（机械电子工程专业论文）双钢轮振动压路机振幅不均匀性的试验研究.pdf

摘要 近年来，国产双钢轮振动压路机的产量大幅增长，但与国外同类机型的压实质量相 比差异很大，在压实作业时，压实质量不高，路面不平整，有的压路机甚至出现跑偏现 象，以至于我国的双钢轮振动压路机还不能在高等级公路中实现面层的压实作业。究其 原因，振动轮( 沿轮宽方向) 左右两端振幅存在明显的差异是造成这一问题的主要原因 之一。对国内一些双钢轮振动压路机的性能测试发现，我国的双钢轮振动压路机振动轮 两端振幅存在较大的差异，有时超过2 0 ，这必将严重影响双钢轮振动压路机的行驶性 能和压实均匀性。 为解决这一问题，对双钢轮振动压路机的结构与性能进行了分析。双钢轮振动压路 机振动轮的结构是不对称的，振动轮的滚动及安装于振动轮之上的车架的支撑，驱动侧 依靠的是轮边减速机，振动侧依靠的是框架轴承。但在计算质量、减振效果、沿钢轮轴 线振幅均匀度等参数时，往往是按照“对称考虑的。这必然造成实际与理论计算差距 的不符，引起双钢轮振动压路机沿钢轮轴线振幅不均匀性较大。 建立了钢轮的偏振模型，在模型中考虑了机架质心偏距、振动轮质心偏距、减振块 刚度和阻尼对振动轮振幅不均性的影响。 基于该模型，运用m a t l a b 程序语言进行仿真计算，分析了引起振动轮振幅不均匀 的单因素与多因素影响时的偏振情况。得出的结论是：振动轮质心偏距、机架质心偏距、 减振块刚度和阻尼对振动轮振幅的均匀性影响程度是依次递减的，影响因素同时出现 时，振动轮沿轴线方向的振幅偏差会更大。 为验证仿真分析的正确性，对国内某品牌1 1 t 级双钢轮振动压路机的振动效果进行 了现场试验与分析，结果表明实测结果与仿真计算结果相近，证明了振动模型的正确性， 为压路机的设计和使用提供了参考。 关键词：双钢轮振动压路机，振幅均匀性，m a t l a b a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed o m e s t i c a l l yp r o d u c e dd o u b l e d r u mv i b r a t o r yr o l l e r so u t p u tg r o w s l a r g e l y ，b u tt h ed o m e s t i cr o l l e rc o m p a c t i o nq u a l i t yw o r s et h a ni m p o r t s w h e no p e r a t i n gi nt h e c o m p a c t i o n ，c o m p a c t i o nq u a l i t yi sn o th i g l l ，p a v e m e n tn o tf o r m a t i o n ，s o m ee v e nr o l l e rc a nn o t t r a v e li nas t r a i g h tl i n e ，s oc h i n a sd o u b l e d r u mv i b r a t o r yr o l l e rc a nn o ta c h i e v eh i g h g r a d e h i g h w a yi nt h es u r f a c el a y e ro fc o m p a c t e do p e r a t i o n s t h er e a s o ni st h a tv i b r a t i o ni sr o u n d a b o u tt h et w oe n d so ft h ea m p l i t u d eo fu n e v e n o ns o m ep e r f o r m a n c et e s to fd o m e s t i c d o u b l e - d r u mv i b r a t o r ym i l e rf o u n dt h a t ，c h i n a sd o u b l e - d r u mv i b r a t o r yr o l l e rv i b r a t i o n a m p l i t u d er o u n da tb o t he n d so ft h el a r g e rd i f f e r e n c e se x i s t ，s o m e t i m e sm o r et h a n2 0 ，t h i s w i l ls e r i o u s l ya f f e c td o u b l e - d r u mv i b r a t o r yr o l l e ro nt h ep e r f o r m a n c ea n du n i f o r m i t yo f c o m p a c t i o n i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，w eh a v ec a r r i e do nt h ea n a l y s i st ot h ed o u b l e d r u m v i b r a t o r yr o l l e r ss t r u c t u r ea n dt h ep e r f o r m a n c e d o u b l e d r u mv i b r a t o r yr o l l e rv i b r a t i o nr o u n d o ft h es t r u c t u r ei s a s y m m e t r i c ，v i b r a t i o nr o u n dw i t ht h es u p p o r to fb o d yc o n n e c t i o n ， d r i v e r - s i d er e l yo nt h er o u n d r e d u c e r , v i b r a t i o ns i d er e l yo nt h ef r a m e w o r ko fb e a r i n g s h o w e v e r , i nt h ec a l c u l a t i o no fq u a l i t y , t h ed a m p i n ge f f e c t ，t h eu n i f o r ma m p l i t u d ea n ds oo n ， o f t e ni na c c o r d a n c ew i t ht h e ”s y m m e t r y ”t oc o n s i d e ra b o u ti t t h i sw i l li n e v i t a b l yl e a dt ot h e g a pb e t w e e na c t u a la n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n so ft h ed i s c r e p a n c i e s ，f r o md o u b l e - d r u m v i b r a t o r yr o l l e rd r u ma l o n gt h ea x i so fg r e a t e ra m p l i t u d eu n e v e n t h ee s t a b l i s h m e n to ff o u rd e g r e e so ff r e e d o mm o d e l ，t h em o d e lc o n s i d e r e dt h er a c ki n t h ec e n t e ro fm a s sf r o mt h es i d e ，v i b r a t i o nf r o mt h ep a r t i a lr o u n do fh e a r t ，s t i f f n e s sa n d v i b r a t i o nd a m p i n gb l o c kr o u n do ft h ea m p l i t u d eo ft h ev i b r a t i o no ft h ei m p a c to fi n e q u a l i t y b a s e do nt h i sm o d e l ，t h eu s eo fm a t l a bs i m u l a t i o np r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，t h e a n a l y s i so ft h ev i b r a t i o nc a u s e du n e v e nr o u n do ft h ea m p l i t u d eo ft h es i n g l e f a c t o ra n d m u l t i - p o l a r i z a t i o nf a c t o r sa f f e c t i n gt h es i t u a t i o n c o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a t ：v i b r a t i o nr o u n d o f p a r t i a lf r o mt h eh e a r t ，r a c ko fh e a r tf r o mt h es i d e ，b l o c ks t i f f n e s sa n dv i b r a t i o nd a m p i n go f v i b r a t i o na m p l i t u d er o u n do ft h eu n i f o r m i t yo ft h ei m p a c to ft h ed e c l i n ei sf o l l o w e d ，t h e i m p a c to ff a c t o r sa tt h es a m et i m e ，t h ev i b r a t i o na l o n gt h ea x i sd i r e c t i o no ft h er o u n d i i i a m p l i t u d ed e v i a t i o nw i l lb eg r e a t e r t o v e r i f yt h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o na n a l y s i s ，ac e r t a i nb r a n do fd o m e s t i c 11 t - d o u b l e d r u mv i b r a t o r yr o l l e re f f e c to fv i b r a t i o nt e s t i n ga n da n a l y s i so ft h es c e n e t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h em e a s u r e dr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss i m i l a rt op r o v et h ec o r r e c t n e s so ft h e v i b r a t i o nm o d e lf o rt h ed e s i g na n du s eo fr o l l e r st op r o v i d ear e f e r e n c e k e yw o r d s ：d o u b l e - d r u mv i b r a t o r yr o l l e r u n i f o r ma m p l i t u d em a t l a b i v 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 少硌年f 月油日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 蝣：缈矿肼一日 导师签名：砌兰嗡炒占年尹月如日 长安大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论弟一早瑁t 匕 近年来，随着我国经济的迅猛增长，交通和基础建设得到了快速发展。公路作为国 民经济建设的重要基础设施，也得到了长足的发展。在公路工程的设计和施工过程中， 路基和路面压实效果的好坏，是直接影响工程质量优劣的重要因素。因此必须要采用专 用的压实机械对路基和路面进行压实以提高它们的强度、不透水性和密实度，防止因受 雨水风雪侵蚀而产生的沉陷破坏。 双钢轮振动压路机是一种主要用于压实沥青混凝土路面的碾压设备。作为面层压实 的主导机型，双钢轮振动压路机越来越受到业内人士的关注。这主要体现在两个方面： 其一，双钢轮振动压路机是所有压路机中技术最复杂的，而特殊的工况导致对它的性能 和可靠性要求也更高；其二，主要作为面层压实的双钢轮振动压路机及其变型产品规格 最多，应用领域和使用量已扩大到前所未有的范围，在欧美等经济发达国家双钢轮振动 压路机已占压路机总量的3 0 以上。 目前，我国的双钢轮振动压路机产量有了大幅的增长，压路机生产厂家较多。虽然 许多厂家的产品设计的主参数基本相同，但实际使用效果差别较大，与国外同类机型的 压实质量相比差异更大，以至于我国的双钢轮振动压路机不能在高等级公路中实现面层 的压实作业。在压实作业时，压实质量不高，路面不平整，甚至有的压路机出现明显的 跑偏现象，除了人为操作因素外，究其原因，主要还是由于振动轮( 沿轮宽方向) 左右 两端振幅存在的明显差异造成的。通过对国内一些双钢轮振动压路机的性能测试，发现 我国的双钢轮振动压路机振动轮两端振幅存在较大的差异，最大竞超过2 0 ，这必将严 重影响双钢轮振动压路机的行驶性能和压实均匀性。 长期以来，我国大多数压路机厂家和用户对振动压路机的静线压力、频率、振幅和 激振力比较关注，而对它们之间的相互匹配缺乏应有的了解，以至于大多数双钢轮振动 压路机振动轮沿轴线方向振幅的差异或多或少的存在。明显的振幅差异对压实质量和安 全的影响很大。主要表现在振幅差异将引起密实度的不均匀，导致施工质量的降低；来 回压实作业时引起路面依次出现过压实与欠压实区域；跑偏现象的出现还可能引起车翻 人亡的恶性事件。 因此，深入研究双钢轮振动压路机振幅差异产生的原因，并在设计时进行模拟和评 第一章绪论 估，把这种振幅差异限制在可以接受的范围内，有利于提高双钢轮振动压路机的行驶性 能，提高压实效率，提高道路的压实度和压实均匀性，并对指导双钢轮振动压路机的设 计具有重要的学术价值和社会经济价值。 1 2 压实技术 1 2 1 压实技术简介 压实是通过施加外力提高被压实材料压实度的过程。铺筑材料的压实过程是向被 压材料加载，克服松散多相材料中固体颗粒间的摩擦力、粘聚力，排除固体颗粒间的空 气和水分，使各颗粒间发生位移而互相靠近。铺筑的材料经压实后，压实度增加。压实 度用单位体积质量来表征。 土工材料的压实是一个物理力学的综合作用过程，与其它土方机械的作业理论相比 要复杂得多。这不仅是因为被碾压材料的结构成份和物理力学性能随机性很大，还因为 压实作业不仅要有生产效率指标，而且要有压实质量指标【2 1 。 一般说来，压实机械的生产效率和压实质量是一对矛盾，而影响机械生产效率和压 实质量的是各种技术参数的匹配以及适宜的压实施力方法的选择。理论研究的任务在 于，根据工况条件如何使这些技术参数达到最佳组合和创造新的压实施力方法。 压实机械对土壤施加能量的大小及方法，对压实效果影响很大。现代压实技术所采 用的压实方法可归纳为静压、揉搓、振动、捣实和冲击五种形态，可简化为图1 1 所示 的施力原理。与之相对应，出现了静碾压路机、轮胎压路机、振动压路机、捣实压路机 与冲击压路机五种作业原理的压路机，以及振动夯、冲击夯、蛙式夯等夯实机械。 i 萨口地面 、厂一 静压揉搓振动捣实冲击 图1 1 土壤压实的施力方法 1 2 2 振动压实技术 如果说早期的压实技术从畜群踩踏开始，到发现轮胎的柔性压实作用是偶发事件， 那么振动压实技术和减振理论的应用就完全是经过人类不懈努力而取得的成果了。牛顿 力学为压实机械与施工对象相互作用的研究提供了条件，现代动力学则为机械振动的应 2 长安大学硕士学位论文 用和减振奠定了理论基础【3 】。 无论是刚性轮压实还是轮胎压实，其静压力载荷对铺层材料的影响深度都是很有限 的。振动技术在压实工程中的应用，使得压实理论和压实机械产生了一次质的飞跃。振 动压路机发出的振动波可持续地向较深的纵深方向或水平方向扩散和传播。 目前，振动技术已被广泛应用到压实作业中，但其基础理论的研究尚有不同的学术 流派，常见的压实理论有土壤共振学说、反复荷载学说、内摩擦减少学说和交变剪应力 学说。无论利用哪一种学说来研究振动压实机理，从物理学原理上都能说明一定的问题， 但又都有局限性。这就导致了振动压实技术的许多关键问题，不得不通过试验去寻求答 案，同时也说明振动压实理论的研究还有很大的发展空间。 1 3 振动压路机 压实作为强化工程结构物基础、堤坝及路面铺装层等的主要手段，早已为工程建设 专家们所熟知和应用。采用压实机械进行有效地压实，能显著地改善基础填方和路面结 构层的强度和刚度，提高其抗渗透能力和气候稳定性，在大多数情况下可以消除沉陷， 从而提高了工程的承载能力和使用寿命，并且大大减少了工程维修费用。 相对而言，振动压实机械有结构紧凑、耗材少和生产效率高等优点；而从压实效果 来看，利用振动压实使介质经压实后具有压实度高、承载能力强和防渗透性好等优点。 因此，在压实机械家族中，振动压路机占据了绝对的主导地位：目前在国际市场上振动 压路机已占到压路机总量的7 0 - - - 8 0 e 4 1 。 1 3 1 振动压路机的发展历史 压路机作为压实机械中最主要的机种经历了漫长的发展过程。最先出现的压路机是 光轮压路机和羊角碾压路机，这可以追溯到1 8 世纪制造的畜力牵引式光轮碾和羊角碾。 至于用圆石制成的石碾则在中国可以追溯到更为古老的年代。第一台蒸汽驱动的压路机 出现在1 9 世纪中叶，第一台内燃机驱动的压路机则诞生在2 0 世纪初期，随后出现的是 轮胎压路机。 这些类型的压路机都是静作用式的。为了增加压实效果，在相当长的时间内主要依 靠增加压路机的质量来实现，最大的轮胎压路机曾经重达近2 0 0 0 k n 。在2 0 世纪4 0 5 0 年代，质量为5 0 7 0 t 的轮胎压路机曾广泛应用在飞机场、道路和堤坝等大型工程建设 施工中。 3 第一章绪论 振动压实技术和振动压路机械的出现是压实机械发展史上一次划时代的革命，从此 压实效果的增长不再是简单地依赖于质量或静线压力的增大。 世界第一台拖式振动压路机出现在2 0 世纪4 0 年代，但真正大量投放市场是在5 0 年代初期。最初出现的振动压路机吨位较小，主要用于压实砂石粒料，且品种较少，整 体性能较差。 随着振动压实理论研究的深入、减振材料和振动轴承的制造技术日臻完善、机器结 构的日趋紧凑合理，振动压路机在6 0 年代迅速地占领了世界压实机械市场，其机型也 从小型向中、大吨位的方向发展，同时在品种上也呈现多样性，如拖式振动、单轮振动、 双轮振动、组合振动、手扶振动及羊角式和凸块式的振动压路机等多种品种，其应用范 围也扩大到了粘性土壤及沥青混凝土压实，以及深层的和薄层的、宽阔地段的和狭窄地 段的等几乎所有的压实工作。到了7 0 年代初，振动压路机在世界压路机市场的销售总 量中已占到6 0 以上的份额，现在已突破了7 0 ，成了压实机械制造厂商的主导产品。 随着液压控制技术在振动压路机上的应用，使振动参数的调节成为可能。在2 0 世 纪7 0 年代末期出现了调频、调幅式的振动压路机，为压实工作参数的优化调节奠定了 基础。 2 0 世纪8 0 9 0 年代是压实技术和压实机械蓬勃发展的时期。对新的压实技术和方 法的探索，出现了许多新的技术构想，其中尤以振荡压实技术和冲击压实技术最为成功。 相应于这两种技术的产品( 振荡压路机和非圆滚轮压路机) 在经过8 0 年代中期的模型 和原型试验阶段后，现在已经向- 市场提供系列产品。 步入2 0 世纪未期以来，电子技术和计算机的应用给压实机械带来了一场控制革命。 德国宝马( b o m a g ) 公司首创自动调幅压实系统【5 1 。这种智能系统能根据被碾压物料密实 度的变化自动选择适宜的振幅，优化激振力的输出，从而消除材料出现压实不足或过压 实现象，提高了压实的均匀程度，避免了振动轮跳振引起的骨料破碎和机器损伤。 1 3 2 国内振动压路机发展现状 1 9 6 1 年原西安公路学院与西安筑路机械厂联合开发了3 t 自行式振动压路机，是我 国自行开发设计振动压实机械的起点。1 9 6 4 年洛阳建筑机械厂研制出4 5 t 振动压路机。 1 9 7 4 年洛阳建筑机械厂与长沙建筑机械研究所合作开发了l o t 轮胎驱动振动压路机和 1 4 t 拖式振动压路机。进入8 0 年代，我国开始引进国外先进的压路机制造技术。1 9 8 3 年洛阳建筑机械厂引进了美国h r t s e r 公司的技术，合作生产6 t 铰接式振动压路机。1 9 8 4 4 长安大学硕士学位论文 年徐州工程机械厂引进瑞典戴纳帕克( d y n a p a c ) 公司的c a 2 5 轮胎驱动振动压路机和 c c 2 1 型串联式振动压路机技术。1 9 8 5 年温州冶金机械厂研制了1 9 t 振动压路机。1 9 8 7 年洛阳建筑机械厂引进了德国宝马( b o m a g ) 公司8 w 2 1 7 0 d 和b w 2 1 7 a d 振动压路机技术。 江麓机械厂引进了德国凯斯伟博麦士( c a s e - - v i b r o m a x ) 公司的w 11 0 2 系列振动压路机 技术。1 9 9 9 年三一重工集团引进了国外先进技术，开发研制了y z 系列振动压路机，该 系列机型为全液压控制、双轮驱动。 2 0 世纪8 0 年代后期，随着我国基础工业元件的发展，特别是液压泵、液压马达、 振动轮用轴承、橡胶减振器的引进生产，使振动压路机技术的总体水平和可靠性有了很 大的提高。在基础元件的支持下，振动压路机引进技术的消化吸收，国内大专院校和科 研院所的科研攻关，使我国自行开发和研制振动压路机的能力有了较大提高。1 9 9 8 年中 国农业大学开发研制的混沌( c h a o s ) 振动压路机，1 9 9 0 年原西安公路交通大学与徐州 工程机械厂共同开发的l o t 振荡压路机，都标志着我国振动压路机科研和产品开发达到 了新的水平。 目前，我国有7 0 多家工程机械厂商生产振动压路机，初步具备了手扶系列、拖式系 列、自行系列等系列产品的生产能力，基本满足国内需要，并有一定的出口【6 1 。 由于我国振动压路机起步较晚，整体水平与国外先进水平相比仍有较大差距，主要 表现在：产品的自主开发能力差，模仿设计现象严重，产品可靠性差；产品型号系列不 全；重型和超重型振动压路机数量和品种仍然较少；专用压实设备缺乏；综合技术经济 指标和自动控制方面仍低于国外先进水平。 1 4 振动压路机的发展趋势 双钢轮振动压路机作为一种主要用于压实沥青混凝土路面的碾压设备，其作业质量 的好坏将直接影响到沥青路面的使用质量和行车舒适性。目前，随着压实理论和压实技 术的不断发展，全液压传动、全电液控制、故障自动监控等先进技术均得到了广泛的应 用，双钢轮振动压路机技术亦日趋完善。为了提高双钢轮振动压路机的行车舒适性、压 实质量和压实效率，国内外研究者对双钢轮振动压路机进行了卓有成效的改进，主要表 现在以下几个方面。 1 前、后钢轮驱动侧与振动侧交叉布置。双钢轮振动压路机的前、后钢轮即是驱 动轮也是振动轮，振动装置和驱动装置分别布置在钢轮的两侧。采用前、后钢轮驱动侧 与振动侧交叉布置的结构型式更有利于保持压路机直线行驶、改善铰接转向的受力性能 5 第一章绪论 和提高路面质量。 2 高频振动。最新的研究结果表明，高频率( 5 0 h z 左右) 与低振幅( o 2 - - - 0 4 m m ) 匹配，特别适合于薄沥青铺层的压实，在保护脆性骨料不被压碎和节约沥青材料方面具 有十分显著的效果。除此之外，实现高频振动还可以提高双钢轮振动压路机的碾压速度， 如振动频率为5 0 h z 时，适合的碾压速度为4 k m h ；振动频率为7 0 h z 时，碾压速度可达 5 6 k m h 。由此可见，在较高的碾压速度下，能够保持单位距离内的振动冲击次数一定， 从而确保了与以往同等的压实效果，显著提高了压实效率。与此同时，较高的碾压速度 也有助于双钢轮振动压路机在较高的温度下完成热沥青混合料的压实作业，进一步提高 路面质量。 3 多振幅与无级调幅机构。由于铺层材料千差万别，超薄与超厚铺层的巨大差异， 因而对振幅的要求范围也更宽，仅有单一振幅或高、低两种振幅的压实机械已不能适应 某些特殊工况的压实作业【j 7 1 。目前，应用的多振幅结构，几乎都由人工直接操作调幅机 构来实现，无法实现自动控制，而无级调幅技术可以实现调幅机构的可控性和智能控制 的可行性，也是振动压路机振动参数实现在线自动化控制的基础和关键。 目前，国产双钢轮振动压路机的性能与国外压路机还有一定的差距，在设计和制造 方面还存在有一些尚未解决的问题，有待于进一步的研究及解决。 1 5 本文主要内容和研究方法 当前，国内振动压路机在设计制造方面虽然已经有了一定的成果，但尚存在诸多问 题，就双钢轮振动压路机振动体振幅均匀性来说，振动轮振幅的均匀性直接影响压路机 的最大压实度和压实度均匀性，如何解决双钢轮振动压路机振动轮两侧振幅不均匀性的 问题，亟需解决。 本文以双钢轮振动压路机动力学分析为基础，研究目前国内双钢轮振动压路机出现 的振幅不均匀问题，采用理论分析、数值模拟与试验研究相结合的研究方法，主要从 以下几个方面进行研究： 1 对振动轮的振幅进行研究，分析造成双钢轮振动压路机振动轮两端振幅不均匀性 的原因； 2 建立振动压路机动力学模型，通过试验验证模型的正确性； 3 对建立的振动压路机模型，分析不同振动参数、结构参数对振幅不均匀性的影响。 4 结合理论分析和数值模拟结果，提出减小振动轮振幅不均匀性的改进措旌。 6 睦安大学硕i j 学位论文 第二章双钢轮振动压路机特性 2 1 双钢轮压路机的性能特点 沥青路面的压实，最先应用的设备是静碾压路机，由于静碾压路机的工作效率低， 其被动钢轮在滚动时常常出现“拱推”的现象，影响沥青路面的压实质量和压实效率。 双钢轮振动j 玉路机应运而生，在沥青路面的施工中得到越来越多的应用，尤其是高等级 沥青路面的压实，必须使用双甘4 轮振动压路机进行施工，否则达不到高等级公路规定的 路面标准。 双钢轮振动压路机利用其振动轮自身的重力和振动作用压实各种建筑和筑路材料， 成为公路、铁路、机场、海港、堤坝等建设工程面层压实所必须设备【”。由于振动压实 效果好，生产效率高，双钢轮振动压路机得到迅速发展与广泛运用。 与静作用压路机相比，振动压路机具有以下性能特点： 1 同样质量的振动压路机比静作用压路机的压实效果好，压实后的基础压实度高， 常采用前后轮驱动、双钢轮振动进图2 2 双钢轮振动压路机 第二章双钢轮振动压路机特性 行压实作业。 2 2 双钢轮振动压路机的结构特点 2 2 1 振动压路机激振器结构特点 振动压路机根据激振器安装形式的差异，可以分为外作用式和内作用式振动压路 机。 外振式振动压路机具有两层机架，即上车架和下车架。上、下机架之间由减振器连 接。振动压路机的激振器安装在下机架上，当振动轴带动偏心块高速旋转时，振动压路 机的下机架连同安装在下机架上的振动轮一起振动。这种振动压路机结构简单，便于维 护保养，所以很多小型振动压路机采用这种结构【9 1 。 内振动式压路机的激振器安装在振动轴上，而振动轴又是振动轮的回转轴。当振动 压路机工作时，振动轴带动偏心块高速旋转而产生离心力，振动轮在这个离心力的作用 下产生圆周振动。由于这种振动压路机的激振器在振动轮内，故称其为内振动式压路机。 图2 3 振动压路机激振器结构图为。 泌三一 压匿婴 珀卫 n 乃 _ 习一 e c z j翌 刚 图2 3 振动压路机激振器结构图 振动压路机的振动器是由振动轴和安装在振动轴上的一组偏心块组成。当振动压路机在 作业时，振动马达带动振动轴，振动轴带动偏心块高速旋转，此时偏心块产生的离心力 形成了“压路机一土 振动系统的激振力。振动压路机的振动轮在这个激振力的作用下， 产生强迫振动，强迫振动的频率等于激振力的频率。此时，振动轮将其振动作用传递到 土或其他被压实材料上。通常认为振动轮对被压实材料的振动冲击力越大，压实效果越 好，因此我们希望振动压路机在进行压实作业时，振动轮能产生强烈的振动；但为了保 证及其零部件的使用寿命和操作人员的身体不受振动的损害，我们又希望压路机振动 小，尤其是振动压路机机架的振动越小越好。为了解决这一矛盾，通常采用减振器把振 8 长安大学硕上学位论文 动轮的振动与压路机的机架隔离开，以便使尽量少的振动传递到车架上。 2 2 2 振动压路机钢轮结构特点 双钢轮振动压路机的前、后钢轮一般既是驱动轮又是振动轮，钢轮的结构如图2 4 所示。 图2 4 振动轮结构图 从图2 4 中我们可以清楚地看到，钢轮左右两侧的结构是不完全相同的。钢轮左侧 是驱动边，右侧是振动边。钢轮的滚动及安装于钢轮之上的车架的支撑，驱动侧依靠的 是轮边减速机，振动侧依靠的是框架轴承。传统的连接方式为：驱动侧的轮边减速机的 支撑部分与车架连接，回转部分通过橡胶减振块与钢轮连接；振动侧的框架轴承内座同 时也是振动轴承座，框架轴承外座通过橡胶减振块与车架连接。这样连接的结果是：轮 边减速机处于橡胶减振块“以外 ，即质量属于驱动侧的车架，而不属于振动质量；框 架轴承外座等处于橡胶减振块“以内”，即质量不属于振动侧的车架，而属于振动质量。 同时，我们不难看出，驱动侧的橡胶减振块既要起到减振作用，又相当一只庞大的弹性 连轴器。它除了承受与振动边同样的剪切作用力外，还要承受驱动扭矩。 总之，由于车架质量和振动轮质量的左、右不对称，以及驱动侧与振动侧橡胶块总 刚度的左、右不对称，因而使得钢轮驱动侧与振动侧结构布置“严重不对称 。而在计 算质量、减振效果、沿钢轮轴线振幅均匀度等参数时，往往是按照“对称考虑的。这 必然造成实际与理论差距的扩大，而双钢轮振动压路机对此更为“敏感 ，这也可能引 起双钢轮振动压路机沿钢轮轴线振幅均匀度超标等问题。 2 3 双钢轮振动压路机应用 2 3 1 沥青路面的压实 9 第二章双钢轮振动压路机特性 双钢轮振动压路机主要用于路面面层沥青混合料的压实。压实是沥青路面施工的最 后一道工序，若采用了优质的筑路材料，精良的拌和与摊铺设备，摊铺出了较理想的 混合料层，而良好的路面质量最终要通过碾压来体现，如果碾压过程中出现任何质量 缺陷，必将前功尽弃。压实工作不容忽视1 0 】。 压实的目的是提高沥青混合料的强度、稳定性以及疲劳特性。研究表明，在渠化 条件下，若压实不足，会出现车辙。1 0 2 c m 厚的沥青混凝土路面，其压实度为9 5 ， 当其渠化交通进一步压实至1 0 0 是，将产生5 m m 的车辙深度；标准压实度相应的空 隙率增加1 ，疲劳寿命将要降低约3 5 ，压实度每降低1 ，沥青混合料的渗透性提 高两倍，压实不足，导致空隙率增大，从而加速沥青混合料的老化；过压将会使矿料 破碎而使压实度反而降低或空隙率过小，易出现泛油和失稳，影响路面的强度与稳定 性。因此，必须进行合理的碾压。 2 3 2 碾压离析 碾压离析是指在碾压过程中，不同区域施加的压实功不同而发生的变化造成路面压 实度和空隙率的变化。振动压路机在碾压过程中不可避免的造成碾压离析，这是由于沿 振动轮宽度方向对混合料施加的作用力不同造成的【n 】。接近轮缘，由于材料的推移，使 压实功发生变化；由于钢轮碾压过程中重叠宽度的影响，使压实功发生变化，由于钢轮 碾压过程中对邻近钢轮的材料产生推移发生密实度的变化；由于碾压铺层边沿处有无侧 限产生压实功的变化；以及振动压路机起振或停振而随之产生的过渡过程造成的压实功 的变化。 在上述造成碾压离析的因素中，沿振动轮宽度方向对混合料施加的作用力不同，是 引起碾压离析最主要的因素之一。目前国产双钢轮振动压路机由于设计或者是制造等原 因，导致了振动轮左右两侧振幅偏差较大，这势必使钢轮左右两侧的压实功不一致，从 而导致更为严重的碾压离析【1 2 j 。图2 5 为施工现场钢轮碾压一遍后在轮宽范围内的压实 效果，表2 1 位检测数据： 表2 1 钢轮碾压离析检测表 距离( 删n ) o1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 01 0 0 0 9 1 89 2 o9 2 79 3 29 3 59 3 5 9 3 8 压实度( ) 9 0 99 1 69 2 59 3 o9 2 99 3 59 3 7 9 1 29 2 39 2 79 3 59 3 79 3 69 3 8 1 0 长安大学硕士学位论文 从上面的分析可以得出，无论是自身结构特点，还是在工程运用体现出的特性，我 们都可以看到，目前国产双钢轮振动压路机振动轮振幅的均匀性是比较差的，这还会直 接影响压路机的直线行驶性能，甚至影响到压实度。双钢轮压路机存在的这一问题必须 予以解决。 2 4 本章小结 本章从双钢轮振动压路机的性能特点出发，介绍了双钢轮压路机的结构特点，说明 了有多种因素可能导致双钢轮振幅不均匀。 长安大学硕士学位论文 第三章振动轮动力学模型 3 1 研究系统动力学模型的意义 对于振动压路机的分析，引入动力学模型是有较大意义的。振动压路机在压实作业 中，“压路机介质”之间呈现出非线性特征，具体表现为介质的刚度、阻尼和随振土质 量都会随被压介质压实度的变化而变化，所以，压路机的工作振幅是不断变化的。了解 振动压实机理，分析压实过程中振动系统基本参数间的数值关系，预测在已知条件下振 动压路机的运动规律等，必须把结构复杂的、型式各异的振动压路机连同被压实的介质 视为一个振动系统，并进行必要的简化，使其成为一个在数学上能处理的模型一数学模 型，来描述“压路机一介质 振动系统的运动规律。 建立动力学模型的目的在于： 1 在建立的数学模型基础上用已知的样机参数进行数值仿真，然后将数值仿真结果 与实验结果进行比较，验证模型的可靠性。 2 分析各设计参数对振动轮振幅不均匀的影响，并调整参数之间数值关系，对参数 进行仿真优化。 3 为振动压路机减振系统的设计提出建议。 3 2 经典动力学模型介绍 3 2 1 名义振幅动力学模型介绍 为了便于设计和比较，常常引入名义振幅的概念。名义振幅是把振动压路机用千斤 顶或其他支撑物架起后，振动轮悬空振动时测得的振吲1 3 】。利用名义振幅可以在不受外 界因素干扰的情况下，比较压路机钢轮沿宽度方向上均布测点振幅的大小。本章从求解 振动压路机的名义振幅出发，建立一种将压路机架起让振动轮悬空振动时的数学模型， 分析双钢轮压路机振幅沿钢轮宽度方向发生差异。 由名义振幅的定义，我们可以得到振动轮悬空振动时力学模型，如图3 1 所示。 第三章振动轮动力学模型 图3 1 振动轮悬空动力学模型 根据图3 1 所示的动力学模型，建立该模型的动力学方程： m y + c 2 + k x = m e w 2s i n ( c o t ) 式中：m 一振动压路机下车质量； k 一振动轮与车架之间减振器动刚度系数； c 一振动轮与车架之间减振器阻尼系数； x 一振动轮的位移； m e 一振动轮偏心质量的静偏心矩； 缈一激振频率。 令： fk尸 c2 n mnc ， 缈 c o 2 、万刍2 百2 2 c o m2 一c o 。2 c o m 。以2 一c o 式中：q 一系统的固有频率； q 一临界阻尼系数，c c r ：2k x - 厨； 刀衰减系数；2 以= 吾； f 一阻尼比； 五一频率比。 从式( 2 1 ) 中得到振动轮悬空振动的振动函数为： z o ) = a s i n ( c o t 一缈) 1 4 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 长安人学硕士学位论文 2万me而丽,t2a 妒：协一旦1 - 2 2 = 1 = = = = = = = = = = = = = = = ；= - - 一一l z 岛 m ( 1 一见2 ) 2 + ( 2 弘) 2 妒2 陬1 式中：彳一振动轮悬空振动振幅； 缈一振动轮悬空振动相位差。 ( 3 4 ) 把a 对名- 0 o o 取极限得： 彳：竺l i m 下二一：竺：4 m a 一( 1 一无2 ) 2 + ( 2 弘) 2 m 。 ( 3 5 ) 因此，名义振幅的定义为：, 4 0 = 百m e ( 3 6 ) ， 从式( 3 4 ) 1 3 6 ) 中，我们不难得出以下结论： 1 振动轮悬空振动振幅与振动轮偏心质量的静偏心矩m e 、振动压路机下车参振质量 m 、频率比五和阻尼比f 有关。振幅与m e 成正比，与m 成反比；彩嚷，振动轮振动 缓慢，振动轮的振动速度及加速度都很小，所以振动轮阻尼力和惯性力都很小，主要有 弹性恢复力和激振力平衡，系统呈现出静态特性，振动轮的振幅趋于零；缈，振动 轮激振力的幅值趋于o o ，但是由于振动轮激振频率较高，激振力的方向改变太快，从而 使振动轮的振幅接近于常数箐，也就是名义振幅4 ；+ 振动轮悬空振动振幅随阻尼比f 的减小而增大【1 4 1 。 2 当见= 1 时，悬空的振动轮出现共振，从理论上来说振动轮振幅a 将趋于无穷大。 3 筑路机械手册中给出了名义振幅鸽= 詈的表达式，并且定义名义振幅是振动轮 在“自由一自由 状态下的振幅。而在式( 3 5 ) 中得出：名义振幅是频率比五专0 0 时， 振动轮悬空振动的振幅，是对频率比取极限的近似值。所以在筑路机械手册中名义振幅 的定义是有缺陷的，因此，我们对其做了修正：名义振幅是振动轮悬空振动时，激振频 率远远大于振动系统固有频率时的振动轮振幅( 也即是允- - - ) o o 时的振动轮振幅) 。 4 因为我们在设计上不能保证频率z 寸0 0 ( 一般允- 2 ：3 ) ，所以测得的振动轮悬空振 动振幅并不是名义振幅，从而用朋e = m 4 , 来设计压路机的静偏心矩是有误差的【1 卯。 3 2 2 经典动力学模型 美国学者t s y o o 和e t s e l i g 在完全弹性振动理论的基础上提1 - 自由度、线性、 1 5 第三章振动轮动力学模型 集中参数、弹簧一阻尼系统模型( 如图3 2 所示) ，称为经典动力学模型，并对振动压路 机的压实机理及影响因素作了较为详尽的分析和研究【1 6 】。通过大量的研究，两位学者认 为压实是由重复振动引起的残留变形的累积，指出振动压路机的压实作用应分两部分来 考虑，一部分与静线压力有关；另一部分与振动压路机的参振质量、振幅、振动频率及 压实速度有关。 模型方程为： f 砭+ ( c l + c 2 ) 也+ ( k + k 2 ) 恐- g i , 一k 五= f s i n r o t 【m 1 5 1 + c l 南+ 墨x 1 一g i 2 一墨屯20 ( 3 。7 ) 式中：，l l 、m ：一机架的质量、振动轮的质量，k g ： 五、艺一机架、振动轮的质点位移，m ； k 、k 一减振器、土壤的刚度，n m ； q 、e 一减振器、土壤的阻尼，n s m ； ，一激振力， 国一激振角频率，r a d s 。 该模型计算简单，为振动压路机动力学参数的选择、研究各参数对振动压路机性能 的影响以及合理评价振动压路机性能提供了理论依据。但是利用此模型进行理论分析的 结果与实测结果相差较大。就是因为：在此模型中，压路机的压实对象具有很大的随机 性；振动压路机本身是一个多自由度的振动体，简化为具有2 个自由度的“压路机一土 壤”模型【1 7 】，必然给理论分析带来一定误差。 3 。2 。3 分阶段“机一土 系统动力学模型 同时代的法国学者m a e h e t j m 也对振动压实系统进行了动力学理论分析。他认为， 在振动压实过程中，除了有振动轮与地面接触的接地工况，也有振动轮跳离地面的工况， 相应建立了分阶段的两自由度“机一土 系统动力学模型1 8 】，如图3 3 所示。 接地振动时的动力学方程为： l m 2 j c 2 + c j 岛+ k x 2 + c 一( 朋2 + ，) g = f s i n c o t 鸭墨+ g 岛+ x 3 x 3 = 只 2 毛 ( 3 8 ) 起跳后的动力学方程： 1 6 长安大学硕上学位论文 f 他蔑+ c l 岛+ q 恐+ 巧一( 铂+ 鸭) g = f s i n t o t 【，码葛+ c 3 岛+ 玛毛= o ( 3 9 ) 式中：鸭一随振土体的质量，k g ； 毛一随振土体质心的位移，m ； f 一振动轮对土壤的振动力，n ； 其余参数含义同前。 该模型指出：振动压实系统有接地振动和跳振振压两种工况；振动压实系统可以 近似用一个2 自由度动力学模型来描述【1 9 】。系统的第一阶振型主要反映了机架与减振器 的特性，对减振效果影响较大；系统的第二阶振型主要反映了碾轮与土体性质及密实度 的不同而变化，对压实效果影响较大。 x f x d x d k x s x f x d x s x p 图3 2 经典动力学模型图3 3 分阶段动力学模型图3 4四自由度动力学模型 3 2 4 四自由度动力学模型 2 0 世纪9 0 年代德