冷再生转子刀头安装参数研究

冷再生转子刀头安装参数研究摘要：为了研究冷再生转子刀头的受力情况，通过搭建试验平台对刀头在不同空间安装参数下的切削力进行测试，获得了转子刀头切削动态应力、主应力方向和对应扭矩之间的关系，并从实验和仿真两个方面对刀座安装参数进行了相互验证。测试结果表明：刀座主应力方向与侧向倾角方向一致，侧向倾角7°切削效果较优；刀头在45°方向受到的扭力及应力较佳。关键词：冷再生；工作转子；扭矩；应力中图分类号：U418.3文献标志码：BResearchonSettingParametersofToolBitsofRotorsonColdRecyclingMachineZHANGChen1，CUIBu-an2，ZHANGYun-ying1，LUGao-ji1，ZHUHong-rui1（1.XuzhouXugongRoadConstructionMachineryCo.Ltd.，Xuzhou221004，Jiangsu，China；2.ExperimentalCenterofXuzhouEngineeringMachineryResearchInstitute，Xuzhou221004，Jiangsu，China）Abstract：Inordertostudytheforceconditionoftoolbitsofrotorsoncoldrecyclingmachine，atestbedwassettocarryoutthetestofcuttingforcewithdifferentinstallationparameters.Therelationshipbetweendynamiccuttingstressanddirectionofprincipalstressandrelatedtorquewasobtained，andthesettingparameterswereverifiedbytestandsimulation.Thetestresultshowsthattheprincipalstressoftoolapronandlateralangleareinthesamedirection.Cuttingeffectisbetterwithalateralangleof7°，whilethetoolbitbearsbettertorqueandstressatanangleof45°.Keywords：coldrecycling；workingrotor；torque；stress0引言冷再生转子是就地冷再生机的核心部件，它直接对旧沥青路面面层和基层进行破碎，因此其性能决定了整机的工作水平。在环境恶劣的工况下，转子往往受力不均，常出现刀头偏磨、断裂、刀座断裂和刀杆脱落等故障，影响施工进度。针对上述现象，国外知名工程机械企业的研究人员对转子参数进行了长期研究，并垄断了冷再生转子制造技术。而国内对冷再生转子的研究较少，研究方法还不成熟，对转子制造的帮助甚少[1-2]。因此，对冷再生转子参数的研究具有重要意义。1试验内容和方法1.1测试系统搭建为了获取转子刀头切削时的动态应力、马达系统扭矩等参数的变化规律，搭建了旋转工作装置性能测试系统，如图1所示。测试系统还包含数据采集仪器、传感器等辅助工具。转子结构设计及使用原理见图2、3。转子的结构设计是能否获取正确数据的关键。针对切削介质，考虑刀头本体结构尺寸，兼顾应变片的外形尺寸，刀座设计为12棱柱面。图1测试系统台架图2设计的刀头棱柱面图3带有保护罩的棱柱面1.2工况设定通过变化刀头安装角度，测试不同工况下的载荷信号。设计加工前角分别为40°、45°、48°，侧向倾角为4°～10°的刀头，并通过逆向测绘获得实际焊接后的刀头空间安装角度，如表1所示。周刀试验按照4×90°的对称方式安装刀头，单刀试验仅安装其中1把刀进行切削试验，表1中40°前角下有侧向倾角，焊接角度重合的2组，将其定义在一组试验范围内。表1逆向测绘获得的刀前角、倾角的组合前角/（°）倾角/（°）4.55.56.57.58.59.511.540√√√√√√√√43√√44√45√√√48√√1.3测试方法分别进行单刀、周刀切削试验，稳定运行1min以上，对5～50mm深的切削过程进行实时记录。刀头旋转速度调整为145r?min-1，与整机在实际工作状态下的切削线速度保持一致，记录装置记录从切入介质到切出介质整个过程。2测试结果与分析2.1刀头应力测试依据上述原理测试对应刀座上的信号，从4个大方向、8个具体细化位置进行数据的采集与对比分析（图4、5）。其中1、3和2、4主体方向受到的应力趋势一致，但方向相反（刀头为悬臂梁的安装状态），刀头总体受压时表现为材料的压缩状态，受到的应力可能为压应力。通过信号的局部放大图可以看出刀头切削时都存在拉压状态。图4试验测试中的棱柱面图5互校准分组标记实时采集8个通道的应力信号，获取其中8个位置和4个主要节点方向的应力对比图，记录各方向上的应变关系及与刀座实际安装的位置关系。然后结合逆向测绘数据进行分析，得出刀座侧向倾角的大小会对刀座主应力产生影响。分析表明：4、5号为最大受力点，由于侧倾角存在，与其相邻的3或6号位置也较大；3、5号位置为受力较大的节点，图648°-7.5°刀头受到应变的局部放大图740°-7.5°刀头受到应变的局部放大图6～7中能清晰地反应出刀头主应力较大的方向，且应力大小是同组其他方向的数倍以上。2.2刀头不同安装角度仿真分析为了对比分析不同安装角度下刀头受到的扭矩（转子扭矩）、应力，以获得较优的空间安装方式，因此进一步细化该安装角度，再次进行仿真分析与试验验证，不断获取刀头安装角度的具体数值。在保证切削不同的介质料时，刀头受载及转子的扭矩处于一种较为均衡的状态，使得刀头寿命获得一定的提升。图8分别为同一介质条件下，在不同安装角度的情况下扭矩及应力数据，通过对试验数据进行对比分析，刀头在46°-7°的安装方式下，刀头受到的载荷和扭矩状况都较优。图8相同介质切削扭矩及应力、应变对比通过对42°、46°、50°方向上的扭矩、应力对比可知：随着侧向倾角在4°～10°范围内进行变化，42°-4°、46°-7°、50°-5°对应的扭矩优于同组的其他数据；同时还可以得出侧向倾角不易过大的结论；结合对刀前角分析的结果，发现46°-7°较其他前角受力更优。2.3参数灵敏度对仿真结果影响影响冷再生装置切削性能的主要参数可分为两大类：一类是作业介质的特性参数，包括沥青混合料颗粒密度、摩擦系数、颗粒间的粘结力、介质刚度和颗粒粒径等；另一类是冷再生装置的工作参数，包括切削深度、切削速度和切入角度等。下面就介质及工作参数两类典型影响因素进行仿真分析。2.3.1参数灵敏度双因子变化分析为了进一步反应刀座扭矩变化特征，改变外界条件，图9为在介质变化、切深变化时应力及扭矩的变化趋势。从中可以看出，切深和介质刚度的变化对刀头负载变化影响明显。其中波动较大的时刻为刀头在切入、切出瞬间，发生了剧烈的冲击，且呈现周期性。依据单刀仿真结果，重点分析46°-7°刀头的应力及扭矩的变化关系，切深、介质料刚度增加都会增加刀头负载，尤其切削深度增加时，刀头与颗粒之间多次发生无规律的碰撞，使得扭矩产生较大范围的波动。图9切深及介质变化时应力及扭矩的变化趋势2.3.2切削深度影响分析切削沥青混合料深度分别为设置35.6mm、20mm，如图10所示。利用EDEM软件对切削状态进行仿真分析，得到刀头主应力、切应力随时间变化的规律：随着切削沥青混合料深度增加，法向应力与切向应力呈现一定的变化规律，其中法向应力出现了负值，说明切削过程中出现了瞬间停转现象，切应力变化趋势符合受力方向的形态特征。图10切深变化时的应力变化2.3.3入土角度影响分析图11是分别提取不同切削姿态下刀头的受力参数。按照刀座设计的切入角度42°、46°和50°分别进行仿真分析，得到扭矩及应力随时间变化的曲线。随着切削前角的逐渐增加，刀头扭矩、应力均呈现一定的变化规律，但受力与扭矩大小之间不存在必然联系。其中，应力反应了刀头受到的总体应力，而扭矩与其法向应力之间存在一定的关系。这还需要进一步试验来验证应力方向与扭矩大小之间的变化规律。图11不同入土角度下扭矩及应力的对比2.3.4通过参数敏感性仿真分析得出的结论（1）沥青混合料物理力学特性参数发生变化以后，刀头所受沥青混合料阻力（扭矩及主应力）会发生变化，但是曲线的基本形状和走势基本一致；而介质特性的改变会对刀头受载产生较大的影响，由此可以推测介质特性是主要影响因素之一；另外，刚度对其受力影响远大于切削深度的影响。（2）冷再生铣削工作参数（切削深度、切削速度和切入角度等）发生变化以后，刀头所受沥青混合料阻力（扭矩及主应力）会发生变化，但是曲线的基本形状和走势基本一致。其中切入角与切深对刀头的受力及扭矩都会产生较大的影响，切入角的影响大于切深。3结语（1）单刀仿真结果表明：在其他影响因素不变的情况下，刀前角为46°时对应的扭矩、应力的相对较小。（2）在保证外界影响因素不变的情况下，侧向倾角7°切削刀头对应的扭矩、应力的相对较小。（3）在切深、介质特性等外界条件改变的状态下，仿真与试验结果分析同样验证了在刀前角45°～46°、侧向倾角6°～7°条件下，转子具备较优的切削性能，同时马达输出功率及扭矩稳定性表现较佳。参考文献：[1]周里群，刑国，刘宏，等.基于ABQUS的沥青铣削建模[J].建筑机械技术与管理，2010（5）：90-100.[2]刘亚.铣刨机路面铣刨有限元仿真[D].湘潭：湘潭大学，2009.[责任编辑：杜卫华]