（机械制造及其自动化专业论文）yzs05型手扶式振动压路机振动系统的研究.pdf

摘要 本论文介绍了振动压路机领域的国内外发展现状、振动压路机工作原理以及振动形式 与参数。在土的振动压实理论基础上，建立了振动系统的数学模型，提出模型中两种不同 的工况，使其准确地描述振动压路机实际工作状态。此外对模型中各种参数的选取或计算 作出了明确的解释便于数学模型的实际应用。 本论文在振动压路机振动系统数学模型的基础上，编制了振动压路机专用的振动压实 系统仿真优化软件，以y z s o 5 型手扶式振动压路机为典型分析对象，进行了振动压路机 振动压实过程中各种不同参数的仿真模拟，揭示了压路机各种不同结构、性能参数对压实 效果的影响，为设计人员提供设计改进振动压实系统的理论依据。另外本软件的优化部分 用于对设计过程中振动压实系统的上下车质量、减振器刚度的选取，以及选择在不同的七 刚度时压路机的最佳激振频率。 振动轴是振动压路机的关键部件之一。振动轴的设计合理与否，直接影响振动压路机 的整机性能。本论文分析了振动轴的振动特性，并介绍了振动轴部件中轴承的选取方法。 y z s o 5 型手扶式振动压路机的研制是同济大学和无锡太湖拖拉机有限公司的手扶式 振动压路机合作项目。在研制过程中，采用了本论文的研究成果。样机运行良好，取得了 预期的效果。 关键词：振动压路机数学模型仿真优化振动轴 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h er e s e a r c hd e v e l o p m e n to fv i b r a t o r yr o l l e r sb o t hh o m ea n d a b r o a da n de x a m i n e dt h e i rw o r k i n gp r i n c i p l e v i b r a t o r yf o r m sa n dp a r a m e t e r s b a s e do n t h et h e o r yo fv i b r a t o r yc o m p a c t i o n am a t h e m a t i c a lm o d e io fv i b r a t o r ys y s t e mh a sb e e n e s t a b l i s h e d t w ok i n d so fw o r k i n gc o n d i t i o n sa r ed i s c u s s e di nt h em o d e if o rd e s c r i b i n g m o r en a t u r a l l yt h er e a io p e r a t i o n so ft h ev i b r a t o r ym l l e r - i na d d i t i o n 。t om a k ei t c o n v e n i e n tt oa p p l yt h em a t h e m a t i c sm o d e l ，c l e a re x p l a n a t i o n sw e r eg i v e nt ot h e c a l c u l a t i o na n ds e l e c t i o no fv a r i o u sp a r a m e t e r s b a s e do nt h em a t h e m a t i c a iv i b r a t o r yc o m p a c t i o nm o d e l 。as p e c i a ls i m u l a t i o n & o p t i m i z a t i o ns o f t w a r ef o rv i b r a t o r yc o m p a c t i o ns y s t e mh a sa l s ob e e nw r i t i e n t a k i n gt h e y z s 0 5w a l k - b e h i n dv i b r a t o r yr o l l e ra sar e p r e s e n t a t i v eo b j e c t 。s i m u l a t i o no fv a r i o u s p a r a m e t e r sd u r i n gv i b r a t o r yc o m p a c t i o np r o c e s sh a sb e e nc o m p l e t e ds ot h a te f f e c t so f v a r i o u ss t r u c t u r e sa n dp a r a m e t e r st ot h ec o m p a c t i o na r eu n c o v e r e d r o i l e rd e s i g n e r s m a yt a k et h ea n a l y s i sr e s u l ta sat h e o r e t i c a lb a s i sw h e ni m p r o v i n gt h e i rd e s i g n s a st o t h eo p t i m i z a t i o np a r t ，t h es o f t w a r eh e l p st od e t e r m i n eh o wt os e l e c tt h et o p - b o r o mm a s s o fv i b r a t o r yc o m p a c t i o ns y s t e m ，t h er i g i d i t yo ft h ev i b r a t i o na b s o r b e ra n da l s ot h e e x c i t e df r e q u e n c yw h e nm e e t i n gd i f f e r e n ts o i is t i f f n e s s r o t a r ys h a f ti so n eo ft h em o s te s s e n t i a lp a r t so ft h ev i b r a t o r yr o l l e r t h ed e s i g no f t h i ss h a f td i r e c t l ya f f e c t st h es y s t e mp e r f o r m a n c eo ft h em a c h i n e t h ep a p e ra n a l y z e d t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h es h a f ta n dj n t r o d u c e dt h es e l e c t i o nm e t h o do ft h es h a f t b e a r i n g s t h ep r o j e c to fy z s 0 5w a l k b e h i n dv i b r a t o r yr o l l e rh a sb e e nc o o r d i n a t e db yt o n g j i u n i v e r s i t ya n dw u x it r a c t o rf a c t o r y s o m er e s e a r c hr e s u l t sh a v ea l r e a d yb e e na p p l i e dt o t h ed e s i g no fv i b r a t o r yr o l l e rd u r i n gt h ec o u r s eo fd e v e l o p m e n ta n da sar e s u l t 。a l lt h e m a c h i n ef u n c t i o n sw e r ew e l la n dt h ea i mo ft h ep r o j e c th a sb e e nf u l f i l l e d k e y w o r d s ：v i b r a t o r yr o l l e r , m a t h e m a t i c a lm o d e l 。s i m u l a t i o n 。o p t i m i z a t i o n ，r o t a r ys h a f t 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成硕士学位论文“y 圣墨q ：型壬迭式拯动廷堕扭拯麴 丕统的婴究”。除论文中已经注明引用的内容外，对本文的研究做出 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 包含任何未加注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表的 成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 知掘于 2 0 0 4 年2 月9 日 同济大学申请硕士学位论文 1 绪论 1 1 我国道路交通建设的发展现状 交通基础设施是国家经济的命脉，交通的发达与否，代表了国家经济的发展状况。有 着5 0 0 0 年灿烂历史的中国，在道路、桥梁的修建和交通管理等方面，都取得过辉煌的成就 ”j 。近年来，我国经济飞速发展，道路交通等基础设施的建设也有了长足的进步。然而我 国交通的总体水平仍然偏低，和世界发达国家有很大的差距。以美国和我国的公路状况对 比为例，我国公路总里程和路网密度仅为美国的1 5 ，高速公路仅为美国的l 1 8 。 改革开放以来，随着国民经济快速发展和市场经济体制的建立，我国交通运输结构逐 步调整和优化，公路运输的地位年作用变得日益重要。公路基础设施建设持续快速发展， 取得了令人瞩目的历史性成就。“七五”及“八五”期间，公路里程年均增长分别为1 7 6 、 2 3 9 ，“九五”期间由于国家采取积极的财政政策加快公路等基础设施的建设，公路里程 年均增长速度预计可达到3 8 8 。特别是作为公路运输现代化标志的高速公路，呈现山加 快发展的态势。公路总量的增长和质量的提高，一定程度上缓解了我国交通运输的紧张状 况，增强了公路交通的基础地位，也为增强我国经济发展屙劲创造了条件。“十五”计划是 跨入2 l 世纪的第一个五年计划，是开始实施现代化建设第三步战略部署的第一个五年计 划，也是社会主义i 盯场经济体制初步建立后的第一个五年计划。中共中央关于制定国比经 济和社会发展第十个五年计划的建议指出，加强基础设施建设是今后五至十年一项十分 重要的任务。公路发展要进一步优化结构，调整布局，为加快经济发展和结构调整创造有 利条件嘲。 现代道路建设的发展越来越依靠先进的筑路施工机械。我国路基、机场等基础设施 的建设以及养护，需要大批高效、优良的施- t 机械。现在是中国公路建设十分关键和重要 的历史时期，其特点是社会急需，目标明确，资金较足，必将是中国公路大发展的黄金阶 段。这一时期繁重的公路建设任务必须使用大量先进的筑养路机械，实现机械化施工才能 完成。因此该时期也是中国筑路机械产品与技术发展的有利时机。 1 2 压路机的发展历程口 1 压路机的发展经历了漫长的时期。最先出现的压路机是光轮和羊角碾压路机。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于2 0 世纪初期， 随后出现的是轮胎压路机。 上述压路机都是静作用压路机。压实的机理是滚压( 图1 1 ) 。用具有一定重量m 的滚 轮慢速滚过料层，用静压力使被压层获得永久残留变形h 。随着碾压次数的增多，材料的 密实度增加，而永久残留变形减小；最后实际残留变形等于零。为了进一步提高被压实材 料的密实度，必须用较重的滚轮来滚压。滚压的特点是：循环延续时间长，材料的应力状 态变换速度不大，但应力较大。为了增加压实效果在相当眭的时间内主要依靠增加压路 机的重量来实现。在2 0 世纪中期，大吨位的轮胎压路机曾广泛应用在飞机场、道路和堤坝 同济大学申请硕一l 学位论文 的建筑中。 图1 1 静作用压路机压实原理 图12 振动压路机压实原理 振动压实技术和振动压实机械的出现是压实机械发展过程中一个划时代的革命。压实 的机理也从单纯的滚压，发展到振动压实， 即利用固定在质量为m 的物体上的振动器所 产生的高频振动传给被压材料，使其发出接近自身固有振动频率的振动( 图1 2 ) 。这样， 材料就具有很大的流动性，使颗粒靠近，密实度增加，把材料压实。振动压实的特点是： 表面应力不大，过程时间短、加载频率大。可广泛用于粘性小的材料。如：砂土、水泥混 凝土混合料。自从提出振动压实的概念后，压实效果的增长不再简单地依靠重量或线压力 的增大。因此振动压路机的体积、重量范围很宽，适用范围十分广泛。第一台振动压路机 出现在2 0 世纪4 0 年代，而在5 0 年代大量投放市场。到了2 0 世纪6 0 年代末至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有6 0 以上的份额，成为生产压实机械厂 商的主要产品。 与静作用压路机相比，振动压路机具有以下主要的性能特点： ( 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，稳定 性好。 ( 2 ) 振动压路机的生产效率高。当所要求的压实度相同时，压实遍数少。 ( 3 ) 压实沥青混凝士面层时，由于振动作用可使面层的沥青材料与其他集料充分渗透、 糅合，因此路面耐磨性好返修率低。 ( 4 ) 在压实效果相同的情况下，振动压路机的结构质量为静作用压路机的一半，发动机的 功率可降低3 0 左右。 此外，还有一种采用夯实原理的压路机。在传统的夯实机械如夯实机的基础上，人们 设计制造出冲击式压实机。冲击式压实机是2 0 世纪7 0 至8 0 年代在南非发展起来的。目前， 国外对冲击式压实机的研究已经比较成熟，而这种压实机进入中国市场的时间不过短短j l 年时间。冲击式压实机是利用其非圆的不规则的压实磙子在滚动过程中重心交替上升下降， 从而便压实轮的三段类似凸轮的外廓不断冲击( 夯实) 地面。因为压实轮为近似圆形，所 以它能够连续作业。此外，冲击式压实机的结构比较简单。如图1 3 是冲击式三边压实轮 压路机的外型。 2 同济大学申请硕士学位论文 图13 冲击式三边压实轮压路机 2 0 世纪8 0 年代，出现一种新的振荡压实技术。首先提出这一概念的是瑞典的h t h u m e r 博士。该方法利用两根互成1 8 0 0 的偏心轴来产生按正弦曲线变化的交变转矩，施加于滚轮 上，使它产生一种绕轴心的振荡运动，从而压实路基。 1 3 国内外压路机发展状况 解放以前，我国只有一些压路机的修配工厂，直到1 9 4 0 年大连仿制了我国第一台 蒸汽压路机。1 9 6 1 年列安公路交通大学与西安筑路机械厂联台开发的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。此后，国内陆续研制出了4 5 t ，1 0 t 等不同 吨位的拖式、自行式、铰接式等振动压路机。2 0 世纪后期，随着基础工业零部件的发展， 特别是液压泵、液压马达、振动轮轴承、橡胶减振器的引进生产，使振动压路机的技术水 平和可靠性有了较人的提高。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 有差距。 随着振动压实技术的广泛应用，国外对压实机理的研究也不断深入。新的压实技术和 压实机械的发展将越来越多地依靠压实理论上的新突破，并成为创造原理上全新的压实过 程的强大理论支撑。压实理论的研究将更加带有综合研究的特点，即从工作介质的材料性 能、力学基础、施工工艺以及机械设备的结构、运动学、动力学参数的综合角度来研究压 实机械的作业过程。此外，国外越来越重视把计算机技术集成到压实技术和压实机械中来。 人们更加重视利用计算机进行辅助设计、辅助试验、辅助制造、辅助管理等技术。针对压 实机械行业，国外已有厂家开发出自己的专用软件，如c a d 软件，压实工作的计算机辅 助工程软件等。例如德国b o m a g 公司推出一种名为c a r e 的土方压实机械辅助使用软1 ，i = ， 作为使用压实设备的辅助工具。它可以帮助用户根据压实工程的工作量、现场条件、材料 特性、葡氏压实曲线以及所要求的压实度来选择该公司的三种压实机械配置方案，对每种 方案均可提供对各使用参数的选用建议。 理论和技术的发展，将推动压路机向自动化、智能化的方向发展。而其基础是压实系 j 刊济大学申请硕一l 学位论文 统理论和实践的不断完善和发展。 1 4 本论文的目的和工作内容 本课题来源于同济大学和无锡太湖拖拉机有限公司的y z s o 5 型手扶式振动压路机合 作开发项目。本论文的目的是，结合该开发项目，研究振动压路机的关键系统振动压 实系统。通过对振动压实系统的研究，巩吲振动压路机的设计、开发的理论基础。本论文 的主要工作内容是：手扶式振动压路机的总体方案设计；研究振动压实原理，建立振动压 实模型；在此基础上，利用计算机技术对压实振动系统进行仿真和优化；最后对振动轴进 行优化设计。 4 同济大学申请硕士学位论文 2 土的性质 压路机的工作主要是压实路基、建筑基础等，其压实对象有土壤、砂石和沥青混合料 等。其中，对土及 二基稳定材料的压实是具有代表性的压实作业。对土的压实的研究成果 可以方便地应用到其他压实对象上。因此，士的压实研究，是研究振动压实技术的基础。 2 1 土及其分类 土壤是地壳表层的岩石，经过风化、剥蚀、 。土的结构可分为三种基奉类型：单粒结构、 成的集合体它具有与其他材料不同的特性： 搬运、沉积后所形成的各种疏松的沉积物 蜂窝结构和絮状结构。土是由碎散颗粒组 ( i ) 大的压缩性：因为土的固体颗粒之问存在着大的孔隙，所以在受到外力时，土的孔隙 大大减少，产生压缩性大的特l 生。 ( 2 ) 土颗粒间具有相对移动性：土粒问的联结强度低，抗剪强度差，易产生相对位移。 ( 3 ) 大的透水性：土的l 司体颗粒中存在着孔隙，故具有人的透水性。 土的性质著异很大，分类方法也有所不同，不同部门为_ 程时间的需要可采用各自不 同的分类方法。在此只介绍按压实性能分类的方法，见表21 寰2 1 以压实性偿为标准豹土的分类法 岩石填方和带有大石头盐石块的粒状土 砂和砾石( 粒径小于0 0 6 m m 的材料不到如1 0 讣 a 自好袅配的 b 均匀缎配的 粉芝瓣蝴航球舭 b粉砂和砂质耪土，亚砂土、带土砾石 2 j2 土的压实影响因素及有关概念 压实是通过施加外力使被压实材料提高压实度的过程。在压实过程中，土颗粒产生运 动并重新组台强迫排除积在十颗粒间的空气，粗颗粒土中的水被排出。有效的压实使 得被压实材料的压缩系数大大降低。支承能力提高，减少沉陷。在提高士的压实度的同时， 获得较高的剪切强度。压实后，土的剪切强度大约能提高4 0 ，因而大大提高了被压实材 料的承载能力降低了渗水性。 料的承载能力降低了渗水性。 同济大学申请硕士学位论文 2 土的性质 压路机的工作主要是压实路基、建筑基础等，其压实对象有土壤、砂石和沥青混合料 等。其中，对土及士基稳定材料的压实是具有代表性的压实作业。对土的压实的研究成果 可以方便地应用到其他压实对象上。因此，士的压实研究，是研究振动压实技术的基础。 2 1 土及其分类 土壤是地壳表层的岩石，经过风化、剥蚀、 。土的结构可分为三种基本类型；单粒结构、 成的集合体，它具有与其他材料不同的特性： 搬运、沉积后所形成的各种疏松的沉积物 蜂窝结构和絮状结构。土是由碎散颗粒组 ( 1 ) 大的压缩性：因为土的固体颗粒之问存在着大的孔隙，所以在受到外力时，土的孔隙 大大减少，产生压缩性大的特性。 ( 2 ) 土颗粒间具有相对移动性：土粒问的联结强度低，抗剪强度差，易产生相对位移。 ( 3 ) 大的透水性：土的固体颗粒中存在着孔隙，故具有大的透水性。 土的性质差异很大，分类方法也有所不同不同部门为_ 程时间的需要可采用各自不 同的分类方法。在此只介绍按压实性能分类的方法，见表2 1 表2 , 1 以压实性能为标准的土的分类法 岩石填方和带有太石头及石块的粒状上 砂和砾石( 粒径小于0 0 6 r a m 的材料不到如i o ) a 良好级配的 b 均匀级配的 粉砂，糟质砂土 a 粉质砂、粉质砾石、冰溃土 b粉砂和砂质粉土、亚砂土、带土砾石 2 ：2 土的压实影响因素及有关概念 压实是通过施加外力使被压实材料提高压实度的过程。在压实过程中，土颗粒产生运 动并重新组合，强迫排除积在土颗粒间的空气，粗颗粒土中的水被排出。有效的压实，使 得被压实材料的压缩系数太大降低，支承能力提高，减少沉陷。在提高土的压实度的同时， 获得较高的剪切强度。压实后，土的剪切强度大约能提高4 0 ，因而大大提高了被压实材 料的承载能力，降低了渗水性。 济人学中诲懒j 学位论义 土的粒径级配是影响压实效果的重要因素之一。只含有一种粒径的材料，用现有的乐 实方法无法提高其压实效果。为了达到高的压实度，必须用小颗粒填料填满被压实材料人 颗粒间的空隙。这就说明，为了达到理想的压实效果，必须合理选择士的粒径组合。一般 来说，均匀级配是好的级配。所谓均匀级配，即不同粒径的材料按照一定的比例均匀的混 合，以达到理想的压实效果。对于均匀级配，重要的参数是级配均匀系数c 。1 7 j ： c u = d 6 0 d l o 式中，d 6 0 和d l o 分别表示级配曲线中与纵坐标6 0 和1 0 相对应的粒径值。好的级配 土，其均匀系数c 。 5 。在这种情况下，大颗粒土之间的空隙被小的颗粒+ 填充。 此外，土的含水量的不同，也会影响压实效果。被压实士的最佳含水量是用葡氏 ( p r o c t o r ) 试验测定的。其试验方法是将土样配成不同的含水量，在标准击实仪上击实， 然后测出相应含水量的干容重，在直角坐标上绘出含水量与干容重之间的关系曲线( 图 2 1 ) 。该曲线被称为击实曲线。击实曲线上千容重最大的点相对应的含水量值为最佳含水 量。 最 磬 埘 静 h - 含水量增加 图2 1 干密度与含水量的关系 含水量低时，土中颗粒间的摩擦力和内聚力抗拒压实。含水量高，材料易被压实。当 含水量上升到最佳含水量附近时，土逐渐变成容易压在一起。然而，压实具有低渗透性的 土，提高含水量，压实度会降低，其击实曲线下斜。 另外，压实 ：艺中的碾压遍数也影响压实度。路基施工时，首先需要确定每层填土的 厚度及压路机的碾压遍数，以保证要求的密实度。压路机的碾压遍数对路基土和路面材料 的密实度的影响由碾压遍数与土和集料的干密度间的关系所决定。由图2 2 所示碾压遍数 对土和集料干密度影响示意图来看，用同一种压路机对同一种材料进行碾压时，对增加材 料干密度影响很大的是最初的数次碾压，碾压遍数继续增加，干密度的增长率逐步减小， 在碾压遍数超过一定值后，干密度趋向稳定，不再增加。 图22 压实度与压实遍数的关系 6 阿济大学申请碗i ：学位论文 施工过程中进行路基压实工作，受到种种条件限制，不可能达到室内试验的最高标准， 因而不应用室内试验所得的土的最大密实度6o 作为路基压实的控制标准，而应根据实际需 要与可能，适当降低要求，拟定路基压实标准。目前公路路基填土的压实标准，是采用压 实度6 作为控制标准。实验室中，用葡氏试验法测得最佳含水量及相应的最大干容重6 。， 现场压实作业过程中测得实际干容重6d s 。后者与前者的比值，被称为压实度6 1 7 1 o 6 = 6 d s ，6 一1 0 0 对给定的工程，规定最低压实度要求，如9 5 ，则6 9 5 为合格。 压实度是压实程度的标志，是检验压实效果所普遍采用的检测方法之一。 2 3 土的振动压实理论概述 对于振动压实，从理论上分析，大致分为三种学说： ( 1 ) 的共振学说 该学说的出发点在于根据物理学原理，如果被压实土的固有频率和激振机构振动频 率一致，则振动压实能得到最好的效果。实践证明，共振效果是显著的。然而由于被压实 材料的多样性，其固有频率也是变化的。因此。要求激振器的频率做相应的变化是困难的。 ( 2 ) 反复载荷学说 该学说认为，材料是由于振动所产生的周期性压缩运动的作用，从而达到振动压实的 效果。在低频范围内，它具有一定的现实性。而在高频范围内( 1 0 0 0 h z ) ，并无充足的理 论依据。有实验表明。在高频范围内，振动作用的效果远远超过反复载荷作用的效果。 ( 3 ) 内摩擦减小学说”“ 土的内摩擦因振动而急剧减小，使剪切强度下降到只要 _ l d 的负荷就能很容易地进行 压实，为此就需要使压轮在振动过程中始终保持着和土的接触，即土的振动频率、振幅和 压轮的频率、振幅保持相同，能得到最好的压实效果。在这种情况下，振动压轮传递给十 的纯粹是振动能量。为了使压轮达口这样一种工作状态，就必须使振幅很小，使压轮不脱 离地面。实验表明，由于振动作用粗砂的抗剪阻力减小到原来的几十分之一：粘性土壤 在振动加速度很大时，内摩擦显著减小；沥青混合料的内摩擦大约减少到1 ，5 以下。 在实际压实过程中，压实效果是由多种效应共同作用的结果。振动压路机在作业时， 振动轮工作，形成对地面的往复冲击。由此产生多个冲击波。冲击波在被压实材料内向纵 深扩散和传播。随着振动轮不断振动，冲击波也不断产生和持续扩散。被压实材料的颗粒 也因此产生不断运动，其间的摩擦力也由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态。同时， 材料中的水分产生离析作用，使材料颗粒的外层包围一层水膜，形成了颗粒运动的润滑剂， 大大减小了摩擦阻力。同时振动压路机的工作频率也是影响土颗粒运动状态的重要参数。 当工作频率u 靠近土的固有频率时，土的颗粒运动加速度提高，其内摩擦阻力急剧下降， 土的颗粒之间的相互填充作用加强。 7 同济人学申请硕，l 学位论文 3y z s 0 5 型手扶式振动压路机总体方案设计 3 1 技术指标 y z s 0 5 手扶式振动压路机的性能要求是：轻便、灵活且操作简便，适合压实沙士、砾 石、土壤和沥青，效率高。主要用于道路、人行道、桥梁及停车场上的维修保养。 y z s 0 5 手扶式振动压路机应达到的具体技术指标列于表3 1 。并要求操作方便、安全 可靠、经济实用、维护保养方便、整机重量轻，适用于沙子、砾石、土块、沥青、柏油等 材料的压实，用于道路、桥梁、建筑等作业场地。 表3 1y z $ 0 5 手扶式振动压路机应达到的技术指标 工作质量( k g ) 2 6 0 0 爬坡能力( o ) 2 0 3 2 振动形式的选择 任何振动压路机都装有振动器。当振动压路机工作时，振动器产生引起振动的干扰力。 在干扰力的作用下，振动压路机的工作部件( 振动轮) 产生具有一定振幅和频率的振动。 这就是振动压路机在原理上和静作用压路机的根本区别。根据振动器安装形式的差异，振 动压路机有如下几种形式： ( 1 ) 垂直振动压路机 垂直振动压路机具有在两个垂直平面上对称布置的振动器。这两个振动器的偏心块转 速相等但方向相反。当振动轴带动偏心块高速旋转时，两个偏心块产生的离心力的水平分 量相互抵消，垂直分量相互叠加，从而形成了纯垂宜方向的干扰力。这种振动压路机的结 构较为复杂，在实际压实作业中没有突出的优越性。图3 1 为一种垂直振动压路机的外观 简图。 图3 1 垂直振动压路机 8 同济大学申请硕十学位论文 ( 2 ) 摆振式振动压路机 摆振式振动压路机( 图3 2 ) 在工作时呈摆动状态。因而在任何一个工作瞬时，振动 压路机总保持一个振动轮接触地面。如图所示，摆振式振动压路机在前后轮各有一个振动 器，其相位差为1 8 0 0 ，即一只振动器离心力向上时，另一只的离心力向下。所以理论上总 保持一个振动轮跳离地面，使整机除了振动特性外，还具有前后摆动的特点，故称摆振式 振动压路机。其工作特性是，在相同质量的情况下，得到较高的线压力和冲击能量。 图3 2 摆振式振动压路机 ( 3 ) 外振式振动压路机 外振式振动压路机具有两层机架，即上机架和下机架。振动器安装在下机架上，当振 动轮带动偏心块高速旋转时，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 路机的结构简单，便于维修保养。其外形简图见图3 3 。 豳3 , 3 外振式振动压路机 j 图3 4 内振式振动压路机 ( 4 ) 内振式振动压路机 内振式振动压路机( 图3 4 ) 的振动器安装在振动轴上，同时振动轴也是振动轮的回 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振动器安装在振动轮中，故称为内振 式振动压路机。内振式振动压路机的结构紧凑，操作使用简便安全，特别适用于道路养护。 因此，本设计产品的振动系统采用内振式结构。 9 嗣济大学申请硕l 学位论文 3 3 振动压路机工作参数 振动压路机振动系统设计的关键就是合理选择一组振动与工作参数，来降低被压实材 料的内部阻力，实现用较少的能量消耗获得较高的压实效果。振动压路机的主要参数分述 如下： ( 1 ) 静重和线压力 静重是指机架和振动轮的重量之和。振动压路机的其他参数不变时，施加于被压实材 料的静态和动态压力与静重成正比。此外，经试验证明，振动压路机的影响深度大致与振 动轮的重量成正比关系，因此单位轮宽上的静压力是很重要的参数。 ( 2 ) 频率和振幅 振动压路机的频率和振幅对压实效果的影响很大。振动频率和振幅都有一定的适宜范 围，由于土质的多样性应视具体作业情况而定。瑞典d y n a p a c 公司根据试验得出的压实 效果与振动频率、振幅之间关系的曲线，如图3 5 所示。由图可见，如果在整个频率范围 内增大振幅，将会使压实效果和影响深度显著提高。 眯 较 林 出 振动频率h z 图3 5 压实效果与频率、振幅问的正常关系 压实度和振动工作参数之间的关系如下： e = ，( 只) + ( 丝) v 式中e 压实度 p 厂振动压路机振动轮的线载荷 a 振动压路机工作振幅 m 振动压路机工作频率 v 振动压路机的工作速度 3 4y z s 0 5 型手扶式振动压路机工作原理 作为工程机械y z s 0 5 型手扶式振动压路机的工作环境比较恶劣。在总体方案设计 1 0 州济大学申请硕j ：学位论义 时，尽量使压路机结构简单，使其具有高的稳定性和可靠性，并且装配、拆卸方便，减少 管理、保养和维护费用“。 y z s o 5 型手扶式振动压路机由发动机、机械液压传动系统、控制系统、单钢轮( 振 动轮又是行走驱动轮) 、机架等组成。机械液压传动系统包括机械振动系统和由闭式油泵马 达组合集成装置及减速器等组成的液压行走驱动系统( 见图3 6 ) 。压路机工作时，发动机 的动力，经联轴器传递。一路通过离合器，经离合器皮带轮，带动振动轴及轴上两个偏心 块高速旋转并产生离心力，使单钢轮产生圆周振动；其振动频率与振幅可通过改变发动机 转速进行调节。另一路经同步齿形带轮，带动传送器，经传送器轴三角皮带轮传动，带动 减速器( 小齿轮经中间齿轮带动大齿轮，大齿轮端面与振动轮隔板连接) 实现压路机的行 走驱动和无级变速及前进、后退。振动压路机的振动轴旋转方向和单钢轮的滚动方向一致， 在结构上较合理，并有利于提高压实质量【1 5 】【”】。此外在压路机的外型和操纵部件的设计上， 考虑了操作者操作的舒适性j 。 压路机进行压实作业时，单钢轮对地面每冲击一次，在被压实材料中就产生一个冲击 波，从而加速压实过程。由于对压路机的振动及工作参数进行了合理选择，所以能够有效 的降低被压实材料的内部阻力，用较少的能量获得较好的压实效果。y z s o 5 型手扶式振动 压路机的结构总图见附录。 盘动机即步齿烈带传进器度 轮盟蒂乾 壹l 掰锕乾僵心块 图3 6y z s o 5 型手扶式振动压路机原理图 济火学申请硕l 学位论文 4 振动压实系统的数学模型 为了分析振动压路机的振动工作过程，应在充分了解振动压实机理的基础上，将被压 实材料和压实工具即振动压路机组成的振动系统，采用质点动力学的方法i l ”，进行必要的 简化，建立数学模型。建立数学模型后，可以进行以卜工作： ( 1 ) 分析振动系统的动态响应为振动压路机的振动参数的选择和优化设计打下基础。 ( 2 ) 预测己知参数的振动压路机在不同工况下的动态响应，为修改设计提供依据 ( 3 ) 为仿真软件的编制打下基础，合理的数学模型是仿真软件进行分析处理的核心。 ( 4 ) 为振动压路机减振系统的设计提供指导。 振动压路机压实力学在过去几十年闯，一直是振动压路机发展研究的主要课题。首先 要研究土壤一压路机相互作用的动力学理论，建立合理的数学物理模型及经过大量试 验来验证理论的合理性和适用性。e t s i l e g 和t s y o o 提出的二自由度、线性、集中参数、 弹簧阻尼系统所描述的土壤压路机系统数学模型及其试验结果集中反映了这一方 面的成果。它对振动压路机动力学参数的选择，各参数对振动压路性能的影响以及合理评 价振动压路机性能提供了理论和实践上的贡献。本文根据这一思路，参照有关文献，建立 二自由度强迫振动数学模型，并以此为基础编制了振动压路机的计算机仿真优化软件。 4 1 振动分析 理论上，振动压路机有6 个或以上的自由度。采用6 个自由度或以上的振动系统模型， 看起来精度很高。然而由于土的随机性和数学处理及简化的局限性，将使理论上精度很高 的多自由度数学模型失去精度意义，并且使计算工作变得十分复杂。 本研究的重点在于分析被压实材料和压路机在垂直方向上的振动关系，因此不考虑振 动系统在水平方向的运动和转动方向的自由度。 振动压路机振动系统模型建立的难点之一是，如何确定土的性质和参数。目前普遍把 土作为有弹性和阻尼的物体将其简化为一个弹簧和阻尼器。而这是不够的。本研究考虑， 土在振动系统中，起作用的不仅是弹性和阻尼。由于土和振动压路机一起振动，一部分十 的质量也应计算在内。根据有关文献，将被振实的土壤分为接触区域和周围弹性状态区域， 在一定的振动压路机工作参数下接触区域的范围即可确定，此范围的土壤质量即为随振 土体质量。因此，应将适当的土的质量作为附加质量，加入振动系统模型，以使模型更加 符合实际情况。此外，许多研究者假设土和振动压路机总是一起振动的。即土和压路机的 振动轮总是接触的。这也往往不符合实际情况。当激振力较小时，土层和压路机总是紧密 接触的；当激振力等于压路机的重量或略高与压路机重量时，也可以近似看作土层和压路 机紧密接触，由此而建立的振动模型误差不会太大；然而当激振力远大于压路机重量时， 则必须考虑跳振的现象，即压路机跳离十层的情况。 如前所述，尽管振动压路机的形状各异，但针对振动压实系统来说，压路机的振动结 构可以分为振动轮( 下车) 和上车，中间用减振器鞋接。所以可将振动系统看作为一个“压 1 2 间济大学申请硕士学位论文 路机土”的两自由度数学模型。该数学模型参数和条件必要的假设为： ( 1 ) 在模型中，假设土是具有一定刚度和质量的弹性体。其刚度为k 2 ，阻尼为c 2 ，阻尼 为线形阻尼( 所谓线形阻尼，即阻尼力与运动速度成正比) 。 ( 2 ) 振动压路机的上、f 车的质量简化为具有一定质量的集中质量块。上车为m l ，下车 为m 2 。 ( 3 ) 工作对象土层的一部分随着压路机一起振动，可以将这一部分简化为附加质量。 ( 4 ) 振动轮质心及偏心质量等结构特征对称于振动压路机的纵向轴线，振动轮一土壤系统 因此可简化成平面振动模型。 ( 5 ) 振动轮与前机架间橡胶减震器及被振实土壤被表征为弹簧和阻尼的多自由度系统时， 弹簧和阻尼均认为是无质量的。 ( 6 ) 由振动轮内偏心块圆周运动所产生的圆周力只以其垂直方向的分量作用到模型上，试 验证明，振动轮振动的水平分量几乎全部通过与被压实材料表面之间的相互滑动而被分散 掉，并没有传至土壤中。 4 2 1 无跳振时的数学模型 4 2 数学模型 对于大多数大吨位的振动压路机，或者小型振动压路机( 如手扶式) 振动压路机的激 振频率较低时，振动压实时振动轮紧贴地面，没有产生跳振的现象。 按照二自由度的振动模型，选择模型中各单元体静平衡位置为坐标原点，建立图4 1 所 示坐标系。其中f 。为压实力f ，的反作用力。f 。是振动轮“2 对随振土体“3 的作用力。 振动系统数学模型简图见图4 1 。 圈4 1 压路机振动系统数学模型 m l 一上车质量；m 2 一下车质量：m 厂一附加土质量：k 厂一减振器剐度：k 厂土的刚度ic l 一减振器阻尼；c 2 _ _ 土的阻尼 f 一澈振力 f 广- 土层的反忭用力；f 。一下车对随振土屠压力；x i 一上车位移：。r 一下车位移 1 3 旦芝查堂生堕堡主兰垡堡苎 一一 对该两自由度的振动系统，对每个质量应用牛顿第二定律，可导出该系统的运动 方程式( 见图4 2 ) 1 7 1 ： k ，( 2 v d ) 图4 2 振动系统分离体非目5 振受力图 m 】+ q x l 十k 1 一c i 石2 一k i x 2 ；0 m 2x 2 + k 1 ( x 2 一x 1 ) + c i ( x 2 一x 1 ) + k 2 x 2 + c 2x 2 = f ( 4 - 1 ) 为简明起见，y y j 呈( 4 一1 ) 用矩阵形式表示： 苫，。：1 。f x x ：1 1 + 三。c - 。+ c c i ： ! ： + 盖，k - 。+ k 芷1 ： ： = i o l 。：， 由于激振力f 是正弦函数，所以可以用阻抗分析法解方程( 4 - 2 ) ，得到上车振幅和下车振 幅。 设f = f o s i n t ，则x = x s i n ( 5 0 t - c o ) ，采用向量表示法，则： f = f e i “ x = x e o “ 方程组( 4 - 2 ) 可转化为 卜国焉_1-魂k,-j+o)(71+：图=iok j c o c k 1 km j o ) ( c 1c ) j l x l i l + 2 一22 +2 2 j j 解方程组可得 聊 粤簪 j ( 4 3 ) 1 4 堕 j 叫济人学申请硕j ：学位论文 其中 i 一上车振幅； 夏- - t 辅； f 一激振力幅值； a = m l m 2 4 一m 2 k l 2 一所l k 2 2 一c i c 2 甜2 + k l k 2 一m i k l 国2 b = k 2 c l + k l c 2 一聊2 c l 国3 一m 1 c 2 3 一m l c l 国3 为简化方程，忽略系统中阻尼对振动系统固有频率的影响。由方程组( 4 3 ) ，可得系 统的无阻尼状态下频率方程： ) ：ik j - - & ，0 ，2 m l k l - k 1 ，i ：0 k l + k 2 一2 m 2 j 解方程( 4 - 4 ) ，可得系统的一阶和二阶固有频率 旷陲2 m ! 巫t m 2 - j 12 l 1 sk：=f巫2mlm2丫)2mm z 。 其中 a = 棚2 k l + 坍i k 2 + 卅l k l ； b = ( m 2 k l + m + k i ) 2 = a 2 ； c = 4 m l m 2 k 1 k 2 此外，土层反作用力的计算公式为 只= 【( k 2 2 2 ) 2 + ( c 2x 2 ) 2 2 若忽略土层阻尼，可得土层反作用力幅值为： 只= k 2 x 2 以r r 表示激振力对地面作用力的有效率，则 耻争 ( 4 4 ) 周济大学申请硕士学位论文 4 2 2 有跳振现象时的数学模型i ”1 当激振力幅值超过压路机重最时，将产生跳振，此时应考虑振动轮和土层的复杂关系。 当f p o 时，为振动轮加载阶段，此时应将m 3 及m 2 一起进行动力分析，分析方法与激振力幅 值小于压路机重量时相同；而当f 。= o 时，为振动轮跳跃阶段，随振士体m 3 脱离振动系统， 模型应分成上、下不相连的两部分进行分析。 ( 1 ) f 户。时，分析方法同1 ，结果见式( 4 - 3 ) 和( 4 - 5 ) 。 ( 2 ) f v = o 时，振动压路机的上下车质量受力图见图4 , 3 ，可得振动方程为 1 0 1 曼 主 + 品- c c i 工x ：i + j 麓- a m m l 口 【m l + m 2 r 。 k 1 。 1 k 。 k 其中，k l m i 。减振器刚度值下限 k 一减振器刚度值上限 综合式( 5 1 ) ，式( 5 - 2 ) 和式( 5 - 3 ) 可得参数优化的数学模型为 f ( k 1 ，m l ，m 2 ) 斗m i n ( 5 - 3 ) 同济大学申请硕l 学位论文 s t m l + 研2 一m m “0 m m l n 一珊i m 2 0 一m t r 。s o m ， r 。一堕0 m 蜀一k 1 0 蜀m m k l 0 或简写成 厂( x ) 斗r a i n s t g ，( x ) 0 ( j = l ，2 ，6 ) 5 5 3 参数优化所采用的数学方法 ( 5 - 4 ) 由式( 5 - 4 ) 可以看出，该参数优化的数学模型是一个约束优化设计过程。根据求解 方式的不同，可以分为直接解法和间接解法。直接解法的基本思路是在m 个不等式约束条 件所确定的可行域内，选择一个初始点x ”，然后决定可行搜索方向d ，沿该方向进行搜索 得到一个使目标函数值下降的可行的新点x 1 ，即完成一次迭代。再以新点为起点，重复上 述搜索过程，满足收敛条件后，迭代终止。间接解法的基本思路是，将约束优化问题中的 约束函数进行特殊的加权处理后，和目标函数结合起来，构成一个新的目标函数，即将原 约束优化问题转化成为一个或一系列的无约束优化问题，再对新的目标函数进行无约束优 化计算，从而间接地搜索到原约束问题的最优解。 间接解法是目前在机械优化设计中得到广泛应用的一种有效方法。由于无约束优化方 法的研究日趋成熟，使得间接解法有了可靠的基础。因此程序采用间接解法中使用很广泛、 很有效的惩罚函数法中的内点惩罚函数法( 内点法) j 。利用内点法将约束优化问题转化 为无约束