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路面开槽机及其轴承座 摘 要 随着我国数控技术的迅猛发展和广泛应用，在数控技术的基础下研制的路面开槽机也在现实生活中得到了广泛应用。开槽机主要用于沥青、水泥路面裂缝病害处治时的开槽作业，即通过六篇特制刀片快速将不规则裂缝整理成均匀的凹槽，形成新的结合面。工作中要让刀头能稳定的把不规则裂缝整理成均匀的凹槽，就得归功于开槽机内的决定灵活性的轴及决定稳定性的轴承座。所以轴和轴承座是开槽机内不可或缺的部分。 本课题为大家详尽的介绍路面开槽机的结构和机内轴承座设计，本文总的来说可以分为两个方面介绍。第一个方面，介绍开槽机重点轴承座，基于ANSYS的轴承座有限元分析，对轴承座零件进行分析，然后拟定工艺路线设计制造。第二个方面，介绍了路面开槽机，从整机各结构及刀头介绍开槽机，并且举了两类具体品牌开槽作为实例为大家详细说明开槽机的应用特点及即将广泛在实际生活中应用的原因。 关键字：开槽机，路面，轴承座，ANSYS II Abstract With the rapid development of numerical control technology and widely used in our country, on the basis of numerical control technology developed under the pavement grooving machine has been widely applied in real life, too. Grooving machine is mainly used for asphalt and cement road surface crack defect treatment of slotting jobs, namely through six special blade quickly irregular cracks into uniform grooves, form a new joint surface. Can work to make the tool bit stable into uniform grooves, the irregular cracks will thanks to the decision of the slot machines flexible shaft and the stability of bearing seat. So the shaft and bearing seat is an integral part of the slot machines. This topic for everybody detailed introduction of pavement structure of grooving machine and machine housing design, this article introduced in general can be divided into two aspects. First, introduces grooving machine mainly bearing seat, bearing based on ANSYS finite element analysis, analysis of bearing parts, and then to design and manufacture process. The second aspect, the paper introduces the road grooving machine, from all the structure of the whole machine and cutting head is introduced grooving machine, and gives two kinds of concrete brand slot as examples for us specify the application characteristics and grooving machine is widely applied in the practical life. Keywords: groove-cutting machine, pavement, bearing block, ANSYS III 目录 第一章 路面开槽机产品说明 . 错误！未定义书签。 1.1 名称介绍 . 错误！未定义书签。 1.2 适用范围 . 错误！未定义书签。 1.3 性能参数 . 错误！未定义书签。 1.4 结构特点 . 错误！未定义书签。 第二章 基于ANSYS的轴承座有限元分析 . 错误！未定义书签。 2.1 建立有限元模型 . 错误！未定义书签。 2.2 计算结果及分析 . 错误！未定义书签。 2.3 基于ANSYS的轴承座有限元分析结语 . 错误！未定义书签。 第三章 轴承座的设计制造 . 错误！未定义书签。 3.1 轴承座的分析 . 错误！未定义书签。 3.2 基准的选择 . 错误！未定义书签。 3.3 工艺路线的拟定 . 错误！未定义书签。 第四章 开槽机刀头介绍 . 错误！未定义书签。 4.1 公路开槽机简介 . 错误！未定义书签。 4.2 开槽机刀头介绍 . 错误！未定义书签。 第五章 开槽机部分零件图片及介绍 . 错误！未定义书签。 5.1 大轴承挡圈 . 错误！未定义书签。 5.2 滚轮 . 错误！未定义书签。 5.3 刀头 . 错误！未定义书签。 5.4 后轴有限元分析： . 错误！未定义书签。 5.5 主轴皮带轮： . 错误！未定义书签。 5.6 局部爆炸图： . 错误！未定义书签。 5.7 总爆炸图： . 错误！未定义书签。 5.8 整机图： . 错误！未定义书签。 第六章 具体产品展示 . 错误！未定义书签。 6.1 Coaler-A20开槽机 . 错误！未定义书签。 6.2 辛美来亚CLYK25开槽机 . 错误！未定义书签。 6.3 开槽机安全操作程序： . 错误！未定义书签。 第七章 总结 . 错误！未定义书签。 致谢 . 错误！未定义书签。 参考文献. 错误！未定义书签。 I V 第一章 路面开槽机产品说明名称介绍 开槽机主要用于沥青、水泥路面裂缝病害处治时的开槽作业。通过六片特质刀片快速将不规则裂缝整理成均匀的凹槽，形成新的结合面。优化灌缝材料与缝槽的接触层面，加强灌缝材料与缝槽侧壁粘结的紧密性。整体构造 由扶手、电动推杆、发动机、发动机座架、皮带传动机构、燃油箱、车轮架、车轮、刀盘架、刀盘、刀具、主轴、橡胶板、索链及电控系统组成。特点 开槽机体积小重量轻，操作方便，自带动力，野外施工不用为外界电源而烦恼。开槽机能够轻易、精确、快速地在沥青和水泥路面沿任意缝开出宽度1-5厘米，深度0-3厘米的封缝槽。适用范围 开槽机主要用于沥青路面、水泥路面、大面积场地的表面裂缝的开槽工作。 图1-1 5性能参数结构特点 轻便紧凑、工作效率高； 操纵方便，安全可靠； 行进、制动简单有效； 从设计上保证开槽机可在任意形状的裂缝开挖槽口； 开槽范围宽，通过调整切割刀片的组合，可保证开槽宽度； 切割深度任意、随时调节； 采用进口切割刀片，使用寿命长，一组刀具最高可切割裂缝； 刀具有多种规格，可适应用户的要求； 刀具磨损到一定程度后，可进行更换； 从设计上保证新旧刀具可同时使用，提高了刀具的使用效率； 独特的裂缝跟踪指示器，能保证刀具准确的沿不规则裂缝工作。 6 第二章 基于ANSYS的轴承座有限元分析建立有限元模型 图2-1 轴承座三维视图 轴承座为左右对称结构，其三维视图和尺寸标注如图1。轴承座采用普通碳钢Q235，弹性模量，泊松比。轴承座承受主轴传递的水平面载荷25Mpa（图1前视图中斜线填充区域），竖直面载荷40Mpa（图1剖视图中较密斜线填充区域），轴承间为40m。选择单元类型 图2-2 SOLID953-D 20节点实体结构单元 7 进行任何有限元分析都必须选择合适的单元类型，单元类型决定附加的自由度，对于轴承座，主要承受主轴传递的水平推力和竖直压力，在设计过程中更关心的是其应力应变的变化情况，因此选用实体单元SOLID95进行结构离散。SOLID95（图2）是三维20节点四面体构实体单元，在保证精度的同时，允许使用不规则的形状，适用于模拟曲线边界；每个节点有3个自由度：节点X、Y和Z方向的位移，该单元具有空间的任意方向。SOLID95单元还有可塑性、蠕动、应力刚化、大变形和大应变能力。划分方格 网格划分的过程就是结构离散化的过程，通常划分的单元越多越密集，就越能反映实际结构状况，计算精度越高，计算工作量越大，计算时间增长。为兼顾计算精度和计算效率，采用自动划分与手动划分相结合的方法进行网格划分。 首先，利用软件对轴承座自动划分网格，网格精度取SMRT6；然后根据轴承座的承载特性，在肋板与轴承座的交线和轴瓦边缘线以及轴承座与基底的相交线等容易产生应力集中的地方手动加密网格，网格精度选为LEVEL1。经过网格加密以后共形成30907个单元和47215个节点。网格划分结果如图3。 图2-4 网格划分和施加边界条件后的模型施加边界条件 根据轴承座的实际安装方式，在其基底面施加Y方向的面约束（UY=0），在4个螺栓孔位置分别施加X、Z方向的面约束（UX=UZ=0），以此约束轴承座的水平和竖直方向位移。 实际作业过程中轴承座承受的载荷远大于其自重，因此只需考虑轴传递过来 8 的水平和竖直载荷，结构自重引起的应力应变可忽略不计。在8号、74号、81号和86号4个面上施加水平方向25Mpa的面载荷（图3中A箭头所指深色区域）；在36号和89号2个面上施加竖直方向40Mpa的面载荷（图3中B箭头所指斜线区域）。计算结果及分析 进入ANSYS求解模块（/SOL），选择默认的波前法求解器进行轴承座的静态线性分析。结构分析完成后可以进入通用后处理器（/POST1）或时间历程后处理器（/POST26）浏览分析结果。强度分析 轴承座应力分析分布如图2-5。 图2-5 轴承座应力分布图 (1) 最大等效应力出现在肋板上端与轴承座相接触和轴瓦孔内缘线区域，即图4中高亮区域，其值约为188Mpa，小于Q235钢材的屈服极限240Mpa，因此轴承座的强度满足要求。 (2) 轴承座的最大等效应力远小于材料的许用应力，材料特性没有充分发挥出来，因此有必要对轴承座的形状进行优化，进一步提升材料利用率。 (3) 在肋板与轴承座、轴瓦孔内缘线以及轴承座与基底相接触的地方存在应力集中，这对于轴承座的使用非常不利，因此应当采用在各接触线或面做倒角的办法降低应力集中的程度。变形分析 X、Y方向变形分布如图2-6和图2-7。 9 图2-6 X方向变形分布图 图2-7 Y方向变形分布图 最小油膜厚度是决定轴承能否正常工作的重要因素，轴瓦孔的变形又会影响最小油膜厚度，因此对轴瓦孔的变形估算就变得非常重要。 由变形分布图可知，轴瓦孔在X方向的最大变形为m，在Y方向的最大变形为m，都远远小于轴承间隙40m，因此可以保证最小油膜厚度，即可以保证轴承的正常作业。 综上分析，轴承套有限元模型的建立、分析结果是客观的，较为真实地反映了轴承套在组合载荷作用下的承载特性，且完全满足设计要求。基于ANSYS的轴承座有限元分析结语 应用ANSYS软件选择合理的单元类型和恰当网格划分方法，对某型搬运设备的轴承座进行了强度和变形分析，找到了结构最容易破坏的位置，并且发现了 1 材料特性发挥不充分的问题，为后续的优化设计提供了充分的理论依据。分析结果表明，轴承座强度符合设计要求，轴瓦孔变形远小于轴承间隙，能满足最小油膜厚度的要求 第三章 轴承座的设计制造轴承座的分析 图3-1 轴承座零件图 （1）零件的底座底面、内孔、端面及轴承座的顶面有粗糙度要求，其余的表面精度要求并不高，也就是说其余的表面不需要加工，只需按照铸造时的精度即可。轴承座在工作时，静力平衡。 （2）铸件要求不能有砂眼、疏松等缺陷，以保证零件的强度、硬度及疲劳度，在静力的作用下，不至于发生意外事故。基准的选择粗基准的选择 按照粗基准的选择原则为保证不加工表面和加工表面的位置求，应选择不加 11 工表面为粗基准。根据零件图所示，故应选轴承底座上表面为粗基准，以此加工轴承底座底面以及其它表面。精基准的选择 考虑要保证零件的加工精度和装夹准确方便，依据“基准合”原则和“基准统一”原则，以粗加工后的底面为主要的定位精基准，即以轴承座的下底面为精基准。工艺路线的拟定 根据零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求，以及加工方法所能达到的经济精度，在生产纲领已确定的情况下,可以考虑采用万能性机床配以专用工夹具,并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。 因此工艺划分为：毛坯为精铸件，清理后，退火处理，以消除铸件的内应力及改善机械加工性能，在毛坯车间铣削去浇冒口，达到毛坯的技术要求，然后送到机械加工车间来加工完成。 第四章 开槽机刀头介绍公路开槽机简介 公路开槽机最初是从美国进口的，代表国际先进水平的美国公司等公路养护机械巨头，打入了国内公路养护市场。该机械主要用于沥青路、水泥路的路面裂缝病害防治时的开槽灌胶密封，以防裂缝因积水导致路基的损坏和更大的坑槽形成，从而有效保护和延长公路使用寿命，减少养护费用。其原理是用高速旋转的六片特殊的开槽刀头，它能够延着弯弯曲曲的裂缝，切割深10-40mm，宽10-35mm的凹槽，形成暂新的切割面，在吹干净槽内的水气和沙尘后，灌入灌缝密封胶，即可有效防止路面积水渗入路基。 相对于国内单片式锯片开槽机，它有很多优点： 12 A.能灵活准确地跟踪弯弯曲曲的裂缝开槽。单片式锯片太大，转弯不方便。 B.能有较宽的密封面；而单片式锯片太薄，不易形成较宽的密封面。片刀头式开出的槽更圆滑，而且槽侧面的粗糙度更粗，与密封面粘结更紧密。单片式锯片是靠磨削出来的，侧面非常光滑，不利于密封胶的粘结，在车轮的挤压和带动下，易与槽侧面脱离。片刀头开槽效率更高，更快。快6倍以上。片刀头更耐用，能切割2万延米以上。单片锯片的最多只能达到1500延米。开槽机刀头介绍 图4-1 开槽机刀头常见规格 外径125mm*内径25(22)mm*厚，刀口厚8/10mm2种。特点 不需因为沥青路和水泥路更换刀头，减少了很多工时，还减少了拆装时的机械故障麻烦。 13 4.刀头安装使用注意 1.安装刀具时注意切削方向，不准逆转；否则损坏刀头。 2.启动前，应首先检查刀具上是否有铁钉、沙石活节等，以防损坏刀具活节飞出伤人；还必须仔细检查刀具和螺帽以及各部螺钉是否牢固，如发现有松动现象，必须及时拧紧。 第五章 开槽机部分零件图片及介绍大轴承挡圈 紧固在轴上的圈形机件，可以防止装在轴上的其他零件窜动。滚轮 安装在机械内的灵活零件，使开槽机运行更灵活。 14刀头 六个刀盘均匀装在主轴滚筒上，每个刀盘圆周方向上镶有8个硬质合金刀头，开槽效率高，开槽宽度范围大。刀头位移分析： 模型名称：刀头 算例名称：刀头分析 图解类型：静态应力刀头应力分析： 模型名称：刀头 算例名称：刀头分析 图解类型：静态位移 15后轴有限元分析 模型名称：后轴 算例名称：后轴分析 图解类型：静态位移 模型名称：后轴 算例名称：后轴分析 图解类型：静态应力主轴皮带轮： 皮带轮传动能缓和载荷冲击，运行平稳、低噪音、低振动；皮带轮传动的结构简单，调整方便；皮带轮传动具有过载保护的功能；皮带轮传动的两轴中心距 16 调节范围较大。局部爆炸图：总爆炸图： 17整机图： 双轮结构后退式作业方式，快停系统紧急制动开关，开槽作业操作方便、安全。 18 第六章 具体产品展示 19 6.1 Coaler-A20开槽机主要特点 1、配用25马力KOHLER（科勒）双缸汽油发动机，超强动力可加快施工 速度及施工效率，避免开槽不均或破口现象； 2、配置有KOHLER公司专利技术双元净化器及三级空气过滤装置，过滤系统采 用双层过滤装置和转片式滤清器，增加空气净度，防止发动机吸入灰尘，而 降低发动机的磨损，有效延长发动机寿命； 3、25HP带OHV（定置进气阀）的科勒发动机，提供平稳动力，减少震动。 4、快停系统紧急制动开关，可以有效保护操作人员。轻轻按下停机开关，发动 机关闭，刀具在4秒内停止转动。 5、60w照明灯，可供阴暗天气安全施工使用； 6、进口品牌高级免维护电瓶，寿命更长，工作期间可自行充电，更省心、更 耐用、更快捷； 7、采用电动推杆可调节开槽刀具升降；开槽深度指示器使施工人员 根据需要控制开槽深度，12V直流按钮 式控制开关来调节开槽深度。 8、裂缝定位跟踪指示针，保证落刀准确，能使开槽机准确的沿裂缝进行跟踪开槽避免作业错误； 9、防溅链长度：140mm 防溅链宽度：330mm 防尘档板尺寸：320×260mm,可有效防止开槽作业所产生的碎石飞溅，确保施工作业安全。 发动机：进口KOHLER汽油机发动机 功 率: 25HP 开槽深度：0-50mm 开槽宽度：10-50mm 切割速度：7m/min 重 量：260kg 外形尺寸：1800×850×960mm 20 刀片直径：130mm 推 杆：美国电动推杆 电 瓶：进口品牌专用免维护电瓶 夜间照明灯： 60W 图6-3 Coaler-A20开槽机辛美来亚CLYK25开槽机主要特点： 1、手推式、独立动力，轻巧实用可靠； 2、滴水冷却刀片,有效的保护,刀片使用寿命,可减少了灰尘； 3、辅以尾气加热,方便沥青路面开槽后可直接灌缝,减少加热环节； 4、精配本田发动机，耐用性好，适合班站使用； 5、手轮调节,摇动手轮即可方便地调整进刀深度。 2-2主要技术参数: 发动机： 本田汽油机GX390 功 率: 13HP 刀片直径：160mm; 刀片厚度：6mm; 刀片数量：13片 主轴转速：3500r/min 开槽深度：050mm 开槽宽度：850mm 21 切割速度：8m/min 图6-1辛美来亚CLYK25开槽机 图6-2 人工示范开槽机安全操作程序： 1 机床开动前，必须仔细检查刀具和螺帽以及各部螺钉是否牢固，如发现有松动现象，必须及时拧紧； 2 安装刀具时注意切削方向，不准逆转； 3 主刀具为顺时针转向； 4 进料开槽前，先确认气动装置是否打开并压紧工件于活动推台上和靠紧定位板，手不准靠近刀口处； 5 当机床发生故障时应立即将电源切断，并停止作业，派专人进行修理调整，机床不准带病运转； 6 材料在加工前应首先检查刀具上是否有铁钉、沙石活节等，以防损坏刀具活节飞出伤人； 22 7 机床清扫、擦润滑油以及拆除换锯片和清刀口屑物等，必须切断机床电源； 8 机床要有指定人员操作、调整及维修，对机床不熟悉的人员严禁使用； 9 工人操作时应配戴耳塞、护眼镜等劳保用品； 10 机器的维护保养按设备操作、维护、保养制度执行。 第七章 总结 本次设计在老师的指导和建议下，我耐心、细致地在图书馆查阅了与数控技术、开槽机及轴承座相关的图书资料，并在互联网上参考了众多的图片及实物信息，从而在感官上对开槽机及其轴承座的设计过程有了一个较好较新地认识。 对开槽机的轴承座的设计主要在于精度及材料的选择，对轴承座载荷的控制，这相当于铣削加工，可以类比于铣削加工进行设计；还有基于ANSYS的轴承座有限元分析的灵活运用，开始感觉复杂难办的设计，在进行细致的分析之后变得简单了，这也告诉了我，遇到难题不要胆怯与退缩，仔细分析研究，终会找到合适的方法解决的。 经过长期认真地工作，我已完成开槽机设计及其零部件的设计。但是由于能力有限，再加上实践经验的不足，在设计中的一些不足之处，还请老师给予严格的教育和指导。 23 致谢 踉踉跄跄地忙碌了两个月，我的课程设计课题也终将告一段落。本 文也基本达到预期的效果，虚荣的成就感在没人的时候也总会冒上心头。但由于能力和时间的关系，总是觉得有很多不尽人意的地方，譬如表述不清、格式粗糙、语词的不合理?数不胜数。可是，我又会 有点自恋式地安慰自己：做一件事情，不必过于在乎最终的结果，可贵的是过程中的收获。以此语言来安抚我尚没平复的心。 这份课程设计，也快是我大学生涯交上的最后一个作业了。想借此机会感谢四年以来给我帮助的所有老师、同学，你们的友谊是我人生的财富，是我生命中不可或缺的一部分。我的课程设计指导老师，虽然我们是在开始设计的时候才认识的，但他却能以一位长辈的风范来容谅我的无知和冲动，给我不厌其烦的指导。在此，特向他道声谢谢。 大学生活即将匆匆忙忙地过去，但我却能无悔地说：“我曾经来过。”大学四年，但它给我的影响却不能用时间来衡量，这四年以来，经历过的所有事，所有人，都将是我以后生活回味的一部分，是我为人处事的指南针。就要离开学校，走上工作的岗位了，这是我人生历程的又一个起点，在这里祝福大学里跟我风雨同舟的朋友们，一路走好，未来总会是绚烂缤纷。 24