（机械工程专业论文）平衡三冲击轮压路机方案设计与性能研究.pdf

摘要 本文结合冲击压路机的特点和发展趋势，针对目前冲击压路机实际施工工艺较复杂 以及对驾驶员技术要求较高的特征，通过引入节能原理，提出了一种新型冲击压路机方 案平衡三冲击轮压路机，目的在于寻求设计生产一种既满足压实、节能要求，又使施 工工艺简单、使用方便的冲击压路机。 本文系统分析了冲击式压路机的压实机理、能耗，施工工艺。得到该机在设计时还 应研究和改进的主要内容；对平衡三冲击轮压路机的两种设计方案进行对比分析。应用 m a t l a b 仿真技术系统对平衡三冲击轮压路机的相关参数进行设计，并对该机能满足节能 要求的性能进行分析；提出了针对平衡三冲击轮压路机的施工工艺；根据平衡三冲击轮 压路机的运动特点，分析了平衡三冲击轮压路机的主要参数对冲击运动特性的影响以及 其转向原理影响，对主要参数进行优化设计；提出了设计转向和转场机构的原则：文章 最后基于之前的理论与研究成果，对平衡三冲击轮压路机能否实现节能的关键机构、相 位协调机构进行分析和设计，由于该机构设计难度较高，尝试提出了两种用于平衡三冲 击轮压路机的相位协调机构设计方案。通过对相位协调机构、机架等结构进行详细的理 论分析以及方案，为后续样机研发提供了第一手的技术资料。 通过理论分析和仿真研究。平衡三冲击轮压路机降低了施工工艺流程，验证了此系 统在压实功效上比冲击压实机有较大优势。 将节能原理融入机械设计中，对冲击压路机是一次革命性的跨越，在此基础上提出 的平衡三冲击轮压路机有效的解决了施工工艺复杂的瓶颈，同时大大提高了压实功效。 使该机具有较好的压实特性以及的冲击力大、运行速度快、施工工序少、应用范围广等 优点显得更加突出。这一研究既补充又完善了平衡冲击压实理论，又为平衡冲击压实的 工业化奠定了基础。 关键词：施工工艺相位协调压实功效 a b s t r a c t c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fi m p a c tr o l l e r s ( i r ) ，a n dt h e f a c t st h a ti t sr e a lc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi sw i mm o r ec o m p l e x i t ya n di t sn o r m a lo p e r a t i o n r e q u i r e sh i g h - l e v e ld r i v e r s ，w ep r o p o s ean e w i rp r o g r a mb a s e do ne n e r g y s a v i n gp r i n c i p l e s ； w ec a l li tb a l a n c e dt h r e e b u m pi r , w h i c hc a np r e s sc o m p a c t l y , b ec o n s t r u c t e de a s i l ya n du s e d c o n v e n i e n t l y , a n da l s oi se n e r g y s a v i n g t h ef u n d a m e n t a l so fp r e s s ，e n e r g y - c o n s u m i n g ，a n dc o n s t r u c t i o n - t e c h n o l o g ya r e s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e da tf i r s t ；t h ep a r t so fi rt h a ts h o u l db ei m p r o v e da n dd e s e r v e st ob e s t u d i e sa r ep r e s e n t e d t w od e s i g n i n gs c h e m a sa b o u tt h et h r e e b u m pi ra l ec o m p a r a t i v e l y a n a l y z e d m a t l a bs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi s u s e dt od e s i g nt h ep a r a m e t e r so ft h et h r e e b u m pi r , a n dt oa n a l y z eh o wm u c hi t s a t i s f i e st h ee n e r g y - s a v i n gi n d e x t h ec o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g yo ft h et h r e e - b u m pi ri s a l s og i v e n b a s e do ni t sm o v i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e e f f e c t so fi t sm a i np a r a m e t e r so nt h eb u m p i n gm o v e m e n ta n do nt h ed i r e c t i o n c h a n g i n ga r e a n a l y z e d ，a n dt h o s em a i np a r a m e t e r s a l et h e na s s i g n e do p t i m a l l y t h ep r i n c i p l e so f d i r e c t i o n - c h a n g i n ga n df i e l d - c h a n g i n gm e c h a n i s m sa r ep r o p o s e d b a s e do na b o v et h e o r e t i c a l a n dp r a c t i c a lr e s e a r c hr e s u l t s ，w et h e na n a l y z ea n dp r o p o s et h ek e ym a c h i n em e c h a n i s m sa n d t h ep h a s e - c o o r d i n a t i n gm e c h a n i s m sw h i c hd e t e r m i n ew h e t h e rt h ee n e r g y - s a v i n gp r i n c i p l e s c a l lb er e a l i z e d ，t w od e s i g n i n gs c h e m a so ft h ep h a s e c o o r d i n a t i n gm e c h a n i s m sf o rb a l a n c i n g t h et h r e e - b u m pi ra r eg i v e nt h e n t h ed e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o r r e s p o n d i n g s c h e m a so nt h ep h a s e - c o o r d i n a t i n gm e c h a n i s m sa n dt h em a c h i n ea r c h i t e c t u r ep r o v i d et h e c o n v i n c i n gs u p p o r tf o rt h ei m p l e m e n t a t i o n so f t h ep r o p o s e dt h r e e - b u m pi r i t i sd e m o n s t r a t e dw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t st h a tt h e p r o p o s e dt h r e e b u m p i ri sw i t hs i m p l ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s ，a n dh a s s i g n i f i c a t i v ea d v a n t a g e s o v e rt h et r a d i t i o n a l1 ra sf o rt h e p r e s s e f f e c t i v e n e s sa n d 。 e n e r g y s a v i n g i ti sar e v o l u t i o n a r yi m p r o v e m e n tf o ri rt h a te n e r g y s a v i n gp r i n c i p l e sa r ei n t r o d u c e di n i t sd e s i g n i n gp r o c e s s t h ep r o p o s e dt h r e e b u m pi ri nt h i sp a p e rs h o u l dg r e a t l yr e d u c et h e c o m p l e x i t yo fp r o c e s sa n dg r e a t l yi n c r e a s et h ee f f e c to fc o m p a c t i o n t h i ss t u d yn o to n l y i i i i m p r o v e st h ee q u i l i b r i u mt h e o r yo fi m p a c tc o m p a c t i o nb u ta l s og i v e sas o l i df o u n d a t i o nf o r t h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r i a l i z a t i o no fi m p a c tc o m p a c t i o n k e yw o r d s ：c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ；p h a s e - c o o r d i n a t i n g ；c o m p a c t i o ne f f i c i e n c y i v 长安大学工程硕士学位论文 1 1 国内外冲击压路机的发展历程 第一章综述 追述到冲击式压路机的发展历程，从科学技术史和技术原理承接的角度讲，冲击压 路机就是在中国古代“夯”和“碾”的基础上发展而来的。其发展阶段经历了下面三个 阶段。 第一阶段：起源。 翠在4 0 0 0 年前的夏王朝，夯和碾就已经被用来作为分层压实土基的工具。2 0 世纪 末，考古学家对位于河南省偃师市的夏都城二里头遗址和第三代商都城遗址上都有非原 地土的夯实基础。当然，远古时代的夯和碾由于年代久远、做工粗糙、缺乏更多历史记 录等原因已经很难考证其具体的形状。但到了公元1 世纪左右中国发明了造纸术后，在 有文字记录的文献里，西汉农学家胜的胜之书中对“碾 就有了较为详尽的记载。 “碌碡 ，也就是一种用畜力牵引，碾压谷物、土壤等需要压实作业的工具。“碌碡 在当时的使用是非常普遍的。到了南朝( 公元5 世纪) ，由顾野王撰的词语书中对“夯” 有了非常明确的描述，夯在当时被称为“砣 ，意为石磙上装有把柄，是一种由重力而 产生冲击力作用砸实地基的工具。夯的另一种形式一“硪也是一种靠绳索举高砸实地 基的工具。“三夯一硪的压实作业法在土工行业一直流传至今。 根据物理学动量定理可知，夯所利用的是由人力将夯提升到一定高度转变为势能、 接着夯在下降的过程中由势能和人力转换而获得较大动能，夯在接触地表面发生冲击将 动能而转化来的冲击力完成土基砸实的工作，它的优点表现为瞬时冲击力大，缺点是冲 击作用不均匀。夯的运用也有预压、初夯和终夯的过程。碾则完全是靠碾轮的重力作用 完成压实工作的，它的特点和夯正好相反，优点是压实力均匀，缺点是压实力不够大。 研发一种能够克服夯和碾的缺点，充分发挥夯冲击力大和碾运行平稳的优点的机器则成 为了现代压路机发展的一个方向。 第二阶段：发展。 虽然夯和碾都中国人发明的，但是很遗憾，这一项研究工作并没在中国几千年历史 上有丝毫进展，恰恰相反，首先看到这一个崭新科研方向的是外国人。从公元1 8 8 3 年 起，美国人史密斯( s m i t h ) 等十几位科学家都曾从事过机械压实土壤相关的研究，提 出了众多的设计方案，其中较为成熟的有两种： 第一章综述 第一种方案是南非人j a c o b u s 于1 9 8 0 年提出的冲击压路机方案。当碾轮在牵引机 的拖动下水平滚动时，碾轮上的3 个夯锤便会交替地绕铰销下落，夯击地面。随着碾轮 的滚动，夯击过地面的夯锤通过其上的凹形口被固定于碾轮上的固定销临时锁定，从而 离开地面。与此同时，下一个夯锤又接着开始重复如上的动作。这种设计实际上是夯和 碾的拼接组合，即在一个碾上挂着三个夯。从本质上讲，这种设计已经完成了夯和碾扬 长避短的组合，不过它对于现代静碾式压路机并不能形成技术上和市场上的冲击，因为 在同一时间，它夯实和碾压所完成的不是对同一块土基的作用，而且它过多的可动部件 导致它很难在实用上有较大的突破，安装与维修的成本也会相应地增加。到目前为止， 国内还没有见到此类产品。在国外，此类产品也没太大的推广和普及。 另一个设计方案是瑞典人爱勒( e i n a r ) 于1 9 3 5 年提出的轮截面为正多边形的技术 方案。该技术方案的典型示例采用的是六边形碾轮，并且获得了专利权。这种思路影响 了后来许多非圆形状的压实碾轮的技术发展。由于其非圆形状，碾轮在滚动过程中势必 会产生其质心上下偏移的现象。当碾轮重心沿着波浪线移动时，实际上形成的是一个能 够产生周期性夯实力的机器夯，其优点是夯实力大，但其缺点是行驶平顺性差。在此以 后，也有十几位科学家进行过相关主题的研究对这种方案进行完善。 第三阶段：商用。 2 0 世纪8 0 年代中期，澳大利亚博能( b r o o n sh i r e ) 公司开发设计了可商业应用的 四边形碾冲击式压路机。1 9 9 0 年3 月号德国b db a u m a s c h i n e n d i e n s t ( 建筑机械服务) 杂志介绍了该机的工程使用性能。1 9 9 2 年1 1 月号建筑机械杂志在国外技术的专栏 里以译文的方式给予了报道，当时，该种机型被译为“多棱辊拖式压路机 、“冲击 辊 ，这是目前见到的国内对冲击压路机的最先报道。9 0 年代初，南非压实设备技术 ( p t y ) 有限公司( 贸易名称l a n dp a c ，简称蓝派公司) 购买了a u b r e yb e r r a n g 的专利， 在此研究基础上，设计并生产了各种不同形式和型号的冲击式压路机，其中主要是三边 形和五边形碾轮结构。1 9 9 5 年初，该公司将机器出口到澳大利亚进行农业土壤的防渗处 理工程作业的试验，效果非常好，引起了业界的关注。此外，美国i r t 公司也在生产四 边形碾轮结构的冲击式压路机，并向全世界销售。 1 9 9 5 年夏，南非压实设备技术有限公司在结束香港新机场( c h e kl a pk o k ) 冲击压 实施工后，将其“三边形和“五边形冲击压路机首次引入中国大陆，并于当年在黑 龙江省哈同公路段进行演示。但是，由于中国和南非正式建交是在1 9 9 7 年。当时，在 与中国没有外交关系的状态下，南非发明人的专利没有向中国专利局申请，这种专利也 2 长安大学工程硕士学位论文 就没有得到中国专利法的保护。 2 0 世纪9 0 年代，中国进入高速公路、机场、水电站等基础设施加速建设的发展时 期，对新型压实设备有了更加迫切的需求。鉴于国外公司不在中国出售有关设备产品的 现状，1 9 9 7 年河北省交通厅在国内率先立项研制中国自己的冲击式压路机。经过一年的 努力，1 9 8 8 年8 月，由河北工业大学和唐山专用汽车厂等单位联合研制的冲击压路机试 制成功并开始进行施工试验。1 9 9 9 年1 月，样机经过工业实验考核后通过河北省经贸委 组织的新产品鉴定，此后课题组申请了中国实用新型专利。至此，国外公司对中国冲击 式压路机的技术垄断打破了，中国终于在较短的研究时间里开发出了自主知识产权的冲 击压路机。 自1 9 9 9 年国产冲击压路机小批量生产并推向市场后，国内先后已经有十余家企业 进行了冲击式压路机的研制和生产。如今，我国是世界上使用冲击式压路机数量最多的 一个国家，冲击压路机在理论、制造以及施工工艺方面均处于世界领先。 可以预见，随着我国对冲击压路机研究的深入，冲击压路机将会在我国公路建设中 发挥更大的作用，这一起源于中国的远古发明将会放出更绚丽的色彩。 1 2 冲击压路机主要性能参数简介嗍 1 、性能参数分析 1 ) 有效冲击压实深度 将冲击压实引起土体平均压实度1 个百分点变化的深度定义为有效影响深度。能够 引起被压材料平均压实度1 个百分点变化的最大深度。以三边形2 5 k j 的冲击压路机处理 湿陷性黄土地基为例，其有效影响深度为1 5 m 左右。 2 ) 有效冲击压实厚度 将冲击压实能够满足工程最低要求压实度( 如9 0 、9 3 、9 5 等) 的最大松铺厚 ( 深) 度定义为有效压实厚( 深) 度。不同类型的冲击压路机的有效压实厚度是不同的。 3 ) 冲击压实遍数 以2 5 k j 双轮冲击压路机为例，其冲击轮宽度为0 8 m ，两轮隙宽度为1 1 0 m ，双轮外 边缘的宽度为2 7 m 时，冲击压实1 次的计算压实宽度为2 m ，经错轮宽压实，冲击压实1 个 来回后，计算碾压宽度3 5 m ，按此方法计算，整个场地全部压完1 次算一遍。 2 、施工应用 第一章综述 ( 1 ) 冲击压实减少路基工后沉降松方土壤的压实，视土壤的种类和含水量，压实 厚度可达5 米，压实能力可至2 0 0 0 立方米4 , 时。 ( 2 ) 完工土基的补强，以增加路基压实度，减少路基沉降变形，提高路基整体强 度和建设质量。 ( 3 ) 水泥混凝土路面在沥青罩面前进行打裂处理( 从路面贯穿到水泥板底的微裂) ， 以防止反射裂缝出现。 ( 4 ) 对结构有问题的水泥路和半刚性基层进行破碎压实，处理土基和基层、半刚 性基层的病害。冲击压路机的应用也节省了人工和处理1 日水泥板块的费用，解决旧水泥 板块丢弃的问题，符合节省和环保要求。 ( 5 ) 冲击式压实机破碎施工的速度高于传统破碎方法的7 卜8 0 倍，压实施工的速 度高于传统压实方法的5 - - - 6 倍。不但缩短工期，同时大大降低成本。美国工程兵已于 1 9 8 7 年对冲击破碎压实机和震动式压路机在非粘性和低粘性土壤进行对比实验，结果冲 击破碎压实机每分钟的压实能力相当于普通震动压路机的5 7 倍。该技术在美国己被广 泛使用，是一项很成熟的工艺。 综上所述，三边形冲击压路机的冲击轮外形曲线平缓，与地表的接触面较大，作用 力不集中，可用于提高路基的压实度，但不适合旧水泥路面的破碎冲压：对于湿陷性黄 土路基的冲击压实，冲击势能为2 0 1 d 的冲击压路机基本可以满足。对于细粒土等松铺 系数较大的路基的分层压实以及旧水泥路面等的破碎冲击压实，其特点是冲击压实时与 地表接触面小，作用力集中，正好符合冲击势能为1 5 k j 以下的五边形双轮冲击压路机； 而四边形单轮冲击压路机容易牵引、在行驶过程中不易打滑，且可用于旧水泥路面的破 碎稳固，但主要是美国和澳大利亚生产，在我国数量比较有限。 4 长安大学工程硕士学位论文 1 3 本文的提出及研究内容 1 3 1 问题的提出背景 冲击式压路机虽然在我国的基础建设中起着不可忽视的作用，但是在实际施工中， 每次冲击均会留下未压实的区域，必须多遍错开作业才可能保证必要的压实均匀度。周 期的冲击要作用于牵引车上，不仅使牵引车与冲击式压路机之间产生冲击消耗能量，没 有将能量作用于工作介质上，而且使牵引车匹配困难且操作人员易疲劳等问题严重制约 着冲击式压路机的发展。 ( 1 ) 施工工艺复杂：冲击压实采用的是一种新型压实机械，冲击压实由牵引车牵 引冲击压路机来实现对被压材料的压实。该施工工艺与其它压实机械的相比，虽然简单， 但要求较高。为了避免在压实过程中出现的漏压和重压现象，保证被压材料表面的平整 度、压实度以及两者的均匀性。要求在第二次冲击压实时冲击轮的拍击中心必须做到正 好作用于第一次冲击压实时冲击轮的两个拍击中心之间，同时要求在第二次冲击压实时 冲击轮必须做到与第一次被冲击压实的材料重叠三分之一。在第三次冲击压实时除了要 求冲击轮的拍击中心正好作用于第一次冲击压实时冲击轮的两个拍击中心之间外，还要 求冲击轮必须与另一个冲击轮第一次被冲击压实的材料重叠三分之一。如此反复的冲击 压实过程看视简单，但真正实施起来并非容易，这就给驾驶员提出较高的要求； ( 2 ) 从人机工程学角度分析，冲击压路机冲击压实后的凹凸不平的路面对牵引车 ( 或主机) 的产生垂直方向振动冲击作用，使得驾驶员在牵引车的司机室受到周期性的 垂直外激励，其操作性极不舒服，从而给使用带来诸多不便，同时由于工作时间不宜过 长，制约着冲击压路机的应用前景： ( 3 ) 冲击压实技术采用错轮交替压实的方式，轮迹之间不重叠，由于冲击力向被 压材料的压力分布夹角为冲击轮触地面积的边缘与地表的4 5 。一由2 。因此弥补了轮隙 宽度大于轮宽，错轮时不可能全部压到每个点和纵向上由于冲击压实时落点的面积有 限，也不可能砸到每个点的缺陷：单遍中第一次两冲击轮内边距未冲击压实的中央区域 由第二次的冲击轮完成，以单双两遍为一冲击压实单元，当双数遍冲压时，调整转弯半 径即可达到要求。冲击压路机施工时是按照顺时针与逆时针方向每五遍交换一次的，通 过冲击压路机冲击压实被压材料2 0 - - 4 0 遍后，即可使被压材料形成厚1 肛1 5 m 的均匀加 固层。 为了解决上述问题，必须对冲击式压路机重新进行系统的分析，并应用现代设计方 第一章综述 法，引入新的设计理念为冲击式压路机的发展开辟一条新的路径，为冲击式压路机的发 展注入新的活力。 1 3 2 论文的主要内容 1 、阐述了冲击式压路机的发展现状，同时提出了论文研究背景及意义； 2 、系统分析了冲击式压路机的压实机理、耗能，通过对冲击压路机的施工工艺的 分析讨论； 3 、将“节能原理”引入到冲击压路机的设计中，创造性地提出了平衡三冲击轮压 路机，同时提出了平衡三冲击轮压路机的两种设计方案。进而设计了三冲击轮的相关参 数，并对平衡三冲击轮压路机的性能参数进行了分析，总结了平衡三冲击轮压路机的施 工工艺； 4 、根据平衡三冲击轮压路机的运动特点，分析总结了平衡三冲击轮压路机的主要 参数对冲击运动特性的影响以及其转向原理； 5 、文章最后对平衡三冲击轮压路机的关键问题：相位协调机构、转向机构以及机 架等问题进行了分析，提出了实施的方案，为后续样机研发提供了第一手设计资料； 6 、论文的结论与展望。 6 长安大学工程硕士学位论文 第二章冲击式压路机压实理论与施工工艺 2 1 冲击压路机的压实理论 冲击式压路机与常规压路机相比，主要特征在于工作装置是非圆截面工作轮。该工 作轮简称为冲击轮，由数条不同心的不等曲率半径的弧线组成。在冲击压实的过程中， 若冲击轮质心水平匀速运动，质心轨迹是一条周期变化曲线，如图2 1 所示，则冲击轮 绕质心非匀速转动。简言之，冲击压路机的压实过程是冲击轮对被压材料是一个冲击和 揉搓的压实过程。 y 蕊凝 、 ，z 广 图2 1 冲击压路机质心运动轨迹 冲击式压路机在工作过程中是通过牵引车的牵引力而获得较大的动能和位能，由于 冲击轮质心在垂直方向的较大范围内变化( 2 0 0 多m m ) ，所以其能量也在一个较大范围 内变化，说明整个冲击压实是一个能量的吸收和向被压材料传输过程。根据冲击式压路 机的最佳工作速度是1 2 k m h 和冲击轮每转一周对材料冲击压实三次，可以得出冲击轮 每秒拍击被压实材料为2 - 3 次。与一般的振动压路机相比，具有作业速度高、冲击能量 大或低频率、大振幅的特点。巧妙的将冲击振动和搓揉结合在一起最终实现压实被压材 料的目的。 获得较大势能和动能的冲击轮和被压材料表面接触时，将冲击轮较大势能和动能转 化为对被压材料的强大冲击压实能量，以冲击波的形式释放于被压材料中。在拍击压实 时冲击轮对被压材料产生的冲击波具有地震波的传播特性，能迫使组成被压实材料的大 小不同颗粒材质产生大的加速度、使大小不同颗粒材质在快速互相位移的同时并快速向 。(二 心 r ，； ， 义一 叫签 第二章冲击式压路机压实理论与施工工艺 深层位移。随着压实遍数的增加，冲击轮不断将高的能量转化为强冲击波向被压材料的 深层传播，使得深层材料的密实度不断的累积增加，特别是对于各种路基的加固压实， 会是被压实材料更接近弹簧状态、有效降低材料的渗透性，在作业面形成1 5 。2 m 厚的 均匀加固层。从而使冲击式压路机不仅满足了对材料压实度的要求，而且对材料压实具 有较大的影响深度。将冲击式压路机的压实效果与普通振动压路机进行比较，可以发现 冲击压路机具有良好的压实特性，但压实表面的平整度比振动压路机差，为了取得好的 压实效果，必须用平地机将表面整平。 冲击压路机在施工过程中，当牵引车拖动三边弧形轮子向前滚动时，压实轮重心离 地面的高度上下交替变化，产生的势能和动能集中向前、向下碾压，形成巨大的冲击波， 通过三边弧形轮连续均匀的冲击地面，使土体均匀致密。在此过程中，三边压实轮每旋 转一周，其重心抬高和降低三次，对地面分别产生夯实、冲击和振动作用。 冲击压路机在运动过程中存在两个阶段： 阶段一，揉搓压实与蓄能阶段，此时冲击轮重心位置在最低点为初始位置或冲击压 实刚结束，在牵引车牵引力的作用下，缓冲机构的蓄能器通过缓冲油缸开始蓄能，接着 冲击轮的大圆弧表面沿着被压材料的的表面在做纯滚动的过程中开始对材料进行揉搓 压实，冲击轮的重心在向前运动的过程中并向上运动，从而获得了位能和动能；当冲击 轮的大圆弧表面对被压材料的揉搓压实结束，则冲击轮的小圆弧表面对被压材料的开始 较激烈揉搓压实。此时冲击轮重心的水平速度不变，但小圆弧的半径较小，所以冲击轮 的角速度得到较快的提升。当冲击轮的重心到大作高位置，则获得最大的势能，蓄能结 束。如图2 1 所示。 阶段二，激烈揉搓压实和冲击压实阶段，在牵引车牵引力的作用下，冲击轮的重心 在最高位置在向前运动的同时开始向下运动。此时冲击轮的小圆弧表面对被压材料的激 烈揉搓压实过程中，准备开始冲击压实。而冲击轮在保持获得的动能的基础上又不断从 牵引车获得增加的动能、并将获得的最大势能转化为动能。同时缓冲机构的蓄能器通过 缓冲油缸开始释放能量，将其转化为冲击轮的动能。当冲击轮的大圆弧表面与被压是材 料表面将要接触进行冲击压实时已具有了相当大的动能，此时冲击轮仍绕小圆弧快速转 动。当冲击轮的大圆弧表面与被压是材料表面接触则冲击压实开始。如图2 2 所示。 冲击压路机在起步到最佳工作速度之间冲击压实过程中，当冲击轮大圆弧表面快要 接触压实表面时，若冲击轮重心水平速度大于牵引车的速度，将对牵引车产生水平方向 的冲击。在此过程中缓冲机构的蓄能器开展有效的工作，保证冲击式压路机在低速阶段 长安大学工程硕士学位论文 有较好的压实度。当冲击式压路机达到最佳工作速度，则冲击轮将不会再对牵引车发生 在水平方向的冲击。同时缓冲机构的蓄能器不再发挥蓄能作用。 图2 1 阶段一 图2 2 阶段二 下面从波的传播来分析冲击压路机的工作过程，首先必须明确几个概念： 1 ) 冲击能传给被压材料的能量由压缩波( p 波) 、剪切波( s 波) 和瑞利波( r 波) 联合传播。 2 ) 压缩波的质点运动是属于平行于波阵面方向的一种推拉运动，它使上粒错位； 3 ) 剪切波的质点运动引起和波阵面方向正交的横向位移： 4 ) 瑞利波的质点运动则是由水平和竖向分量所组成； 5 ) 剪切波和瑞利波的水平分量使土颗粒问受剪，可使土得到密实。 在工程应用中冲击压实标准大于目前国际上修正葡氏压实标准，所产生的高能量冲 击能量使被压材料进一步密实坚固稳定，省工省时，大大降低了工程费用。 冲击压路机冲击轮工作时的外激励源主要是通过水平和垂直方向的加速运动产生 的，其振幅比振动式压路机大得多，因而冲击压路机在产生高能量的同时必须配备减振 缓冲机构提供机械连接部分性能以及驾驶员的舒服程度。具体表现在滚动冲击轮拍击地 9 第二章冲击式压路机压实理论与施工工艺 面的冲击能量尽管在土壤被压实时吸收了很大一部分，但地面仍会对工作轮产生很大的 反作用力。随着土壤密实度增加反冲力也增大，并通过车架传给牵引主机，影响传动系 机械零部件的寿命以及驾驶者的身心健康，通过采取一定的措施和设置多层减振缓冲装 置，使整机的减振系统性能良好，力求做到不与牵引主机不发生冲击。冲击轮通过轮毂 轴承安装在支承轴管上，压实轮绕支承轴管回转；左右冲击轮用一贯穿于支承轴管中的 同步轴联接在一起，保证同步。同步轴采用了“全浮式 结构，这种轮轴结构复杂，制 造难度大，耐冲击能力差，在石方作业、地面平整度差及转向过猛时，同步轴及其支承 轴管联接件损坏较多。而现在比较流行的做法是左右冲击轮通过缓冲件直接与支承轴联 接承一体，从而根本上解决了现有机型同步轴容易损坏的问题。 冲击压实技术是的运动特点是高幅、低频，在压实作用中较大地增加了对土石方的 压实功效。冲击压路机以异性截面沿轮廓线对土石材料进行静压、搓揉、周期性冲击的 连续作业，产生强烈的冲击地震波，到达最终压实的目的。现以2 5 k j 三边形冲击压路 机压实路基为例，且已通过国内不同地区与不同土石填方路基的试验工程实践已经得到 证实。当冲击压路机以1 2 5 k m h 速度冲击压实被压材料3 0 遍后，实测的在深度位o 9 m 处的平均垂直动土压力为1 2 3 0 k p a ，这相当于对被压材料产生1 8 0 t 2 4 0 t 的冲击力，如 此大的冲击力足以使得地下深层的密实度不断累积增加，达到压实度9 0 以上的重型标 准。 2 2 冲击压路机的能耗分析 1 、拖式冲击压路机所需提供的牵引力 以三边弧形拖式冲击式压路机力学模型为研究对象( 此时中心作用牵引力e ) ，可 得方程： ，= 魄+ g = g ( n 肜咖 ( 2 1 ) 2 、功率简单计算公式 = e x v = g ( 占+ 口) 彳= g ( 艿+ p s 缸口) 彳 ( 2 2 ) 式中：m g 为滚动摩阻、m g - - s x g 、8 = 0 1 3 - 0 1 5 为土的阻力系数：g 为冲击轮的重 量即重力；h 为冲击轮的中心到地面的垂直距离。口为拍击压实中心a 到o c 垂线垂直 距离、口：口s i n 口、口为o b 连线与o c 垂线的夹角。 1 0 长安大学工程硕士学位论文 图2 3 冲击轮受力分析 以y c t 2 5 冲击压路机为例，其整机工作质量m = 1 5 6 0 0 堙，其余参数分别为：a = o 2 3 m 、 h = 0 9 7 8 m 。取土的阻力系数8 = 0 1 3 - o 1 5 ，代入公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) ，当夕分别在最 低点、最高点和拍击地面时对应的1 3 = 1 3 2 0 8 0 、= o o 、= 一7 8 4 0 时，可得出拖式冲 击压路机在对材料滚动压实和拍击压实过程的周期( t ) 内，所需提供的输入牵引力f 和 功率的变化范围值如下： 当= 1 3 2 0 8 0 ( 上升阶段) 时，其牵引力为5 9 2 8 k n ，所需功率为1 9 8 4 k w ： 当= o o ( 到达最高点) 时，其牵引力为2 3 4 5 k n ，所需功率为7 8 3 6 k w ； 当1 3 = 7 8 4 0 ( 下降阶段) 时，其牵引力为0 k n ，所需功率为0 k w ： 有上述分析可知：拖式冲击压路机在对材料由滚动压实过程中，牵引力和所需输入 功率的值是一个从大到小、又到一零的变化过程；滚动压实被压材料完成后，拍击被 压材料开始。且在拍击压实过程中，由于冲击压路机对牵引车水平方向的冲击作用，使 得冲击轮在冲击被压材料的过程中不需牵引力且牵引力f 和所需输入功率的值可能 为负值。 2 3 冲击压路机的施工工艺 l 、施工工艺 冲击式压路机采用强大的冲击力对被压材料施加冲击压实功能，将大小颗粒不同材 质组成被压材料挤压填充到被压材料间的空隙里，排出空气和水分子，使被压材料的空 第二章冲击式压路机压实理论与施工工艺 隙率减少，密实度提高。显然，被压材料的压实过程就是在强大的冲击力作用下使得被 压材料的三相重新组合的过程。从而增大沉降量，达到冲击压实被压材料的目的。 随着工程施工中新工艺新技术的不断出现，冲击压实施工技术因其本身的特点被越 来越多的运用到工程建设施工当中。冲击压实施工就是利用冲击压路机滚动中将高位势 能转化为动能对被压材料进行冲击压实，通过滚压、揉压、冲击的综合作用，被压材料 内部发生位移、变形和剪切，从而对被压材料的深层压实的一种方法。冲击轮在牵引机 的拖动下连续作用于地面，使大面积地基得以压实。冲击压实技术的突出特点是影响深 度大，一般在3 m 左右；速度快，1 2 - - 1 5 k m h ，压实质量高，压实度可达9 0 以上。 通过冲击压路机的冲击压实或补强压实，可以将高速公路通车后的自然沉降量提前 到通车前，将有效改善道路的压实度不足引起的病害，很大程度地提高了路基的整体强 度和均匀性，提高了整个施工的整体质量。 冲击压实机的技术特性决定较现行常规压路机不同的压实工艺，不采用现有压路机 压半轮或部分重叠碾压的施工方法，而是以冲击力向土体深层扩散分布的性状，提出新 的冲击碾压方法与施工工艺。冲击压路机双轮宽度各0 8 m ，两冲击轮内边距离1 1 0 m ， 冲击压实两次为一遍，其冲击压实宽度为3 5 m 。其冲击力向被压材料的压力分布夹角为 冲击轮触地面积的边缘与地表的4 5 。一4 , 2 。单遍中第一次两冲击轮内边距未冲击压实 的中央区域由第二次的冲击轮完成，如此冲击压实在理论上形成了冲击压实间隙双边各 o 1 m ，因此要完成第一遍缝隙的全部压实，冲击轮在第二遍冲击压实时必须向内移动 0 1 5 m ，如此循环冲击压实。此外当冲击压路机冲击压实在纵向冲击压实被压材料所形 成的凹凸路面上时，为了提高牵引车的附着力，对被压材料进行波峰与波谷进行交替冲 击压实，提高路面的平整度，具体的操作是：以单双两遍为一冲击压实单元，当双数遍 冲压时，调整转弯半径即可达到要求。冲击压路机施工时是按照顺时针与逆时针方向每 五遍交换一次的，通过冲击压路机冲击压实被压材料2 0 - - 4 0 遍后，即可使被压材料形成 厚1 0 - - 1 5 m 的均匀加固层。对于冲击压路机每经3 至5 遍施压后，被压材料表面形成 的波浪形状态，在施工工艺上必须用平地机整平被压材料表面，提高牵引车的附着力， 保持冲击压实的速度，保证冲击压实的效果。 冲击压实采用的是一种新型压实机械，在实际施工中采用冲击压实法压实被压材 料，比较可行的做法是根据现场的地质条件、工程的使用要求以及环境要求，正确选用 实际施工的参数；检测的方法是以实测沉降量为主，灌砂法密实度检测为辅，并最终确 定合理的冲击压实遍数，获得高效的压实。 长安大学工程硕士学位论文 2 、冲击压实的施工工艺中相关参数的选择 ( 1 ) 机型的合理有效选用 国内现在生产冲击压路机型号众多，类别繁杂，但每种冲击式压路机的用途和作用 效果则不相同，如果使用不当，很难达到预期的目的。工程实践证明，对于路基的检验 补压与基础压实与分层压实，目前使用的2 5 k j 三边形双轮冲击压路机均满足要求。但 对于旧水泥路面改建以及土质路堤分层压实，建议采用2 5 k j 五边形双轮冲击压路机。 国内施工现场主要以二十局工程机械有限公司和蓝派生产的冲击压路机为主，其中中铁 二十局工程机械厂目前的市场占有率达到8 0 以上。 ( 2 ) 严格按冲击碾压施工工艺作业 冲击式压路机在施工中很容易出现漏压、重压的现象，造成被压材料的不同位置的 压实度不均匀和表面不平整。同时给进一步的施工带来麻烦。所以必须按按前述的施工 工艺进行作业。 ( 3 ) 准确理解冲击碾压对材料含水量较低的要求 冲击压路机是一种高冲击能量的压实设备，其压实功效相当于超重型压实标准，因 此达到重型压实度的含水量仅在小于最佳含水量范围内扩大，而其大于最佳含水量的范 围不会扩大。因此，含水量根据被压材料的塑性指数大小而不同，以土为例宜控制稠度 不小于1 1 1 2 ，当厚度大于8 0 c m 1 0 0 c m 时，若冲击压实则会形成弹簧土，压实无从谈 起。 ( 4 ) 控制构造物的安全距离【5 】 经工程实践证明：冲击式压路机在施工过程中冲击轮的轮边与建筑物应有l m 的安 全距离；在压实通过涵洞时其上填土厚度不得小于2 5 m ，若涵洞上的填土厚度小于 2 5 m ，应采用转场行走系统或降低行驶速度，缓慢通过涵洞上方。 ( 5 ) 不宜再进行冲击压实施工的情况是：冲击压路机的补压平均沉降量小于3 c m 的情况。 在高速公路土石高路堤的分层冲击压实，路堤、路床的检验性补强以及地基加固处 理等工程中冲击压路机有着较明显的优势。此外，在农业、水利、环境工程等方面冲击 压实技术也有广阔的应用前景。 1 3 第二章冲击式压路机压实理论与施工工艺 国 1 要 倒 网 i：一 国 同 i ：一 2 3 施工工艺流程 3 、施工步骤 ( 1 ) 用挖掘机挖除树根后埋填处理，用平地机对冲压工作面进行清表整平； ( 2 ) 冲击前观测原地面标高，并做好记录； ( 3 ) 检测冲击压实前的路基含水量，并保证含水量在是否适合冲击压实含水量的 4 范围内； ( 4 ) 检测冲击压实前检测点的压实度。记录填土表面2 0 厘米以下的相关数据； ( 5 ) 冲击压路机进行冲击压实时，机械行进速度宜采用慢速行进，由路基中线为 分界线，从路基的一侧向另- - t j l j 转圈冲碾，冲碾顺序应符合“由边向中”错轮进行，轮 迹覆盖整个路基表面为冲碾一遍。冲击压路机行进示意图见图2 4 。 葶 二堡二壁 二些翌，矗二塑一挚 一压一 垂 一测一 匡 一高一 一标一1 j 矗工学率囱 一检一 长安大学工程硕士学位论文 2 4 冲击压路机行进不葸图 ( 6 ) 冲碾过程中如果因轮迹过深而影响压实进行时，可用平地机平整后再进行冲 击碾压。 ( 7 ) 冲击压实完成后后，通常的做法是应用平地机平整冲击压实路段，然后采用 重型钢轮压路机对被压材料进行压实，其目的主要是以提高被压材料的表面平整度和保 证压实效果。 4 、施工中注意事项： ( 1 ) 构造物的保护 a 施工前查明冲击碾压范围内的地下管线及附近各种构造物，并应根据构造物的 类型采取相应的保护措施进行改线或拆除。对于河沟等有明显减震效果的情况，经确认 不会造成影响时可适当减少安全距离。施工前对于拟保护的构造物，在保护范围的外围 应设置明显标记物。 b 对于不符合上述安全距离但又需要施工的可采取以下两种措施：开挖宽o 5 m 深 1 5 m 的隔震沟进行防震；结构物台背处冲碾时应降低冲击压路机的速度，如压实度达不 到设计要求要增加冲压遍数达到设计要求为止。 ( 2 ) 冲击碾压时，施工场地宽度大于冲击压路机转弯半径的四倍时，以道路中心 线对称地将场地分成两半，来回冲击碾压；施工场地宽度小于四倍转弯半径时，根据实 际情况在施工场地的两端设置所需的转弯场地。碾压行驶路线设置易于机械手辨认的临 时标记物，便于按相应的标线冲击碾压。 ( 3 ) 若出现扬尘情况严重时应洒水。当土的含水量较低时，宜于前一天洒水湿润。 冲压时注意冲击坡峰，错峰压实，冲压每5 遍应改变冲压方向。 ( 4 ) 冲压施工场地的附近有构造物时，应注意观察，发现异常情况时，应立即中 断施工，以避免构造物损伤。 ( 5 ) 施工中若出现“弹簧”现象，必须暂停施工，采取换填等相应的技术措施处 理后方可继续施工。 ( 6 ) 施工过程中须有专人负责记录，记录资料归档备案。 ( 7 ) 冲压边角及转弯区域采取其它补压或小型机具夯实措施压实，以达到设计标 准。 ( 8 ) 施工过程中合理安排施工时间，减少噪音与振动对环境的影响。 ( 9 ) 冲击碾压范围内的出入口设置醒目的安全标记，专人负责保证交通安全。禁 1 5 第二章冲击式压路机压实理论与施工工艺 止无关车辆与人员出入。夜间施工时，场地足够数量的照明设备与夜间警示标志。 从上述的施工工艺我们不难看出，冲击式压路机的施工工艺较针对压路机的药复杂 的多，同时其配备的设备的也比振动压路机要多很多。如此二来，不管从管理成本上还 是从资源节约角度等都严重制约着施工企业对冲击式压路机应用程度，因此我们必须寻 求一种既能充分发挥冲击式压路机的自身的优点又能大大降低企业的资源。 1 6 长安大学工程硕士学位论文 第三章平衡三冲击轮压路机方案设计与性能分析 为了冲击式压路机的更好的发展，本文主要以拖式冲击式压路机为研究对象，以克 服冲击式压路机在施工中存在的主要不足为目的，依据节能原理提出了平衡三冲击轮方 案，在节能的同时简化冲击压路机的施工工艺。 3 1 平衡三冲击轮压路机的提出 近年来，工程机械的主旋律是节能、减排。以挖掘机为例，作为基础设施建设的重 要机械设备，它在为人类做出重大贡献的同时，也在扮演着破坏环境、消耗资源的负面 角色。为了减少环境污染，目前各国政府纷纷出台政策和法规，强制机动车辆的排放指 标，禁止排放超