賈海波,何 冰,康凱旋

(1. 江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，徐州 221004；2. 高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，徐州 221004)

路面銑刨作業(yè)主要采用裝有子彈頭型刀具的轉(zhuǎn)子對(duì)路面材料進(jìn)行切除，針對(duì)刀具切削瀝青路面的問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者多采用理論分析方法進(jìn)行研究，汪學(xué)斌等[1]以剪切破壞建立了單刀銑削阻力計(jì)算模型，得到了轉(zhuǎn)子銑削路面時(shí)多刀切向力數(shù)值計(jì)算方法；王素蘭[2]建立了二維瀝青混凝土路面有限元模型，得到了切削溫度、刀具磨損、切削力隨切削深度變化的規(guī)律；周里群等[3]利用PFC3D離散元軟件研究了不同振動(dòng)方式對(duì)切削作業(yè)過程的受力影響，獲得了銑刨機(jī)的較優(yōu)激振方式；田晉躍等[4]通過分析刀具運(yùn)動(dòng)參數(shù)和幾何參數(shù)與銑削受力之間的關(guān)系，得到了刀具參數(shù)對(duì)刀具銑削受力的影響規(guī)律；母福生等[5]基于ABAQUS軟件，建立了瀝青路面有限元模型，分析了進(jìn)給速度、切削速度和銑刀厚度對(duì)銑削阻力的影響規(guī)律。上述研究大部分集中在路面銑削破碎過程中轉(zhuǎn)子刀具的銑削阻力分析，然而，銑刨機(jī)銑削不同作業(yè)介質(zhì)時(shí)的銑削阻力可能類似，但不同銑削作業(yè)介質(zhì)的破碎特性不同，銑刨作業(yè)過程差異也較大。為針對(duì)不同作業(yè)介質(zhì)提升銑削效果，亟須開展瀝青路面破碎過程研究。本試驗(yàn)通過仿真模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定，建立了準(zhǔn)確的瀝青路面離散元仿真分析模型，分別從宏觀和微觀角度揭示了瀝青路面的破碎規(guī)律。

1 仿真方法

瀝青路面是骨料和瀝青膠結(jié)料經(jīng)壓實(shí)制得，是一種具有空間網(wǎng)絡(luò)特征的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度由顆粒之間的摩擦力和黏結(jié)力共同決定。通常，工程上瀝青混合料有3種典型結(jié)構(gòu)類型：骨架結(jié)構(gòu)、密實(shí)結(jié)構(gòu)和密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)[6]。從力學(xué)性能來說，骨架結(jié)構(gòu)內(nèi)摩擦力大、黏結(jié)力?。幻軐?shí)結(jié)構(gòu)黏結(jié)力大、內(nèi)摩擦力?。幻軐?shí)骨架結(jié)構(gòu)可以看作是這兩種結(jié)構(gòu)的綜合體，具有內(nèi)摩擦力大、黏結(jié)力大的特點(diǎn)。根據(jù)瀝青混合料理論，瀝青路面切削破碎過程可簡(jiǎn)化為骨料之間瀝青膠結(jié)作用的破壞，骨料是不可破碎的，因此路面切削過程仿真的關(guān)鍵在于建立一種能夠表達(dá)瀝青膠結(jié)作用的模型。

離散元法的基本原理是將研究對(duì)象簡(jiǎn)化成獨(dú)立的離散單元，依據(jù)各個(gè)離散單元之間的相互作用關(guān)系和牛頓運(yùn)動(dòng)定律，采用循環(huán)迭代計(jì)算各單元的受力和位移，進(jìn)而獲得研究對(duì)象的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù)幾何形狀特點(diǎn)，離散單元分為顆粒和塊體兩大類，其中顆粒與顆粒、顆粒與邊界的接觸采用振動(dòng)方程進(jìn)行模擬[7]，顆粒與顆粒的接觸模型如圖1所示。Bonding模型采用1個(gè)有限大小的“膠黏鍵”模擬顆粒之間的黏結(jié)力，在外力作用下黏結(jié)力會(huì)發(fā)生破壞，用于模擬破碎、斷裂等現(xiàn)象。Bonding模型適用于瀝青路面和巖土等材料的結(jié)構(gòu)破壞過程模擬[8]。

圖1 顆粒與顆粒的接觸模型

2 瀝青路面離散元模型標(biāo)定

EDEM離散元仿真軟件的Bonding模型主要參數(shù)包括：法向剛度Kn、切向剛度Ks、最大正應(yīng)力σn、最大切應(yīng)力σs和黏結(jié)半徑RB，這些參數(shù)共同決定了顆粒黏結(jié)模型的抗壓強(qiáng)度和力學(xué)特點(diǎn)，是影響仿真結(jié)果的關(guān)鍵因素。

Bonding模型參數(shù)可以通過仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定獲得。首先，設(shè)置顆粒半徑5 mm、填充率0.54，建立直徑100 mm、高度100 mm的路面仿真模型，需要生成810個(gè)顆粒；其次，顆粒生成后，設(shè)置顆粒容器上平面以恒定速度向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)顆粒進(jìn)行壓實(shí)，形成圓柱顆粒模型；最后，顆粒與顆粒之間建立Bonding模型，并設(shè)置Bonding模型參數(shù)，靜置一段時(shí)間使顆粒之間的黏結(jié)力充分作用，再進(jìn)行瀝青路面壓縮過程仿真，瀝青路面離散元模型如圖2所示。

不同的Bonding模型參數(shù)組合決定了瀝青模型不同的抗壓強(qiáng)度和最大壓應(yīng)變，為減少反復(fù)仿真試驗(yàn)次數(shù)，分別將Kn/Ks、Kn/σn和σn/σs作為變量進(jìn)行多組仿真試驗(yàn)，Bonding模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 Bonding模型參數(shù)設(shè)置

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，使用鉆孔取芯機(jī)在瀝青路面上均勻采取直徑100 mm的圓柱樣塊，將樣塊切分成符合長(zhǎng)度要求的多組試驗(yàn)樣塊，將試驗(yàn)樣塊的端面打磨平整，開展瀝青路面樣塊的單軸壓縮試驗(yàn)。經(jīng)過多次仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，得到優(yōu)化后參數(shù)設(shè)置：Kn為1×1010N/m3，Ks為1.2×1010N/m3，σn為0.5×108Pa，σs為0.3×108Pa，抗壓強(qiáng)度為7.58 MPa，最大壓應(yīng)變?yōu)?.93%，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3所示，誤差<10%，滿足仿真分析要求。

(a) 顆粒生成

圖3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 路面切削破碎仿真分析

3.1 仿真模型建立

在模型中建立虛擬顆粒工廠，以均勻速度在尺寸300 mm×120 mm×50 mm的路面模型中生成1 856 個(gè)顆粒，所有顆粒生成后，從模型兩側(cè)將松散顆粒擠壓成路面模型，并在顆粒與顆粒之間賦予Bonding模型。將刀具模型以IGES(初始化圖形交換規(guī)范)格式導(dǎo)入瀝青路面模型，設(shè)置刀具旋轉(zhuǎn)速度110 r/min、切削深度40 mm，進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.2 瀝青路面破碎過程仿真

對(duì)瀝青路面的破碎過程進(jìn)行整體分析，瀝青路面破碎過程仿真如圖4所示。最初刀具與路面發(fā)生接觸時(shí)，刀具的前刀面開始推擠路面，與前刀面接觸的瀝青材料受到壓力開始收縮，發(fā)生塑性變形，如圖4(a)所示，這是發(fā)生在路表面以下的內(nèi)部材料變化現(xiàn)象，從路面外宏觀觀察并無明顯的材料凸起或破碎。隨著刀具進(jìn)一步向前推進(jìn)，與刀具相鄰的瀝青材料顆粒與顆粒之間空隙不斷被壓縮，部分顆粒產(chǎn)生推擠，如圖4(b)所示。當(dāng)顆粒與顆粒之間的擠壓達(dá)到一定程度后，與受擠壓顆粒相鄰近的路面表面顆粒發(fā)生崩落，如圖4(c)所示。路面表面的顆粒崩落沿著前刀面產(chǎn)生，隨著刀具的繼續(xù)推進(jìn)，發(fā)生顆粒崩落的路面范圍不斷擴(kuò)大，路面出現(xiàn)大塊材料破碎、崩落，如圖4(d)所示。本波次破碎結(jié)束后，刀具前刀面與路面之間又開始形成少量瀝青材料沿前刀面崩落，隨著刀具繼續(xù)前進(jìn)，路面材料發(fā)生崩落的范圍再次擴(kuò)大，進(jìn)而出現(xiàn)大塊材料破碎現(xiàn)象，刀具切削瀝青路面重復(fù)這一過程。

(a) 材料受壓收縮

(a) 刀具未接觸路面

通過對(duì)刀具切削路面試驗(yàn)過程進(jìn)行高速攝像發(fā)現(xiàn)，刀具切削路面時(shí)，首先在刀具前面產(chǎn)生較小范圍的碎料崩落，隨著刀具的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，刀具前方瀝青材料聚集，出現(xiàn)大塊瀝青材料崩落現(xiàn)象，大塊材料崩落后，沿前刀面又重新形成較小范圍的碎料崩落，整個(gè)路面被切削過程就是在不斷重復(fù)這一現(xiàn)象，這與瀝青路面刀具破碎離散元仿真分析結(jié)論基本一致，說明仿真計(jì)算結(jié)果正確可靠，可用于瀝青路面銑削施工研究。

3.3 瀝青路面破碎過程顆粒運(yùn)動(dòng)分析

為更深層次掌握瀝青路面破碎過程中瀝青材料內(nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)刀具切削路面仿真中顆粒的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)分析。顆粒運(yùn)動(dòng)分析如圖5所示。

刀具未接觸路面時(shí)，瀝青路面顆粒運(yùn)行速度非常小，顆粒運(yùn)動(dòng)方向混雜，無明顯規(guī)律，如圖5(a)所示。刀具接觸路面初期，前刀面附近區(qū)域顆粒速度開始增大，運(yùn)動(dòng)方向呈現(xiàn)較強(qiáng)的一致性，速度方向與刀具運(yùn)動(dòng)方向基本一致，如圖5(b)所示。隨著刀具繼續(xù)擠壓路面，顆粒運(yùn)動(dòng)迅速向前傳播，在刀具正前方較大區(qū)域顆粒運(yùn)動(dòng)方向呈現(xiàn)明顯的指向性，如圖5(c)所示。此時(shí)顆粒與顆粒之間的間隙開始縮小，隨著顆粒之間的間隙進(jìn)一步縮小，顆粒與顆粒之間產(chǎn)生碰撞，顆粒的運(yùn)動(dòng)方向因碰撞發(fā)生變化，呈現(xiàn)不規(guī)律指向，隨著切削刀具進(jìn)一步推進(jìn)，前刀面附近的顆粒碰撞加劇，距離前刀面稍遠(yuǎn)區(qū)域的顆粒產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，這部分回彈的顆粒進(jìn)一步對(duì)前刀面附近顆粒產(chǎn)生擠壓，如圖5(d)所示。隨著刀具切削運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，部分顆粒沿前刀面被剝離瀝青路面，如圖5(e)所示。前刀面瀝青顆粒崩落后，刀具繼續(xù)前進(jìn)，使得刀具正前方顆粒再次形成一致向前的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，隨著顆粒運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)展，顆粒與顆粒間產(chǎn)生相互碰撞，進(jìn)而形成下一波次的顆粒剝離，如圖5(f)所示。

(a) 刀具未接觸路面

3.4 瀝青路面破碎過程顆粒斷裂分析

基于Bonding模型定義的顆粒與顆粒之間的黏結(jié)鍵與瀝青路面顆粒材料黏結(jié)鍵的力學(xué)特性相似，通過分析刀具切削過程中黏結(jié)鍵的破壞特點(diǎn)，能夠更深入地探索路面材料內(nèi)部斷裂、擴(kuò)展和崩落的過程。顆粒黏結(jié)鍵斷裂分析如圖6所示。

刀具切削路面前，顆粒與顆粒之間的黏結(jié)鍵呈自由狀態(tài)，如圖6(a)所示。刀具與路面接觸初期，與刀具接觸部分黏結(jié)鍵被壓縮或拉伸，如圖6(b)所示。隨著刀具切削運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，與前刀面接觸的顆粒黏結(jié)鍵被破壞，在前刀面上形成一層比較密實(shí)的散顆粒，如圖6(c)所示。隨著密實(shí)顆粒的不斷擠壓，在切削刀具斜上方的黏結(jié)鍵被破壞，如圖6(d)所示。刀具前方聚集的密實(shí)顆粒開始向黏結(jié)鍵被破壞的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步引發(fā)黏結(jié)鍵斷裂的擴(kuò)展，如圖6(e)所示。最終整個(gè)刀具斜上方的顆粒與路面之間的黏結(jié)鍵斷裂，如圖6(f)所示。

4 結(jié)論

通過離散元仿真分析了子彈頭刀具切削瀝青路面過程，為工程研究銑刨轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式和施工過程提供新的手段和方法。

(1) 瀝青路面結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜、力學(xué)性質(zhì)多變，離散元Bonding模型能夠較好地模擬瀝青顆粒之間的相互作用，通過試驗(yàn)標(biāo)定建立了工程上可用的瀝青路面離散元仿真模型。

(2) 通過刀具銑削瀝青離散元仿真發(fā)現(xiàn)，路面瀝青材料的破碎呈現(xiàn)收縮―塑性變形―推擠―表面顆粒崩落―大塊材料崩落的變化規(guī)律，并且隨刀具繼續(xù)推進(jìn)，瀝青路面重復(fù)這一過程。

本試驗(yàn)分析了刀具切削瀝青路面過程中瀝青顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律和顆粒斷裂情況，解決了試驗(yàn)過程中無法從微觀角度觀察瀝青破碎過程的問題，通過改變刀具與瀝青路面的相對(duì)位置、運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行仿真分析，該方法可應(yīng)用于銑刨轉(zhuǎn)子刀具安裝角度和排列方式的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并為其他作業(yè)介質(zhì)的銑刨轉(zhuǎn)子定制化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。