金剛石鋸片切割混凝土的切削力影響因素分析

孫志超，劉新琛，張寶鵬

（1.中國(guó)民航大學(xué)a.建設(shè)規(guī)劃處；b.機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300；2.天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)管理部，天津 300300）

機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面板在各種負(fù)荷作用下極易在邊角處產(chǎn)生破損，如缺棱掉角、在邊角附近出現(xiàn)嚴(yán)重的斷裂或開(kāi)裂等現(xiàn)象。為及時(shí)消除板塊邊角的隱患，需要對(duì)混凝土邊角進(jìn)行快速修復(fù)。在破損道面的剔除過(guò)程中，需要金剛石碟式切割機(jī)將破損部位從完好道面上切除，進(jìn)而避免或減少損壞部位對(duì)附近完好混凝土的損壞以及對(duì)整個(gè)道面使用壽命的影響。

混凝土道面采用金剛石碟式切割機(jī)的研究，主要是基于Bienert所提出的單顆粒金剛石磨粒切割混凝土模型[1]。借助于試驗(yàn)的研究方法，Tonshoff等[2]針對(duì)金剛石磨粒、進(jìn)給量的大小及進(jìn)給壓力對(duì)單顆粒金剛石磨粒上的作用力影響進(jìn)行研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得知，進(jìn)給壓力是鋸切力的主要組成部分，金剛石磨粒的增大會(huì)使進(jìn)給壓力增加，進(jìn)給量的增大會(huì)使進(jìn)給壓力減小。李遠(yuǎn)等[3]對(duì)花崗巖切割過(guò)程中金剛石鋸片以及單顆粒金剛石磨粒上的鋸切力進(jìn)行測(cè)量與分析發(fā)現(xiàn)：相對(duì)于進(jìn)給速度來(lái)說(shuō)，切割深度對(duì)于鋸片的鋸切力的影響更為顯著；而對(duì)于單顆粒金剛石來(lái)說(shuō)，進(jìn)給速度的影響要比切割深度更加顯著；大切深時(shí)采用小進(jìn)給量的方式可以降低金剛石的鋸切力。魏昕[4]對(duì)鋸切花崗巖過(guò)程中鋸切工藝參數(shù)、鋸切材料性能與鋸切力之間的關(guān)系進(jìn)行研究，總結(jié)出切割花崗巖時(shí)的鋸切力經(jīng)驗(yàn)公式。陳先[5]研究發(fā)現(xiàn)，材料的破碎阻力及鋸切過(guò)程中的摩擦力是鋸切力的主要組成部分，而摩擦力又包括鋸片與鋸切材料之間及鋸片與鋸屑之間的摩擦。Jerro[6]借助于有限元數(shù)值分析軟件，對(duì)鋸切過(guò)程進(jìn)行建模分析，建立了鋸切力的有限元計(jì)算模型?；炷两M成材料的多樣性，勢(shì)必導(dǎo)致鋸切過(guò)程中影響因素的多樣性。因此，對(duì)于混凝土切割過(guò)程中的鋸切力的研究大多是基于試驗(yàn)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求得，較少涉及理論方面的研究。金剛石鋸片在混凝土道面修復(fù)切割過(guò)程中的應(yīng)用較為廣泛，對(duì)金剛石鋸片的結(jié)構(gòu)性能及鋸切性能的要求也越來(lái)越高，因此，急需一套成熟的理論來(lái)有效地指導(dǎo)金剛石鋸片對(duì)混凝土道面的切割。

1 混凝土切削過(guò)程中的受力分析

混凝土鋸切過(guò)程中最主要的物理量是鋸切力，其直接影響切割過(guò)程的穩(wěn)定性，盡可能減少被切割舊混凝土的擾動(dòng)，需要對(duì)切割工藝進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，并確定合理的切割參數(shù)以避免對(duì)相鄰混凝土板體的傷害。金剛石碟切割機(jī)的切割方式主要有進(jìn)給速度方向與鋸片旋轉(zhuǎn)方向相反的逆切割及進(jìn)給速度方向與鋸片旋轉(zhuǎn)方向相同的順切割[7]，如圖1所示，其中：Vs為鋸切線速度；Vf為切割進(jìn)給速度；Ap為切割深度。

圖1 金剛石碟式切割機(jī)的切割方式Fig.1 Cutting method of diamond disc cutting machine

1）順切法

2）逆切法

其中：Fx為水平方向的力（N）；Fz為垂直方向的力（N）。

3）鋸切力的位置角度

鋸切弧區(qū)角為

其中：R為金剛石鋸片的半徑（cm）；Ds為金剛石鋸片的直徑（cm）。

鋸切力位置角度為

4）鋸切過(guò)程消耗的功率

其中：P為切割機(jī)的額定功率（W）；U為工作電壓（V，一般取380 V）；I1為鋸片切割電流（A）；I0為鋸片空轉(zhuǎn)電流（A）。

5）鋸片上的切向力和法向力

2 單顆粒金剛石磨粒上的鋸切力分析

目前，混凝土道面采用金剛石碟式切割機(jī)切割原理的研究，主要以作用在單顆粒金剛石磨粒上的作用力進(jìn)行研究，如圖2所示。

圖2 單顆粒金剛石磨粒切割示意圖Fig.2 Single particle diamond abrasive cutting diagram

1）鋸片的斷續(xù)比

其中：ls為鋸片的節(jié)塊弧長(zhǎng)（mm）；lw為水槽弧長(zhǎng)（mm）；λ一般取0.713。

2）單位面積上切削的金剛石磨粒數(shù)

其中：C為單個(gè)節(jié)塊上的有效磨粒數(shù)；η為有效磨粒數(shù)占實(shí)際參與切削的金剛石磨粒數(shù)的比例，一般為2/3；B為金剛石節(jié)塊寬度（mm）。

3）鋸切弧長(zhǎng)度

4）單顆粒金剛石磨粒的最大切削厚度

文獻(xiàn)[9]給出單顆粒金剛石磨粒的最大切削厚度為

其中，θ為切屑底部夾角的一半，取60°。

5）實(shí)際過(guò)程中鋸切力與切割因素之間的關(guān)系

根據(jù)鋸切能量消耗分配情況可知，鋸切切向力Ft與鋸切截面積Ag關(guān)系為

進(jìn)給速度在鋸切弧區(qū)垂直方向上所產(chǎn)生的法向接觸應(yīng)力為

平均進(jìn)給角為

法向力為

由式（7）和式（9）可知，增加鋸切深度及進(jìn)給速度都會(huì)導(dǎo)致鋸切切向力及法向力的增加，鋸切深度對(duì)鋸切力的影響要比進(jìn)給速度更明顯。主要原因是：由式（6）和式（8）可知，隨著進(jìn)給速度及切割深度的增加，單顆粒金剛石磨粒的最大切削厚度及法向接觸應(yīng)力均增加；由式（5）可知，當(dāng)增加進(jìn)給速度時(shí)，鋸切弧區(qū)長(zhǎng)度基本保持不變，而當(dāng)增加切割深度時(shí)，弧區(qū)長(zhǎng)度會(huì)增加，還造成鋸屑排出困難。

3 切割影響因素分析

以金剛石碟式切割機(jī)切割C40混凝土為例，研究法向力、切向力與影響因素之間的關(guān)系，并對(duì)其理論解進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 切割深度對(duì)于鋸切力的響應(yīng)規(guī)律

研究鋸切力與切割深度Ap之間的關(guān)系，分別對(duì)某一固定的進(jìn)給速度Vf及作業(yè)生產(chǎn)率QW（QW=ApVf）一定時(shí)的情況進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果如圖3和圖4所示。

由圖3可知，在進(jìn)給速度Vf一定的情況下，不論采用順切法還是逆切法，隨切割深度的增加，鋸切切向力及法向力均呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

由圖4可知，在作業(yè)生產(chǎn)率QW一定的情況下，隨著切割深度的增加，鋸切切向力及法向力均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)?？紤]到作業(yè)生產(chǎn)率是切割深度Ap與進(jìn)給速度Vf的乘積，所以在作業(yè)生產(chǎn)率一定的情況下，隨著進(jìn)給速度的增加，鋸切法向力及切向力均會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3.2 鋸切線速度對(duì)鋸切力的響應(yīng)規(guī)律

在保證切割深度Ap及進(jìn)給速度Vf不變的前提下，鋸切力隨鋸切線速度的變化規(guī)律如圖5所示。

由圖5可知，隨著鋸切線速度的增加，鋸切切向力及法向力均呈線性減小的趨勢(shì)。

圖3 恒定進(jìn)給速度下切割深度對(duì)鋸切力的影響Fig.3 Effect of cutting depth on sawing force with constant feeding rate

圖4 恒定作業(yè)生產(chǎn)率下切割深度對(duì)鋸切力的影響Fig.4 Effect of cutting depth on sawing force with constant productivity

圖5 鋸切線速度對(duì)鋸切力的影響Fig.5 Effect of cutting line speed on sawing force

3.3 進(jìn)給速度對(duì)于鋸切力的響應(yīng)規(guī)律

考慮到混凝土損壞厚度大多為50～100 cm的淺層損壞，因此研究切割深度Ap為60mm和80mm兩種情況下，進(jìn)給速度對(duì)鋸切力的影響，如圖6所示。

圖6 進(jìn)給速度對(duì)鋸切力的影響Fig.6 Effect of feeding rate on sawing force

由圖6可知：隨著進(jìn)給速度的增加，切向力均呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，法向力除個(gè)別點(diǎn)外基本也呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；通過(guò)對(duì)比不同切割深度的鋸切力的曲線可發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)給速度一定時(shí)，切割深度越大，鋸切切向力及法向力也越大。

4 結(jié)語(yǔ)

1）在作業(yè)生產(chǎn)率一定的情況下，鋸片上的鋸切力隨切割深度的增加而增加，隨進(jìn)給速度的增加而減小。因此，在實(shí)際切割中，小切深大前進(jìn)位移的作業(yè)方式可減小作用在鋸片上的鋸切力。

2）隨著鋸片鋸切線速度的增加，鋸切力無(wú)論在徑向或切向兩個(gè)方向上均呈減少趨勢(shì)。原因主要是隨著鋸切速度的增加，鋸片節(jié)塊中單顆粒金剛石切削厚度減少，導(dǎo)致鋸切力減小，尤其是徑向力減少的趨勢(shì)最為明顯。

3）隨著鋸切深度及進(jìn)給速度的增加，鋸切力也相應(yīng)增加。相對(duì)于鋸切切向力來(lái)說(shuō)，切割深度及進(jìn)給速度對(duì)于鋸切法向力的影響更加顯著。