銑刨機(jī)旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力的數(shù)值計(jì)算

汪學(xué)斌,胡永彪

(長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710064,西安)

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銑刨機(jī)旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力的數(shù)值計(jì)算

汪學(xué)斌,胡永彪

(長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710064,西安)

為計(jì)算瀝青路面冷銑刨機(jī)的旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力,將單把刀具旋轉(zhuǎn)變厚度銑削的任一瞬時(shí)近似為等厚度平移切削,平移速度為刀具刀尖點(diǎn)軌跡的切線速度,以剪切破壞建立了單刀銑削阻力計(jì)算模型;將任一時(shí)刻各刀具銑削阻力的向量疊加作為該時(shí)刻銑削轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力,得到了旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力切向分力的數(shù)值計(jì)算方法。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),以銑削接觸面截面積為自變量修正了單刀銑削阻力計(jì)算公式,并對(duì)比了冷銑刨機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力切向分力的實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值,結(jié)果表明二者線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)R2=0.9;進(jìn)而修正了旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力切向分力的計(jì)算公式,分析了理論計(jì)算值的誤差來源。所提出的單刀銑削阻力和多刀銑削阻力計(jì)算模型可為旋轉(zhuǎn)類多刀具切削阻力數(shù)值計(jì)算提供參考。

瀝青路面銑刨機(jī);銑削阻力;多刀銑削;數(shù)值計(jì)算

銑刨是現(xiàn)代瀝青路面破除的主要方式,是按一定規(guī)律排布多把子彈頭型銑刀的銑削轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中各刀具逐次切入和切出,使被銑削路面材料在刀具的高速?zèng)_擊擠壓下產(chǎn)生變形破壞而被切除。針對(duì)瀝青路面銑削阻力的計(jì)算問題,文獻(xiàn)[1-2]中借鑒了金屬切削理論,但將多刀旋轉(zhuǎn)銑削過程看成是等同銑削寬度和深度的楔形刀具平移切削,忽視了刀具逐次切入切出的過程及刀具的動(dòng)態(tài)沖擊作用。將多刀旋轉(zhuǎn)漸進(jìn)銑削簡(jiǎn)單平移化與實(shí)際的銑削過程并不相符。文獻(xiàn)[3-4]中銑削阻力的計(jì)算需要通過試驗(yàn)確定切削比阻,而文中主要采用的是試取值。瀝青路面冷銑刨機(jī)滾筒上各刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡為水平方向上的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)的合成,旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力是瞬時(shí)同時(shí)參與銑削的各刀具銑削阻力的向量疊加。單刀銑削阻力計(jì)算是瀝青路面冷銑刨機(jī)多刀銑削阻力研究的基礎(chǔ),銑削轉(zhuǎn)子直徑、銑削作業(yè)速度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、銑削寬度、銑削深度和刀具排布參數(shù)決定了各刀具實(shí)時(shí)銑削狀態(tài)及同時(shí)參與銑削的刀具數(shù)目,進(jìn)而決定了任意瞬時(shí)多刀具聯(lián)合作用下的銑削阻力和銑削阻力矩。本文將在分析刀具沖擊擠壓下瀝青混凝土銑削變形破壞過程的基礎(chǔ)上,建立單刀和旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力數(shù)值計(jì)算模型,參考試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單刀銑削阻力計(jì)算公式和旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力切向分力理論計(jì)算公式的修正,并對(duì)旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力數(shù)值計(jì)算的誤差來源進(jìn)行分析。

1 單刀具銑削阻力計(jì)算模型

瀝青混凝土主要是由瀝青膠結(jié)料與一定粒徑分布的集料經(jīng)攪拌、攤鋪、壓實(shí)形成的具有一定孔隙的路面結(jié)構(gòu)層。常溫銑削狀態(tài)下瀝青混凝土是非均質(zhì)各向異性的彈、塑、脆性材料[5],溫度越低其脆性越顯著,且瀝青混凝土中的礦質(zhì)集料屬脆性材料。銑削時(shí)刀具以一定角度和速度鍥入瀝青混凝土,刀具前刀面的瀝青混凝土受到?jīng)_擊擠壓而產(chǎn)生變形破壞,由于瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度比集料的破壞強(qiáng)度小,銑削過程主要是瀝青混凝土沿黏結(jié)面的剝離并伴隨少量集料的破碎,主要為剪切破壞[6-7]。

單刀銑削作業(yè)過程與銑削厚度變化如圖1所示。以銑刨轉(zhuǎn)子滾筒中心O點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系(這里只討論周向截面刀具數(shù)量為1的銑削轉(zhuǎn)子),R為刀尖圓半徑,ω為銑削轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度,v為銑削作業(yè)速度,φ為銑削轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角,δ為刀具銑削作用角(δ=φe-φs),φs為刀具切入角,φe為切出角,θ為剪切角,d為銑削深度,h為實(shí)時(shí)銑削厚度,l為銑屑長(zhǎng)度,F為刀具所受銑削阻力,Fm為單刀沿銑削軌跡切線方向的銑削阻力切向分力,Fn為銑削阻力法向分力,φ為F與Fm的夾角,β為銑削阻力F與銑削水平分力Fx的夾角,Fy為銑削阻力豎直分力。銑刨機(jī)采用的子彈頭型銑刨刀具可簡(jiǎn)化為刀尖角為κ的圓錐形刀具,且可以用點(diǎn)作用力代表整個(gè)刀具的受力[8]。刀具刀尖頂部與瀝青混凝土近似為球形接觸,以刀尖頂點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡表示刀尖點(diǎn)的銑削軌跡,A點(diǎn)的線速度vL=ωR,A點(diǎn)軌跡的切線速度為A點(diǎn)進(jìn)給速度v和線速度vL的合速度vT。刀尖由A″點(diǎn)切入,當(dāng)?shù)都庠阢娤鬈壽EA″E上的A點(diǎn)時(shí),刀尖點(diǎn)A的瞬時(shí)銑削厚度t即為AA′,A′點(diǎn)為刀尖點(diǎn)A的前一銑削循環(huán)軌跡線與曲率半徑O′A的交點(diǎn),當(dāng)銑削轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為φ時(shí),A點(diǎn)的坐標(biāo)為(vφ/ω+Rsinφ,-Rcosφ)。銑削厚度tAA′=[(xA-xA′)2+(yA-yA′)2]1/2;刀尖越過E點(diǎn)后,銑削厚度tFF′=[(xF-xF′)2+(yF-yF′)2]1/2;tEE′為最大銑削厚度。銑削厚度值由R、v、φ、ω確定,采用MATLAB編程可求得任意精度的銑削厚度值。

圖1 單刀銑削作業(yè)過程與銑削厚度變化示意圖

單把刀具在完成一個(gè)銑削循環(huán)后,與其相鄰的刀具也將完成一次銑削動(dòng)作。設(shè)刀具間距為a,考慮相鄰刀具間的相互作用,單把刀具與被銑削材料接觸面的截面積S具有下述特征:當(dāng)銑削厚度小于0.5acot(κ/2)時(shí),接觸面截面近似為三角形,三角形的高等于銑削厚度;當(dāng)銑削厚度大于0.5acot(κ/2)時(shí),由于相鄰刀具的相互作用,三角形上部的截面積可近似為矩形,如圖2所示。

圖2 相鄰各刀具與被銑削材料接觸面積計(jì)算示意圖

S的計(jì)算公式為

(1)

圖3 單刀旋轉(zhuǎn)銑削過程的瞬時(shí)受力模型

單刀旋轉(zhuǎn)變厚度銑削在任意瞬時(shí)可近似為等厚度平移切削,平移速度為刀具刀尖點(diǎn)軌跡的切線速度vT,銑削厚度和接觸面截面積隨銑削過程不斷變化。單刀旋轉(zhuǎn)銑削瀝青混凝土的瞬時(shí)受力模型如圖3所示,與刀具前刀面接觸的瀝青混凝土受到?jīng)_擊擠壓后沿剪切面AC斷裂[9-11]。忽略銑削廢料的重力,作用在剪切面上的正壓力為Fσ,剪切力為Fτ,合力為F′;前刀面的法向壓力為Fh,摩擦力為Ff,二者的合力即為刀具所受的銑削阻力F,F和F′相等;銑削阻力F可分解為銑削阻力切向分力Fm和銑削阻力法向分力Fn,Fn垂直于銑削轉(zhuǎn)子中心,不消耗銑削功率;ψ是F和Fh的夾角,即刀具前刀面與銑削阻力的夾角,又稱摩擦角;γ為刀具銑削前角,φ=ψ-γ,β=φ-φ。

(2)

式中:As為剪切面積,即S沿剪切面的投影,As=S/sinθ。

(3)

剪切破壞發(fā)生在沿變形阻力最小的方向,即

所以,當(dāng)cosθcos(θ+ψ-γ)-sinθsin(θ+ψ-γ)=0,即cos(2θ+ψ-γ)=0、剪切角θ=π/4-(ψ-γ)/2時(shí),可使銑削阻力F取最小值[12]。單刀銑削阻力的切向分力和法向分力分別為

(4)

(5)

銑削阻力的水平分力和豎直分力分別為

(6)

(7)

以上各式中:τ為瀝青混凝土的剪切強(qiáng)度。銑削前角γ由刀具的安裝角確定,并隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角而變化,γ=γ0-?,其中γ0為刀尖點(diǎn)A在軌跡最低點(diǎn)時(shí)的切削前角,亦即初始切削前角,?為刀尖點(diǎn)的線速度vL與刀尖點(diǎn)軌跡的切線速度vT的夾角,由下式計(jì)算

(8)

2 多刀銑削阻力計(jì)算模型

圖4 典型銑削轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)及作業(yè)過程示意圖(未包含邊刀和側(cè)刀)

典型的銑削轉(zhuǎn)子刀具布置如圖4所示。隨銑削轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng),滾筒上的各刀具逐次切入瀝青混凝土,而后逐次切出路面,各刀具均經(jīng)歷相同的銑削過程。在任一時(shí)刻,同時(shí)參與銑削的各刀具處于不同的銑削深度和銑削軌跡線上,對(duì)應(yīng)不同轉(zhuǎn)角和銑削厚度,如圖5所示。銑削轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)多刀銑削的阻力為同時(shí)參與銑削各刀具銑削阻力的向量疊加,多刀銑削阻力可以看成是一個(gè)大的直流分量與一個(gè)小幅值交流分量的疊加。

圖5 任一時(shí)刻同時(shí)參與銑削的各刀具的銑削狀態(tài)

主刀總數(shù)記為N(因側(cè)刀主要產(chǎn)生軸向力,邊刀刀間距相對(duì)主刀刀間距較小,且周向截面邊刀數(shù)較多,邊刀每一銑削循環(huán)銑削阻力較小,只記主刀的銑削阻力對(duì)銑削轉(zhuǎn)子總銑削阻力的計(jì)算影響較小,也簡(jiǎn)化了計(jì)算),銑削轉(zhuǎn)子下至規(guī)定銑削深度后,任一時(shí)刻ti各刀具的轉(zhuǎn)角

φij=ωti+2π(j-1)/N,j=1,2,…,N

(9)

各刀具刀尖點(diǎn)的坐標(biāo)為

(vφij+Rsinφij,-Rcosφij),j=1,2,…,N

(10)

在任一時(shí)刻ti,刀具轉(zhuǎn)角在2πn+φs<φij<2πn+φe(n=0,1,2,…)范圍內(nèi)各刀具的銑削阻力切向分力之和即為旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力的切向分力;當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)角在切入角和切出角之外時(shí),其銑削厚度和銑削阻力為0。任一時(shí)刻多刀銑削阻力的水平(x向)分力和豎直(y向)分力為

(11)

(12)

當(dāng)各刀具銑削阻力的x、y向分力向多刀銑削阻力合力的作用點(diǎn)平移時(shí),平移力偶相互抵消。任一時(shí)刻旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力為

∑F=((∑Fxi)2+(∑Fyi)2)1/2=

(13)

∑Fxi與∑F的夾角

(14)

多刀銑削阻力合力的作用點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角(方向角)φ=ψ-γ-β,沿作用點(diǎn)切線方向的分力即為多刀銑削阻力切向分力。作用點(diǎn)到銑削最低點(diǎn)的縱向距離w=R(1-cosφ)。多刀銑削阻力的切向分力

(15)

3 單刀銑削阻力計(jì)算公式的修正

為驗(yàn)證單刀銑削阻力的理論計(jì)算公式,對(duì)銑削作業(yè)速度、銑削轉(zhuǎn)子直徑和轉(zhuǎn)速取不同數(shù)值進(jìn)行銑削阻力的理論計(jì)算,并與試驗(yàn)結(jié)果[13]進(jìn)行比較。采用某市政道路用AC-20瀝青混凝土,剪切強(qiáng)度τ=1.6 MPa;刀具簡(jiǎn)化后的刀尖角κ=75°,刀具與混凝土的摩擦角ψ=31°,初始切削前角γ0結(jié)合刀具安裝角(安裝角取45°)及簡(jiǎn)化模型取5.5°,刀間距a=15 mm,銑削轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度ω=2πn/60,其中n為銑削轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。單把刀具由于其邊界條件限制(非多刀具共同作用),不能實(shí)現(xiàn)大深度銑削,故取d=25 mm。單刀銑削厚度和銑削阻力的理論計(jì)算采用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn),單刀銑削阻力切向分力的實(shí)測(cè)值由安裝于轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)軸上的扭矩傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)換算得出。計(jì)算結(jié)果表明:單刀銑削阻力切向分力的計(jì)算值隨銑削轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的變化特征與實(shí)測(cè)值一致;單刀銑削循環(huán)中的銑削阻力峰值在最大銑削厚度處;用銑削阻力峰值和實(shí)測(cè)值峰值進(jìn)行誤差分析與模型修正是可行的。刀具與被銑削材料接觸面的截面積S可表征實(shí)時(shí)刀具接觸面積、銑削作業(yè)速度、銑削轉(zhuǎn)子直徑和轉(zhuǎn)速對(duì)單刀銑削阻力的影響,因此以S為自變量進(jìn)行單刀銑削阻力切向分力計(jì)算公式的修正,修正的過程數(shù)據(jù)見表1。

單刀銑削阻力切向分力的修正系數(shù)k=29.42S-0.67,修正系數(shù)計(jì)算曲線如圖6所示,相關(guān)系數(shù)為0.988。修正后單刀銑削阻力切向分力的計(jì)算公式為

(16)

Fm,real:單刀銑削阻力切向分力實(shí)測(cè)值;Fm,rev:修正后的單刀銑削阻力切向分力計(jì)算值;e:Fm,rev與Fm,real的相對(duì)誤差。

圖6 單刀銑削阻力切向分力計(jì)算公式修正曲線

圖7 單刀銑削阻力各分力隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的變化

取R=490 mm,vT=6 m/s,v=200 mm/s,d=80 mm,修正后單刀銑削阻力的水平分力、豎直分力、切向分力和法向分力隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的變化過程如圖7所示(圖中銑削轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角從刀具旋轉(zhuǎn)第二周開始計(jì))。在刀具未達(dá)到最低點(diǎn)(圖7中最低點(diǎn)轉(zhuǎn)角為2π)時(shí)刀具已切入,切入后銑削厚度和銑削阻力切向分力均隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的增大而增大,至最大銑削厚度處達(dá)到最大,而后減小,隨后切出路面,單刀一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期只有部分時(shí)間(作用角δ范圍內(nèi))在切削,其余時(shí)間銑削阻力為0。

4 旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力數(shù)值計(jì)算及修正

為驗(yàn)證上述多刀銑削阻力計(jì)算方法的可行性,采用某銑刨機(jī)在不同工況下多刀銑削阻力切向分力和驅(qū)動(dòng)扭矩的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[4,14]與多刀銑削阻力切向分力的理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。該樣機(jī)的銑削寬度為1 000 mm,刀尖圓半徑R=430 mm,主刀數(shù)N=60,刀間距a=15 mm,發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)的銑削轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=130 r/min。當(dāng)取R=430 mm、n=130 r/min、v=10 m/min、d=100 mm時(shí),旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力的計(jì)算過程如圖8、圖9所示。

圖8 各刀具銑削阻力切向分力計(jì)算值隨時(shí)間的變化

圖9 多刀銑削阻力切向分力計(jì)算值隨時(shí)間的變化

從刀具1切入開始計(jì),隨銑削轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),刀具2、3、4……逐次切入,各刀具的銑削厚度和銑削阻力切向分力均從0增至最大,而后減小為0切出路面,至0.05 s時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定銑削狀態(tài),同時(shí)參與銑削的刀具數(shù)量保持穩(wěn)定,如圖8所示。0～0.2 s內(nèi)任一時(shí)刻旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力切向分力的計(jì)算結(jié)果如圖9所示,0.05 s之后多刀銑削阻力計(jì)算值的波動(dòng)主要是由于任一時(shí)刻參與銑削的刀具數(shù)量和各刀具銑削阻力切向分力有所不同所致。

樣機(jī)銑削轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)采用定量泵-定量馬達(dá)閉式系統(tǒng),液壓泵排量為250 mL/r,液壓馬達(dá)排量為1 000 mL/r。在不同工況下,對(duì)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)高低壓腔的壓力、銑刨機(jī)兩側(cè)立柱高低壓腔的壓力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果均取平穩(wěn)工作一段時(shí)間的平均值。多刀銑削驅(qū)動(dòng)扭矩Mreal等于銑削作業(yè)時(shí)的驅(qū)動(dòng)扭矩M1減去空轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)扭矩M2,即

(17)

多刀銑削阻力切向分力實(shí)測(cè)值由下式計(jì)算

(18)

式中:Δpm1為銑刨機(jī)銑削瀝青混凝土?xí)r轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)馬達(dá)高低壓腔的壓力差,MPa;Δpm2為銑刨機(jī)銑削轉(zhuǎn)子空轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)高低壓腔的壓力差,MPa;qm為銑削轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的排量,mL/r;η為液壓系統(tǒng)的傳動(dòng)效率,隨壓力和轉(zhuǎn)速而變化,取η=0.7。

讓樣機(jī)在不同工況(銑削深度和銑削作業(yè)速度的不同組合)下進(jìn)行銑削作業(yè),測(cè)量銑削轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)扭矩的平均值。銑削深度分別取30、90、150和190 mm,銑削作業(yè)速度分別取5、10、15和20 m/min,計(jì)算旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力切向分力,并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值列于表2進(jìn)行比較。

銑削轉(zhuǎn)子多刀銑削阻力切向分力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比如圖10所示。

圖10 多刀銑削阻力切向分力的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值

d/mmv/m·min-1Treal/N·mT/N·mFM，real/kNFM/kNw/mm3051821352642819119630103807530289123368930154253671899156239830204453817810419022369053176738574171840099010463010849108252230029015583413512136314223089020657215977153371517881505571390871332113693815010714913494166313855471501586051712720039834660150209363205692184783394119056083925014121508941190107523140471753266732919015887318203206423364201902095532200722251175586

由圖10可知,旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力切向分力的實(shí)測(cè)值FM,real與計(jì)算值FM線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.90,線性回歸方程為

FM,real=0.396FM+2.912

(19)

理論計(jì)算能夠反映銑刨機(jī)實(shí)際作業(yè)過程中不同銑削深度和工作速度下多刀銑削阻力切向分力的變化,但是理論計(jì)算值大于同工況下的實(shí)測(cè)值。參照式(16)、式(19)進(jìn)行修正后,旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力切向分力的計(jì)算公式變?yōu)?/p>

FM=0.396cos(φ+β)∑F+2.912=

(20)

編制程序確定各參數(shù)后,可按式(20)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力切向分力的計(jì)算。

旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力切向分力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間的誤差來源于:①多刀銑削阻力計(jì)算模型中未考慮到多刀具聯(lián)合銑削作用時(shí)大塊徑廢料比例增大、單刀實(shí)際銑削阻力減小;②刀具在銑削厚度較大時(shí)計(jì)入的接觸面截面積S偏大,而實(shí)際刀具與瀝青混凝土的接觸面為碳化鎢刀尖區(qū)域,主要是銑屑長(zhǎng)度l的變化,但l無法量化;③單刀銑削由于邊界條件限制,不能實(shí)現(xiàn)與多刀銑削等深度的銑削,因此采用單刀銑削阻力修正公式計(jì)算多刀銑削阻力會(huì)帶來誤差;④刀具排布的簡(jiǎn)化以及路面材料破壞強(qiáng)度不同會(huì)帶來誤差;⑤多刀銑削轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)扭矩實(shí)測(cè)中不計(jì)空轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)扭矩、忽略轉(zhuǎn)子慣性對(duì)銑削過程的作用以及銑削轉(zhuǎn)子傳動(dòng)效率取固定值也會(huì)帶來誤差。以上原因?qū)е露嗟躲娤髯枇Φ挠?jì)算值大于同工況下的實(shí)測(cè)值,因此,單刀銑削阻力的理論計(jì)算方法還需通過進(jìn)一步試驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)與多刀銑削等同深度的銑削,并通過加入更詳細(xì)的刀具排布參數(shù)、直接在銑削轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸測(cè)量扭矩以得到更準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)扭矩?cái)?shù)據(jù)、確定旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力計(jì)算公式修正系數(shù)等方法,以提高旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力計(jì)算的準(zhǔn)確性和適用范圍。

5 結(jié) 論

(1)將單刀旋轉(zhuǎn)變厚度銑削在任意瞬時(shí)近似為以刀尖點(diǎn)切線速度為進(jìn)給速度的等厚度平移切削,以剪切變形破壞得到了單刀銑削阻力計(jì)算方法,并以銑削接觸面截面積為自變量進(jìn)行了單刀銑削阻力計(jì)算公式的修正;將任一時(shí)刻處于不同銑削位置的各刀具的銑削阻力向量疊加作為旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力,得到了旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力切向分力和驅(qū)動(dòng)扭矩的計(jì)算公式。

(2)某1 m銑刨機(jī)在不同工況下的旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力切向分力的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值線性相關(guān),理論計(jì)算能夠反映銑刨機(jī)實(shí)際作業(yè)過程中的銑削阻力變化,但計(jì)算值大于同工況下的實(shí)測(cè)值。

(3)瀝青混凝土旋轉(zhuǎn)多刀銑削阻力的數(shù)值計(jì)算方法為旋轉(zhuǎn)類多刀具切削阻力計(jì)算提供了思路。要使理論計(jì)算值更加接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),需考慮刀具作用過程中的實(shí)際接觸長(zhǎng)度、實(shí)際接觸面與理論計(jì)算中的差異,以及單刀具長(zhǎng)弧段銑削軌跡中刀具的漸進(jìn)沖擊破壞特性與理論計(jì)算中連續(xù)銑屑的差異,還必須考慮多刀具同時(shí)參與銑削時(shí)刀具間的相互作用和刀具排布參數(shù),以便能更準(zhǔn)確地反映銑削載荷的波動(dòng)。需進(jìn)行單刀與多刀等同銑削深度試驗(yàn),以便更準(zhǔn)確地修正單刀銑削阻力計(jì)算公式,并擴(kuò)大試驗(yàn)范圍,對(duì)瀝青混凝土材料、刀具結(jié)構(gòu)、刀具排布、銑削作業(yè)速度、銑削轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、銑削圓半徑、銑削深度、銑削寬度等因素選取不同水平進(jìn)行單因素、多因素試驗(yàn),從而修正多刀銑削阻力計(jì)算模型。在數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型,得到多刀旋轉(zhuǎn)銑削阻力的解析計(jì)算方法,以便應(yīng)用于工程實(shí)際。

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(編輯 葛趙青)

Numerical Calculation on Multi-Tool Milling Resistance of Asphalt Pavement Milling Machine

WANG Xuebin,HU Yongbiao

(Key Laboratory for Highway Construction Technology and Equipment of Ministry of Education,Chang’an University, Xi’an 710064, China)

To calculate the multi-tool milling resistance of asphalt pavement milling machine and transform any instantaneous milling process of rotating single tool into a uniform-thickness translation cutting with the tangential velocity of tool nose, a calculation model of single-tool milling resistance is established based on shear failure. Multi-tool milling resistance is the vector sum of each tool’s milling resistance at any given time, and the numerical calculation method of the tangential component force of multi-tool milling resistance is obtained. The calculation formula for single-tool milling resistance is modified with the sectional area of milling contact as the independent variable. The theoretical value and measured data of an experimental prototype milling machine are compared, and the results show that their linear correlation coefficientR2is 0.9. The calculation formula for tangential component force of multi-tool milling resistance is modified based on the measured data, and the error source is analyzed. The calculation model may provide a reference for calculation of single- and multi-tool cutting resistances.

asphalt pavement milling machine; milling resistance; multi-tool milling; numerical calculation

2015-12-01。 作者簡(jiǎn)介:汪學(xué)斌(1986—),男,博士生;胡永彪(通信作者),男,教授。 基金項(xiàng)目:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(CHD2011TD016,310825153313);國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAE28B03)。

時(shí)間:2016-04-28

10.7652/xjtuxb201607015

U415.5

A

0253-987X(2016)07-0096-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160428.2222.006.html