路面铣刨机铣削阻力分析

刀 ２转角 为 ， 则铣刀 ２刀尖 的坐标为
２＝ ２ ＝ Ｒｓ ｉ ｎ ２
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动参 数 和几何 参数对刀具 受力的影响 规律 ．
３ 刀 具 受 力 数 学模 型
３ ． １ 水 平运动分析
Ｙ ２ ＝ Ｒｃ ｏ ｓ ２
ｓ ２＝
２ ／ （ ６ ｎ ）
（ ３）
Ｘ２ １ ＝ Ｘ２ ＋ Ｓ ０
Ａｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｌｕｅ ｆ ｎｃ ｅ ｌ ａ ｗｓ ａ ｎｄ ｍｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎｃ ｅ ｓ ｏ ｆ ｐ ａ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｉ ｌ ｌ ｅ ｒ
Ｔ Ｉ ＡＮ Ｊ ｉ ｎ ・ ｙ ｕ ｅ ，ＸＩ ＡＮＧ Ｈｕ ａ ・ ｒ ｏ ｎ ｇ
Ｖｏ １ ． ２ ５ Ｎｏ ． ５
Ｓ ｅ ｐ ．２ ０ ０ ４
路 面铣 刨 机 铣 削 阻力 及 其 参 数 影 响 规 律 分 析
田晋 跃 ，向 华 荣
（ 江苏 大学 汽车 与交通 工程 学 院 ， 江苏 镇江 ２ １ ２ ０ １ ３ ）
摘要 ： 通 过对路 面铣 刨机铣 削装置 的工作 方式 、 工作 原 理 、 刀具 布置 和铣 削运 动 的理论 分析 ， 建立
水平进 给运动分析 简 图如 图 １ ．以铣 削过 程 的
最小单元 为研究对象 ， 因螺旋 线 头数 为 ２ ， 在 过齿 迹
圆的截面上 相距 １ ８ ０ 。 对称 布置两把刀具．铣刀 １与
０＝ ３ ０ ｖ ０ ／ ｎ
由图 １ 知， 在 △Ｐ ｌ Ⅳ ｌ 中， Ｙ ｌ ＋（ ｌ —ｓ １ ） ＝
随着高等级 公路 的发展 ， 路 面 维修 的技 术装 备 性 能要求愈来 愈高 ， 路 面铣 刨 机广 泛用 于损 坏路 面 的铣削作业 ， 并可完成 路面油包 、 波浪 、 车辙 、 轮陷等 铣 刨作业 ¨ Ｊ ， 已成为公 路及 城 市道路 维 修作 业 的关 键技术装备之 一 ．路面铣刨 机 的作业 效率 与铣削 刀具 的参数有 关 ， 目前 的研 究主 要集 中在刀 具材 料和排列方式 上 Ｊ ．文 中叙述路 面铣刨机 铣削刀具 的工作原理 ， 建 立路 面铣 刨机铣 削刀 具 的受 力模 型 ， 分析路面铣刨机刀具铣 削受力及其参数的影响规律．
１ 铣 削 装 置 的 工作 方 式 及 工作 原 理
路面铣刨机 的主要工 作部 件 是铣刨 鼓 （ 或螺 旋 转 子） ， 铣刨 鼓 上 均 匀 布置 着按 左 右 螺 旋线 规 律 排
收 稿 日期 ：２ ０ ０ ４—０ ４— ４ ０ 基 金项 目： ２ ０ ０ ２年 国家技 术创 新计 划项 目（ ０ ２ ｃ Ｊ 一 ０ ８— ０ １ — ０ ７ ）
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第 ２ ５卷 第 ５期 ２ ０ ０ ４年 ９月
江 苏 大 学 学 报（ 自 然 科 学 版） Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ （ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
形成 的交点．同上 面建立方程一样 ， 可得 到
Ｙ ｌ ＋［ ｌ 一（ ｖ ， ／ （ ６ ｎ ） ） ａ ｒ ｅ ｅ ｏ ｓ （ ｙ ｌ ／ Ｒ ） ］ ＝Ｒ
｛ Ｙ ｌ ＝ Ｒ ｃ ｏ ｓ ｌ
了刀具铣 削受 力计算 的数 学模 型．利用该数 学模 型 ， 计 算 出在 铣 削过程 中刀具 处 于最大铣 削深度 时的铣 削受 力， 分析 刀具运动 参数和几何参数 与铣 削受 力之 间的关 系， 并运 用计 算机仿 真 ， 得 出给
定条件 下刀具参数 对刀具铣 削受力的影响规律． 关键词 ： 路 面铣 刨机 ； 铣 削阻力 ； 计算机模 拟 中图分 类号 ： Ｕ ４ １ ５ ． ５ １ ２ 文献标识 码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ６ ７ １ — ７ ７ ７ ５ （ ２ ０ ０ ４ ） ０ ５— ０ ３ ８ ０— ０ ５
构 的最 小单元 ， 该最 小单 元 也就 是 本文所 确 立 的研 究对 象．以最 小单 元 为研 究 对象 ， 建 立刀 具垂 直进
给和水 平进给 两种 方式 的数 学模 型．并 分析刀 具运
之间 的距离 ．Ｐ 。 点是 Ｐ 点 与瞬时转 动 中心 Ⅳ。 点连 线 与铣刀 １ 轨迹 曲线 的交点．假设铣 削深 度为 Ⅳ， 铣
（ ５）
Ｙ １ ） Ｙ ｌ ＋［ ２ ｌ —Ｙ ２ ｔ ａ ｎ ２＋Ｙ ｌ ｔ ａ ｎ ２一
（ ｖ ￣ ／ （ ６ ｎ ） ） ８ ， ｒ Ｃ Ｃ Ｏ Ｓ （ ｙ １ ／ Ｒ ） ］ 一Ｒ （ ６）
由牛顿迭代法便 可求 出满 足给定 精度 的 Ｙ 。 ， 。
值， 从而铣 削厚度
列 的铣 刀．铣 刨鼓 是 以垂直 进给 和水平进 给两种 方 式 进行工作．路 面铣刨机 以工作速 度 向前 或 向下 移 动， 铣刨鼓 旋转均 匀分 布 于滚筒 上 并按 螺旋 线排 列 的铣刀 ， 顺 序接触路 面表层 ， 将路面表层 材料铣削成
碎颗粒状．
２ 铣 刨 鼓 及 其 刀具 布 置
利用牛顿 迭 代法 即可 求 出满 足 给 定 精 度 的 Ｙ ．
值， 从 而 ． 值也 可 以确定 了．即
ｌ＝ ２ ｌ—Ｙ ２ ｔ ａ ｎ ２＋Ｙ ｌ ｔ ａ ｎ ２ （４）
Ｙ ｌ ＋［ ２ ｌ —Ｙ ２ ｔ ａ ｎ ２ ＋Ｙ ｌ ｔ ａ ｎ ２ 一
（ ｖ ｓ ／ （ ６ ｎ ） ） ａ ｒ ｅ ｅ ｏ ￣ ， （ Ｙ ｌ ／ Ｒ） ］ ＝Ｒ
Ｒ ； 在 △Ｐ ｌ Ｐ ２ Ａ中， ｔ ａ ｎ ２＝（ ２ ｌ — １ ） ／ （ Ｙ ２ 一 Ｙ １ ） ， 且
ｓ ｌ＝ （ ｖ ， ／ （ ６ ｎ ） ） ａ ｒ ｅ ｅ ｏ ８（ Ｙ ｌ ／ Ｒ） ．
铣削底 面相切 时的转动 中心 ０ ． 为铣 刀 轨迹 曲线 的
坐标原点 ０ ． ， 铣刀 ２与铣削底 面相切 时 的转 动 中心 ０ ： 为铣刀 ２轨迹 曲线 的坐标 原点 ０ ．
以１ ｍ路 面铣 刨机 为例 ， 铣 刨 鼓 刀尖 圆 的直 径 为３ ８ ０ ｍ ｍ， 铣 刨宽度 为 １ ０ ０ ０ ｍ ｍ， 相邻 两刀 头齿迹
距离 为 ２ ５ ｍ ｍ， 相邻两齿 杆距 为 １ ０ ０ ｍ ｍ（ 圆周 距 ） ， 螺旋线 头数为 ２ ．在铣刨鼓 上 ， 通过 刀尖所在位置 画 纵线 ， 表示 铣 刨鼓 转 动 时 刀 尖 的 圆周迹 线 ， 即齿 迹 线． 沿 刀 头 的刀 尖位 置 画横 线 ， 该 横线 称 为假 想 齿
铣削受力分 析 中， 主要研 究刀具在最 大铣削厚度 ｔ 处的受力 ， 最大 厚 度 ｔ 的位 置对 应 于 Ｐ 。 （ ， Ｙ 。 ） ，
设 铣 刀 １轨 迹 曲线 上 任 意 一 点 Ｐ ， 的坐 标 为 （ 。 ， Ｙ 。 ） ， 铣刀 ２ 轨 迹 曲线上任 一点 Ｐ ２ 的坐标 为 （ ，
ｔ ＝￣ ／ （ ２ ｌ — １ ） ＋（ Ｙ ２ 一 Ｙ １ ）
图 １ 水平 运 动简 图
Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｄｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｍｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ
（ ７）
由图 １ 可看 出 ， 刀具在 任意位 置 的铣 削厚 度 ｔ ， 是在给定不 同铣 削参 数 的条件 下得 到的．在刀具 的
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｍｏ ｄ ｅ，ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ，ｃ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ａ ｒ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ， ａ ｎ ｄ ｍｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｐ ａ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｉ ｌ ｌ ｅ ｒ ，ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｓ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ — ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ．Ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ，ｔ ｈ ｅ ｍｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｌ ｉ ｅ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｘ ｉ ｍｕ ｍ ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ ｐ ｔ ｈ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｕ ｒ ｓ ｅ ｏ ｆ ｒ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ — ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｉ ｎ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ：ｐ ａ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｉ ｌ ｌ ｅ ｒ ；ｍｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｓ ；ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍｏ ｂ ｉ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｒ ａ ｆ ｆ ｉ ｃ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｚ ｈ ｅ ｎ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ，Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ ２ １ ２ ０ １ ３ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
３ ８ １
杆．由于螺旋 线 的头 数为 ２ ， 所 以在 同一齿迹 圆上对
称分布 着两把 刀具 ， 这就 是 路面 铣刨 机铣 削 路面 机
３ ． ２ 铣削厚度 的确 定 铣削厚 度是垂 直于刀具运 动方 向上切削 材料的 厚 度．铣刀 ２ 经过 Ｐ ２ 点时 ， 铣削厚度 ｔ 为Ｐ 。 和 点
作者 简介 ：田晋跃 （ １ ９ ５ ８ 一 ） ， 男， 山西 孝 义人 ， 副教授 （ ｔ ｉ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｙ ｕ ｅ ＠ｕ ｊ ｓ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ ） ， 主要 从事工 程机 械 及专用 车辆 技术 的研 究
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第 ５期
田晋跃等 ： 路面铣刨机铣削阻力及其参数影响规律分析
Ｙ ） ， 则可 得铣刀 １ 、 ２的轨迹方程． （ １ ） 铣刀 １ 轨迹方 程 假设铣 刀 １的转 角为 。 ， 则 由图 １ 可得
ｒ ｌ ＝ １＋ Ｒｓ ｉ ｎ ｌ
而此 时 Ｐ 的坐标是确定 的．对应 于 ￡ 的是 Ｐ 。 点刀 ２轨迹 的 Ｐ 点 和瞬心 Ⅳ ２ 点 的连线 ， 与路 面上 水平线