旋转式工作装置与介质相互作用理论

1、3）刀具布置对机器的寿命和施工环境有很大的影响，若布置参数不合理，将造成铣刨下来的物料粒度过大或过小。粒度过大会使机器的振动增大，降低机器的可靠性，粒度过小会产生粉尘，影响施工环境和施工人员的身体健康。为了保证刀具依次切入路面，对切割下的物料具有收料作用和抵消刀具工作时产生的轴向力，铣刨鼓的刀具一般为螺旋式对称布置，既要保证刀具沿铣刨鼓圆周方向布置均匀（即同一条螺旋线上相邻刀具沿圆周方向的间距相等）；又要保证刀具沿铣刨鼓横向（轴向）布置均匀。4）按刀具设计理论，在保证刀尖强度的前提下，应尽量降低摩擦阻力，减少摩擦磨损，因此，刀具的前角应尽量大，可保证切削轻快，切削变形小。在逆铣过程中，铣刀刀刃

2、在切入过程中存在滑动摩擦区，切削厚度由零逐渐增大，刀刃要在路面已加工区滑行一段才能继续切入，所以理想的实际切削后角应为，这样可减小刀具后刃面与切削面的摩擦。（2）速度的影响1）刀头圆周速度与机器作业速度之比值的选择，对铣削阻力影响很大。目前市场上广泛使用的大型铣刨机，受机器整机空间结构布局及驱动方式限制，转子刀尖的回转半径R与转子的转速n均是一固定值，因此，作业速度v的选择，成为决定圆周阻力大小的重要因素。铣刨阻力将随着作业速度，即铣刨进给量的提高而增大。 2）在进距S不变的情况下，即切削纵断面形状基本不变时，能耗、扭矩、切削功率都与线速度成函数递增关系。在同样的进距条件下，提高圆周速度就意味

3、着提高机器前进速度，提高机器前进速度，可提高作业生产率，但能耗增加；从降低能耗出发，希望切削速度小一些，但过低的切削速度不能保证路面破碎质量，为此必须降低行走速度，这样一来势必降低作业生产率。所以最佳切削速度应该根据实际工作条件和施工工艺需求来决定。13.3摊铺机螺旋布料器与作业介质相互作用理论 螺旋布料器是沥青混合料摊铺机必不可少的重要组成部分，其功能就是在保证沥青混合料均匀性的前提下，将混合料均匀分布到熨平板前要求的宽度上（见图1315）。对螺旋布料器的要求是，螺旋轴在布料槽内转动时，沥青混合料在螺旋叶片的动力、本身重力及布料槽摩擦力的共同作用下，产生沿布料槽向两侧的移动，从而达到布料的目

4、的。图1315 实体螺旋面叶片13.3.1 螺旋布料器作用下的混合料粒料动力学分析沥青混合料在螺旋布料器作用下，沿着螺旋向两侧运动。在布料过程中，由于受螺旋叶片旋转的影响，粒料的运动是一个空间运动。下面以应用最普遍的螺旋面母线为直线的螺旋布料器进行讨论。（1）螺旋布料器中沥青混合料的粒料动力学分析若螺旋面的升角为，则螺旋面可用一条直线表现。如图1316所示，旋转螺旋面作用于半径为r(离螺旋轴线的距离)处的混合料粒料A上的力为F。由于摩擦，F的方向与螺旋面的法线方向偏离了一个角度。F分解为圆周方向的切向力和轴向方向的轴向力，图中角是由混合料对螺旋面的摩擦引起，并由混合料内摩擦角和螺旋面的粗糙程度

5、决定的。为了方便起见，假设=。 图 图13-16螺旋布料器作用下粒料的受力分析通过对混合料粒料A的受力分析，有 （13-24）式中： 螺旋面升角， ；为螺旋叶片间距(螺距)；混合料与螺旋叶片间的外摩擦角； 螺旋面对混合料的作用力； 螺旋面对混合料的轴向力； 螺旋面对混合料的切向圆周力。螺旋叶片间距(螺距)在螺旋面上各点都是相同的，所以越靠近螺旋轴的点，到螺旋轴的距离r越小，螺旋升角就越大，因此圆周方向的切向力就越大，使沥青混合料粒料扭转的程度也就越大。当圆周方向的切向力大到一定程度，和混合料粒料受到的摩擦力、粘聚力、重力无法平衡时，粒料就开始随螺旋轴翻滚。最容易翻滚的粒料是靠近螺旋轴的这一部分

6、，就是说螺旋布料器布料时，有可能靠近螺旋轴的一部分混合料随螺旋轴旋转，而远离螺旋轴的一部分混合料则在扭转到一定角度后就与切向力平衡，在轴向力作用下，沿轴向运动。这样，在翻滚的混合料与不翻滚的混合料之间存在一界面，这个界面称为滑移面。（2）滑移面位置的确定假设滑移面距螺旋轴线的距离为r。为了分析混合料在布料槽中的运动情况，在螺旋布料器的横截面上建立以螺旋布料器轴线为原点的极坐标(图13-17)，径向为r坐标，以向下的垂线为始径，与始径的夹角为角坐标，以逆时针为正。图13-17 布料槽中沥青混合料微元受力分析 图13-18 布料槽中沥青混合料受力分析在螺旋布料过程中，假设半径r以内的部分混合料产生

7、翻滚，取翻滚的混合料作为隔离体，分析它的受力，图13-18为布料槽中翻滚的混合料颗粒受力分析图。设翻滚混合料粒料处于极限应力状态， 由于受到跟随螺旋面翻滚的混合料的离心力和重力作用，在混合料的滑移面上作用有正应力。如图1318所示，取圆心角所对应的扇形微元物料（径向长度为，扇形轴向厚度为h）进行分析，由于微元物料离心力引起的正应力为 （13-25）式中：沥青混合料翻滚的角速度，近似为螺旋轴的角速度；螺旋布料器螺旋轴的半径；滑移面距螺旋轴线的距离；扇形微元物料产生的离心力；扇形微元物料的厚度；布料槽中沥青混合料的堆积密度。由于微元物料自重引起的正应力为 （13-26）所以正应力 为 （13-27

8、）因此，沥青混合料的抗剪强度为 式中： 沥青混合料的抗剪强度； 滑移面上的正应力；沥青混合料的内聚力；沥青混合料的内摩擦系数。很显然，越靠近螺旋轴的地方，越小，因而越小。同时，处于极限应力状态的混合料滑移面上沿摩擦力方向存在切向应力，其大小为（S为滑移面面积），通过以上分析，有如下推论：1）当时，沥青混合料粒料在螺旋布料器中做圆周运动（翻滚运动）。此时，处于距螺旋轴线的不同距离的沥青混合料粒料以不同的速度做圆周运动，彼此产生相对运动。2）当时，布料槽中混合料粒料将以同一转速做圆周运动，转过某个角度后，在轴向力的作用下，一起沿着布料器向两端做轴向运动。粒料之间不产生相对运动。（3）沥青混合料粒料

9、受力的影响因素螺旋面对混合料粒料的轴向分力推动混合料沿轴向运动，起到布料的作用；圆周分力则带动粒料沿圆周方向运动，合理地利用圆周分力，可以对发生离析的混合料进行二次搅拌，使之均匀。从式(13-24)中可以看出，粒料受到的轴向分力、圆周分力均与、有关系。1) 对、的影响由于在同一螺旋面上的各点螺距是相同的，越靠近螺旋轴的点，到螺旋轴的距离r越小，由式(13-24)可知，螺旋升角也就越大。当螺旋升角变大时，圆周力变大，混合料扭转的程度就越大。而此时轴向力变小，螺旋布料器的布料效率降低。2) 对 、 的影响沥青混合料的外摩擦角与混合料料粒的形状、温度及螺旋叶片的粗糙度有关。集料中针片状粒料的含量对混

10、合料的外摩擦角有一定影响。混合料的温度越高，作为粘结剂的沥青的流动性就越好，粘度也就越低，外摩擦角越小；反之，温度越低，外摩擦角越大。由式(13-24)可知，沥青混合料的外摩擦角越大，圆周力就越大，混合料扭转的程度就越大，而这时轴向力就越小，螺旋布料器的布料效率也就越低。3) 对 、 的影响 、 与成正比，而与螺旋轴的转速有关。4)螺旋轴角速度对、的影响螺旋叶片上的圆周速率（线速度）与螺旋布料器角速度的关系为： 当螺旋布料器的动力足够时，增大，随之增大。混合料粒料在螺旋叶片的作用下沿着轴向和圆周方向运动，在圆周分力的作用下，混合料圆周速率在短时间内由零加速到，由动量方程可知： 即 (13-28

11、)由此可知，圆周分力与成正比，而与成正比，故螺旋轴转速越大，圆周分力就越大，就越大。13.3.2 螺旋布料器作用下的混合料粒料运动学分析(1) 混合料粒料的运动速度如图13-19 所示，沥青混合料粒料A在力F的作用下，在摊铺机布料槽中进行着复杂的运动，既有圆周速度，又有轴向速度，其合成速度为 V。若螺旋轴的转速为，处于与粒料A相同位置的螺旋面上的点，具有的圆周速度（切向速度）为，其在法向的投影为。因为混合料相对螺旋面有滑移和摩擦，摩擦角为。所以处于螺旋面上的混合料粒料A的运动速度为： 图13-19 沥青混合料粒料运动分解图 （13-29）由图（13-19）知 （13-30）因为混合料与螺旋面之

12、间的摩擦系数，代入式（13-30）有 （13-31）由于 (13-32)将上述各式代入式（1331）并化简，得沥青混合料粒料的圆周速度为： （13-33）同理，可得沥青混合料的轴向速度为: （13-34）由式（13-33）、（13-34）可知，与螺旋叶片接触的骨料的合速度、合速度的方向与螺旋轴轴线的夹角分别为 （13-35）由式（13-35）可知，与螺旋叶片接触的骨料的合速度、骨料的运动方向与螺旋轴轴线的夹角，都是随着转速n、螺距J和螺旋叶片半径r的变化而不断变化的值。随着骨料离螺旋轴中心线距离r的变化，骨料的速度向量不断发生变化，其运动轨迹也相应发生变化，形成不同的空间螺旋运动。转动的叶片不

13、断强制挤压骨料，使物料作上下翻转运动。如果采用特别设计的变节距螺旋布料器，使骨料既有上下翻动，又有轴向流动，形成强烈的位置交换运动，对沥青混合料会产生二次搅拌作用。（2）粒料的圆周速度分析现考察粒料圆周速度对r的单调性。根据式（1334）对r求一次导数，有 （13-36）从式（13-36）单调性得：随着半径r的增大，粒料的圆周速度，先增大后减小，具有最大值。令，便可求得圆周速度等于最大值时的半径为： （13-37）因为 (13-38)将式（13-38）代入（13-33），得的最大值为： （13-39）将式（13-38）代入（13-34），得此时粒料的轴向速度为： 则 （13-40）由式（134

14、0）可知，若，则当时，；当时，。此时粒料的圆周速度比粒料的轴向速度要大，螺旋叶片在布料的同时起到了一定的搅拌作用。另外，粒料的圆周速度，且随着半径的r的增大，粒料的圆周速度先增大后减小。粒料的圆周速度随所处半径r的变化曲线见图13-20。（3）粒料的轴向速度分析现考察粒料轴向速度对r的增减性，根据式（1335）对r求一次导数，有 （13-41）由式（13-41）的单调性可知，是r的增函数，随着半径r的增大而增大。由式（13-33）和式（13-34）可知，当时，有 （1342）所以，粒料的轴向速度变化规律为： （1343） 粒料的轴向速度随所处半径r的变化曲线见图13-20。（4）粒料的角速度分

15、析 根据式（1333）可得粒料的角速度为： (13-44)由式（1344）可知是的减函数。而且，处于布料槽中不同位置的混合料粒料，在螺旋布料器作用下，其运动是一种由很多个圆环转动组成的环流。不同半径处的粒料，其圆周线速度不一样，各环流层之间存在相对运动，且各环流层的厚度很小。当螺旋轴转速保持不变时，各环流层的运动速度彼此不相等，同时轴向速度也不相等。所以，沥青混合料在螺旋布料器的作用下不可能产生纯粹的层流流动。不考虑混合料的摩擦力和重力作用时，混合料在螺旋布料槽中的流动是一个螺旋流。 图13-20 混合料粒料速度特性曲线（5）沥青混合料粒料各速度间的关系由图1320可知，粒料的轴向速度是r的增

16、函数，而粒料的圆周速度则随r的增大先增大后减小，具有最大值。对图1320进行分析，可得出如下结论：1）由式1343可知，当时（若取），所以，即混合料所处螺旋面半径在图中AA虚线左侧（即,见图1321）时，由于，混合料粒料不沿着轴向前进，只在原位置翻滚甚至后退，产生很大的内部摩擦力。该区域为无功区或称纯耗能区。 2）由式1337可知，当时（若取），且，即图1320中B-B虚线。如果混合料所处螺旋面半径在AA线和BB线之间（即或，见图1321），Vz不大，但Vr较大，由于Vr>Vz，混合料粒料形成沿合成速度方向的附加紊流（附加抛射物流），影响混合料的轴向布料，并产生使混合料集料离析的趋势。该

17、区域为低生产率、高能耗区。3）由式1342可知，当时（若取），即图中C-C虚线。如果混合料所处螺旋面半径在BB线和CC线之间（即或，见图1321）时，混合料轴向移动速度仍然不大, 而圆周速度仍然比较大。由于圆周速度大于轴向速度, 混合料沿着其合速度方向形成的一股附加物料流，有时会越过螺旋体抛射,从而影响混合料的轴向输送。4）如果混合料所处螺旋面半径在CC线右侧（即,见图1321），则。Vz快速增加，而Vr下降，混合料流的整体运动形态表现为布料槽内的轴向运动.混合料轴向移动的平均速度大, 圆周速度小,物料内部的相对运动小,属于高生产率区。所以此区域为理想的沥青混合料布料区，其横截面如图13-21

18、所示。根据以上分析和式1343，螺旋布料器的螺旋叶片外径应该满足：图13-21 螺旋截面特征半径分布图 （1345）式中 螺旋布料器的螺距。综上所述，螺旋布料器输送混合料时，靠近螺旋轴的部分物料随螺旋轴的旋转而翻滚，将产生较大的内部摩擦阻力；混合料远离螺旋轴时，有利于轴向输送，离析少，效率高。13.3.3螺旋布料器螺距的合理值及确定螺距的3个条件（1）螺距与粒料轴向速度的关系现考察粒料轴向速度对螺距J的单调性。根据式（1335）对J求一次导数，有 （13-46）从式（13-46）的单调性得：随着螺距J的增大，粒料的轴向速度先增大后减小（见图1322）。令，便可求得为最大值时的螺距： （13-4

19、7）式（1347）和式（1338）相同。因为 (13-48)将式（13-48）代入（13-34），得的最大值为： （13-49）（2）螺距与粒料圆周速度的关系现考察粒料圆周速度对螺距J的单调性。根据式（1333）对J求一次导数，有 （13-50）从式（13-50）单调性得：随着螺距J的增大，粒料的圆周速度先增大后减小（见图1322）。令，便可求得为最大值时的螺距： （13-51）将式（13-51）代入（13-33），可得的最大值（略）。（3）螺距合理值的分析螺距的大小直接影响到混合料粒料的速度特性曲线的形状与混合料的布料情况。当螺旋布料器的螺距不等时，螺旋升角就不一样，混合料粒料运动的滑移面也

20、将随之改变，所以应依据螺旋面与沥青混合料粒料的相互关系及速度分量间的合理分布来确定螺距的合理值。根据式（1334）和式（1335），可绘出粒料圆周速度和轴向速度随螺距变化的曲线，见图1322。对图1322进行分析，可得出如下结论：1）由式1342可知，当时(若取，则)，即图1322中A-A虚线。当J在A -A 线的左侧, 时，。并且随J 的增加，均增加，因此，螺距在这个区域取值有利于混合料输送。2）由式1347可知，当时(若取，则)，即图1322中B-B虚线。当螺距J在A-A线和BB线之间（即，见图1322）时，随着J的增加，均增加，但是。如前所述，由于，混合料粒料将形成沿合成速度方向的附加紊

21、流，影响混合料的轴向布料，并产生使混合料集料离析的趋势。 1322粒料轴向速度和圆周速度与螺距的关系曲线3）由式1351可知，当时(若取，则)，即图1322中C-C虚线。当螺距J在C-C线附近（即，见图1322）时，增大到最大值，而逐渐变小， ，而且两者的差距变大。由于混合料轴向移动速度不大, 而圆周速度很大, 因而混合料颗粒间的相对速度很大。同时由于圆周速度大于轴向速度, 使混合料沿着其合速度方向抛射, 不利于混合料的轴向输送。综上所述，螺距J的取值范围应在A -A 虚线附近为佳（见图1322）。也就是说螺距J的合理取值范围应是： （1352）式中 螺旋布料器螺旋叶片的外径。一般来说，在满足

22、生产率的前提下, J取值小一些比较好,也就是说小螺距、大直径更有利于混合料的输送,而且摊铺宽度越宽,摊铺厚度越厚,R的取值应越大。（4）确定螺距的第1个条件 由式（1324）可知，螺旋面作用在混合料粒料上的力F的轴向分力为 （13-53） 式中：布料器螺旋角； 混合料外摩擦角。为了满足>0,必须使。当时，粒料受到的轴向力为0。此时，根据布料器螺旋角的定义式（1332）有 （1354）对比式（1343）和式（1354）可知，此时布料器内，到螺旋轴线距离小于r的区域，混合料粒料的轴向速度也为0。在此区域的沥青混合料将停止向布料槽两侧布料从而产生堆积，并有可能使混合料布料阻力加大，使混合料温度

23、降低，甚至硬化结块。 根据式（1354），对于直母线的螺旋面，建议确定螺距的第1个限制条件为： （1355）式中 螺距； 沥青混合料与螺旋叶片间的摩擦系数； 螺旋布料器螺旋轴的半径。（5）确定螺距的第2个条件 在确定螺旋布料器螺距时，应该使混合料粒料具有尽可能大的轴向布料速度。根据式（1347），建议取 （1356）式中 沥青混合料与螺旋叶片间的摩擦系数； 螺旋布料器螺旋轴的半径；螺旋布料器螺旋叶片的外径。这样可保证布料器内，到螺旋轴线距离接近的大部分区域，混合料粒料的轴向速度接近最大。式（1356）就是确定螺旋螺距的第2个条件。（6）确定螺距的第3个条件 在确定螺旋布料器螺距时，应该使混合料

24、粒料具有尽可能大的轴向布料速度，同时又应该使螺旋面上各点的轴向速度大于圆周速度。根据图1320，建议在螺旋叶片的外径处（即处），应该满足这一条件。由粒料的圆周速度式（1333）、轴向速度式（1334）有 （13-57）式 (13-57) 即为确定螺距的第3个条件,此条件和式（1345）表示的条件一致。（7）三个条件所得螺距之比较假设，分别代入（13-55）（13-56）（13-57）可得：实际应用时，可根据具体情况选择应该满足的条件。一般情况下，为了减少混合料离析，倾向于选择第3个条件作为确定螺距的依据，其结果和式（1345）和（1352）表示的条件也比较接近。13.3.4螺旋布料器的转速、结

25、构和充盈系数分析（1）螺旋布料器的转速与考虑混合料相互作用力和重力时粒料的运动 如果考虑混合料间的相互作用力和重力，则在布料槽中混合料粒料所受的力包括：螺旋叶片的作用力F、混合料自身的重力G、混合料之间的相互作用力（可根据运动轨迹分解为法向正压力N和切向摩擦力f）， 见图13-23 。混合料之间相互作用力的大小与沥青混合料粒料间的内摩擦系数、内聚力等有关。 当螺旋轴的转速较小时，混合料粒料在F、G、N、f的作用下，随着叶片沿轴向和圆周方向运动，并由这4个力的合力提供混合料做圆周运动所需向心力： （1358） 式中：粒料作圆周运动所需的向心力； m粒料的质量； 粒料随螺旋轴转动的角速度。 由（1

26、358）式可知，随着螺旋轴角速度的增加，粒料随着螺旋轴旋转所需的向心力也增大，当超过F、f、N、G所能提供的最大向心力时，粒料就会产生离心抛物线运动，图13-23混合料粒料受力分析混合料流发生紊流，混合料在布料槽中不停地翻滚。这种翻滚的作用相当于对混合料进行再次搅拌。当粒料所产生的离心力刚好达到F、f、N、G所能提供的最大向心力时，所以： （1359） （1360）式中 紧挨螺旋轴的上壁处,粒料转动的临界角转速；螺旋叶片边缘处, 粒料转动的临界角转速；螺旋布料器螺旋叶片的外径；螺旋布料器螺旋轴的半径；m粒料的质量；F螺旋叶片对混合料的作用力；G混合料自身的重力；N混合料之间相互作用的法向正压力

27、；f混合料之间相互作用的切向摩擦力。由前面分析可知，当实际转速时，F、f、N、G的合力不足以提供混合料随叶片一起转动所需的向心力，布料槽内大部分混合料粒料产生离心抛物线运动而导致混合料紊流与粒料翻滚；当实际转速时，布料槽内只有部分混合料粒料形成紊流并产生翻滚；当实际转速时，F、f、N、G的合力完全可以提供混合料粒料随叶片一起转动所需的向心力，布料槽内所有的混合料粒料基本不会发生离心抛物线运动而导致混合料紊流与粒料翻滚。由以上结论可知，可以利用混合料流发生紊流与粒料翻滚的现象达到再次搅拌混合料的目的，然后再把混合料均匀地摊铺出去；也可以通过控制螺旋布料器的转速，达到降低混合料离析的目的。所以恰当

28、地控制螺旋布料器的角速度、轴向分力和圆周分力，并加以合理利用，可以实现对离析不太严重的沥青混合料在摊铺时进行搅拌，使集料与温度的均匀性得到改善，或达到降低混合料离析的目的。根据前面的分析可知，一般靠近螺旋外侧的物料，其圆周速度较大，而轴向速度较小，这将使外层物料较容易地随着螺旋轴转动而产生圆周方向的运动，当超过一定的转速时，物料就会产生垂直于输送方向的跳跃翻滚运动，从而加大混合料的离析。为避免该现象产生，螺旋转速不得超过其临界转速。假设螺旋外侧（与螺旋轴线的距离约等于螺旋叶片半径R）的物料，其圆周运动的角速度为，所受的合力为：式中 m粒料的质量；F混合料之间的相互作用力；K考虑混合料之间的相互

29、作用力时的影响系数；g重力加速度。所以，物料所受惯性离心力的最大值与其所受的合力之间应有如下关系:由此得出螺旋布料器的临界角速度为： 即螺旋布料器的临界转速为： （1361）式中 D螺旋布料器叶片的外径； K考虑混合料之间的相互作用力时的影响系数；g重力加速度。螺旋布料器的转速应根据物料输送量、螺旋直径和物料的特性而定。随着转速n的增加，物料的轴向移动速度增加，生产率增加，但输送功率也相应增加。另外，随着转速n的增加，物料的圆周运动速度增加，离析现象也越来越严重，因此合理选择n是必要的。在满足输送量要求的前提下，螺旋转速不宜过高，更不允许超过它的临界转速，应对螺旋布料器的螺距J以及螺旋叶片的外

30、径D等进行修正。螺旋叶片的外径D取200mm, 影响系数K取1.6，则螺旋布料器的临界转速为85r/min。（2）螺旋布料器结构对混合料粒料运动的影响根据螺旋叶片半径和螺距的变化，螺旋布料器的结构可以有等半径等螺距、等半径变螺距、变半径等螺距、变半径变螺距和中空带状螺旋叶片（见图13-24、13-25）等5种结构。图13-24带状螺旋叶片5种结构中，变半径变螺距螺旋布料器的优点是：在变半径变螺距螺旋布料器的作用下，混合料可能产生较强的紊流现象，可以实现对沥青混合料的二次搅拌作用，使集料与温度的均匀性得到改善。 由于在输送过程中，沥青混合料的离析随着输送距离的增加而逐渐增大，所以沥青路面摊铺宽度越大，路面两侧的离析越严重。如果采用等半径变螺距