切削深度對瀝青路面冷銑刨切削的影響

王素蘭

（河北省保定市公路管理局，河北 保定 071000）

高等級瀝青路面的使用壽命在15年左右。我國公路長期遭受重載車輛碾壓，很多路段在建成初期就逐步進入中修甚至大修階段[1-2]。因此，我國道路維護任務日益嚴重，銑刨作業是清除廢舊瀝青路面、回收廢舊料的主要方法，其可用于鏟除油包、車轍、沉陷、龜裂、坑槽等路面病害，提升路面的平整度。由于瀝青路面銑刨作業影響因素較多，目前國內外針對銑刨機械的研究主要集中在[3]：銑削力計算、刀具設計、銑刨深度、銑刨速度等。目前，我國銑刨機械生產廠家較多，其銑刨轉子、銑刀和刀庫基本從德國或者美國進口，針對于銑刨機理的研究還不多見。本文首先闡述了銑削路面各層特點，隨后建立了二維瀝青混凝土路面模型，并分析了不同切削深度下切削力的變化情況。為降低銑刨機制造成本，提高作業效率和使用壽命提供參考。

1 銑削路面各層特點

目前，高等級公路路面破壞層一般采用銑刨清除。高等級公路一般由：半剛性基層、底基層、面層、墊層等結構組成[4]。面層是整個路面結構的最上層，其受到環境因素和車輛載荷的長期作用。面層由表面層、中面層、下面層組成。高等級公路設計時速較高，對路面抗滑性和平整度的要求越高，面層一般具有很高的穩定性、剛度和強度，其厚度一般在15 cm左右?；鶎游挥诿鎸又?，面層將車輛的垂直載荷傳遞到基層，由基層將載荷分散到墊層和土基[5-6]。底基層通常由粉煤灰、水泥穩定土、石灰土等組成，是基層和面層的支撐結構。路面結構參數見表1。

表1 路面結構參數 mm

瀝青路面銑刨作業一般要求清除到底基層，通常需要經過幾次銑削作業才能達到要求。一般2 m大型銑刨機的作業深度可達320 mm，1 m中型銑刨機的作業深度為100 mm，小型銑刨機的作業深度為拉毛[7]。銑刨機進行作業時，其切削深度、刀具速度需要根據路用性能、刀具使用壽命等綜合評估[8]。

2 切削深度對切削影響

2.1 模型建立

銑刨刀具運動可視為水平方向的給進運動和旋轉圓周運動疊加而成。根據圖1所示的二維裝配模型，建立瀝青混凝土路面模型，模型尺寸為0.2 m×0.15 m，切削長度為3 cm，為了便于分析刀具與路面切入角取45°。

圖1 銑削模型二維裝配

瀝青混凝土密度取2 430 kg/m3，彈性模量1.16 GPa，泊松比為 0.3，材料的熱導率為2.2 W/（m·K），熱膨脹系數為1.2×10-5/℃。刀具采用硬質合金鋼，其質地堅硬，有良好的耐磨性和耐熱性。刀具密度為7 800 kg/m3，彈性模量260 GPa，泊松比為0.3，材料的熱導率為15.5 W/（m·K），膨脹系數為1.35×10-5/℃。銑刀與瀝青路面間的摩擦系數取0.53。根據上述材料，創建刀具切削瀝青路面作業，利用ABAQUS軟件進行分析。切削仿真共模擬3個階段：切削路面初始階段、瀝青材料塑性變形的階段、路面材料失效分離階段，刀具切削過程示意圖見圖2[1]。

圖2 刀具切削過程示意圖

2.2 切削深度對切削力的影響

銑刨機對瀝青路面進行銑削時，切削深度將影響切削力、銑刨功率、刀具磨損。在其他因素相同時，取切削速度為500 mm/s，切削深度取5 mm、7 mm、9 mm、11 mm、13 mm、15 mm，采用 ABAQUS 軟件進行切削仿真。得出切削力與切削深度的關系見圖3。

圖3 切削力與切削深度的關系

由圖3可知，隨著切削深度的增加，切削力不斷增大，二者間基本滿足線性關系。切削深度增加后，刀具與瀝青路面的接觸體積增加，從而導致切削力增加。根據圖2切削過程示意圖可知，在二維角度下，切削過程可視為多個厚度微元的總和，不同切削深度下的X方向和Y方向的切削力也不相同。圖4給出了不同方向下切削力與切削深度的關系。

圖4 不同方向下切削力與切削深度的關系

由圖4可知，隨著切削深度的增加，X方向的切削力增加的梯度較為明顯，Y方向的切削力變化不大。說明切削深度對X方向的切削力影響較大，對Y方向的切削力影響較小。

2.3 切削深度對應力的影響

在其他因素相同時，取切削速度為500 mm/s，切削深度取 5 mm、7 mm、9 mm、11 mm、13 mm、15 mm，采用ABAQUS軟件進行切削仿真。得出等效應力與切削深度的關系見圖5。

圖5 等效應力與切削深度的關系

由圖5可知，不同切削深度下的等效應力基本都在22.3～22.9 MPa，整體變化不大但無規律可循。

2.4 切削深度對溫度的影響

仍取切削速度為500 mm/s，切削深度取5 mm、7 mm、9 mm、11 mm、13 mm、15 mm，模擬不同深度下刀具最高溫度變化規律，計算結果見圖6。

圖6 不同深度下刀具最高溫度變化規律

隨著切削深度不斷增加，刀尖處的瀝青混凝土形變量逐漸增加，刀尖前緣處的溫度增加，這主要是由于刀尖與瀝青混凝土材料摩擦撞擊導致的。切削深度增加后，銑削功率增大，因此產生更多的熱量，導致切削溫度不斷增加。因此，進行大切深作業時須做好刀具冷卻措施，以提高其使用壽命。

2.5 刀具磨損分析

銑刨道具的使用壽命一般較短，屬于易損部件，刀具擠壓瀝青路面時會產生大量的摩擦熱，使得刀具承受較大的壓力和溫度應力。磨損最先出現的位置一般為刀尖或者刀具前緣。假設切削速度為500 mm/s，當切削深度較小時，刀具處于磨合階段，刀面與瀝青路面的接觸面積較小，但承受的壓力很大，此時只有刀尖參與切削過程，因此刀具前緣處的磨損十分嚴重。隨著切削深度的增加，刀具后座的磨損程度逐漸增加，甚至出現刀座脫落的情況。且切削深度越大，與路面的接觸面積、接觸時間越長，切削最高溫度可達200℃，此時刀具材料內部將出現熱蝕作用，刀具磨損程度進一步增加。因此，進行切削作業時，切削深度和切削速度應綜合環境因素、工程因素等確定，并準備足量的冷卻水做好刀具散熱工作，減小刀具磨損，提高其使用壽命。

3 結論

本文首先對削路面各層特點和瀝青路面結構參數進行了概述，隨后重點介紹了切削深度對瀝青路面冷銑刨切削的影響。運用數值模擬方法分析了切削深度對切削力、應力、切削溫度和刀具磨損的影響。并得到以下結論：隨著切削深度的增加，切削溫度和刀具磨損程度增加，切削力在X方向的分量顯著增加，在Y方向的分量變化不大，但總切削力增加。