振動壓路機(jī)剖分式鋼輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

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摘要：為了提高高等級公路的壓實(shí)質(zhì)量，我國不斷進(jìn)口振動壓路機(jī)。因此，借鑒國外振動壓路機(jī)技術(shù)，提高我國壓路機(jī)的設(shè)計(jì)水平迫在眉睫。目前，我國振動壓路機(jī)產(chǎn)品的種類較少，在智能壓實(shí)技術(shù)與自動控制技術(shù)的理論研究層面和工程應(yīng)用層面都較為落后。本設(shè)計(jì)借鑒國外壓路機(jī)的設(shè)計(jì)，基于理論分析和數(shù)據(jù)計(jì)算對振動壓路機(jī)剖分式鋼輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，簡述了振動壓路機(jī)的工作原理，完成了壓路機(jī)剖分式鋼輪的總體設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向力矩的計(jì)算及回轉(zhuǎn)支承的選型。仿真結(jié)果表明，剖分式鋼輪的轉(zhuǎn)向阻力遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)鋼輪的轉(zhuǎn)向阻力，在工程應(yīng)用中，可以有效避免振動壓路機(jī)對于路面的破壞，僅供參考。

關(guān)鍵詞：振動壓路機(jī)；剖分式鋼輪；總體設(shè)計(jì)；回轉(zhuǎn)支承

壓路機(jī)又名壓土機(jī)，是壓實(shí)機(jī)械的一種，是以鋼輪或無花紋的充氣輪胎對水泥穩(wěn)定土或?yàn)r青混合料進(jìn)行壓實(shí)的路面機(jī)械，主要用來提高路面和路基的密實(shí)度和穩(wěn)定性，提高被壓實(shí)材料承受載荷的能力，是公路修建與養(yǎng)護(hù)過程中必不可少的機(jī)械[1]。壓路機(jī)的工作過程如下：通過壓路機(jī)的鋼輪利用壓路機(jī)自重或機(jī)械結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的不同方向的力向被壓實(shí)材料加載，克服被壓實(shí)材料顆粒間的摩擦力及黏滯力，減小被壓實(shí)材料顆粒之間的間隙，壓縮被壓實(shí)材料顆粒間的空氣和密實(shí)顆粒之間的水分，使不同粒徑的被壓實(shí)材料顆粒相互接近，提高被壓實(shí)材料的干密度[2]；通過壓路機(jī)對被壓實(shí)材料的碾壓，減少被壓實(shí)材料的空隙率，提高被壓實(shí)材料的干密度，提高被壓實(shí)材料的承載剛度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高被壓實(shí)材料的抗?jié)B性和水溫穩(wěn)定性，提高被壓實(shí)材料的承載能力，延長相應(yīng)公路的使用壽命，降低公路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用[3]。壓路機(jī)廣泛應(yīng)用于道路施工中，減少了施工成本，提高了工作效率和施工質(zhì)量。

1壓路機(jī)的用途及分類

由于被壓實(shí)材料種類、被壓實(shí)材料濕度、壓實(shí)溫度、施工地區(qū)地形以及施工工藝的差別，全球各壓路機(jī)廠家生產(chǎn)了門類繁復(fù)、規(guī)格各異的壓路機(jī)[3]。我國壓路機(jī)行業(yè)的權(quán)威組織統(tǒng)計(jì)了道路施工工程中壓路機(jī)壓實(shí)的常用方案，考察了我國壓路機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀，并以此為依據(jù)，結(jié)合壓實(shí)作業(yè)的不同機(jī)理，對我國壓路機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行分類，其中常用壓路機(jī)有沖擊壓路機(jī)、靜壓壓路機(jī)、振動壓路機(jī)、光面充氣輪胎壓路機(jī)[4]。靜壓鋼輪壓路機(jī)依靠機(jī)械自身重量對土方進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)，進(jìn)行一遍壓實(shí)后，對土壤干密度的提升作用較小，壓實(shí)效率較低，單位體積或單位質(zhì)量能提供的壓實(shí)功較小，通常情況下用作薄壓實(shí)層的預(yù)壓。由于振動鋼輪壓路機(jī)可以關(guān)閉振動功能，所以在高等級路面修建中，靜壓鋼輪壓路機(jī)的工作通常由振動鋼輪壓路機(jī)關(guān)閉振動功能后完成。鋼輪壓路機(jī)壓實(shí)路面后，會留下一些車轍。光面輪胎壓路機(jī)因自重較輕，在利用自重對路面進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)時(shí)不會因壓實(shí)作用破壞路面材料顆粒，所以經(jīng)常用于路面終壓，以消除壓實(shí)痕跡，提高路面整體的平整度，幾乎不會對提高壓實(shí)度起到作用。振動鋼輪壓路機(jī)依靠振動鋼輪內(nèi)激振器的作用帶動振動鋼輪高頻振動，使土方顆粒處于高頻振動狀態(tài)，減小土方顆粒間的黏滯力，同時(shí)振動鋼輪所產(chǎn)生的巨大激振力作用于土壤，使土壤顆粒改變其排列順序，從而減小顆粒之間的孔隙，提高土壤干密度[5]。振動壓路機(jī)的出現(xiàn)，是壓實(shí)技術(shù)的一次飛躍，標(biāo)志著壓路機(jī)發(fā)展史上一個新的時(shí)代的來臨。自此，提升壓路機(jī)壓實(shí)能力，不僅僅有提高壓路機(jī)質(zhì)量從而增大壓路機(jī)靜線壓力這一個方法。由于振動壓路機(jī)單位體積或單位質(zhì)量所產(chǎn)生的壓實(shí)功遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)壓路機(jī)，適用范圍也較傳統(tǒng)壓路機(jī)更廣泛，所以振動壓路機(jī)在業(yè)內(nèi)廣受歡迎，成為壓路機(jī)市場的主流。振動壓路機(jī)根據(jù)所裝配鋼輪數(shù)目可以分為兩類，一類是單鋼輪振動壓路機(jī)，另一類是雙鋼輪振動壓路機(jī)，雙鋼輪振動壓路機(jī)主要用于對瀝青混凝土攤鋪層或路面的壓實(shí)[6]。

2振動壓路機(jī)剖分式鋼輪總體方案設(shè)計(jì)

2.1振動輪工作原理

振動壓路機(jī)依靠自重和振動系統(tǒng)所產(chǎn)生的激振力共同作用，對被壓實(shí)材料進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)。在壓路機(jī)鋼輪開啟振動模式時(shí)，振動系統(tǒng)中的偏心機(jī)構(gòu)開始旋轉(zhuǎn)。通過調(diào)整偏心機(jī)構(gòu)運(yùn)動的相位和偏心矩，可以實(shí)現(xiàn)振動輪振幅的改變[7]。本文所設(shè)計(jì)的鋼輪采用剖分式結(jié)構(gòu)，左右兩部分通過回轉(zhuǎn)支承連接，兩部分可以發(fā)生一定的相對角位移，減少轉(zhuǎn)彎時(shí)行駛阻力的影響。

2.2振動輪總體結(jié)構(gòu)

對于雙鋼輪振動壓路機(jī)來說，振動鋼輪既是壓路機(jī)的工作裝置，也是其行走裝置，猶如雙鋼輪振動壓路機(jī)的“手足”，是振動壓路機(jī)的重要部件之一。振動鋼輪的主要組成部分有鋼輪輪體、振動機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、減振系統(tǒng)、附屬機(jī)構(gòu)這五部分[8]。傳統(tǒng)振動鋼輪輪體由一塊鋼板卷制而成，鋼輪寬度較長，在轉(zhuǎn)向過程中會存在較大的轉(zhuǎn)向阻力，導(dǎo)致混合料的推移以及路面的破壞。本文設(shè)計(jì)的是一種8噸振動壓路機(jī)的剖分式鋼輪。剖分式鋼輪在左右兩部分的連接處采用特制的回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行連接，減少了左右兩部分在發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時(shí)的轉(zhuǎn)動阻力，提高了鋼輪左右兩部分在裝配時(shí)的對心性，減少了因裝配而導(dǎo)致振動軸承、行走軸承壽命縮短的問題，提高了轉(zhuǎn)彎時(shí)的壓實(shí)質(zhì)量。在轉(zhuǎn)彎時(shí)，外鋼輪的旋轉(zhuǎn)速度比內(nèi)鋼輪快，消除了標(biāo)準(zhǔn)振動鋼輪設(shè)計(jì)中路面出現(xiàn)撕裂的可能性。剖分式鋼輪結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由鋼輪輪圈、輻板等焊接而成，在振動鋼輪總成中起到支撐其他零件的作用。傳統(tǒng)振動鋼輪需要設(shè)置單獨(dú)的潤滑油腔對鋼輪內(nèi)部元件進(jìn)行潤滑，剖分式鋼輪可以利用鋼輪輪體自身結(jié)構(gòu)焊接筋板形成潤滑油腔，方便對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行潤滑，也可以對鋼輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。在進(jìn)行壓實(shí)工作時(shí)，鋼輪輪體與被壓實(shí)土方直接接觸，以完成壓實(shí)工作。因此，要求在加工時(shí)保證鋼輪輪體外表面的粗糙度，還要求鋼輪輪體抗變形能力高，硬度好，耐磨性好，強(qiáng)度、剛度都達(dá)到一定要求。剖分式鋼輪由左右兩部分裝配組成，左右兩部分通過回轉(zhuǎn)支承連接成為整體，共同完成壓實(shí)作業(yè)。

2.3轉(zhuǎn)向阻力計(jì)算

單個驅(qū)動輪在驅(qū)動力矩的作用下，地面對車輪產(chǎn)生沿車輪切線方向的反作用驅(qū)動力。當(dāng)驅(qū)動輪偏轉(zhuǎn)某一角度時(shí)，驅(qū)動力的方向也隨之改變，從而推動車輪沿著新的方向滾動。無論是直線還是彎道行駛，車輪與地面之間都必須有足夠的附著力，以傳遞驅(qū)動力并克服阻力。每個車輪都具有一定的寬度，壓路機(jī)的車輪更是一個很寬的滾輪。當(dāng)車輪以半徑R繞轉(zhuǎn)向中心點(diǎn)O沿彎道行駛時(shí)，壓輪上各接地點(diǎn)運(yùn)行的路程是不相等的，外側(cè)的運(yùn)行路程肯定大于內(nèi)側(cè)。若車輪中心平面是作純滾動的，車輪的外側(cè)就必然有向前的滑移速度（bw/2），內(nèi)側(cè)有向后的滑移速度（-bw/2），如圖2所示[9]。因?yàn)槟Σ磷枇Φ姆较蚩偸桥c車輪滑動方向相反，所以地面給車輪外側(cè)的滑動摩擦阻力向后，地面給車輪內(nèi)側(cè)的滑動摩擦阻力向前，即地面給了車輪一個與其偏轉(zhuǎn)方向相反的摩擦阻力矩，這個阻力矩企圖使車輪恢復(fù)到直線行駛狀態(tài)。剖分式鋼輪的轉(zhuǎn)向阻力矩應(yīng)按照式（1）進(jìn)行計(jì)算：式中，Mf表示鋼輪受到的滾動阻力矩，N·m；μ表示滾動阻力系數(shù)，取0.4；Ga表示前鋼輪分配的使用重量，2400kg；b表示壓路機(jī)前鋼輪寬度，1500mm。壓路機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)的受力情況如圖3所示，分析可得，回轉(zhuǎn)支承受到的徑向力為4234N，壓路機(jī)鋼輪的直徑為1108mm，算得轉(zhuǎn)向阻力矩為3175.5N·m。

2.4回轉(zhuǎn)支承選型

回轉(zhuǎn)支承又稱轉(zhuǎn)盤軸承，是新出現(xiàn)的大型機(jī)械零部件，在工程機(jī)械領(lǐng)域，多用于挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈部位及其他重型機(jī)械的回轉(zhuǎn)部位。回轉(zhuǎn)支承按照其滾子可分為單排球式回轉(zhuǎn)支承、雙排球式回轉(zhuǎn)支承、交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承、三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承。其中，單排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承可以承受軸向載荷、徑向載荷以及傾覆力矩。在剖分式鋼輪中，回轉(zhuǎn)支承的作用是保證剖分式鋼輪在轉(zhuǎn)向時(shí)左右兩個鋼輪可以發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。壓路機(jī)的最大行駛速度為3.33m/s，鋼輪的寬度為1500mm，所以左右半鋼輪的極限轉(zhuǎn)速差為42.4r/min[10]。根據(jù)以上條件，在表1中選擇合適的回轉(zhuǎn)支承。根據(jù)條件，選取型號為010.30.500的回轉(zhuǎn)支承。

3結(jié)論

本文主要對剖分式鋼輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過計(jì)算得到剖分式鋼輪的轉(zhuǎn)向阻力遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)鋼輪的轉(zhuǎn)向阻力，在工程應(yīng)用中，可以有效避免振動壓路機(jī)對于路面的破壞，并且以8噸振動壓路機(jī)為例，進(jìn)行轉(zhuǎn)向力矩的計(jì)算和回轉(zhuǎn)支承的選型，為剖分式鋼輪的設(shè)計(jì)提供參考。

作者:裴志明 單位:長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院