旋转式工作装置与介质相互作用理论.docx

3）刀具布置对机器的寿命和施工环境有很大的影响，若布置参数不合理，将造成铣刨下来的物 料粒度过大或过小粒度过大会使机器的振动增大，降低机器的可靠性，粒度过小会产生粉尘，影响 施工环境和施工人员的身体健康为了保证刀具依次切入路面，对切割下的物料具有收料作用和抵消 刀具工作时产生的轴向力，铣刨鼓的刀具一般为螺旋式对称布置，既要保证刀具沿铣刨鼓圆周方向布 置均匀（即同一条螺旋线上相邻刀具沿圆周方向的间距相等）；又要保证刀具沿铣刨鼓横向（轴向） 布置均匀4）按刀具设计理论，在保证刀尖强度的前提下，应尽量降低摩擦阻力，减少摩擦磨损，因此， 刀具的前角应尽量大，可保证切削轻快，切削变形小在逆铣过程中，铣刀刀刃在切入过程中存在滑 动摩擦区，切削厚度由零逐渐增大，刀刃要在路面已加工区滑行一段才能继续切入，所以理想的实际 切削后角应为6〜8，这样可减小刀具后刃面与切削面的摩擦O O（2）速度的影响1） 刀头圆周速度与机器作业速度之比值 的选择，对铣削阻力影响很大目前市场上广泛使用 的大型铣刨机，受机器整机空间结构布局及驱动方式限制，转子刀尖的回转半径 R 与转子的转速 n 均是一固定值，因此，作业速度V的选择，成为决定圆周阻力大小的重要因素。

铣刨阻力将随着作业 速度，即铣刨进给量的提高而增大2） 在进距S不变的情况下，即切削纵断面形状基本不变时，能耗、扭矩、切削功率都与线速度成 函数递增关系在同样的进距条件下，提高圆周速度就意味着提高机器前进速度，提高机器前进速度， 可提高作业生产率，但能耗增加；从降低能耗出发，希望切削速度小一些，但过低的切削速度不能保 证路面破碎质量，为此必须降低行走速度，这样一来势必降低作业生产率所以最佳切削速度应该根 据实际工作条件和施工工艺需求来决定13.3 摊铺机螺旋布料器与作业介质相互作用理论螺旋布料器是沥青混合料摊铺机必不可少的重要组成部分，其功能就是在保证沥青混合料均匀性 的前提下，将混合料均匀分布到熨平板前要求的宽度上（见图13－15）对螺旋布料器的要求是，螺 旋轴在布料槽内转动时，沥青混合料在螺旋叶片的动力、本身重力及布料槽摩擦力的共同作用下，产 生沿布料槽向两侧的移动，从而达到布料的目的图13－15 实体螺旋面叶片13.3.1 螺旋布料器作用下的混合料粒料动力学分析 沥青混合料在螺旋布料器作用下，沿着螺旋向两侧运动在布料过程中，由于受螺旋叶片旋转的 影响，粒料的运动是一个空间运动下面以应用最普遍的螺旋面母线为直线的螺旋布料器进行讨论。

1) 螺旋布料器中沥青混合料的粒料动力学分析若螺旋面的升角为P，则螺旋面可用一条直线表现如图13 — 16所示，旋转螺旋面作用于半径为r(离螺旋轴 线的距离)处的混合料粒料A上的力为F由于摩擦，F的 方向与螺旋面的法线方向偏离了一个角度pF分解为圆 周方向的切向力F和轴向方向的轴向力F，图中p角是rz由混合料对螺旋面的摩擦引起，并由混合料内摩擦角p和螺旋面的粗糙程度决定的为了方便起见，假设p = p图 图13-16螺旋布料器作用下粒料的受力分析通过对混合料粒料A的受力分析，有'F = F cos(B +p)z< F 二 Fsin(P+p) (13-24)rF = F tan(P +p)rz式中：P 螺旋面升角，P= arctan2兀rJ ——为螺旋叶片间距(螺距)；p ——混合料与螺旋叶片间的外摩擦角；F ——螺旋面对混合料的作用力；F —— 螺旋面对混合料的轴向力；zF —— 螺旋面对混合料的切向圆周力r螺旋叶片间距J (螺距)在螺旋面上各点都是相同的，所以越靠近螺旋轴的点，到螺旋轴的距离r 越小，螺旋升角 P 就越大，因此圆周方向的切向力就越大，使沥青混合料粒料扭转的程度也就越大。

当圆周方向的切向力大到一定程度，和混合料粒料受到的摩擦力、粘聚力、重力无法平衡时，粒料就 开始随螺旋轴翻滚最容易翻滚的粒料是靠近螺旋轴的这一部分，就是说螺旋布料器布料时，有可能 靠近螺旋轴的一部分混合料随螺旋轴旋转，而远离螺旋轴的一部分混合料则在扭转到一定角度后就与 切向力平衡，在轴向力作用下，沿轴向运动这样，在翻滚的混合料与不翻滚的混合料之间存在一界 面，这个界面称为滑移面2）滑移面位置的确定假设滑移面距螺旋轴线的距离为r为了分析混合料在布料槽中的运动情况，在螺旋布料器的横截面上建立以螺旋布料器轴线为原点的极坐标（图13-17），径向为r坐标，以向下的垂线为始径，与始径的夹角为角坐标0，以逆时针为正图13-17 布料槽中沥青混合料微元受力分析图 13-18 布料槽中沥青混合料受力分析在螺旋布料过程中，假设半径r以内的部分混合料产生翻滚，取翻滚的混合料作为隔离体，分析 它的受力，图13-18为布料槽中翻滚的混合料颗粒受力分析图设翻滚混合料粒料处于极限应力状态 由于受到跟随螺旋面翻滚的混合料的离心力和重力作用，在混合料的滑移面上作用有正应力a如图13 — 18所示，取圆心角d0所对应的扇形微元物料（径向长度为r-r，扇形轴向厚度为h）进行分 0析，由于微元物料离心力引起的正应力为13-25 )F J" P rhdr °r®2d0 p®2 Cr3 — r3）a = = —^ = 0—R rh - d0 rh 用 0 3r式中：« 沥青混合料翻滚的角速度，近似为螺旋轴的角速度;r ——螺旋布料器螺旋轴的半径；0r ——滑移面距螺旋轴线的距离；F ——扇形微元物料产生的离心力h ——扇形微元物料的厚度；P ——布料槽中沥青混合料的堆积密度。

由于微元物料自重引起的正应力为0PJrrd0hdr 1Cr2—r2）rrd0 ha = mg cos 0 = g cosa = = G rd0h」p g cos 02r13-26 )所以正应力G为G =G +GRG13-27)p®2 C3 -r3) Cr2 -r2) 十+^r^ p g cos e因此，沥青混合料的抗剪强度为T =G f + C0式中：T —— 沥青混合料的抗剪强度；0G ——滑移面上的正应力；C ——沥青混合料的内聚力；f ——沥青混合料的内摩擦系数很显然，越靠近螺旋轴的地方，G越小，因而T越小同时，处于极限应力状态的混合料滑移面0F上沿摩擦力方向存在切向应力，其大小为F（S为滑移面面积），通过以上分析，有如下推论：SF1） 当f >T时，沥青混合料粒料在螺旋布料器中做圆周运动（翻滚运动）此时，处于距螺旋S0轴线的不同距离的沥青混合料粒料以不同的速度做圆周运动，彼此产生相对运动F2） 当f

从式（13-24）中可以看出，粒料受到的轴向分力F、圆周分力F均与F、P、申、®有关系 Zr1） P对F、F的影响rZ由于在同一螺旋面上的各点螺距是相同的，越靠近螺旋轴的点，到螺旋轴的距离r越小，由式（13-24）可知，螺旋升角P也就越大当螺旋升角P变大时，圆周力变大，混合料扭转的程度就越大而此时轴向力F变小，螺旋布料器的布料效率降低Z2） p对F、F的影响rZ沥青混合料的外摩擦角p与混合料料粒的形状、温度及螺旋叶片的粗糙度有关集料中针片状粒料的含量对混合料的外摩擦角有一定影响混合料的温度越高，作为粘结剂的沥青的流动性就越好，粘度也就越低，外摩擦角p越小；反之，温度越低，外摩擦角p越大由式（13-24）可知，沥青混合 料的外摩擦角p越大，圆周力就越大，混合料扭转的程度就越大，而这时轴向力就越小，螺旋布料器 的布料效率也就越低3） F对F、F的影响rZF、F与F成正比，而F与螺旋轴的转速有关rZ4） 螺旋轴角速度®对F、F的影响r螺旋叶片上的圆周速率（线速度）v与螺旋布料器角速度®的关系为：rv = ror当螺旋布料器的动力足够时，o增大，v随之增大混合料粒料在螺旋叶片的作用下沿着轴向和r圆周方向运动，在圆周分力的作用下，混合料圆周速率在短时间t内由零加速到v，由动量方程可知:rm（v — 0） = F trr即 F =供 （13-28）rt由此可知，圆周分力F与v成正比，而v与o成正比，故螺旋轴转速o越大，圆周分力就越大，F就 r r r越大。

13.3.2 螺旋布料器作用下的混合料粒料运动学分析（1） 混合料粒料的运动速度 如图 13-19 所示，沥青混合料粒料 A 在力 F 的作用下，在摊 铺机布料槽中进行着复杂的运动，既有圆周速度，又有轴向速度， 其合成速度为V若螺旋轴的转速为n，处于与粒料A相同位置 的螺旋面上的点，具有的圆周速度（切向速度）为AB = S，60 其在法向的投影为凹sinP因为混合料相对螺旋面有滑移和60 摩擦，摩擦角为p所以处于螺旋面上的混合料粒料A的运动速 度为:u=沁•泌60 cos p图 13-19 沥青混合料粒料运动分解图13-29 ）u 二 u sin (P +p)13-30)r二沁.sin! sin (p+p)60 cosp因为混合料与螺旋面之间的摩擦系数卩二tan甲，代入式（13-30）有 料既有上下翻动，又有轴向流动，形成强烈的位置交换运动，对沥青混合料会产生二次搅拌作用u = r 602兀rn (sin p cosp + cos p sinp) 2兀rn ( )sin p = sin p Ism p + u cos p 丿60由于tan B = 2兀r(13-31)(13-32)Jsin p= 2兀 r'J A\ 12兀r丿COS p = ] 一将上述各式代入式（13－31）并化简，得沥青混合料粒料的圆周速度为：J° = nJ 2兀 r r _ 60 ( J A13-33)同理，可得沥青混合料的轴向速度为:1 J u = nJ 药 广 60 〔 J A(2兀r丿13-34 )由式（13-33）、（13-34）可知，与螺旋叶片接触的骨料的合速度v、合速度v的方向与螺旋轴轴线的夹角九分别为nJ 4兀 2 r 2 + 4兀 2 r 2 u, 2u — —、I 60 4兀 2 r 2 + J 2v 2兀 r u + J九—arctan 十—arctanv 2兀 r — u Jz由式（13-35）可知，与螺旋叶片接触的骨料的合速度 v（ 13-35 ）骨料的运动方向与螺旋轴轴线的夹角九，都是随着转速n、螺距J和螺旋叶片半径r的变化而不断变化的值。

随着骨料离螺旋轴中心线距离r的变化，骨料的速度向量不断发生变化，其运动轨迹也相应发生变化，形成不同的空间螺旋运动转动的叶片不断强制挤压骨料，使物料作上下翻转运动如果采用特别设计的变节距螺旋布料器，使骨（2）粒料的圆周速度分析现考察粒料圆周速度对 r 的单调性根据式（13－34）对 r 求一次导数，有13-36)dv nJ 2兀 J 3 + 8□兀 2 J 2 r - 8兀 3 Jr。