水泥混凝土切割機作業(yè)動力學及參數(shù)選取

摘" 要：為確保水泥混凝土切割機參數(shù)選取的科學性，對其應用效果進行研究。運用金剛石鋸片切割機理對水泥混凝土切割機開展動力學分析，探究不同組成結構在實際切割作業(yè)中的動力學變化及其對切割效率的影響。通過借鑒同類旋轉作業(yè)機械的研究成果，對水泥混凝土切割機的切割鋸鋸片功率、復合運動和鋸切阻力的規(guī)律展開深入分析。結果表明，在不同工況下，水泥混凝土切割機的作業(yè)參數(shù)受到鋸切深度、作業(yè)速度、金剛石鋸片轉速的影響，可通過控制變量的方式獲得最佳作業(yè)參數(shù)。在水泥混凝土切割機的參數(shù)選取中，鋸片直徑的大小與鋸切阻力之間存在正比關系，鋸切阻力與鋸片轉速存在反比關系。在參數(shù)選取中要綜合考慮作業(yè)參數(shù)、鋸切材料、金剛石鋸片等多重因素的影響，可運用有限元的分析方法對其運行參數(shù)進行科學計算。

關鍵詞：水泥混凝土切割機；作業(yè)動力學；金剛石鋸片；鋸切阻力；參數(shù)選取

中圖分類號：TH213.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）04-0089-04

Abstract： In order to ensure the scientific selection of parameters of cement concrete cutting machine， and study its application effect. The dynamic analysis of cement concrete cutting machine is carried out by using the cutting mechanism of diamond saw blade to explore the dynamic changes of different structures in the actual cutting operation and their influence on the cutting efficiency. By drawing lessons from the research results of similar rotating machines， this paper makes an in-depth analysis on the law of saw blade power， compound motion and sawing resistance of cement concrete cutting machine. The results show that under different working conditions， the working parameters of cement concrete cutting machine are affected by sawing depth， working speed and diamond saw blade speed， and the best working parameters can be obtained by controlling variables. In the parameter selection of cement concrete cutting machine， there is a direct relationship between the diameter of saw blade and sawing resistance， and there is an inverse relationship between sawing resistance and saw blade speed. In the parameter selection， the operation parameters， sawing materials， diamond saw blades and other factors should be comprehensively considered， and the finite element analysis method can be used to calculate the operation parameters scientifically.

Keywords： cement concrete cutting machine; operation dynamics; diamond saw blade; sawing resistance; parameter selection

在城市化建設進程不斷加快的背景下，城市基礎設施的完善和經(jīng)濟水平的提升，對道路建設提出更高要求。為滿足城市發(fā)展拆改遷的需求，有效處理廢舊路面，可以通過對水泥混凝土切割機的有效利用，實現(xiàn)對廢舊水泥混凝土路面的回收利用，減少常規(guī)破碎填埋處理工藝環(huán)境污染的同時，實現(xiàn)建筑垃圾環(huán)保處理。

1" 水泥混凝土切割機結構和特點

水泥混凝土切割機主要包括機架、翻轉臺、橫切結構、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和水平切割車6個組成部分。其中，機架主要包含尖軌道、齒條、立柱、橫梁和縱梁等，使水平切割車與橫切結構在軌道上分別作水平運動和垂直運動。翻轉臺包含行走油缸、翻轉主油缸、大小車和翻轉架等結構，具有使翻轉水平狀態(tài)的坯體的作用，使其達到切割位置，完成六面、垂直和水平切割，在切割完成后使其通過向后翻轉回到起始位置。由切割鋼絲、擺動裝置、導輪、跨越裝置、傳動裝置和橫切架等組成的橫切結構可以垂直切割坯體，同時使切割鋼絲作雙向擺動。電控系統(tǒng)主要按照水泥混凝土切割需求，對所有切割操作實現(xiàn)自動和手動2種控制方式。液壓系統(tǒng)包含管接頭、各類閥、油泵、電機和油站等結構，可以使翻轉臺翻轉角度得到有效保證，將大小車移動到相應位置。水平切割車包含平輪組、槽輪組、掛線柱、傳動裝置、刮刀裝置和車架等結構，將2組平輪與槽輪分別設置在水平切割車兩側，利用傳動裝置的帶動作用，使其在平軌和尖軌上來回行走，完成切割。

水泥混凝土切割機采用電機功率大、維修操作便捷的三相異步電動機驅(qū)動，通過安全可靠的專用夾具、給水裝置和金剛石鋸片的配置，快速開展水泥混凝土濕式切割作業(yè)。在切割作業(yè)的全過程中不僅具有精度高的性能優(yōu)勢，保證施工切口的平直性和齊整性，減小安全、工期、環(huán)境和場地等因素的限制作用，還可以減少水泥混凝土切割過程中對環(huán)境造成的污染和破壞，噪音相對較小，且不會產(chǎn)生粉塵，同時提升切割效率[1]。基于水泥混凝土切割機在切割施工中的應用優(yōu)勢，該技術不僅廣泛應用于建筑工程質(zhì)量檢測工作中，還能在道路橋梁大型路面切割加工中具有良好的應用效果，實現(xiàn)對廢舊水泥混凝土路面的回收再利用。

2" 水泥混凝土切割機工作原理

為了保證其在現(xiàn)場使用中操作的便捷性，通常在水槽托盤底部安裝4只方向腳輪，再加上手柄開關的設置，對電機的啟動和停止進行控制，確保水泥混凝土切割機操作簡便和運行狀態(tài)安全可靠。在具體的切割過程中，利用對手柄開關閉合狀態(tài)的控制，實現(xiàn)三相電源與接觸器的接通或斷開，在兩者處于接通的狀態(tài)時，使電機旋轉，通過皮帶傳統(tǒng)使其中金剛石鋸片處于高速運轉狀態(tài)。在夾具內(nèi)卡住試件，然后通過手壓手柄的方式使水泥混凝土切割機的切割鋸片與試件發(fā)生接觸完成鋸切作業(yè)，同時給水嘴接通自來水，利用水管噴出的水實現(xiàn)對金剛石鋸片的冷卻效果。

在水泥混凝土切割機使用過程中，切割機發(fā)動機功率主要用于切割系統(tǒng)、切割機行走和整機側移系統(tǒng)的功率消耗。切割系統(tǒng)主要利用電液比例泵和定量馬達組成閉式系統(tǒng)，實現(xiàn)對刀具的升降和旋轉控制，消耗約80%的總功率；行走系統(tǒng)以變量馬達和變量泵為主要結構，通過對泵排量的調(diào)整實現(xiàn)機器行駛速度的控制，消耗約10%的總功率；側移系統(tǒng)是在切割機四角設置液壓缸的基礎上，借助支腿油缸實現(xiàn)對支架位置的調(diào)整，使行駛輪脫離軌道，在側移液壓缸的作用下使其整機發(fā)生側向移動，最后收回支腿油缸。水泥混凝土切割機的鋸片、控制系統(tǒng)、發(fā)動機功率和系統(tǒng)負載變化等作業(yè)參數(shù)都會影響作業(yè)生產(chǎn)率[2]。

3" 水泥混凝土切割機作業(yè)動力學研究

3.1" 材料切削

水泥混凝土切割機在路面鋸切中的應用，與金屬切削中鋸片磨削加工和銑刀銑削脆性材料具有相似的工作原理，通過對工具上磨粒、磨料微刃的有效利用，實現(xiàn)切削工件的目的。在水泥混凝土切割機開展切削作業(yè)的過程中，可以將砂輪表面的磨粒視為微小的銑刀，開展磨削與銑削工作。由于金剛石鋸片在結構參數(shù)上與鋸片銑刀具有一定的相似性，水泥混凝土切割機鋸切作業(yè)的動力學分析中，可以將鋸片銑刀銑削脆性材料溝槽或切斷模型作為參考，以切削工件與刀具之間的相互作用的過程作為金屬材料切削過程，在此期間，去除工件上金屬材料的多余部分，在刀具前刀面的推擠的作用下使工件材料發(fā)生剪切滑移變形，最終實現(xiàn)切割效果。金屬切削變形作為水泥混凝土鋸切作業(yè)的基礎，通常以相對滑移率和變形系數(shù)作為表示材料變形程度的方法。

3.2" 金剛石鋸片

金剛石鋸片的結構如圖1所示，以刀頭、基體和水槽為主，通過焊接方式使兩者連接緊固，在鋸切過程中主要利用基體的支撐作用和刀頭的切割作用，實現(xiàn)鋸切目的。在利用金剛石鋸片完成水泥混凝土切割的過程中，由于金剛石顆粒被嵌入在刀頭里面，受高溫、高壓條件的影響，金剛石顆粒會發(fā)生石墨反應，使其鋸切能力因磨損而受到影響，為達到切鋸效果，只能使作用在金剛石顆粒上的施加力度不斷增大，當這種作業(yè)力超過一定大小時，就會導致金剛石產(chǎn)生碎裂，進而出現(xiàn)新的利刃。但如果該作用力大于金屬粉末結合劑的結合力，就會出現(xiàn)金剛石脫落的現(xiàn)象，使一層新的金剛石顆粒裸露出來，繼續(xù)開展水泥混凝土的鋸切作業(yè)，保證其鋸切效果。

為保證水泥混凝土切割機的使用效果，在金剛石鋸片的結構中，還要關注U型孔和鑰匙孔2種水槽口形狀的選擇，在瀝青路面的鋸切中通常選用U型孔的水槽口，在各種石材和混凝土的切割中通常選用鑰匙孔。整個切割過程中，按照如圖2所示的鋸切模型，金剛石鋸片集體作為支撐結構，對其承受沖擊能力、抗拉能力、屈服強度、彈性極限等具有較高要求，在金剛石鋸片類型的選擇和應用中通常會根據(jù)其具體用途選擇不同強度的金剛石，在金剛石顆粒的固定中選擇適宜的金屬粉末結合劑，避免其在水泥混凝土的切割過程中發(fā)生石墨化學反應，導致刀頭因磨損而變鈍，影響鋸切效果[3]。在金剛石鋸片中，金剛石粒度、濃度、形狀、結合劑等都會對其鋸切性能造成一定程度的影響。在參數(shù)選取中，要基于其金剛石鋸片壽命和作業(yè)生產(chǎn)率受加強鋸切速度的制約效果，選擇適宜的作業(yè)參數(shù)，平衡兩者之間的關系。

3.3" 切割機鋸片

在水泥混凝土切割機作業(yè)動力學分析中，以鋸片受力分析為基礎，對水泥混凝土切割過程中鋸片的受力狀況進行研究，建立科學的鋸片受力模型，進而對切割機運行參數(shù)的選取提供依據(jù)。在金剛石鋸片開展鋸切作業(yè)的過程中，鋸切阻力是作業(yè)動力學中至關重要的一項參數(shù)，可以使切割機主軸輸出的功率、被加工材料表面質(zhì)量、鋸切過程穩(wěn)定性、鋸片節(jié)塊磨損狀況、鋸片承受載荷在一定程度上反映出來。要想使水泥混凝土切割機盡可能達到理想的運行狀態(tài)，其參數(shù)的選取，要在控制鋸片轉速維持不變的基礎上，利用鋸切阻力的大小對鋸切功率的決定性作用，綜合考慮發(fā)動機功率上特性曲線對發(fā)動機效率和鋸切功率的影響，從鋸切成本的角度，選擇適宜的參數(shù)。通常情況下，水泥混凝土路面的結構分為底層、基層和面層3個層次，從水泥混凝土切割機的角度，以水泥混凝土路面為主要的研究對象，其組成材料和相應比例見表1。由于水泥混凝土路面這種脆性材料本身具有抗拉強度低，但抗壓強度高的特點，其力學性能主要對其抗壓強度、抗剪強度和彈性模量與泊松比提出一定要求。

3.4" 鋸片運動學分析

以水泥混凝土切割機鋸切加工原理為依據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)金剛石鋸片的運動軌跡為鋸片本身旋轉運動和切割機直線運動共同組成的復合運動。將金剛石鋸片任意一點的運動軌跡為擺線，在其完成復合運動的過程中，當切割機作業(yè)速度和鋸片轉速不發(fā)生變化的情況下，根據(jù)鋸片任意一點到其轉動中心的距離和鋸片作業(yè)速度與轉動角速度比值的關系，其運動軌跡具有短擺線、擺線和長擺線3種情況[4]。當兩者相等時，則金剛石鋸片的運動軌跡為擺線；當前者小于后者時，則金剛石鋸片的運動軌跡為短擺線；當前者大于后者時，則金剛石鋸片的運動軌跡為長擺線。

3.5" 切割機工作阻力

水泥混凝土切割機在作業(yè)過程中的工作阻力包含鋸切阻力、拋擲阻力和摩擦阻力3種。其中，分離鋸屑所引起的阻力就是鋸切阻力，主要包含前后刀面摩擦力、材料和金剛石顆粒切削刃的剪切力。在鋸片高速旋轉時，部分鋸屑帶出過程中產(chǎn)生的阻力為拋擲阻力，這種阻力在水泥混凝土切割機在作業(yè)過程中相對較小。當大部分混凝土鋸屑在水泥混凝土切割機切削弧區(qū)滯留時，與金剛石鋸片摩擦所帶來的阻力就是摩擦阻力。由于不同阻力在水泥混凝土切割機運行期間的占比存在較大差異，以摩擦阻力占比最高，但由于拋擲與鋸切通常在同一進程中同時發(fā)生，因此，很難基于不同阻力開展針對性研究。

4" 水泥混凝土切割機參數(shù)選取方法

4.1" 水泥混凝土切割機參數(shù)實驗

水泥混凝土切割機作為工業(yè)設備的一種，其主要用于部分工程項目中對水泥混凝土切割作業(yè)的開展，針對不同的切割厚度、切割材料等差異化的工況條件，需綜合考慮水泥混凝土切割的作業(yè)工藝和工作條件，選用適宜的設備類型，確保其在鋸切水泥混凝土材料時處于正常穩(wěn)定的運行狀態(tài)，實現(xiàn)最佳的應用效果。在選取水泥混凝土切割機參數(shù)時，通常可以將被切割材料在規(guī)格、厚度、切割位置、強度等級和表面粗糙度等特征作為參數(shù)選取的依據(jù)，結合現(xiàn)場實際情況完成具體作業(yè)參數(shù)的確定。比如，在被切割水泥混凝土材料的厚度較大時，可選用較高的切合速度開展鋸切作業(yè)。相反，如果其厚度較小，需降低其切割速度，以較低的切割速度開展水泥混凝土的鋸切作業(yè)。此外，將不同強度等級、不同規(guī)格的水泥混凝土材料作為待切割材料，均要對該材料的特點進行綜合考慮，對鋸切速度進行調(diào)整。

為選取最佳的水泥混凝土切割機參數(shù)，不僅要考慮被切割水泥混凝土材料的基礎特征，還要從水泥混凝土切割機本身出發(fā)，在試驗臺安裝好水泥混凝土切割機后，將其與試驗臺的各個裝置連接起來，固定切割機及其進給軸，然后將經(jīng)過質(zhì)量檢驗且檢驗合格的測力計安裝在水泥混凝土切割機的進給軸上，并將其與試驗臺相連接[5]。在做好設備準備與連接工作后，采用控制變量的方式，分別控制切割方式、切割速度、切割深度等，根據(jù)混凝土切割機不同的運行參數(shù)，在確保其處于正常穩(wěn)定運行狀態(tài)的基礎上，詳細記錄實驗過程中的各項數(shù)據(jù)，將其作為水泥混凝土切割機參數(shù)選取的重要依據(jù)。通過對水泥混凝土切割機參數(shù)選取實驗數(shù)據(jù)的整理和分析，明確最優(yōu)的參數(shù)選取方案。通過水泥混凝土切割機作業(yè)動力學的實驗研究，在確定最優(yōu)參數(shù)選取方案后，使其在實際工程中得到有效利用。

4.2" 水泥混凝土切割機參數(shù)選取

為確保水泥混凝土切割機作業(yè)參數(shù)選取的科學性，相關人員要根據(jù)切割機作業(yè)速度、鋸切深度對作業(yè)生產(chǎn)率的影響，從平衡作業(yè)阻力與作業(yè)生產(chǎn)率關系的角度出發(fā)，對水泥混凝土切割機最佳的作業(yè)參數(shù)進行科學計算。在機器作業(yè)生產(chǎn)率的衡量中可以以材料去除率為依據(jù)，按照如下公式進行科學計算，通過對鋸切深度、作業(yè)速度、金剛石鋸片轉速3項作業(yè)參數(shù)的調(diào)整和控制，使水泥混凝土切割機作業(yè)生產(chǎn)率得到提升，實現(xiàn)最佳的使用效果。

Qw=ap×v，

式中：Qw為材料去除率；ap為鋸切深度，單位為cm；v為機器作業(yè)速度，單位為m/h。以機器作業(yè)時，金剛石鋸片旋轉線速度為金剛石鋸片轉速v0，單位為m/s。

在水泥混凝土切割機鋸切作業(yè)方式的選擇中，可以盡量選擇行駛速度較高的機器，選擇較小的鋸切深度開展鋸切作業(yè)，這種鋸切作業(yè)方式不僅可以減少鋸切的功率消耗，還能獲得更高的作業(yè)生產(chǎn)率。在水泥混凝土切割機鋸切作業(yè)參數(shù)的選擇中，可以根據(jù)水泥混凝土切割機在正常工況下鋸切系統(tǒng)80%左右的消耗功率，結合作業(yè)工況具體要求，應用功率自適控制技術，調(diào)節(jié)機器傳動參數(shù)，使發(fā)動機運行功率在接近額定功率，滿足負載要求的同時，充分利用發(fā)動機功率，使其實現(xiàn)盡可能高的作業(yè)生產(chǎn)率。

水泥混凝土切割機參數(shù)作為影響切割機性能的重要因素，會直接影響水泥混凝土切割速率、切割效果等。對于水泥混凝土切割機本身來說，在不考慮發(fā)動機運行功率、發(fā)動機運行負載等其他因素影響的條件下，只有切刀直徑、主軸轉速和切刀轉速會對其實際的應用性能造成影響。在現(xiàn)階段我國水泥混凝土切割作業(yè)中，最常用的水泥混凝土切割機切刀直徑有2種，稍小的切割機切刀直徑為6～10 mm，稍大的切割機切刀直徑為9～12 mm，其轉速通常在60～90 r/min。基于當前水泥混凝土切割機在國內(nèi)各種工程中或其他應用場景下的實際應用狀況，可以選用直徑為6 mm的水泥混凝土切割機。這種水泥混凝土切割機在具體應用中具有更大的發(fā)動機功率，且成本相對較低，切割效果較好。但這種切割機只適用于小型水泥混凝土材料的切割，在切割大型水泥混凝土材料時，受直徑大小和轉速快慢的影響，極易出現(xiàn)效率低下、阻力較大等問題。

5" 結束語

綜上所述，在水泥混凝土切割機作業(yè)動力學和參數(shù)選取的研究中，要先了解其結構組成和運用特點，把握其作業(yè)原理，深入分析金剛石鋸片、鋸切材料、作業(yè)參數(shù)與作業(yè)生活率、鋸切功率和鋸切阻力之間的規(guī)律和影響，根據(jù)其特殊工況下的參數(shù)調(diào)整，確定最佳作業(yè)參數(shù)，使該切割機在實際應用中達到最佳水平。

參考文獻：

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