金刚石锯片切割混凝土的切削力影响因素分析

金刚石锯片切割混凝土的切削力影响因素分析

孙志超1a ，刘新琛2，张宝鹏1b

（1.中国民航大学a.建设规划处；b.机场学院，天津300300；2.天津滨海国际机场飞行区管理部，天津300300）

摘要：通过切削过程中的金刚石锯片进行受力分析，并基于单颗粒金刚石磨粒模型，分析了进给速度、切割深度

及锯切线速度等切割影响因素与切削力之间的关系，得出切削力与切割影响因素之间的规律。最后通过试验进行验证，为金刚石锯片切割混凝土道面提供了很好的理论指导。

关键词：进给速度；切割深度；锯切线速度；锯切力；混凝土道面中图分类号：TU649

文献标志码：A

文章编号：1674－5590（２０18）03－００58－０4

Influencing factors analyses of concrete cutting force of diamond saw blade

SUN Zhichao 1a ,LIU Xinchen 2,ZHANG Baopeng 1b

（1a.Planning &Construction Department;1b.College of Airport Engineering,CAUC,Tianjin 300300,China ;

2.Flight Area Management Department,Tianjin Binhai International Airport,Tianjin 300300,China ）

Abstract:Diamond saw blade in cutting process is analyzed,and the relationship between cutting speed,cutting depth,

sawing speed and cutting force is analyzed based on single particle diamond abrasive model.The regular pattern between cutting force and cutting influential factors is obtained and verified,providing sound theoretical guidance for diamond saw blade cutting concrete pavement.

Key words:feeding rate;cutting depth;cutting line speed;sawing force;concrete pavement

收稿日期：2017-04-10；修回日期：2017-06-02

基金项目：国家自然科学基金项目（51408598）；中国民航大学机场工程研究基地开放基金（JCJD1302）

作者简介：孙志超（1988—），男，河北承德人，助理工程师，硕士，研究方向为土木工程.

机场水泥混凝土道面板在各种负荷作用下极

易在边角处产生破损，如缺棱掉角、在边角附近出现严重的断裂或开裂等现象。为及时消除板块边角的隐患，需要对混凝土边角进行快速修复。在破损道面的剔除过程中，需要金刚石碟式切割机将破损部位从完好道面上切除，进而避免或减少损坏部位对附近完好混凝土的损坏以及对整个道面使用寿命的影响。

混凝土道面采用金刚石碟式切割机的研究，主要是基于Bienert 所提出的单颗粒金刚石磨粒切割混凝土模型[1]。借助于试验的研究方法，Tonshoff 等[2]针对金刚石磨粒、进给量的大小及进给压力对单颗粒金刚石磨粒上的作用力影响进行研究。通过实验结果分析得知，进给压力是锯切力的主要组成部分，金刚石磨粒的增大会使进给压力增加，进给量的增大会使进给压力减小。李远等[3]对花岗岩切割过程中金刚石锯片以及单颗粒金刚石磨粒上的锯切力进行测量与分析发现：相对于进给速度来说，切割深度对于锯片的锯切

力的影响更为显著；而对于单颗粒金刚石来说，进给速度的影响要比切割深度更加显著；大切深时采用小进给量的方式可以降低金刚石的锯切力。魏昕[4]对锯切花岗岩过程中锯切工艺参数、锯切材料性能与锯切力之间的关系进行研究，总结出切割花岗岩时的锯切力经验公式。陈先[5]研究发现，材料的破碎阻力及锯切过程中的摩擦力是锯切力的主要组成部分，而摩擦力又包括锯片与锯切材料之间及锯片与锯屑之间的摩擦。Jerro [6]借助于有限元数值分析软件，对锯切过程进行建模分析，建立了锯切力的有限元计算模型。混凝土组成材料的多样性，势必导致锯切过程中影响因素的多样性。因此，对于混凝土切割过程中的锯切力的研究大多是基于试验或根据经验公式求得，较少涉及理论方面的研究。金刚石锯片在混凝土道面修复切割过程中的应用较为广泛，对金刚石锯片的结构性能及锯切性能的要求也越来越高，因此，急需一套成熟的理论来有效地指导金刚石锯片对混凝土道面的切割。

第36卷第3期２０18年6月

中国民航大学学报

JOURNAL OF CIVIL AVIATION UNIVERSITY OF CHINA

Vol.36No.3June 2018

第36卷第3期（a ）顺切法

（b ）逆切法

图1金刚石碟式切割机的切割方式

Fig.1Cutting method of diamond disc cutting machine

混凝土路面

金刚石锯片

A p

F z

F x

F n

F t αβV f

V s

混凝土路面金刚石锯片

A p

F z

F x

F n

F t

α

β

V f

V s

图2单颗粒金刚石磨粒切割示意图

Fig.2Single particle diamond abrasive cutting diagram

2兹

h max

A g

l c l c V f

A p

V s

锯片1混凝土切削过程中的受力分析

混凝土锯切过程中最主要的物理量是锯切力，其直接影响切割过程的稳定性，尽可能减少被切割旧混凝土的扰动，需要对切割工艺进行科学的设计，并确定合理的切割参数以避免对相邻混凝土板体的伤害。金刚石碟切割机的切割方式主要有进给速度方向与锯片旋转方向相反的逆切割及进给速度方向与锯片旋转方向相同的顺切割[7]，如图1所示，其中：V s 为锯切线速度；V f 为切割进给速度；A p 为切割深度。

1）顺切法

F t =F z sin α-F x cos αF n =F z cos α+F x sin α（1）2）逆切法

F t =-F z sin α+F x cos αF n =F z cos α+F x sin α（2）其中：F x 为水平方向的力（N ）；F z 为垂直方向的力（N ）。

3）锯切力的位置角度锯切弧区角为β=cos -1（1-A p R ）=cos -1（1-2A p D s

）

其中：R 为金刚石锯片的半径（cm ）；D s 为金刚石锯片的直径（cm ）。

定义K =αβ

，由于切割深度为10cm 左右，属于

大切深问题，所以K 取值为0.57~0.7[8]。

锯切力位置角度为

α=K β=K cos -1（1-2A p D s

）

（3）

4）锯切过程消耗的功率

P =U （I 1-I 0）

其中：P 为切割机的额定功率（W ）；U 为工作电压（V ，一般取380V ）；I 1为锯片切割电流（A ）；I 0为锯片空转电流（A ）。

5）锯片上的切向力和法向力

F t =P /V s F n =

F 2x +F 2z -F 2

t

姨（4）

2单颗粒金刚石磨粒上的锯切力分析

目前，混凝土道面采用金刚石碟式切割机切割原

理的研究，主要以作用在单颗粒金刚石磨粒上的作用力进行研究，如图2所示。

1）锯片的断续比

姿=

l s

l s +l w

其中：l s 为锯片的节块弧长（mm ）；l w 为水槽弧长（mm ）；姿一般取0.713。

2）单位面积上切削的金刚石磨粒数C a =C 浊姿

l s B

其中：C 为单个节块上的有效磨粒数；浊为有效磨粒数占实际参与切削的金刚石磨粒数的比例，一般为2/3；B 为金刚石节块宽度（mm ）。

3）锯切弧长度l c =D s 2β=D s 2cos -1（1-2A p D s

）（5）

4）单颗粒金刚石磨粒的最大切削厚度

文献[9]给出单颗粒金刚石磨粒的最大切削厚度为

h max =

V f V s 3C a tan 兹A p D s

姨

姨

（6）

其中，兹为切屑底部夹角的一半，取60°。

孙志超，刘新琛，张宝鹏：金刚石锯片切割混凝土的切削力影响因素分析

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