小型混凝土銑刨機(jī)銑刨過(guò)程仿真

王寒煜

（廣東博智林機(jī)器人有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

大型路面銑刨機(jī)是成熟的市政工程專用設(shè)備，一般適用于大面積的施工作業(yè)，但對(duì)于小面積的施工作業(yè)則不太適用，而小型混凝土銑刨機(jī)小巧靈活，能適應(yīng)各種小面積的施工作業(yè)，主要應(yīng)用于橋面鑿毛、舊路面刨除、受損地面修復(fù)、室內(nèi)地面灰漿清理、地面拉毛、住宅等場(chǎng)地的銑刨施工。銑刨施工是一種通過(guò)刀片切除表面材料來(lái)實(shí)現(xiàn)所需表面質(zhì)量的施工方法，銑刨過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，涉及地面與刀具之間的摩擦狀態(tài)、地面材料的變形、斷裂失效等，利用傳統(tǒng)的解析研究方法，很難對(duì)銑刨過(guò)程進(jìn)行定量分析[1]，因此需要采用有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)銑刨過(guò)程進(jìn)行研究。目前業(yè)界對(duì)大型路面銑刨機(jī)的銑刨過(guò)程研究較多[2-4]，而對(duì)小型混凝土銑刨機(jī)的銑刨過(guò)程研究較少，本文應(yīng)用ABAQUS 有限元分析軟件對(duì)小型混凝土銑刨機(jī)刀片銑刨水泥混凝土過(guò)程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，銑刨刀片對(duì)地面沖擊力大小直接反映切削的難易程度，直接影響到設(shè)備的可靠性、效率、作業(yè)質(zhì)量及刀片的壽命，是切削過(guò)程中最重要的參數(shù)之一，本文分析了不同的銑刨深度、銑刨速度、進(jìn)給速度對(duì)沖擊力的影響規(guī)律，為銑刨工藝研究提供了理論參考。

1 銑刨工作原理

小型混凝土銑刨機(jī)整體向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)銑刨鼓高速旋轉(zhuǎn)，由于硬質(zhì)鎢鋼合金刀片內(nèi)孔與刀軸存在間隙，銑刨鼓高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，銑鼓刀軸上的合金刀片被甩動(dòng)并高速敲擊地面，利用合金刀片上的刀齒來(lái)沖擊與磨削水泥混凝土地面，從而實(shí)現(xiàn)水泥混凝土表面質(zhì)量的預(yù)期效果，同時(shí)銑刨罩殼將整個(gè)銑刨鼓包圍起來(lái)，可以起到抑制銑刨過(guò)程中揚(yáng)塵的作用。

圖1 銑刨工作原理

2 建模

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

圖2 幾何模型及網(wǎng)格

水泥混凝土路面長(zhǎng)度為500 mm，寬度為100 mm；銑刨鼓外徑為315 mm，刀片外徑為150 mm，刀片孔與刀軸間隙為8 mm，由于刀片上的刀齒是均勻?qū)ΨQ分布的，因此只模擬一片刀片的銑刨過(guò)程。刀片及刀軸被定義為剛體。水泥混凝土單元形狀選擇為Hex 六面體單元，采用掃掠方式對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，掃掠路徑為自下而上，選擇Advancing Font 進(jìn)階算法，選擇C3D8R8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元，同時(shí)引入了沙漏控制，水泥混凝土單元數(shù)為259 200。

2.2 Johnson-Cook模型

本文利用有限元分析軟件ABAQUS 中的Johnson-Cook 材料本構(gòu)模型和Shear Failure 失效準(zhǔn)則建立水泥混凝土的有限元模型，水泥混凝土的有限元節(jié)點(diǎn)損傷失效判斷的依據(jù)是該節(jié)點(diǎn)是否達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)。Johnson-Cook 本構(gòu)模型是針對(duì)混凝土材料提出的一種損傷本構(gòu)模型，用來(lái)模擬計(jì)算混凝土高應(yīng)變率下的大變形問(wèn)題[5]，能較好地描述混凝土在高速撞擊與侵徹下的力學(xué)行為，此模型在相關(guān)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[6]。

等效應(yīng)力方程為

σ＝［A（1-D）+Bεn］（1+Cln εs*）（1-T*m）。

式中：A、B、n、C、m 為模型參數(shù)；σ 為等效應(yīng)力；ε 為等效塑性應(yīng)變；εs*=ε/ε0為無(wú)量綱化應(yīng)變率，ε0為參考應(yīng)變率；T*＝（T－Tr）/（Tm－Tr）為無(wú)量綱化溫度，其中Tr為參考溫度，Tm為材料的熔點(diǎn)溫度，T 為試驗(yàn)溫度。

損傷演化方程為：

εf＝［D1+D2exp（D3σ0）］(1+D4ln ε*)(1+D5T*)。

式中：D1～D5為模型參數(shù)；εf為有效斷裂應(yīng)變；△ε 為等效塑性應(yīng)變?cè)隽?；?=σH/σ 為應(yīng)力三軸度，σH為平均應(yīng)力；損傷參數(shù)D 為一個(gè)積累量，當(dāng)損傷參數(shù)D達(dá)到1時(shí)，判斷為損傷失效。

相關(guān)學(xué)者已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)獲得了水泥混凝土Johnson-Cook 本構(gòu)模型參數(shù)[7-9]，本文基于相關(guān)學(xué)者的試驗(yàn)成果，選取了一組比較合適的參數(shù)，如表1所示。

表1 水泥混凝土Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)

2.3 定義接觸

本文銑刨數(shù)值模擬過(guò)程中需要定義3 對(duì)接觸：第1 對(duì)是刀片內(nèi)孔與刀軸的接觸，銑刨鼓旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，刀片將在離心力的作用下接觸刀軸外表面；第2對(duì)是刀齒與混凝土的接觸，銑鼓高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，銑鼓刀軸上的合金刀片被甩動(dòng)并高速敲擊地面；第3 對(duì)是混凝土的自接觸，混凝土破碎后，混凝土碎屑之間、碎屑與未銑刨混凝土之間相互接觸。

2.4 邊界條件

約束刀軸中心的4 個(gè)自由度（U2=U3=UR1=UR2=0），刀軸中心只保留旋轉(zhuǎn)及進(jìn)給方向運(yùn)動(dòng)的自由度；約束混凝土路面的6 個(gè)自由度（U1=U2=U3=UR1=UR2=U3=0）；約束刀片4 個(gè)自由度（U3=UR1=UR2=0），刀片中心只保留旋轉(zhuǎn)及進(jìn)給方向運(yùn)動(dòng)的自由度；刀軸中心與刀軸綁定。

3 銑刨路面模擬結(jié)果及分析

刀軸中心與刀軸采用剛體綁定約束并賦予參考點(diǎn)，對(duì)刀軸中心參考點(diǎn)施加銑刨深度、銑刨轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，銑刨轉(zhuǎn)速為1500 r/min，銑刨深度為1 mm（刀齒最低點(diǎn)侵入地面深度），進(jìn)給速度為50 mm/s。數(shù)值模擬過(guò)程中，在刀尖與混凝土接觸瞬間，網(wǎng)格變形劇烈，為了防止網(wǎng)格畸變導(dǎo)致的計(jì)算困難，銑刨層定義的最小網(wǎng)格尺寸為1 mm，刪除完全損傷失效的網(wǎng)格單元。

根據(jù)實(shí)際作業(yè)工況，刀片銑刨水泥混凝土是一個(gè)沖擊破碎和磨削過(guò)程，在刀片接觸混凝土的瞬間，沖擊力將會(huì)急劇上升，隨著刀片的旋轉(zhuǎn)，水泥混凝土的彈塑性變形、開(kāi)裂失效、沖擊力會(huì)出現(xiàn)一定范圍的波動(dòng)，直到刀片完全脫離地面后完成一次銑刨。由圖3、圖4 可知：沖擊位置出現(xiàn)了剪切破壞，第9 μs 時(shí)刀片開(kāi)始有沖擊力；第126 μs 時(shí)沖擊力達(dá)到最大值106 N，此刻銑刨深度也達(dá)到最大值，沖擊力出現(xiàn)一定范圍的波動(dòng)，隨著沖擊過(guò)程的持續(xù)，沖擊力不斷減小，第504 μs 時(shí)沖擊力降為0 N，整個(gè)銑刨過(guò)程持續(xù)495 μs。由此可見(jiàn)，有限元計(jì)算得出的沖擊力變化規(guī)律與實(shí)際變化規(guī)律基本相符。

圖3 沖擊力變化曲線

圖4 水泥混凝土應(yīng)力云圖（第126 μs 時(shí)）

3.1 銑刨深度對(duì)沖擊力的影響

銑刨機(jī)刀片和刀軸之間存在8 mm 間隙，銑刨鼓高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，銑鼓刀軸上的合金刀片被甩動(dòng)并高速?zèng)_擊地面，取銑刨深度為1～8 mm，銑刨深度為9 mm，銑刨水泥混凝土地面，取銑刨轉(zhuǎn)速為1500 r/min，進(jìn)給速度為50 mm/s，分析不同的銑刨深度對(duì)沖擊力的影響。

圖5 為銑刨深度不同時(shí)沖擊力峰值的對(duì)比?？傮w的趨勢(shì)為：沖擊力隨著銑刨深度的增大而不斷升高，其中銑刨深度在8 mm 以內(nèi)時(shí)，銑刨深度每增加1 mm，沖擊力增長(zhǎng)5%～25%，銑刨深度為8 mm 時(shí)，沖擊力為197.3 N，比銑刨深度為1 mm 時(shí)的沖擊力增長(zhǎng)85%；當(dāng)銑刨深度超過(guò)9 mm 時(shí)，沖擊力急劇增加，沖擊力為1051 N，銑刨深度每增加1 mm，沖擊力增長(zhǎng)4 倍以上。原因是：銑刨深度在8 mm 以內(nèi)時(shí)，在刀齒沖擊地面的瞬間，刀片會(huì)立即反彈起來(lái)，沖擊力不再增加；當(dāng)銑刨深度超過(guò)8 mm 時(shí)，刀片沖擊地面時(shí)，刀軸和刀片內(nèi)孔接觸，刀軸阻止刀片反彈，從而迫使刀片繼續(xù)銑刨地面，造成沖擊力急劇上升。因此，在實(shí)際施工過(guò)程中，需要控制銑刨深度，銑刨深度不能大于刀軸間隙，以防因沖擊力過(guò)大而造成機(jī)器故障。

圖5 不同銑刨深度對(duì)沖擊力的影響

3.2 銑刨轉(zhuǎn)速對(duì)沖擊力的影響

銑刨水泥混凝土路面時(shí)，取銑刨深度為1 mm，進(jìn)給速度為50 mm/s，銑刨轉(zhuǎn)速為1500～2000 r/min，分析不同的銑刨轉(zhuǎn)速對(duì)沖擊力的影響。

圖6 為銑刨轉(zhuǎn)速不同時(shí)沖擊力峰值的對(duì)比。總體的趨勢(shì)為：沖擊力隨著銑刨轉(zhuǎn)速的增加而增加，銑刨轉(zhuǎn)速為2000 r/min 時(shí)，沖擊力為182.4 N，相比于銑刨轉(zhuǎn)速為1500 r/min 時(shí)的沖擊力增長(zhǎng)70%；銑刨轉(zhuǎn)速每增加100 r/min，沖擊力增長(zhǎng)10%～18%。

圖6 不同銑刨轉(zhuǎn)速對(duì)沖擊力的影響

3.3 進(jìn)給速度對(duì)沖擊力的影響

銑刨水泥混凝土路面時(shí)，取銑刨深度為1 mm，銑刨轉(zhuǎn)速為1500 r/min，進(jìn)給速度為50～200 mm/s，分析不同的進(jìn)給速度對(duì)沖擊力的影響。

圖7 為進(jìn)給速度不同時(shí)沖擊力峰值的對(duì)比圖?？傮w的趨勢(shì)為：隨著進(jìn)給速度的增加，沖擊力的變化不大（約為±6%），進(jìn)給速度為50 mm/s 時(shí)沖擊力為106.9 N，進(jìn)給速度為200 mm/s 時(shí)沖擊力為103.3 N。由此可見(jiàn)，提高銑刨機(jī)的進(jìn)給速度時(shí)，刀片對(duì)混凝土地面的沖擊力變化不大，在保證施工表面質(zhì)量的前提下，可以適當(dāng)提高進(jìn)給速度，從而提高作業(yè)效率。

圖7 不同進(jìn)給速度對(duì)沖擊力的影響

4 結(jié)論

本文應(yīng)用ABAQUS 有限元分析軟件對(duì)小型混凝土銑刨機(jī)刀片銑刨水泥混凝土過(guò)程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，分析了不同的銑刨深度、銑刨速度、進(jìn)給速度對(duì)沖擊力的影響規(guī)律，為銑刨工藝研究提供了理論參考。

1）沖擊力隨著銑刨深度的增大而不斷升高，當(dāng)銑刨深度小于刀軸間隙時(shí)，銑刨深度每增加1 mm，沖擊力增長(zhǎng)5%～25%；當(dāng)銑刨深度大于刀軸間隙時(shí)，沖擊力急劇增加，銑刨深度每增加1 mm，沖擊力增長(zhǎng)4 倍以上。在實(shí)際施工過(guò)程中，需要保證銑刨深度小于刀軸間隙，以防因沖擊力過(guò)大而造成機(jī)器故障。

2）沖擊力隨著銑刨轉(zhuǎn)速的增加而升高，銑刨轉(zhuǎn)速每增加100 r/min，沖擊力增長(zhǎng)10%～18%。

3）隨著進(jìn)給速度的增加，沖擊力變化幅度約為±6%。提高銑刨機(jī)的進(jìn)給速度時(shí)，刀片對(duì)水泥混凝土地面的沖擊力變化不大，在保證施工表面質(zhì)量的前提下，可以適當(dāng)提高進(jìn)給速度，從而提高作業(yè)效率。