小型混凝土銑刨機銑刨過程仿真

王寒煜

（廣東博智林機器人有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

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

1 銑刨工作原理

小型混凝土銑刨機整體向前運動的同時，通過電動機驅動銑刨鼓高速旋轉，由于硬質鎢鋼合金刀片內孔與刀軸存在間隙，銑刨鼓高速旋轉時，銑鼓刀軸上的合金刀片被甩動并高速敲擊地面，利用合金刀片上的刀齒來沖擊與磨削水泥混凝土地面，從而實現水泥混凝土表面質量的預期效果，同時銑刨罩殼將整個銑刨鼓包圍起來，可以起到抑制銑刨過程中揚塵的作用。

圖1 銑刨工作原理

2 建模

2.1 幾何模型及網格劃分

圖2 幾何模型及網格

水泥混凝土路面長度為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對稱分布的，因此只模擬一片刀片的銑刨過程。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，采用掃掠方式對網格進行劃分，掃掠路徑為自下而上，選擇Advancing Font 進階算法，選擇C3D8R8節點六面體線性減縮積分單元，同時引入了沙漏控制，水泥混凝土單元數為259 200。

2.2 Johnson-Cook模型

本文利用有限元分析軟件ABAQUS 中的Johnson-Cook 材料本構模型和Shear Failure 失效準則建立水泥混凝土的有限元模型，水泥混凝土的有限元節點損傷失效判斷的依據是該節點是否達到設計參數。Johnson-Cook 本構模型是針對混凝土材料提出的一種損傷本構模型，用來模擬計算混凝土高應變率下的大變形問題[5]，能較好地描述混凝土在高速撞擊與侵徹下的力學行為，此模型在相關領域中得到了廣泛應用[6]。

等效應力方程為

σ＝［A（1-D）+Bεn］（1+Cln εs*）（1-T*m）。

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

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；εf為有效斷裂應變；△ε 為等效塑性應變增量；σ0=σH/σ 為應力三軸度，σH為平均應力；損傷參數D 為一個積累量，當損傷參數D達到1時，判斷為損傷失效。

相關學者已經通過試驗獲得了水泥混凝土Johnson-Cook 本構模型參數[7-9]，本文基于相關學者的試驗成果，選取了一組比較合適的參數，如表1所示。

表1 水泥混凝土Johnson-Cook本構模型參數

2.3 定義接觸

本文銑刨數值模擬過程中需要定義3 對接觸：第1 對是刀片內孔與刀軸的接觸，銑刨鼓旋轉過程中，刀片將在離心力的作用下接觸刀軸外表面；第2對是刀齒與混凝土的接觸，銑鼓高速旋轉時，銑鼓刀軸上的合金刀片被甩動并高速敲擊地面；第3 對是混凝土的自接觸，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 個自由度（U2=U3=UR1=UR2=0），刀軸中心只保留旋轉及進給方向運動的自由度；約束混凝土路面的6 個自由度（U1=U2=U3=UR1=UR2=U3=0）；約束刀片4 個自由度（U3=UR1=UR2=0），刀片中心只保留旋轉及進給方向運動的自由度；刀軸中心與刀軸綁定。

3 銑刨路面模擬結果及分析

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

根據實際作業工況，刀片銑刨水泥混凝土是一個沖擊破碎和磨削過程，在刀片接觸混凝土的瞬間，沖擊力將會急劇上升，隨著刀片的旋轉，水泥混凝土的彈塑性變形、開裂失效、沖擊力會出現一定范圍的波動，直到刀片完全脫離地面后完成一次銑刨。由圖3、圖4 可知：沖擊位置出現了剪切破壞，第9 μs 時刀片開始有沖擊力；第126 μs 時沖擊力達到最大值106 N，此刻銑刨深度也達到最大值，沖擊力出現一定范圍的波動，隨著沖擊過程的持續，沖擊力不斷減小，第504 μs 時沖擊力降為0 N，整個銑刨過程持續495 μs。由此可見，有限元計算得出的沖擊力變化規律與實際變化規律基本相符。

圖3 沖擊力變化曲線

圖4 水泥混凝土應力云圖（第126 μs 時）

3.1 銑刨深度對沖擊力的影響

銑刨機刀片和刀軸之間存在8 mm 間隙，銑刨鼓高速旋轉時，銑鼓刀軸上的合金刀片被甩動并高速沖擊地面，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，取銑刨轉速為1500 r/min，進給速度為50 mm/s，分析不同的銑刨深度對沖擊力的影響。

圖5 為銑刨深度不同時沖擊力峰值的對比。總體的趨勢為：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 以內時，銑刨深度每增加1 mm，沖擊力增長5%～25%，銑刨深度為8 mm 時，沖擊力為197.3 N，比銑刨深度為1 mm 時的沖擊力增長85%；當銑刨深度超過9 mm 時，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4 倍以上。原因是：銑刨深度在8 mm 以內時，在刀齒沖擊地面的瞬間，刀片會立即反彈起來，沖擊力不再增加；當銑刨深度超過8 mm 時，刀片沖擊地面時，刀軸和刀片內孔接觸，刀軸阻止刀片反彈，從而迫使刀片繼續銑刨地面，造成沖擊力急劇上升。因此，在實際施工過程中，需要控制銑刨深度，銑刨深度不能大于刀軸間隙，以防因沖擊力過大而造成機器故障。

圖5 不同銑刨深度對沖擊力的影響

3.2 銑刨轉速對沖擊力的影響

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

圖6 為銑刨轉速不同時沖擊力峰值的對比。總體的趨勢為：沖擊力隨著銑刨轉速的增加而增加，銑刨轉速為2000 r/min 時，沖擊力為182.4 N，相比于銑刨轉速為1500 r/min 時的沖擊力增長70%；銑刨轉速每增加100 r/min，沖擊力增長10%～18%。

圖6 不同銑刨轉速對沖擊力的影響

3.3 進給速度對沖擊力的影響

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

圖7 為進給速度不同時沖擊力峰值的對比圖。總體的趨勢為：隨著進給速度的增加，沖擊力的變化不大（約為±6%），進給速度為50 mm/s 時沖擊力為106.9 N，進給速度為200 mm/s 時沖擊力為103.3 N。由此可見，提高銑刨機的進給速度時，刀片對混凝土地面的沖擊力變化不大，在保證施工表面質量的前提下，可以適當提高進給速度，從而提高作業效率。

圖7 不同進給速度對沖擊力的影響

4 結論

本文應用ABAQUS 有限元分析軟件對小型混凝土銑刨機刀片銑刨水泥混凝土過程進行有限元數值模擬，分析了不同的銑刨深度、銑刨速度、進給速度對沖擊力的影響規律，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，當銑刨深度小于刀軸間隙時，銑刨深度每增加1 mm，沖擊力增長5%～25%；當銑刨深度大于刀軸間隙時，沖擊力急劇增加，銑刨深度每增加1 mm，沖擊力增長4 倍以上。在實際施工過程中，需要保證銑刨深度小于刀軸間隙，以防因沖擊力過大而造成機器故障。

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

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