張明松 張熊 蔣思希 王宏 蘇志成

摘要：基于Rankine強(qiáng)度準(zhǔn)則，采用有限元法，對共振破碎機(jī)車路耦合系統(tǒng)建立動力學(xué)模型，運用Ansys Workbench進(jìn)行動力學(xué)分析，探究了共振破碎機(jī)的破碎參數(shù)與破碎效果之間的聯(lián)系。

關(guān)鍵詞：共振破碎機(jī);車路耦合系統(tǒng);動力學(xué)仿真

0? 引言

混凝土路面具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好以及耐久性優(yōu)良等特點，是我國路面結(jié)構(gòu)的主要形式。但由于交通量大、重載多等原因，我國于20世紀(jì)修建的混凝土路面大多都出現(xiàn)了不同程度的破壞。因此，我國面臨大量的舊水泥混凝土路面改造任務(wù)。目前，舊水泥混凝土路面破碎后加鋪瀝青層改造已成為當(dāng)今舊水泥混凝土路面改造的主流。

共振破碎機(jī)起源于美國，并在近幾年引入國內(nèi)，共振破碎機(jī)利用振動錘頭持續(xù)的碰撞沖擊水泥混凝土路面板，將錘頭的機(jī)械能源源不斷的傳遞給路面板，當(dāng)路面板內(nèi)積聚的能量超過其能保持彈性體的極限時，路面板便不能保持彈性系統(tǒng)的特性而崩潰。最后，路面板內(nèi)產(chǎn)生縱橫交錯的裂縫，在錘頭持續(xù)振動的作用下這些裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展貫通，最終將路面板分裂為大小不一的碎塊[1]。

共振破碎機(jī)破碎后的混凝土顆粒尺寸較為理想和均勻、破碎深度能精確控制、對路基的沖擊小，可以使鋼筋與混凝土完全剝離、施工過程中對環(huán)境影響小且不擾民等優(yōu)點，在今后的公路維護(hù)與建設(shè)過程中需求必將日益增長，具有更廣闊的市場空間[2]。目前國內(nèi)對共振破碎機(jī)的研究主要集中在共振破碎技術(shù)的應(yīng)用，對其工作原理的及相關(guān)工作參數(shù)的研究還需進(jìn)一步深入，本文針對共振破碎機(jī)車路耦合系統(tǒng)進(jìn)行了動力學(xué)仿真，旨在為后續(xù)共振破碎機(jī)工作參數(shù)的優(yōu)化提供一定的理論支持。

1? 共振破碎機(jī)車路耦合系統(tǒng)的簡化建模

通過對共振破碎機(jī)破碎效果圖（圖1）結(jié)合實際破碎后的路面狀態(tài)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)破碎后的路面表層碎塊粒度較小，破碎到一定深度之后混凝土板塊只產(chǎn)生了一些較大的裂紋，并未完全破碎，因此初步推斷混凝土面板破碎后，頂層的碎塊是由于破碎錘頭對混泥土面板的沖擊作用下，在混凝土表層產(chǎn)生許多微裂紋，同時通過共振效應(yīng)促使表層微裂紋進(jìn)一步拓展，裂紋的拓展與貫穿，即形成了破碎后的表層碎石。故而可以判斷出在共振破碎機(jī)工作過程中，沖擊力與激振頻率為比較重要的兩個參數(shù)，對破碎效果影響較大。為了簡化分析，本文只對破碎機(jī)破碎錘頭與路面的耦合系統(tǒng)進(jìn)行建模，著重研究單次沖擊作用與共振狀態(tài)這兩種工況下的仿真結(jié)果。

2? 車路耦合系統(tǒng)在單次沖擊作用下的仿真分析

為研究沖擊作用的沖擊力與破碎效果之間的聯(lián)系，即單次沖擊下車路耦合系統(tǒng)的響應(yīng)情況，在Ansys Workbench中建立如圖2所示模型，模型上部為破碎錘頭，下部為一厚度為220mm，長為300mm，寬為200mm的混凝土塊。

固定混凝土塊底部，給錘頭施加一豎直方向的沖擊力，取力的大小為9000N，得出的混凝土應(yīng)力狀態(tài)如圖3，通過仿真，在沖擊力為9000N時，混凝土內(nèi)部的最大拉應(yīng)力為3.36MPa。

根據(jù)混凝土的Rankine強(qiáng)度準(zhǔn)則，即混凝土材料中任何一點的強(qiáng)度達(dá)到混凝土單軸抗拉強(qiáng)度時，混凝土即達(dá)到脆性破壞，這點是否有其他法向或剪切應(yīng)力對該準(zhǔn)則沒有影響[3]。根據(jù)Rankine強(qiáng)度準(zhǔn)則，只需要探究在沖擊過程中混凝土所受最大拉應(yīng)力即可判斷其內(nèi)部是否會產(chǎn)生裂紋。

為了進(jìn)一步探究混凝土內(nèi)部最大拉應(yīng)力與單次沖擊的沖擊力之間的聯(lián)系，保持其他條件不變，將沖擊力由4000N逐步調(diào)整至10000N，得到的仿真結(jié)果見表1。

對于常見的強(qiáng)度等級為C30的混凝土材料，其軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為fck=20.1MPa，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為ftk=2.01MPa，通過計算，在5400N的沖擊力作用下，混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力即能達(dá)到其抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值，混凝土塊產(chǎn)生裂紋，且沖擊力越大，混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力越大，裂紋越深。通過相關(guān)資料表明，主流共振破碎機(jī)工作時對混凝土塊的壓力為2000lbs，即為9000N，此種壓力作用下，足夠使混凝土塊產(chǎn)生初始裂紋。

3? 車路耦合系統(tǒng)在共振狀態(tài)下的仿真分析

在破碎錘頭激勵作用下，當(dāng)混凝土路面達(dá)到其固有頻率時，混凝土內(nèi)部形成共振，通過此種振動，已產(chǎn)生的裂紋會迅速拓展，當(dāng)裂紋拓展到相互交叉后，即會形成大小不一的碎塊。為形成共振，激振頻率為其中一個關(guān)鍵參數(shù)，為了探討激振頻率與破碎效果之間的聯(lián)系，建立圖4所示的有限元分析模型，模型最上方為錘頭，下面依次為3000*5000*220mm混凝土板塊與6000*10000*3000mm沙土版塊，其中沙土板塊用以模擬地基。

為使模型中的混凝土面板達(dá)到共振，首先需要得到模型中混凝土面板的各階固有頻率，進(jìn)行模態(tài)分析后，得到混凝土面板的1～6階固有頻率如表2。

分析各階振型，可知第4階固有頻率為44.8Hz，該頻率與資料中混凝土路面的固有頻率較為接近，且模態(tài)振型為面板中心上下振動，較為符合實際破碎時的狀態(tài)。因此可將激振頻率設(shè)置在44Hz附近，來研究激振頻率與破碎效果之間的聯(lián)系。

由于共振導(dǎo)致裂紋拓展，最終形成碎塊，為研究激振頻率與破碎效果之間的聯(lián)系，在混凝土面板中心處設(shè)置一裂紋，裂紋長度為200mm，深度為10mm，同時為使計算結(jié)果更為精確將裂紋附近網(wǎng)格細(xì)化。在有裂紋的情況下，使混凝土面板達(dá)到共振狀態(tài)，仿真出裂紋尖端的應(yīng)力分布情況，來判斷應(yīng)力分布是否滿足裂紋的拓展需求。

通過仿真，得到裂紋尖端最大應(yīng)力隨激振頻率的變化關(guān)系如表3。

裂紋尖端最大應(yīng)力隨激振頻率的變化關(guān)系如圖5。

激振頻率為44Hz時裂紋尖端的應(yīng)力分布如圖6。

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激振頻率接近混凝土面板4階固有頻率44Hz時，裂紋尖端處應(yīng)力會出現(xiàn)一峰值，峰值應(yīng)力約為2.26MPa>2.01MPa，可以得出，當(dāng)激振頻率逐漸升高至接近混凝土面板的固有頻率時，破碎效率會有一突變的過程，當(dāng)激振頻率超過混凝土面板的固有頻率一定程度后，破碎效率也會突然降低，因此根據(jù)不同種類的混凝土路面準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)激振頻率對破碎機(jī)的破碎效果也至關(guān)重要。

4? 結(jié)論

通過對共振破碎機(jī)車路耦合系統(tǒng)的仿真分析，可以得出激振力與激振頻率對共振破碎機(jī)的破碎效率有著較大的影響，根據(jù)不同種類的混凝土路面，合理調(diào)節(jié)共振破碎機(jī)的激振力，同時使激振頻率盡可能的接近混凝土面板的固有頻率，將使破碎工作事半功倍。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚詩樵.共振碎石化技術(shù)在公路水泥混凝土路面再生利用中的應(yīng)用[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2018，14（1）：163-165.

[2]王曉友.共振破碎機(jī)車路耦合的動力學(xué)仿真研究[D].湖北：武漢理工大學(xué)，2013.

[3]張娟霞.混凝土結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理的數(shù)值試驗研究[D].東北大學(xué)，2006.

[4]范晨光，羅斌，李燦，等.舊混凝土路面共振破碎力學(xué)機(jī)理[J].計算機(jī)輔助工程，2014，23（1）：56-58.