基于Pro／Mechanica的铣挖机铣刀最优切削角研究

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Study on Optimal Cutting Angle of Drum CutterS M illing Cutter Based. OU Pro/M echanicaLIU Bei.X10NG Hegen(Wuhan University of Science&Technology，Wuhan Hubei 43008 1，China)Abstract：In order to clarify the affect of miling cuterS cuter angle on drum cutter work，Pro/Meehanica was used to analyzethe milling cuter and holder with diferent cuting angle.The results show that stress on the milling cuter tip is the mimum. Butwhen the design cuting angle is at 47。，the average stress on cuter tip of metal alloy is at minimum，and the stress diference coefi-cient is at minimum. According to the study results，the milling cutters damage can be reduced and their usage life prolonged by se-lecting the appropriate cuting angle。

Keywords：Drum cutter；Milling cuter；Pro/Mechanica；Stress铣挖机作为-种新型的工程机械设备，在许多领域得到了越来越广泛的应用。由于铣挖对象的特殊性，铣刀消耗量大、铣挖效率低已成为隧道、路面、矿山施工过程中的突出问题。这也是国内外从事铣挖机研究与设计人员所面临的-大难题。在众多影响铣挖机工作效率的结构参数中，切削角的影响尤为突出。分析铣挖机铣刀的载荷、不同切削角时铣刀与刀座的受力情况与应力分布，对于研究铣挖机工作时铣刀的失效原因与破坏机制 、改进铣刀和刀座的设计、提高其使用寿命和工作可靠性、解决铣挖机的铣挖效率与经济效益都具有重要意义。

1 铣刀的载荷计算铣挖机铣挖岩石时，作用在铣刀上的力为切削力F 、径向力 F 、横向力 F ，3个力组成铣刀的三维力系坐标，见图1(a)。

A向 B向- - DlJF - J，- V图 1 左铣挖头 (左旋)铣刀尖受力图中z轴通过刀尖 点，平行铣挖毂旋转轴线； 通过图1(b)、(C)得到F 、F 、F 3个力在各坐轴通过刀尖 M和旋转中心 0 ；Y轴垂直于 平面 标轴的投影分量为：并通过M点。

收稿日期 ：2011-12-12作者简介：刘贝 (1986-)，男，硕士研究生，研究方向为机械设计及理论。E-mail：175521135###qq.com。

第 1期 刘贝 等：基于 Pro/Mechanica的铣挖机铣刀最优切削角研究 ·7l·F ： F，sci。na F t：F tcsion z三i 乏协眦 Fs-0.016盯卷 )方向的合力 、， 、 值如表 1所示。

表 1 、F 、 对应值2 铣刀切削角铣刀 的空间位置由铣刀的三维空 间角度 参 数--倒 角 JB、转角 和仰角 决定 。倒角是铣刀座 -绕铣刀轴线旋转的角度 ，用来调整铣刀座与轮毂之间的接触。

在不考虑倒角 的情况 图2 铣刀安装参数下，各参数间关系如图2所示。转角是铣刀座底面相对铣挖头回转轴线垂直截面的转角，即铣刀回转轴线在 平面上投影线与 Y轴夹角，它是为了使在铣挖过程中形成-力矩，使铣刀在铣刀座中产生自转，达到铣刀均匀磨损 ；仰角 是铣刀相对铣刀轴线垂直平面的转角，即铣刀回转轴线与 平面间夹角，用于调整切削角；铣刀回转轴线与Y轴夹角为设计切削角 6；铣刀回转轴线与刀尖运动方 向 间夹角为实际切削角 艿 。

切削角是刀尖铣挖轨迹的切线与铣刀中心线的夹角，使铣刀以较好的位置楔入岩石。设计切削角 6通常取45。～48。之间，但具体的取值尚无定论 。 。大切削角虽然能提高切削效率，但磨损比较严重，容易使刀尖变钝，以致无法切入矿物。小切削角时，所需进给力增大，容易使铣刀超载，此时，铣刀不仅轴线方向承受负载，而且刀尖方向负荷更大。

取转角 10。、设计切削角 6：45。～48。，在不同横切速度 下实际切削角6 如表2所示。

表 2 实际切削角 6 值∞s/ 8/ / ∞ / 8， 6t/(m·rain ) (。) (。) (m·min ) (。) (。)- 1.5 45 43.11 O.5 45 45.75- 1.5 46 44.08 0.5 46 46.72- 1.5 47 45.05 0.5 47 47.69- 1.5 48 46.02 0.5 48 48.66- 1 45 43.77 1 45 46.41- 1 46 44.74 1 46 47.38- 1 47 45.71 1 47 48.35- 1 48 47.75 1 48 49.32- 0.5 45 44.43 1.5 45 47.07- 0.5 46 45.40 1.5 46 48.04- 0.5 47 46.37 1.5 47 49.0l- O.5 48 47.34 1.5 48 49.980 45 450 46 460 47 470 48 483 有限元分析3.1 铣刀建模及网格划分利用 Pro/Engineer根据不同设计切削角 艿建立不同的铣刀与刀座的三维实体，然后进入Pro/Mechani。

选择硬质合金头直径为 14的铣刀，材料特性参数：弹性模量E6.4 X 10 MPa，泊松比 0.21，密度P1.4×10。kg/mm ；刀杆与刀座的材料为42CrMo， 材料特性参数：弹性模量 E2.12 X 10MPa、泊松比 0.28、密度 P7.85 x 10 kg/mm 。

模型采用自适应网格划分，接触部位采用局部网格细化 。模型划分实体507个，点 167个，边801条 ，面 1 143个 ，如图3所示。

第 1期 王钰锞 等：直线电机摩擦力的动态补偿研究 ·75·V(y，t)2el 2e2 2十ariP由 式 (7)、(8)、(18)、(20)得 ：V(y，f)国-(K 1)I r l -[(A：-1)I e l 设：6minA -1，2A -1，1，当6>0时：v(y，r)≤2 l rI (1J l)lJ J - l rI -6 IJ z lIV(y， )≤- -索(2Kr-咖(( I)·fI z f)。 L ≤- 占I f (4K为正实数，V(Y，t)≤0。

当6> 时， (y， )≤0，根据 Lyapun。v稳定定理可知，该系统是渐进稳定的 。

令：EY∈D I lI Yl≤币 (2 )，sY∈E1w (y)<(咖 (2 )) 根据拉萨尔-般不变性原理 ：lim6 0 V Y(t0)∈Slimr(t)0 Vy(t0)∈Slimel(t)0 VY(t0)∈SlimP(t)F (j) VY(t。)ES从而实现对系统的辨识。

4 实验仿真在实际系统中，进行了仿真，同时和传统PID控制方式进行比较。永磁同步直线电机参数如下：动子质量 m25 kg，推力系数 Kt25 N/A；动子 q轴电感 L18.74 mH，动子电阻 R1.2 n，输入期望轨迹 (t)0.10×sin(2盯)，设 计控 制器 参数 为：A。30，A：60，K 1 200，卢3。仿真结果如图2、3所示。

321昌 0- l-2.3图 2 PID速度跟踪曲线0.30.20.1目 00.1 0.2. 0.3图3 前馈 PI速度跟踪曲线5 结论高精度直线电机滑台低速稳定性-直是控制领域的重要研究问题。对于非线性摩擦力的辨识和补偿-直是热门的话题，不同的摩擦力模型有不同的补偿算法。作者针对Stfibeck模型提出-种补偿控制器，并采用 Lyapunov函数和拉萨尔-般不变性原理证明其可行性～该控制器用于永磁同步直线电机的速度控制，仿真效果表明：采用文中方法控制的直线电机能够比传统 PID控制获得更好的性能，前馈 PI控制可以消除摩擦造成的 平顶”现象，同时降低了跟踪误差。