sk i n e t i c s 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已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：妻亚p i 。f a 矿。子年月2 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。本入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) 论文作者签名；童五洲1 导师签名：诩小施 2 0 - og 年占月ze t 各一g 年6 月乙e t 长安大学硕士学位论文 1 1 课题提出的背景 1 1 1 隆声带及其施工方法 第一章绪论 隆声带源自英文 r u m b l es t r i p ”，见于1 9 9 4 年美国专利。路面隆声带的定义如下：路 面隆声带是在道路路肩上纵向铺设的条状物，它是由连续的凹型或凸型所组成。铺设隆 声带的目的是通过震荡方式和轰隆声音警示司机，提醒他们已经偏离了车行道；在个别 高速公路上，也可以在中间分隔线和车道外路肩上使用【1 1 。隆声带的分布和施工位置如 图1 1 所示，单个凹型槽是条状物，它的具体形状见图1 2 ，图中l 为凹型槽纵向长度， b 为凹型槽横向宽度，h 为凹型槽深度，s 为凹型槽间距。 b 图1 1 隆声带施工示意图 - 隆声带示意图 第一章绪论 b c b 凹型槽佣视图 c 凹型槽剖面图 图1 2 凹型槽示意图 目前隆声带的旆工方法主要有预成型和后加工型。预成型的条状形凹型隆声带，可 以在新铺路面时一次成型压出条状形凹型震荡槽，然后再用普通标线的施工方法涂划， 这种方法施工难度较大，尤其目前推行较为困难。后加工型则是使用特殊的铣刨机，主 要是在己成型的沥青混凝土路面切割出浅槽，形成凹型震荡隆声带。后加工的凹型震荡 槽具有不会塌陷，使用寿命长，即使在寒带路面除雪时也不会被破坏等多种优点。但是 凹型隆声带可能会含有少量积水和积尘。值得一提的是，后加工型隆声带受摘工时间限 制比较小，因而在施工的方便性、经济性和使用性方面，后加工型隆声带均有着不可取 代的优势，所以研究后加工型的隆声带铣刨装置就成为推广隆声带技术的关键。 2 隆声带施工技术与设备的发展趋势 现代交通高速发展，道路交通标线的安全和重要性被公路交通管理部门所重视，但 旧式道路标线的方便性、简单性匕上及经济性一直制约着新型的道路标线的推广。隆声带 作为一种新型的道路安全标线，它在使用方面的方便直观性和安全警示效果具有较大的 优势。因而如果隆声带施工技术能够得到完善，能够满足隆声带的施工需要，隆声带技术 将会得到较快的发展。 预成型的隆声带，可以在新铺路面时一次成型压出条状型凹型震荡槽，然后再用普 通标线的旌工方法涂划。但对于太规模的现有公路，预压成型隆声带施工方式的发展受 到了它本身施工特点的制约，难以在现有公路上推广使用。 后加工型形成隆声带的施工方式适用于现有公路。隆声带铣刨机械的关键技术是如 何实现铣刨鼓的上下周期性运动来满足各种隆声带标线的施工要求。采取一些更可行的 技术方案实现这项功能就是未来隆声带铣刨机械的改进方向。铣刨鼓运动学和动力学问 长安大学硕士学位论文 题以及多角轮的传动技术也需要进一步探讨。 国外在2 0 世纪8 0 年代开始使用路肩隆声带技术以有效降低事故的发生。近几年，我 国也有不少地方修建公路隆声带。例如，河南许昌引进国外设各对现有路面进行了施工 改造，浙江杭州引进德国掩工设备修建华东地区第一条绕城高速公路隆声带等。随着人 们对隆声带在道路交通安全方面作用认识的加深，我国隆声带技术和设各将会在较大范 围内推广和使用。 1 13 隆声带铣刨机械的发展状况 目前，国内外隆声带的施工是采用小型 隆声带铣刨机。但是就大规模生产而言，小 型隆声带铣刨机的作业效率难以满足要求。 小型隆声带铣刨机的铣刨部分采用普通铣 刨刀片，不能自动进行周期性切削，通常用 手工来实现凹型槽周期性的切削。小型隆声 带铣刨机主要有以下三种机型。 瑞士v o n a r x 公司生产的v a 3 0 s h 型隆声 带铣刨机。这种机器采用打磨铣刨刀片切削 凹型槽，刀片外形是圆形的，在边缘分布近 2 4 个金刚头。这项技术设备成本低，施工简 易。 河南天途2 0 0 6 年1 月公布其产品订- l s d i 凹型标线( 隆声带) 铣刨机。见图1 3 ， 该产品铣刨部分通过更换凹型标线槽专用 刀片进行水泥或沥青路面的凹型标线铣刨 作业。该产品可以直接在高速公路上刻出 紧急停车线、分道线外凹槽型标线，形成 隆声带；还可以进行普通开槽、刻缝等作业。 德 w r l r t g c n 公司生产一种拖式道路隆 声带铣刨装置。见图14 ，该装置采用液压图1 4 德国i r t g e n 公司隆声带铣刨机 第一章绪论 马达驱动六角轮旋转，从而使该装置在平移的同时还会产生上下运动。这种复合运动方 式可以使由液压马达驱动旋转的隆声带铣刨鼓在道路上铣削出按照一定规则排列的弧 形凹槽。它所铣削的弧形凹槽宽度和深度可以通过调节与六角轮相连的铣刨深度控制机 构来实现。在铣刨装置不工作时，通过提升机构可以将隆声带铣刨装置提起，避免对路 面破坏，也方便于工地转移和运输。 1 2 课题的提出 目前，我国隆声带技术仍处于刚起步阶段，所采用的设备都是从国外进口。国外在 2 0 世纪8 0 年代就已经开始广泛使用路肩隆声带技术以有效降低事故的发生。近几年， 虽然我国也有不少地方修建公路隆声带，但其施工设备一隆声带铣刨装置的发展却极其 缓慢。 传统的隆声带铣刨机械都是小型化的铣刨机，靠标线来逐条施工，加工效率很低。 新型隆声带铣刨装置的研究开发为隆声带的高效率施工提供可能，但国内仅仅存在少量 技术专利，还仍未付诸开发生产。产生目前困境的主要原因就是没有该装置系统的理论 根据和技术方法作为支撑。因而关于隆声带铣刨装置的运动学和动力学分析研究也就成 为一项课题。 1 3 课题的目的和意义 隆声带铣刨装置是一个复杂的机械系统，尤其它特殊的运动结构在整个机械行业中 也是非常典型的机构。从收集的文献来看，存在关于普通铣刨机的运动学和动力学方面 的研究，而对于这种加工隆声带的特殊装置，目前仅仅是一些相关的专利。本论文的目 的就是在前人研究普通铣刨机的基础上，从该装置的结构原理出发，为隆声带铣刨装置 的工作过程建立运动学和动力学理论。这些将为隆声带铣刨装置的技术发展提供理论依 据和技术支撑，为其投入生产提供帮助，在理论和实践两个方面均具有一定的意义。 4 长安大学硕士学位论文 1 4 隆声带铣刨装置技术的国内外研究现状 1 4 1 第一个隆声带铣刨装置专利的机构组成和作业原理 隆声带铣刨机从1 9 9 4 年它的第一个美国专利诞生到现在，技术已经有了很大发展。 其作业过程的主要表现为：一种是将隆声带铣刨机设定位置，通过上下调节铣刨鼓来铣 刨隆声带。这种类型的机械的前进通常依靠人力推动，因而作业效率较低，难以满足隆 声带大规模施工。另外一种隆声带铣刨机是由其它机械作为主机和动力源并在其拖动下 来作业。这类机械虽几经发展，但是其作业原理基本一样，即让铣刨鼓产生水平和垂直 方向的复合运动，通过这种运动可以铣刨出间隔一致排列规则的弧形凹槽。这类隆声带 铣刨装置的运动特点是：铣刨鼓除了做向前的水平运动，而且做上下的垂直运动，整体 是类似正弦波的周期运动。这种周期性的复合运动可以使加工出的隆声带尺寸和间隔尺 寸统一，容易满足设计要求，这是有别于普通铣刨机最大的特点。这类隆声带铣刨装置 的技术特点对切削隆声带而言具有明显的好处：可以随时施工，而不局限于路肩的施工 时间，简单方便，并且适合大规模隆声带的施工。 ，苎 1 9 9 4 年，美国专利【2 】发明了一种隆声带铣刨机械装置。该铣刨装置主要用于公路隆 声带施工。 图1 5 为隆声带铣刨装置的主要结构部分，该部分通过机架( 1 ) 与一个主体牵引车( 或 主机) 连接。图中的铣刨鼓( 2 ) 通过一个传动轴安装在机架( 1 ) 上，由驱动马达提供动力 实现旋转切削。实现切削隆声带的关键部位是附加机架( 6 ) 。它连接在机架( 1 ) 的心轴( 7 ) 上，而支撑轮( 5 ) 安装在附加的机架( 6 ) 上，它在旋转的过程中始终接触地面，起到支撑 和定位的作用。凸轮( 4 ) 也安装在附加机架( 6 ) 上，并且与隆声带铣削控制装置( 3 ) 相互连 接，凸轮( 4 ) 为被动轮。控制装置( 3 ) 可以通过螺栓调节铣刨深度。凸轮的旋转使机架( 1 ) 绕支撑轮( 5 ) 的心轴摆动，进而带动铣刨鼓( 2 ) 上下运动。也就是说装置在行进的过程中， 铣刨鼓有2 个状态，它处于较低位置时可以切削沥青公路表面，处于较高位置时，则被 抬起，停止切削。 5 第一章绪论 尚、弋 熊 ；八 机架2 、铣刨鼓3 、控制装置4 、凸轮5 、支撑轮6 、附加机架7 、机架心轴 圈1 5 隆声带铣刨机的结构示意图 1 42 隆声带铣刨装置的多角轮 传统的凸轮转动是靠地面的摩擦力和机架牵引力形成的力矩。这种结构的缺陷是， 当路面较光滑或者机架压力太大时，会造成凸轮转动困难而出现滑移，铣刨出的隆声带 纵向长度和凹槽间距不符合施工要求。采用液压马达驱动克服凸轮转动时的阻力矩。消 除凸轮转动过程中的滑移，凸轮形状由原来简单的凸轮结构发展到现在的六角轮或多 角轮的结构。取消了附加机架( 6 ) 和支撑轮( 5 ) ，演变成圈1 6 所示的结构。这就使隆声 带铣刨机能够铣刨出满足隆声带尺寸的要求，有效避免了铣刨过程中多角轮打滑导致凹 槽间距和长度不均匀等情况的发生。 闭 图1 6 拖挂式隆声带铣刨机装置示意图 通过多角轮行进中轮心的弧线起伏，铣刨鼓在水平方向铣刨时叠加一个上下直线运 动，铣刨过后的路面就形成了具有定长度的弧形凹槽。演变后的多角轮见图l7 ，该 多角轮周围上装有耐磨衬垫。耐磨衬垫的装配采用可拆卸式，在功能上不但能更换磨损 长i 大学碗+ 学位论立 的轮边，而且通过更换不同厚度型号的耐磨衬垫，达到改变六角轮的外圆周尺寸的目的 进而改变隆声带凹槽的间距。 图1 7 陆声带铣刨机的六角轮结构示意圉 该多角轮与隆声带铣刨机的机架直接相连，由主机为它提供驱动动力。因此，该类 型的隆声带铣刨机要配合一台能提供相应动力输出的牵引车才可以完成隆声带的切削。 多角轮有多个有间隔的平坦表面，当某边与地面完全接触时，铣刨鼓下降到最低点，切 出隆声带弧形槽的底部；随着车轮的转动，两个相邻边的交汇点触地，机架逐渐被提升， 同时把铣刨鼓从最低点逐渐抬出路面，铣刨鼓空转，直到多角轮角点立地，铣刨鼓上升 到最高点。通过下降和上升这个过程，铣刨鼓就可以切削一个长条形的弧形凹槽。然后 铣刨鼓下降，重复上下升降过程。铣刨鼓垂直运动和水平运动的复合运动使隆声带铣刨 机在路面上切削出凹槽形状大小一定、槽间距均等的隆声带。 14 3 隆声带铣刨装置的铣刨鼓 早期的隆声带铣刨机的铣刨鼓是固定的，这种设计只能使铣刨机沿着车流方向的一 侧作业，当同一个车道的另一侧需要加工隆声带时，这种铣刨机就只能逆车流方向行驶 才能作业，这给交通控制和安全带来了不便( 见图11 ) 。于是就出现了铣刨鼓被设计 成左右可以移动的隆声带铣刨机，这种隆声带铣刨机可以沿着车流的方向在公路的左右 两侧铣刨隆声带。 图1 8 所示的是可左右移动的铣刨鼓嗍，铣刨鼓( 1 ) 安装在连接有液压马达( 2 ) 驱动的 花键轴( 3 ) 上。铣刨鼓( 1 ) 可以在花键轴的两端左右移动。很显然，当该装置在公路右侧 作业时，需将铣刨鼓( 1 ) 固定在花键轴( 3 ) 的右侧。当该装置在公路左侧作业时，可以将 铣刨鼓( 1 ) 固定在花键轴( 3 ) 的左侧。这样可以保证机器在做业的过程中可以一直处于上 行状态，提高了作业效率和作业安全性。 第一章绪论 1 、铣刨鼓2 、液压马达3 、花键轴 图1 8 能够左右移动的铣刨鼓结构示意图 1 4 4 隆声带铣刨机械的性能参数 铣刨长度和铣刨深度是隆声带铣刨机的主要性能参数。目前没有制定专门针对隆声 带铣刨机械有关参数的技术手册，但是通过对国内外隆声带的作业要求进行研究，我们 可以得出有关隆声带铣刨机械的性能要求的一些参考。 从美国交通部高速公路管理局颁布的“公路路肩隆声带技术指导 t 5 0 4 0 3 5 t i j 中可以 得到一些参考。国外隆声带铣刨机的铣刨宽度从0 - 4 0 0 m m ，范围很广，这也是由所需 的隆声带的宽度决定的。因为在美国，很多州使用窄的隆声带( i p 3 0 0 m m 或更少) 。当 然，为了使一台机器能适应不同的铣刨宽度，隆声带铣刨机械的铣刨宽度被设计成可调 的。调查显示，铣刨深度约1 0 m m 的隆声带不但方便给机动车提供足够的警示，并且不 会给非机动车带来过度的危险。 在国内，通过在杭州市的普通公路和高速公路上试验，并参考国内、外设置路肩隆 声带的经验，从确保车辆行驶安全性、零部件可靠性、使用实效性和制作工艺性的角度， 研究人员提出了适用于我国高等级公路( 高速公路、一级公路、二级公路) 的路肩隆声带 合理结构参数的建议【5 1 。如表1 1 所示。 公路隆声带合理结构参数表1 1 公路等级凹槽深度h ( n m a )凹槽宽度b ( 咖)凹槽长度l ( 衄)凹槽间距s ( 唧) 高速公路 1 0 - 一1 44 0 01 6 0 - 2 2 03 0 0 - 4 0 0 一级公路 1 0 - 一1 23 0 0 1 5 0 一1 8 03 0 0 - 4 0 0 二级公路 8 - 1 03 0 0 1 4 0 - 一1 8 02 5 伊一3 5 0 注：表中h 、b 、l 、s 参见图1 2 8 长安大学硕士学位论文 1 5 论文的主要研究内容 目前虽然有少量文献对普通铣刨机的运动学和动力学进行研究讨论，但对于加工隆 声带的铣刨装置而言，目前能够收集到的材料仅仅是相关的一些专利。故本文在前人研 究普通铣刨机的运动学和动力学的基础上，对隆声带铣刨装置做以下研究工作： ( 1 ) 通过对某种典型的隆声带铣刨装置专利的分析，就隆声带铣刨装置铣削路面的工 作过程建立了运动学的数学模型及其主要运动参数的数学模型； ( 2 ) 在运动学数学模型的基础上，结合前人对铣刨机动力学的研究，建立了隆声带铣 刨装置的动力学数学一物理模型； ( 3 ) 运用m a t l a b 软件，对隆声带铣刨装置在工作过程的运动学以及动力学进行仿真， 并就仿真结果进行分析。 9 第二章隆声带铣刨装置的运动学分析 第二章隆声带铣刨装置的运动学分析 隆声带铣刨装置的运动学是描述安装在铣刨鼓上的铣削刀具在机具行驶与铣刨鼓 转动时的运动特征。欲弄清该工作装置在整个工作过程中运动变化规律，必须首先对刀 尖的运动学规律进行分析，这就是本章的主要研究内容。 21 隆声带铣刨装置的结构原理 本论文研究所选择的隆声带铣刨装置采用多角轮的结构。这种结构类型的隆声带铣 刨机可以高效率的铣刨出符合公路隆声带合理结构参数规定的条状凹槽，并且在过程中 可以有效避免多角轮打滑导致凹槽间距和长度不均匀等情况的发生。 图21 拖挂式隆声带铣刨机装置示意圈 该装置的工作原理是运用多角轮轴心的运行轨迹特征，致使行进中的铣刨鼓轮心弧 线上下起伏，进而使铣刨鼓在水平方向铣刨的过程中叠加一个上下直线运动，铣刨过后 的路面就形成了具有一定长度的弧形凹槽。 图2l 是其结构示意图。该多角轮与隆声带铣刨机的机架直接相连，由主机为它提 供驱动动力。因此，这种类型的隆声带铣刨机要配合一台能提供相应动力输出的牵引车 才可以完成隆声带的切削。多角轮有多个有间隔的平坦表面，当某边与地面完全接触时， 铣刨机下降到最低点，切出隆声带弧形槽的底部；随着车轮转动，两个相邻边的交汇点 触地，机架逐渐被提升，同时把铣刨鼓从最低点逐渐抬出路面，铣刨鼓空转，直到多角 轮角点立地，铣刨鼓上升到最高点。通过下降和上升这个过程，铣刨鼓就可以切削一个 长条形的弧形凹槽。然后铣刨鼓下降，重复上下升降过程。铣刨鼓垂直运动和水平运动 长安大学硕士学位论文 的复合运动使隆声带铣刨机在路面上切削出凹槽形状大小一定槽间距均等的隆声带。 2 2 隆声带铣刨装置铣刨鼓轴心的轨迹曲线特征 为了能够清楚的描述铣刨鼓轴心的运动轨迹，我们将隆声带铣刨装置的结构做如下 简化： 图2 2 拖挂式隆声带铣刨机装置结构简图 图中标注参数如下： ，i l _ n 角轮半径； ，：铣刨鼓半径； 三l 哪角轮轴中心o ，到拖车轴中心0 水平距离； 三2 铣刨鼓轴心0 2 到拖车轴中心0 水平距离； v 二拖车速度； t 0 11 角轮旋转角速度，随时间瞬时变化； 0 ) 2 一铣刨鼓旋转角速度； 其中幼在n 角轮前进一个周期丝内的大小由函数彩m c o s ( 三一p ，：v 确定。 行刀 为描述铣刨鼓轴心的运动轨迹，我们先做以下证明。不妨设0 1 点在最高点与最低点 在y 轴方向距离为d ，参考图2 3 。 则几何上有：d = ，1 一，1 c o s 一7 = r l ( 1 一c o s 马 第二章隆声带铣刨装置的运动学分析 再设o t 绕0 点所在水平直线为基准上下最大摆角为2 0 r 。 q 一一= = = 一一一一主 一一一j 图2 30 1 绕0 点所在水平直线为基准上下摆角2 口示意图 于是0 1 绕0 旋转的单方向最大角度口： h = a r c s 洫瓦f l ( 1 一c 。s 吾) ( 2 1 ) 由于，1 远小于厶，从几何上我们可以认为： c o s 口- 压面f 巧= i - - r l _ c o s v t ) ) 2 北 所以0 2 点在水平方向速度分量可看作与车架行进速度一致，大小为v ； 又可知0 1 和0 2 到0 的距离可看作分别是它们的投影三- 和工2 。 在如此设定下，我们可以顺利描述出在机架匀速运动时，铣刨鼓轴心在n 角轮旋 转带动时的运动轨迹。 不妨先讨论铣刨鼓轴心在n 角轮旋转一个周期丝内的运动轨迹。可以假设0 2 点起 始坐标为( o ，o ) 。设到达时间，时，n 角轮轴心在竖直方向移动距离为妙，又由于0 z 和0 2 到0 的距离可看作分别是它们的投影三- 和z ，则按投影定律，缈，和y 2 的表达式 可求： 长安大学硕士学位论文 如图2 4 所示， 于是时间t 时， 图2 4r l 角轮轴心纵向位移变化示意图 在时间t 时： a y l - ，1 c o s ( - x b l a t ) - r l c o s x _ 刀 。 刀 铣刨鼓轴心纵坐标由投影定律可得： 垆譬缈。 = c o s ( - x p l a t ) 一c o s 互】半 刀 。 刀l l 显然还有铣刨鼓轴心横坐标： x = v t 在一个周期内，铣刨鼓轴心的运动轨迹的方程为： x = v t 】，= c o s ( 吾一p - a t ) 一s 争等1刀 。 刀l 从而，可得轴心旋转的整个轨迹的参数方程： x = v t y = c o s ( ，c o 。衍一警缸譬一一s 予等 下面是n = 6 时，轴心运动的轨迹图。 且当有：x = o ，y = o x = 竺，y ：( 2 - , j 3 ) r , l 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( o ! 时，物体呈现弹性； 讲 r ( 3 4 ) ( 3 5 ) 当粤 旦，故可 讲 r 桔柱件佑简化丙i 卜诛樟型可简化如图33 所示 a 简化模型 b 口一占关系图 图3 3 沥青混凝土路面铣削破坏简化模型与口一s 关系图 当盯 厂时，模型呈现弹性，弹性模量为e ； 长安大学硕士学位论文 当仃 厂时，模型被破坏。 铣削刀具工作时，瞬间沥青路面被切削破坏，此时路面是个典型的弹塑性体，在结 束变形后立即进入破坏状态。 3 3 沥青路面的破坏机理 沥青路面在常温铣削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以下条件： f c + o t g p ( 3 6 ) 式中：f 一外荷作用时，在某一面上产生的剪应力； 盯一外荷产生的正应力； c 一沥青混合料的粘结力： 9 一沥青混合料的内摩阻力角； t ，9 汀而一 争 图3 4 摩尔厘力圆 从图3 4 可以看出： f ：l ( m - o 2 ) c 。s 9 盯= 圭( 仃t + 仃：) 一三( 盯t 一仃：) s i i l 矽 将式( 3 7 ) 和式( 3 8 ) 代入式( 3 6 ) 得： ( 3 7 ) ( 3 8 ) 第三章混凝土路面的破坏机理 志) 一1 ( o t - o 2 ) s i n 纠c - ! ! 竺一【仃1 一f m 瓤】t g 伊c 一一i 仃一f m 瓤l 矽s 【一 c o s 妒 当式( 3 9 ) 取大于或等号时，则产生剪切破坏。 3 4 高速切削与低速切削沥青混凝土路面材料机理的分析 ( 3 9 ) 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，路面的破坏机理不同。 对于子弹型铣刀而言，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。根据金属切削理论，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，其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，路面内应力也上升很快。当被切材料与刀 尖接触处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较低，所以拉 应力的作用结果将使这部分路面开裂成刃前裂口。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，由于材料抵抗力的增大，刀具对路面形成某种冲 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细 颗粒状的切屑。切削速度越低，切削的粒径越小，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很小， 此时，铣削下来的是大块径的材料。 综上，对于高速切削和低速切削，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，高速切削时以整块材料的撕裂和剪切 为主，但此时局部的剪应力较小【i l 】。 长安大学硕士学位论文 3 5 高速切削与低速切削沥青混凝土路面的阻力计算 图3 5 刀具工作阻力图 刀具工作阻力如图3 5 所示，f t 为刀具前方受压而产生的变形阻力，f z 为后刀面 与材料的摩擦阻力，f ，为前刀面与材料剪切阻力( 含侧面) ，凡为前刀面与材料的摩擦阻 力。在铣削开始的瞬间，属于低速铣削，这时以挤压变形为主，也就是f - 所产生的挤压 变形使得沥青路面被破坏。在后续的铣削过程中，属于高速铣削，此时沥青材料的破坏 就是小于f ，所产生的剪切变形破坏的。铣刨机的刀具在安装时一般取后角= 5 。左右， 而前角口一般取4 5 。5 0 。左右。此时综合阻力就最小，可以分别计算出【1 8 1 。 低速铣削下： f l f m i n s f 2 = i u f l s i n o t + f 3 ( 2 a - 2 p ) 】 f i t m j f 4 = 比f 3 ( 3 1 1 ) 高速铣削下： f i f m 如j f 2 = a f l s i n a + f 3 ( 2 口一2 p ) 】 f l ，m j n j f 4 = _ j u f 3 ( 3 1 2 ) 式中：一沥青混凝上与金属刀具摩擦因子； f 曲一沥青路面破坏的最小剪切应力； j 一沥青路面破坏剪切面积； 第四章隆声带铣刨装置的动力学分析 第四章隆声带铣刨装置的动力学分析 本章主要介绍了隆声带铣刨装置在路面工作过程的特点及工作阻力的形成和合理 划分；分析了静态和动态等工作阻力的形成机理以及影响因素：为下章的力学分析数学 模型打下基础。 4 1 隆声带铣刨装置工作过程中的特点 隆声带铣刨装置工作时，其工作装置铣刨鼓一般采用反转方式，其工作过程中的特 点如下： 1 刀具切削路面过程不是一个连续过程，而是一个间歇工作的周期性过程。这是 由隆声带的形状特点决定的。在这一间歇工作中，刀具的切削厚度理论上是周期性瞬时 变化的。因为切削阻力和切削厚度变化一致，也是从小到大，所以切削阻力在理论上也 是周期性瞬时变化的。 2 当刀具反转切削路面时，切削厚度是从大到小的周期性变化的函数。厚度由薄 到厚的周期性规律导致刀具在每一个周期内由于起始铣削的厚度较小，作业过程中切削 工作装置所受冲击负荷相对较小，伴随切削厚度增加，负荷逐渐加大，直到最高值，然 后逐渐降低。 3 由于切削过程是周期性断续进行的，而刀具的运动速度又比较高，因而刀具在 切削路面时，将由于切削深度很小( 大概1 0 m m 左右) ，因而动态平稳切削形成阻力， 而该阻力在总切削阻力中所占比例较大。 4 对于垂直方向的受力，路面切削部分的堑底对刀具在垂直方向的作用力先上后 下，其大小和方向与切削深度和路面材料强度有关。该力在作业初始段不利于刀具的切 入，在切削后期使刀具切削深度稳定性好。故铣刨鼓必须有一定的重量以保证吃刀正常。 5 铣刨鼓工作时，作用于铣刨鼓刀具水平方向的阻力与机器运动方向相反，从而 刀具水平阻力产生附加的牵引阻力，牵引功率消耗较大。 6 铣刨鼓转动时，刀刃的运动轨迹是一条曲率不断变化的周期性函数曲线，角及 法向力和切向力的方向时刻在变化。故刀具的切削力、法向力和切向力均随时间作瞬时 变化。 7 刀具在切削路面材料时，不仅合金刀头，而且刀体也挤压路面，承受的载荷较 大。由于在整个切削过程中发生剧烈磨损，刀具温度极易升高，必须注意冷却。 长安大学硕士学位论文 8 为了避免刀具的不均匀磨损现象，可以使刀头对刀座有相对转动，刀具相对刀 座轴心设置有一定的偏角，从而使刀具磨损均匀。 4 2 铣刨鼓工作阻力的组成 反向旋转与正向旋转的工作部件在作业过程中的工作阻力相同，均由下列三部分组 成【1 4 】： 1 切削阻力一剥离路面粒料所引起的阻力； 2 抛掷阻力一由抛掷路面粒料所引起的阻力； 3 摩擦阻力一使部分粒料举升并沿旋转刀具与罩壳之间缝隙拖向另一方所引起的 阻力。 由于产生原因不同，所以各部分阻力在总的切削阻力中所占的比重与其他旋转式机 械也明显不同。切削阻力在反向切削过程中几乎占据了总的工作阻力的全部，而摩擦阻 力和抛掷阻力较小。但是，由于切削和抛掷作用是在同一过程中发生的，很难用实验的 方法将切削阻力与抛掷阻力分开。从实验观点讲，切削阻力实际上可分为两部分：一部 分是刀具在静态条件下，从路面母体剥离切屑所克服的阻力；另一部分是在高速切削的 情况下所需克服的动态阻力。前者可在切削速度趋于零的情况下测定，从而将其从总的 工作阻力中分离出来，后者则可与抛掷阻力合在一起用试验的方法来测量。因此，从试 验角度来看，把反向旋转工作部件的工作阻力分为如下三部分是合理的： ( 1 ) 静态切削阻力： ( 2 ) 动态阻力； ( 3 ) 粒料举升和摩擦阻力。 三部分的力具体分析如下： 1 静态切削阻力只 静态切削阻力r 是在工作速度趋于零的极限条件下，剥离切屑所形成的阻力。其大 小主要取决于下列因素：1 ) 路面结构参数因素；2 ) 工作参数因素；3 ) 机械机构参数。 2 动态切削阻力n 动态阻力n 的产生来源于速度的影响。所引起的总的动力学阻力n 等于不加罩壳 时测得工作阻力n 减去静态阻力r 而获得，亦即： p d = p a n( 4 1 ) 第四章隆声带铣刨装置的动力学分析 反转切削的动态阻力在工作过程的不同阶段具有不同的内涵。刀具开始自下而上切 削路面材料，当旋转运动时，由于所切削的路面材料形状由薄到厚，因此刀具首先进入 初始稳定切削段。随后刀具进入冲击破坏阶段，此时，在该阶段切削比阻进入冲击破坏 阶段，此时，动态阻力主要由两部分组成：一部分是刀具高速切削路面材料的情况下产 生的动态切削阻力，另一部分则是随着刀具挤压路面材料而引起的路面材料的断裂或剪 断的同时，铣削碎的路面粒料随刀具运动向前抛掷而形成的抛掷阻力。在切削过程结束 后，由于刀具穿过堆积在铣刨鼓前方松散的粒料，将会使抛掷过程持续一段时间。在此 过程中，刀具上仅受到粒料的抛掷阻力。 3 粒料的举升与摩擦阻力 当铣刨铣刨鼓切削时，刀具切下的粒料的小部分沿着护罩举升并被抛带到铣刨鼓的 另一侧，从而形成了阻力矩。这部分力矩占总的工作阻力的比重较小，并可近似地视为 常量，实际中可以忽略。 4 3 静态阻力影响因素的分析 铣刨机属于旋转式机械，其工作过程的阻力根据影响静态切削阻力的因素分为三 类：1 ) 路面参数因素；2 ) 机械结构参数因素；3 ) - r 作参数因素。这三类因素是相互独立 的，相互独立的因素适合于叠加原理，即各类因素在力学系统中的作用不因其他因素作 用改变而改变。其于这一原理，对各类因素的分析处理原则论述如下： 1 路面参数因素主要指路面结构因素和各层沥青混合料的力学性能。如：沥青路面 的各层厚度、混合料的配合比、沥青类型、稳定度、流值、沥青路面的挤压强度、剪切 强度、密实度及客重等。 沥青路面铣刨机的介质强度十分广阔。实际的路面结构是多层的，各层的物理力学 性质及厚度均不同，但各层的强度构成机理一致。沥青混凝土路面材料是按密实级配原 则构成的混合料，其结构强度以沥青与矿料间的粘结力为主，矿质颗粒间嵌挤力和内摩 擦力为辅构成的，其强度破坏机理可用摩尔公式进行理论分析。沥青混凝土路面强度较 高，铣削时路面材料对刀具的冲击剧烈，粗粒式混合料的冲击波动尤其严重。 稳定度指标描述了沥青混合料在一定的温度下的抗剪切破坏能力，反映了沥青混合 料矿质颗粒间的嵌挤力和内摩擦力以及沥青结合料粘结作用的综合效果。因此可用稳定 度指标作为沥青混合料的强度指标，此外选取的物理力学指标有容重、密实度及沥青含 3 2 长安大学硕士学位论文 量。 为了使在某种混凝土路面条件下的试验研究结果有可能普遍推广，一般可采用两种 方法：一是将上述几个描述沥青混凝土路面强度的指标作为路面的力学性能参数纳入理 论上所建立的数学模型，一旦建立某种路面条件下的力学方程，则这个方程在任何路面 条件下都有意义。二是根据相似理论畸变原理利用参数作用可以相互替代之特点，按某 种路面条件下的畸变模型试验结果来预测其他条件下的不相似原型的性能，这种方法存 在着技术上的一系列困难。 2 机械结构因素主要指刀具的结构、形状与材料，刀具的排列与布置、转子的直 径、刀具的安装角度和切削角度及径向偏转角度等。若将这些因素同时纳入研究，将使 问题复杂化。因刀具径向偏转角度较小，其作用是防止刀具磨损，对切削阻力影响较小， 故忽略。由于实验室条件的限制，在铣色i 鼓直径保持不变的同时选用结构、形状、尺寸、 材料均一致的子弹型刀具。从旋转工作部件的大量资料中可知，切削角是影响切削阻力 的主要因素，切削角的减小有助于降低切削阻力。通过改变刀具的安装角度，考虑因切 削角不同而产生的阻力变化情况。因此取切削角作为主要结构参数因素。 3 工作参数因素主要指转子的铣削宽度b ，切削最大深度h ，运动学参数矿。和v 三 或迸距s 。若把多刀切削间距条件加以分解，不难发现，多刀切削恰是单刀以不同的间 距条件切削的结果。对于结构形状尺寸确定的刀具，单刀切削宽度b 为常数。运动学参 数y o 和y 或s 则决定着切屑的形状与尺寸。 切屑的横断面尺寸由切削最大深度h 决定，而处理路面的深度是影响铣刨机生产率 指标的主要参数，它的选择取决子发动机功率。一般认为切削深度与功率消耗呈线性关 系。 纵向切削断面形状与尺寸是由进距s 、切深最大深度h 、铣刨鼓半径r 及滚动圆半 径r 决定的，它们通过切屑厚度c 、切削角万和后角口影响着切削阻力的大小，通过影 响切削弧长影响着刀具每转所做的功和每转平均阻力的大小。 若r 、r 、h 保持不变，s 的变化将通过厚度c 的变化而对切削阻力起作用。 当s 、r 、r 一定时，增加切削深度h ，使得切削弧长增大，因而平均切削阻力增大， 当减少r 时，厚度c 将会减少而切削弧长将增大【1 4 1 。 3 3 第四章隆声带铣刨装置的动力学分析 4 4 动态阻力影响因素的分析 反向旋转工作部件在切削路面的过程中，其动态阻力包括了由于路面材料变形区应 力增大而引起的动态切削力和刀具抛掷粒料而产生的抛掷阻力。 根据式3 1 所建沥青路面切削模型，确定动态阻力的影响因素。 设一个重量为m g 速度为v 的刚体落于弹性系数为k 的弹簧，在冲击力作用下，弹 簧变形量为d ，在静态力m g 作用下，弹簧静压缩量为掣。则有： 一p a o ：丝 ( 4 2 ) 一= 一 i 一zj 图4 1 动态切削阻力的力学模型示意图 由能量守恒定理有： 1 z m v 2 + m g a d = 三2 n 。甜 ( 4 3 ) 由上述两式构成的方程组，得： a d = a j o ( 1 + 其中： 占= ( 1 + 因此， d o = k a o p j o = e j o ( 1 + 式中：k o - - ) = e a i o ) = 1 + o ) = 易o ( 1 + k o v ) ( 4 4 ) 长安大学硕士学位论文 n o 一动态变形阻力： p j o 一静态变形力； 同理，在高速切削时，动态切削力n 和静态切削力易也有着相似的关系： p d = p j += 乃( 1 + 缸矿) ( 4 5 ) 式中心= 古； 根据上述推导可知：动态切削阻力与切削速度之间存在着某种线性关系。 抛掷阻力是随着切削速度的提高，使粒料获得一定速度而产生的。因此，一般认为 它将受到动能定理的制约。因此可以断定，切削速度和抛掷质量是影响抛掷阻力最主要 因素，前者与1 ，和甜有关，后者由参数s 、h 及粒料的容重y 决定。对于铣削机械来说， 由于刀具的形状不易存留切下的材料，所以此项阻力要比稳定土拌和机械小得多。 3 5 第五章反向旋转工作过程中的动力数学模型 第五章铣刨鼓反向旋转工作过程中的动力学数学模型 旋转式路面机械的铣刨鼓依据机具驱动轮旋转方向分为正转和反转。所谓反转即铣 刨鼓旋转方向与机具驱动轮旋转方向相反的运动；反之称为正转。路面铣刨机由于工作 介质强度较高，一般采用反转。 本章将在前人研究普通铣刨机工作过程的数学模型的基础上，根据隆声带铣刨装置 反向旋转工作部件作业过程的特点，对单把刀具切削路面的过程进行合理划分，最后根 据阶段刀具与路面相互作用的机理，确定每一阶段数学模型，建立了单把刀具切削路面 的数学模型。 5 1 反转工作部件工作过程分析 为了简化研究，我们可把路面隆声带铣刨装置的工作过程首先分解为若干把旋转刀 具的工作过程，也就是说，这一过程可看成各单把刀具工作过程共同作用的结果。这就 使得旋转机械工作装置铣削路面较为复杂的过程变得简捷。 由于加工隆声带所切削路面的厚度很薄，切削深度仅在l o m m 左右，而普通铣刨机 切削深度变化在0 1 0 0 m m ，有时高达3 0 0 r a m 。这样隆声带铣刨装置比普通铣刨机的切 削厚度要小得多，因而整个切削过程受力更加简单。而且普通铣刨机冲击破坏阶段也很 微弱，因为我们这里讨论的可以忽略发生冲击破坏的阶段，即该装置基本处于动态平稳 切削阶段，切削厚度与切削阻力线均近似表现为线性。动态切削时，刀具在开始切削段， 由于切削的路面厚度由薄逐渐加厚，因此在该阶段切削阻力增加较为平缓，铣刨鼓转速 基本稳定，其工作过程是一动态平稳切削阶段；随后刀具切削完毕，此时切削厚度为零， 切削阻力为零，但此时刀具工作阻力