共振破碎機車路耦合的動力學仿真研究

張明松 張熊 蔣思希 王宏 蘇志成

摘要：基于Rankine強度準則，采用有限元法，對共振破碎機車路耦合系統建立動力學模型，運用Ansys Workbench進行動力學分析，探究了共振破碎機的破碎參數與破碎效果之間的聯系。

關鍵詞：共振破碎機;車路耦合系統;動力學仿真

0? 引言

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

共振破碎機起源于美國，并在近幾年引入國內，共振破碎機利用振動錘頭持續的碰撞沖擊水泥混凝土路面板，將錘頭的機械能源源不斷的傳遞給路面板，當路面板內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的特性而崩潰。最后，路面板內產生縱橫交錯的裂縫，在錘頭持續振動的作用下這些裂縫進一步擴展貫通，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、施工過程中對環境影響小且不擾民等優點，在今后的公路維護與建設過程中需求必將日益增長，具有更廣闊的市場空間[2]。目前國內對共振破碎機的研究主要集中在共振破碎技術的應用，對其工作原理的及相關工作參數的研究還需進一步深入，本文針對共振破碎機車路耦合系統進行了動力學仿真，旨在為后續共振破碎機工作參數的優化提供一定的理論支持。

1? 共振破碎機車路耦合系統的簡化建模

通過對共振破碎機破碎效果圖（圖1）結合實際破碎后的路面狀態進行分析，可以發現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，在混凝土表層產生許多微裂紋，同時通過共振效應促使表層微裂紋進一步拓展，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工作過程中，沖擊力與激振頻率為比較重要的兩個參數，對破碎效果影響較大。為了簡化分析，本文只對破碎機破碎錘頭與路面的耦合系統進行建模，著重研究單次沖擊作用與共振狀態這兩種工況下的仿真結果。

2? 車路耦合系統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系，即單次沖擊下車路耦合系統的響應情況，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，得出的混凝土應力狀態如圖3，通過仿真，在沖擊力為9000N時，混凝土內部的最大拉應力為3.36MPa。

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

為了進一步探究混凝土內部最大拉應力與單次沖擊的沖擊力之間的聯系，保持其他條件不變，將沖擊力由4000N逐步調整至10000N，得到的仿真結果見表1。

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

3? 車路耦合系統在共振狀態下的仿真分析

在破碎錘頭激勵作用下，當混凝土路面達到其固有頻率時，混凝土內部形成共振，通過此種振動，已產生的裂紋會迅速拓展，當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鍵參數，為了探討激振頻率與破碎效果之間的聯系，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，進行模態分析后，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，且模態振型為面板中心上下振動，較為符合實際破碎時的狀態。因此可將激振頻率設置在44Hz附近，來研究激振頻率與破碎效果之間的聯系。

由于共振導致裂紋拓展，最終形成碎塊，為研究激振頻率與破碎效果之間的聯系，在混凝土面板中心處設置一裂紋，裂紋長度為200mm，深度為10mm，同時為使計算結果更為精確將裂紋附近網格細化。在有裂紋的情況下，使混凝土面板達到共振狀態，仿真出裂紋尖端的應力分布情況，來判斷應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力隨激振頻率的變化關系如表3。

裂紋尖端最大應力隨激振頻率的變化關系如圖5。

激振頻率為44Hz時裂紋尖端的應力分布如圖6。

可以發現，當激振頻率接近混凝土面板4階固有頻率44Hz時，裂紋尖端處應力會出現一峰值，峰值應力約為2.26MPa>2.01MPa，可以得出，當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，因此根據不同種類的混凝土路面準確的調節激振頻率對破碎機的破碎效果也至關重要。

4? 結論

通過對共振破碎機車路耦合系統的仿真分析，可以得出激振力與激振頻率對共振破碎機的破碎效率有著較大的影響，根據不同種類的混凝土路面，合理調節共振破碎機的激振力，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：

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

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

[3]張娟霞.混凝土結構破壞機理的數值試驗研究[D].東北大學，2006.

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