（机械设计及理论专业论文）落锤式弯沉仪荷载发生装置关键技术研究.pdf

摘要针对国内落锤式弯沉仪( f w d ) 市场基本被国外f w d 弯沉仪垄断，而国内设计生产的同类产品性能不高的情况，特别是作为模拟汽车载荷对路面施加瞬时冲击作用的荷载发生装置同国外同类产品相比，方便性、快速性、安全性及模拟实际情况施加动态荷载等方面还有待提高。本文设计了f w d 荷载发生装置，建立了虚拟样机模型，还对实际的样机进行了调试运行，并针对样机调试过程中出现的问题，有目的地进行了动力学模型数学模拟计算分析和研究，通过计算数据和分析结果改善了样机设计。在确定了结构方案后，本文建立了f w d 荷载发生装置主要工作部分的三维虚拟样机模型，对模型进行了虚拟装配。参考虚拟样机的装配，本文在原设计的基础上，改进了落锤提升油缸的进出油口和配重块的结构设计，方便了f w d 荷载发生装置的加工和装配，也提高了样机的可靠性。文中建立了落锤一承载系统一路面的数学模型，并利用工具软件进行数学模拟计算，得出了f w d 荷载发生装置工作时的动态响应参数。在此数学模型的基础上，通过改变各参数值，分析了隔振器参数对f w d 荷载发生装置落锤冲击隔振系统性能的影响，也得出了满足f w d 荷载发生装置工作要求的隔振器参数适合的取值范围。在对样机的调试实验中，样机发生了较明显脱离机构动作反应迟钝的现象。本文对脱离机构液压缸建立了数学模型，分析得出由密封圈产生的摩擦力与活塞压力弹簧匹配不合适为脱离机构动作反应迟钝的主要原因。根据计算分析，确定了液压缸模型各参数的合适取值范围，指导了样机设计的改善，并最终解决了脱离机构动作反应迟钝的问题。关键词：f w d 荷载发生装置，虚拟样机，动力学模型a b s t r a c tt h ed o m e s t i cm a r k e to ft h ef a l l i n gw e i g h td e f l e c t o m e t e r ( f w d ) i sc o n t r o l l e db yt h ef o r e i g nt e c h n o l o g y , a n dt h ep e r f o r m a n c eo fd o m e s t i cl i k ep r o d u c t si sb a d ，e s p e c i a l l y , t h el o a do c c u rd e v i c ew h i c hs i m u l a t eh a m m e r i n ga c t i o nt h a tt h el o a do ft h ec a r st ot h er o a ds u r f a c es h o u l db ea d v a n c e di ns o m ea s p e c t s ，s u c ha sc o n v e n i e n c e ，r a p i d i t y , s e c u r i t y , t h es i m u l a t i o no fd y n a m i cl o a da n ds oo n s ot h el o a do c c u rd e v i c eo ft h ef 、粕i sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , t h ev i r t u a lm a c h i n ei sc r e a t e d b e s i d e s ，t os o l v et h ep r o b l e m sc o m i n gi n t ob e i n gi nd e b u g g i n gt h ep r o t o t y p e ，d y n a m i cm o d e ls i m u l a t i o na n da n a l y s i sa r ec a r r i e do n a n da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nd a t aa n da n a l y s i sc o n c l u s i o n ，t h ei m p r o v e m e n tf o rm ep r o t o t y p ed e s i g ni sa c h i e v e d a r e rt l l es t r u c t u r es c e n a r i oi sd e t e r m i n e d ，a3 - d i m e n s i o nv i r t u a lm a c h i n eo ft h em a i np o r t i o ni i lt h e1 0 a do c c u rd e v i c ei sc r e a t e da n da s s e m b l e d r e f e r e n c e dt ot h ev i r t u a lm a c h i n ea s s e m b l y , t h ei na n do u tp o r t so ft h el i f t i n gc y l i n d e ra n dt h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h ec o u n t e rw e i g h t e ra r ei m p r o v e d ，w h i c hb r i n gm u c hm o r ec o n v e n i e n c et ot h em a n u f a c t u r ea n da s s e m b l yo ft h ec o m p a c t o ra n da l s oe n h a n c et h er e l i a b i l i t yo ft h ep r o t o t y p e af a l l i n gw e i g h t - c a r r y i n gs y s t e m r o a ds u r f a c em o d e li ss e tu p ，a n dt h er e s p o n d i n gp r o g r a mi sc o m p o s e dw i t hs o f t w a r e ，w h i c hr u na n df i g u r e so u tt h ed y n a m i cr e s p o n d i n gv a l u e so fm ef w dl o a do c c u rd e v i c e sp e r f o r m i n gp a r a m e t e r s t h r o u g hc h a n g i n g 廿l ep 孤砌e t e r s ，v a l u e s ，l i k ei s o l a t i o np a r a m e t e r , i t si n f l u e n c e so nt h es h o c km i t i g a t i o ns y s t e m sp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d ，a n dt h er a t i o n a lr a n g eo fi s o l a t i o np a r a m e t e r , w h i l et h en m n l n gc o n d i t i o n so ft h ef w dl o a do c c u rd e v i c ea r es a t i s f i e d ，i sc o n c l u d e dt o o i nt h ep r o c e s so fd e b u g g i n gt h ep r o t o t y p e ，t h er e f l e c t i o no fd i s e n g a g i n gd e v i c ei so b t u s e am a c h 锄a t i cm o d e lf o rt h ef l u i dc y l i n d e ro fd i s e n g a g i n gd e v i c ei se s t a b l i s h e d a n di ti sc o n c l u d e dt h a tt h ef i i c t i o nf o r c ew h i c hc o m ef o r ml o c kr i n ga n dt h es p r i n gp r e s s u r e 7 s妣o n v e n i e n c ei st h ec a u s eo ft h ep h e n o m e n a o nm eb a s eo fc a l c u l a t i o n ，t h ep r o p e rr a n g ef o rm ep a r a m e t e r so ff l u i dc y l i n d e ri sd e t e r m i n e d t h ec o n c l u s i o ni sr e f e r e n c e dt o1 m p r o v et h ep r o t o t y p ed e s i g n , a n df i n a l l yt h ep r o b l e mo ft h ed i s e n g a g i n gd e v i c e sr e t a r d a t i o ni ss o l v e d k e y w o r d s ：f w dl o a do c c u rd e v i c e ，v i r t u a lm a c h i n e ，d y n a m i cm o d e l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：厥略碉年6 只sb论文知识产权权属声明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)论文作者签名：导师签名：埃吟奄豪年丽泵午枷7 年多月j 日2 7 年6 月5 日长安人学硕士学位论文1 1 引言第一章绪论路面检测与评价是公路建设与管理中的关键性、基础性技术。它不仅对于检验和控制工程质量至关重要，而且决定着路网养护决策的科学化水平，直接影响养护资金分配的合理性【。弯沉是表征公路路基、路面整体强度的重要参数，虽然世界各国测试弯沉的设备和方法有所不同，但对弯沉基本概念的理解是相同的，弯沉定义一般是指路基或路面表面在规定标准车的荷载作用下，轮隙位置产生的总垂直变形值( 总弯沉) 或垂直回弹变形值( 回弹弯沉) ，以0 o l m m 为单位。随着各种高科技技术的发展，弯沉测试技术也在不断改进。从最初的贝克曼梁人工读百分表方法，到当今最先进的高速激光测试弯沉技术，大幅度提高了测试效率，降低了人为因素对测试结果的影响。同时引入了更符合实际行车效应的动态弯沉概念，弯沉测试技术取得了巨大的进步。不同类型的设备测试弯沉的技术原理不同，并具有不同的工作方式。按测试技术原理，可分为静态弯沉和动态弯沉两大类；按工作测试方法，可分为固定采样和行驶采样两类。下面在分析目前使用的代表性的路面弯沉检测设备一贝克曼梁弯沉仪、落锤式弯沉仪基础上，简单讲述其构成、工作原理和特点。1 2 贝克曼梁弯沉仪贝克曼梁弯沉仪是由美国人于1 9 5 3 年发明的，并用于测试路面强度，后来作为补强设计及施工时弯沉检测的手段，在全世界得到了广泛应用。在我国已作为路面设计的标准方法和基本参数，所以具有重要意义。路面弯沉仪可测定总弯沉或回弹弯沉，这在我国均已普遍应用，但由于总弯沉必须用后退法测定，对半刚性基层来说，弯沉影响范围大致在3 5 m ，汽车必须距离测点很远，对驾驶员的技术要求很高，精确测定十分困难。为此，现行规程只列入了被广泛应用的回弹弯沉测定方法。贝克曼梁弯沉仪属于固定采样，静态弯沉类。其使用时间最早，范围最广，技术要求最简单。贝克曼梁弯沉仪是通过简单的杠杆原理进行工作的，以支撑在表架上的百分表读取测试梁后臂端点的位移，进而推算出前臂端点所测出的轮隙处回弹弯沉，第一章绪论测得结果仅为单侧或双侧测点静态弯沉的最大峰值。公路路基路面现场测试规程( j t j 0 5 9 ) 规定了贝克曼梁测试的技术条件和操作规程。贝克曼梁测试的主要仪器包括标准车( 双轴、后轴双侧四轮的载重车，参数应符合表1 i 的要求) 、贝克曼梁弯沉仪( 如图1 1 ) 、百分表、表架和温度计等。国内规定使用的贝克曼梁分为36 m 和5 4 m 两种，其测试梁的前后臂长度比均为2 ：1 。规程中还规定了测试车的后轴标准轴载、轮胎压力及当量圆直径闭。表1 1 测定弯沉用的标准车参数标准轴载等级b z z - 1 0 0b z z 6 0后轴标准轴载p 0 州)l o o l6 性1一侧双轮荷载( i 州)5 0 士053 0 士0 5轮胎充气压力( m p a 、07 0 0 0 505 0 圭o0 5单轮传压面当量圆直径( 锄)2 13 0 - 0 51 95 船05测试范围高速、一级、二级公路二级以下公路轮隙宽度应满足能自由插入弯沉仪侧头的测试要求图i i 贝克曼桨弯沉仪图1 2 为贝克曼粱弯沉仪结构图。该仪器主要有前臂1 、后臂2 、调表螺杆3 、百分表4 、百分表架7 、支座8 、侧头1 0 等零件组成。侧头有各种长度。可根据测点高低调配。前后壁一般用铝合金材料制成，既轻又不易变形，前臂装有测头和水准泡，后臂装有调表螺杆，旋转它可以调整百分表的初读数。支座上装有水准器和三个调平螺母9 、转动调平螺母可以调平弯沉仪，使纵横向保持水平。横向是否水平，可观察设在支座上的水准泡；纵向是否水平可观察弯沉仪前臂上的水准泡。贝克曼梁弯沉仪工作原理：路基或路面在荷载作用下发生下沉时，弯沉仪的a 点向下运动( 见图13 ) ，口点则向上运动，百分表的测杆在外力作用下也产生向上运动，表内指针就产生旋转，当口点读数为l ，杠杆比为2 时，a 点的弯沉值为豇。长安大学硕士学位论文图1 2 贝克曼梁弯沉仪结构图l 一前臂；2 一后臂：3 一调表螺杆；4 一百分表；5 一紧定螺钉：6 一调节螺钉；7 一百分表架：8 一支座；9 调平螺母；l o 一侧头；l l 一螺钉嚣()”下2 。久矿囊赢i i 鞋糟一r碍懈弭图1 3 贝克曼梁弯沉仪工作原理图该设备的优点是仪具结构及操作简单，技术要求低，价格低廉，测试数据为静态弯沉；其缺点是测试准确程度受人为影响大，工作效率低。鉴于以上特点，贝克曼梁弯沉仪适合于低等级公路的施工、日常养护及旧路评价的检测，也可用于高等级公路的施工质量控制。但对于已通车运营的高等级公路，贝克曼梁测试方法存在采样效率低和交通安全等诸多方面的问题，不适合使用【3 】。1 3 落锤式弯沉仪近2 0 年来，无损检测技术由于具有不损害路面的独特优势而在国内外得到了迅速发展，而f w d ( f a l l i n gw e i g h td e f l e c t o r m e t e r ，落锤式弯沉仪) 是目前国际上比较流行的先进路面弯沉无损检测设备。由于其能很好地模拟行车载荷对路面的作用，因而比起其它静态检测技术具有明显优势，再者加上其所测弯沉盆蕴含着丰富的路面结构强度的信息，故f w d 愈来愈受到公路研究者们的重视【4 1 。落锤式弯沉仪产生于2 0 世纪7 0 年代初，其基本形式见图1 4 ，与传统的贝克曼梁测量弯沉相比，具有使用方便、安全、节省人力、模拟实际情况施加动态载荷，适于长距离、连续测定的特点。f w d 是一种脉冲动力弯沉仪，它模拟汽车荷载对路面施加3第一牵绪论瞬时冲击作用，得到路面瞬时变形情况。其测量结果比较精确，且信息量大。一般可记录三方面数据：( 1 ) 落锤点最大弯沉；( 2 ) 以落锤点为中心的弯沉笳曲线；( 3 ) 弯沉盆各点随时日j 变化的时程曲线。罔1 4 蓓锤式弯沉仪在2 0 世纪7 0 、8 0 年代，世界各国公路界对f w d 产生了广泛的兴趣。丹麦和瑞典首先开始研制并应用f w d ，随后美国、英国、日本等幽先后引进并仿制了这种弯沉仪，同时，关于f w d 应用的研究工作大量展开，推动了f w d 的广泛应用。目前已有5 0 多个国家和地区应用了f w d ，除f w d 的制造国外，还有希腊、芬兰、冰岛、葡萄牙、西班牙、土耳其、澳人利亚、荷兰、挪威等国家。目前f w d 弯沉仪的应用已步入了规范化、标准化的阶段，已成为当今路面结构强度无破损检测的常用仪器【1 。在我国，从2 0 世纪8 0 年代中后期从国外引进f w d ，至今已有约二十年时间。在此期间围绕f w d 的开发和应用，进行了大量的理论和试验研究工作，并取得了一些重要成果。我国路基路面现场测试规程( j 珈5 9 ) 中己将f w d 列为弯沉检测设备。落锤式弯沉仪，尤其适合旧路改造前或机场评级的弯沉值测试，其动态弯沉指标对设计非常有用，但目前由于尚未确定动态弯沉与回弹弯沉的相关关系，因此在质量验收或一般性路面使用状况评价时，必须与贝克曼梁做对比试验。应用中遇到的另一个问题是在开放交通的高速公路进行工作时，由于需要经常定点停车，而很难保证人员设备的安全。据悉，国内已经发生过在高速公路上进行落锤弯沉试验工作时，测试设备被高速行驶的车辆撞毁的事故。因此落锤弯沉仪虽然设备技术和测试指标非常先进，但在不封闭交通、高速行车的路段测试，也是具有局限性的。长安大学硕士学位论文1 4 本课题的研究意义当前，随着我国高等级公路建设事业的蓬勃发展，路面检测技术也得到了很大的发展。路面检测技术作为公路建设与管理中的关键性、基础性技术，不仅对于检测和控制工程质量至关重要，而且决定着路网养护决策的科学性，并直接影响到养护资金分配的合理性。显然，检测技术对于评价道路的性价比起着重要作用，因此为了指导公路建设、养护、必须加大对路面检测技术的研究。国内外公路检测仪器也在不断改进，出现了一批高性能、高效率的检测设备和手段，其中落锤式弯沉仪是目前国际上最先进的路面强度无损检测设备之一。f w d 作为弯沉测量设备，其优点是：加载系统能较好地模拟行车载荷作用，且可以进行多级加载；采用计算机自动采集数据，速度快，精度高，特别适合于大规模测试；弯沉盆由一组传感器测定，这使得无损评价多层路面结构成为可能。另外，f w d 不仅克服了梁式弯沉仪的固有缺陷，而且仪器本身重量轻，解决了稳态动弯沉仪的静力欲载问题。f w d 在公路检测中的优越性，主要表现在两个方面：根据弯沉盆反算路面结构各层的模量，研究路面材料在使用过程中的性能变化，提供技术参数；以f w d 的弯沉盆作为指标，评价路面整体强度，为养护管理提供依据【4 l 。目前在美国和西欧等发达国家，f w d 应用十分广泛，取得了非常显著的效果。美国联邦公路局经过分析对比，认为f w d 是较好的路面强度评定的重要设备，并选定f w d 作为实施s h r p 计划时路面评定的重要设备。壳牌石油公司已正式将f w d 列入壳牌路面设计手册【1 】。在我国，f w d 应用也很广泛，我国路基路面现场测试规程( j t 卜咱5 9 ) 中已将f w d 列为弯沉检测设备。从上文可以见得f w d 的市场前景十分看好。目前在国内公路路面强度无损检测中广泛应用的f w d ，主要是进口丹麦、瑞典或者其他国家厂商制造的f w d ，代表性产品主要有三种：丹麦d y n a t c s tf w d 、p h o n i xf w d 、瑞典p a v e t e c h ( k u a b ) f w d ，产品也发展到车载式、拖车式、手持式三种型号。国内也研制和开发了f w d 产品，但是研究起步比较晚，总体性能与国外同类产品相比还是有很大差距。所以国内f w d市场基本被国外企业控制，其产品价格也十分昂贵。随着我国高等级公路建设事业发展，对f w d 需求增加，每年我国需引进大量的国外f w d 。现在我国需要性能卓越、价格适中且拥有我们自己知识产权的f w d 。f w d 由荷载发生装置、弯沉检测装置、运算控制系统与牵引系统等组成。国内f w d5第一章绪论产品的弯沉检测装置、运算控制系统与牵引系统同国外同类产品性能相差不大，或者直接引用国外的商业化产品，如运算控制系统中应用的国际上比较出名的模量反算软件：p a v e r s 、b a r 、e v e r c a l c 、m o d c o m p s 等【5 】；而作为模拟汽车载荷对路面施加瞬时冲击作用的荷载发生装置同国外同类产品相比，方便性、快速性、安全性及模拟实际情况施加动态荷载等方面还有待提高。这也是制约国内f w d 产品发展的瓶颈。因此，本课题对于f w d 的荷载发生装置进行研究和设计，具有非常重要的实际意义和使用价值。1 5 本课题的主要内容由于对国外f w d 荷载发生装置的落锤提升一脱离机构的原理我们只能通过相关产品的外观和实现的功能进行推测，本课题前期对f w d 荷载发生装置的状态进行了深入的分析，构思出我们自己的工作原理，建立数学模型并进行了数学模拟计算。为了验证设计方案和分析理论，设计了f w d 荷载发生装置样机。在前期的理论分析和数学模拟计算结果的基础上，着手进行样机设计和参数优化，并对加工的样机进行现场调试，使其具备一定的可靠性，针对调试过程出现的问题，采用模型分析和实际调整的方法对f w d 荷载发生装置的结构加以改进。具体工作如下：( 1 ) 确定f w d 荷载发生装置的设计方案，并进一步完善选定的设计方案；( 2 ) 确定f w d 荷载发生装置样机的重要参数，并对受力状态比较复杂的部件进行强度校核，计算选择液压系统应用的元件；( 3 ) 用三维软件对f w d 荷载发生装置建模，以便后期更改设计，以及更好地在设计中贯彻“设计方便加工 和“设计方便装配的思想，并计算样机的各种物理特性值，作为数学模拟计算分析的参考值；( 4 ) 对f w d 荷载发生装置工作过程进行进一步的分析，针对样机设计方案，进一步进行数学模拟计算分析；( 5 ) 针对调试过程出现的问题，采用力学理论以及三维模型提供的参考值结合实际情况进行研究和分析，总结规律以指导设计和实践；( 6 ) 根据分析结果更改设计，确保样机运行的可靠性。本文即是围绕以上内容展开分析研究的。6长安大学硕士学位论文第二章f w d 荷载发生装置的设计2 1f w d 的工作原理简介f w d 通过计算机系统控制液压系统启动落锤装置，使一定质量的落锤从一定高度自由落下，冲击力作用于承载板上并传递到路面，从而对路面施加脉冲载荷，导致路面表面产生瞬时变形，分布于距测点不同距离的传感器检测结构层表面的变形，记录系统将信号传输至计算机，即测定在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盆。测试数据可用于反算路面结构层模量，从而科学地评价路面的承载能力【6 】。f w d 由荷载发生装置、弯沉检测装置、运算控制系统与牵引系统等组成。其结构为【7 】：( 1 ) 荷载发生装置：重锤的质量及落高根据使用目的与道路等级选择，荷载由传感器测定，如无特殊需要，重锤的质量为2 0 0 1 0 k g ，可采用产生5 0 4 - 2 5 k n 的冲击荷载。承载板宜为十字对称分开成4 部分且底部固定有橡胶片的承载板。承载板的直径为3 0 0 m m 。基层7应力。乍用区、，1l l ，l i，、t 1 、路基图2 1 落锤式弯沉仪传感器布置及应力作用状态示例( 2 ) 弯沉检测装置：由一组高精度位移传感器组成，如图2 1 所示，传感器可为差动变压器式位移计( l v d t ) 。自中心开始，承载板沿道路纵向设置，隔开一定距离布设一组传感器，传感器总数可为5 , - - - 7 个，根据需要及设备性能决定。( 3 ) 运算及控制装置：能在冲击荷载作用的瞬间内，记录冲击荷载及各个传感器所在位置测点的动态变形。7第二章f w d 荷载发生装置的设计( 4 ) 牵引装置：牵引f w d 并安装运算及控制装置的车辆。2 2f w d 荷载发生装置的设计方案f w d 荷载发生装置是通过计算机控制下的液压系统提升并释放一落锤，落锤下落时冲击力作用于下面的隔振器，经过缓冲后通过承载板传给地面，对路面施加一个接近半正弦脉冲载荷。f w d 荷载发生装置的功能要求是能较好地模拟行车对路面的荷载作用，且可进行多级加载，使用方便、快速、安全、节省人力。f w d 荷载发生装置主要工作过程：承载板中心位置对准测点，承载板自动落下。而后提升落锤，通过启动落锤装置使得落锤瞬间自由落下，其冲击力作用于承载板上，又立即自动提升至原来位置固定，落锤的质量及落高根据使用目的与道路等级选择。实现此功能的方案有很多，国内外f w d 产品的荷载发生装置以液压传动为主。本课题的荷载发生装置同样采用液压传动，对f w d 荷载发生装置的落锤提升机构的设计、配重的多级加载的实现、缓冲部件( 隔振器) 的选择与安装，承载板设计及液压和机电控制系统进行深入的研究。2 2 1 设计方案一1 功能结构本设计方案根据低空间落锤式自动打桩机【7 】进行设计。该方案( 见图2 2 ) 采用液压传动，主要由承载板、机架、提锤液压缸、重锤、自动挂钩机构、滑轮、接近开关、承载板升降液压缸、挂钩及液压站等组成。f w d 牵引至测定地点，将承载板中心位置对准测点，将仪器打开，进入工作状态。f w d 荷载发生装置开始按下一步工作，通过液压站1 2 操纵液压缸8 ，将承载板1 提起一定高度，打开挂钩1 1 ，而后让液压缸8 下降，承载板落下，同时放下相应的弯沉装黄的各个传感器。其中：承载板1 能沿滑道上下移动；液压缸8 与承载板l 以关节轴承联接，减轻承载板受力不均而出现卡死或较大阻力等情况；挂钩1 1 在f w d 设备为非工作状态时，卡住承载板，使得承载板与地面有一定距离，便于拖挂牵引。重锤4 设计成多块可组装拆卸的配重构成，用人力能够调整重锤的质量，调整机架上的接近开关7 和9 以确定重锤的落高，使得重锤的重量及产生的冲击荷载符合相应的标准。然后通过液压缸3 ，经自动挂钩机构5 ，将重锤4 提升至要求的高度时，装在自动挂钩5 上的位置测量杆逼近装在机架2 上的接近开关7 时发信号，使安装在自动挂钩5 上8长安大学硕士学位论文的电磁铁5 y a 通电以克服弹簧力的作用实现自动挂钩5 与重锤4 自动脱钩，重锤沿着滑道以接近于自由落体运动的速度通过隔振器1 0 对承载板1 进行冲击，与此同时缸3也开始反向运动，使自动挂钩5 也向下运动，由于自动挂钩5 向下运动速度低于重锤4 的准自由落体运动，所以当5 接近4 时，4 已完成冲击运动，并停留在承载板1 的隔振器1 0 上；此刻5 继续向下运动，当5 于4 将要接触时，5 上的测量杆也与装在机架2 上的接近开关9 接近，9 发信号使自动挂钩5 上的电磁铁5 y a 断电，在弹力作用下实现5 与4 自动挂接，并使缸3 再次向上运动，实现再次的提锤运动。接近开关7 和9 可控制重锤自动反复进行冲击，也可由计算机通过液电控制重锤实现单次冲击或其他顺序动作要求。，图2 2 方案一f w d 荷载发生装置的结构示意图1 一承载板：2 一机架；3 一提锤液压缸；4 一重锤；5 一自动挂钩机构：6 一滑轮；7 、9 一接近开关；8 一承载板升降液压缸；l o 一隔振器：1 1 _ 挂钩；1 2 一液压站2 液压系统及其工作原理图2 3 所示为方案一f w d 荷载发生装置的液压系统原理图，系统的执行器为提锤液压缸6 和承载板升降液压缸8 。缸6 和8 合用泵2 供油，泵2 的压力由溢流阀3 设定，缸6 和8 的换向分别由三位四通电磁阀4 和7 控制，液控单向阀5 用于缸6 的平衡，确保在提锤过程中重锤能在任意位置停住。液压系统的主要工作过程及原理如下：f w d 进入待测点，泵2 的压力油使缸6和8 投入工作，电磁铁4 y a 通电，使承载板1 上升，打开挂钩1 1 ( 见图2 2 ) ，当承载板中心位置对准测点，电磁铁3 y a 和4 y a 均不通电，换向阀7 处于中位，利用其9第二章f w d 荷载发生装置的设计y 型中位机能使缸8 处于浮动状态，使承载板落在路面并不受其他外力，以满足落锤冲击承载板传给路面半正弦脉冲荷载。重锤的提升和下落可由计算机控制电磁换向阀4 及自动挂钩机构的电磁铁5 y a 来实现。当自动实现提升及下落重锤时，由装在机架2 上的两个接近开关7 和9 ( 见图2 2 ) 发出电信号控制电磁铁1 y a 或2 y a 的通电状态，以实现缸6 的自动往复运动，落锤高度可由接近开关7 和9 两者之间的距离来确定。图2 3方案一f w d 荷载发生装置液压系统原理图l 一过滤器；2 一液压泵：3 一溢流阀；4 、7 三位四通电磁换向阀；5 一液控单向阀：6 一提锤液压缸；8 承载板升降液压缸本设计方案结构不够紧凑，重锤和承载板所受液压缸传递的力不平衡，要实现他们平动有困难，不能快速、便捷、安全地进行正常的测量工作。同时，加之整体性能并不理想，没有进行样机的设计、制造与分析。2 2 2 设计方案二1 功能结构本设计方案对设计方案一进行优化，同时参考国内外的f w d 产品( 如丹麦的d y n a t e s t8 0 0 0f w d ) 的外观进行设计。该方案( 见图2 4 ) 同样采用液压传动，主要由机架、承载板、落锤、落锤提升油缸、承载板提升油缸、支撑块、隔振器、液压站等组成。1 0长安大学硕士学位论文图2 4 方案二f w d 荷载发生装置的结构示意图l 一机架；2 一承载板；3 一落锤；4 一落锤提升液压机构：5 一承载板提升油缸( 两个) ；6 一支撑块( 两个) ；7 一升降拉杆；8 - 隔振器f w d 牵引至测定地点，将承载板中心位置对准测点，将仪器打开，进入工作状态。f w d 荷载发生装置开始工作，通过液压站操纵两个对称布置的承载板提升油缸5 ，将承载板2 提起一定高度，手动打开两个对称的支撑块6 ，而后让两个承载板提升油缸5下降，承载板2 落下，同时放下相应的弯沉装置的各个传感器。其中：承载板2 与两个副油缸5 通过升降拉杆7 相联接，拉杆与承载板通过螺栓联接，拉杆与副油缸以关节轴承联接，使得两副油缸尽量保持同步运动；承载板上装有导向滑轮组，通过机架上的滑道进行运动，减轻承载板受力不均而出现卡死或较大阻力等情况；两个支撑块6 在f w d 设备为非工作状态时，卡住承载板，使得承载板与地面有一定距离，便于拖挂牵引。落锤3 设计成多块可组装拆卸的配重块构成，用人力能够调整落锤的重量，可通过调整机架上的接近开关以确定落锤的落高，使得落锤的重量及产生的冲击荷载符合相应的标准。然后通过落锤提升液压缸4 ，将落锤3 提升至要求的高度时，通过落锤提升油缸4 活塞杆头部的机械手放开落锤3 ，使得落锤3 以接近于自由落体运动的速度通过隔振器8 对承载板2 进行冲击，与此同时缸4 也开始反向运动，由于缸4向下运动速度低于3 的准自由落体运动，所以当4 接近3 时，3 已完成冲击运动，并第二章f w d 荷载发生装置的设计停留在承载板l 上；此刻4 继续向下运动，4 内部机械手将3 挂接。使缸4 再次向上运动，实现再次的提锤运动。提升与冲击运动可由计算机通过液电控制落锤实现单次冲击或其他顺序动作要求。图2 5 落锤提升液压机构结构原理图l 一承载板：2 一隔振器；3 一落锤；4 一配重块；5 一承载筒：6 一油缸；7 一活塞；8 一提升套；9 一压力弹簧；1 0 一定位套；1 1 一随动套底盘；1 2 一钢球隔圈：1 3 一钢球；1 4 一随动套落锤提升液压机构( 机械手) 的结构( 见图2 5 ) 主要由承载板、隔振器、落锤、配重块、承载筒、油缸、活塞、提升套、压力弹簧、定位套、随动套底盘、钢球隔圈、钢球、随动套等组成。它的工作原理为液压油由油口a 进入，此时p 。- - p l ( 可使活塞上升的油压) 、p b = o ，液压油推动活塞7 上升，活塞7 带动随动套1 4 上升，随动套1 4 与定位套1 0 固联，而活塞7 又推动提升套8 上升，提升套8 通过定位套l o 卡住的钢球1 3 带动承载筒5 上升，承载筒4 就能通过落锤3 带动配重块4 上升，即实现重物提升的功能。当达到一定高度后，油口a 关闭保压，同时油口b 也进行供油，此时p a- - p l ( 保压) 、p b = p 2 ( 可使压力弹簧簧压缩的油压) 液压油由油口b 进入工作腔推动随动套1 4 ，压缩压力弹簧9 ，从而使定位套1 0 上移，钢球1 3 受到承载筒4 上端侧面圆弧沟槽的作用力侧滚，使得承载筒4 带落锤脱离，即实现重物自由落下的功能。液压油继续由油口b 进入，此时使a 口通油箱，即p 。= o 、p b = p 3 ( 推动活塞下降的油压，取p 3 p 2 ；否则进行类似分析) ，液压油推动活塞6 下降，同时液压缸上部机械手( 即1 2长安大学硕士学位论文脱离机构) 也下降，当钢球1 3 接触承载筒顶端时，由于继续受到推力作用，同时受到承载筒5 上端边缘圆弧沟槽的作用力侧滚，钢球1 3 重新卡入承载筒5 上端侧面圆弧沟槽内，此时使p 。- - 0 、p b - - 0 ，压簧9 推动定位套1 0 卡紧承载筒5 ，即实现进行下一次启动的准备功能。如果需要实现其它应急的辅助功能，也可通过控制液压回路实现。例如：不带落锤提升，可使p a = p 4 ( 在油口b 有进油时，即内腔有油压时，可推动活塞的临界油压) 、p b = 1 2 ，即使得承载筒4 脱离提升装置，活塞7 上升。也可实现带落锤下落，这里不作叙述。2 液压系统及其工作原理图2 6 所示为方案二f w d 荷载发生装置的液压系统原理图，系统的执行元件为落锤提升油缸l o ，承载板提升油缸( 2 个) 1 1 。缸l o 和1 1 合用液压泵3 供油，若出现断电等特殊情况可采用手油泵2 供油。溢流阀4 的调定压力为系统所有机构都能正常动作的最高压力；单向阀1 ( 3 个) 用于使液压泵及手油泵正常供油。缸1 0 和1 1 的换向分别由三位四通电磁阀6 和5 控制，机械手即脱离机构的脱离及挂接功能由二位二通电磁阀9 控制，溢流阀8 的调定压力为脱离的压力弹簧正常所需要的压力；双向节流阀7 是为了能有效地控制落锤提升油缸1 0 的顶升和回缩速度，保证系统谐调工作。图2 6 方案二f w d 荷载发生装置液压系统原理图l 一单向阀；2 一手油泵；3 一液压泵；4 一直动溢流阀；5 一g 型电磁换向阀；6 - - p 型电磁换向阀；7 一双向节流阀；8 一直动溢流阀；9 一电磁换向阀；1 0 - - 落锤提升油缸：1 1 一承载板提升油缸；1 2 一直流电机；1 3 一吸油过滤器液压系统的主要工作过程及原理如下：f w d 进入待测点，电机1 2 带动液压泵31 3第二章f w d 荷载发生装置的设计使缸1 0 和1 1 投入工作，电磁铁2 y a 通电，缸1 1 回缩，使承载板2 上升，打开支撑块6 ( 见图2 4 ) ，当承载板中心位置对准测点，电磁铁1 y a 通电，使承载板落在路面，而后电磁铁1 y a 和2 y a 均不通电，承载板静止在路面上。电磁铁3 y a 通电，落锤提升油缸1 0 上升，上升到要求高度后，电磁铁5 y a 通电，机械手动作脱离承载筒，落锤随承载筒准自由下落完成冲击承载板动作，电磁铁4 y a 通电，缸1 0 下降，当机械手与承载筒的挂接后，电磁铁5 y a 断电，机械手挂接承载筒，而后可实现再次的冲击运动。落锤的提升高度可通过行程开关之间的距离来确定，由行程开关发出电信号控制电磁换向阀6 来实现。若要实现其它的顺序动作，如实现脱离后上升，先给电磁铁5 y a 通电，待脱离后，再给电磁铁3 y a 通电，在开始上升以后将电磁铁5 y a 断电。f w d 荷载发生装置的各种运动工况可由计算机控制液压系统的电磁铁动作顺序来实现，这里就不作叙述。本设计方案体积小，结构紧凑、简单，经济性好，机械手的性能能够满足各种工况需求，同时加入手油泵来解决液压泵及电机不能正常工作的突发事件。设计方案整体性能理想，具有可行性，可以实现快速、便捷、安全地进行正常的测量工作，故进行样机的设计、制造与性能分析。2 3 液压系统设计计算由选定的设计方案二，根据液压传动理论【9 1 ，参考液压工程手册【l o 】，对液压系统进行设计。2 3 1 负载分析参考j t j 0 5 9 - - 9 5 公路路基路面现场测试规程及同类产品，根据设计经验，可大体设定落锤提升油缸最大负载为f 1 = 3 0 0 0n ，承载板提升油缸( 2 个) 最大负载为f 2 = 4 0 0 0n 。2 3 2 液压缸主要参数的确定1 落锤提升油缸由最大负载为e l = 3 0 0 0n ，并设定起升时间为t = 1 0s ，行程l 1 = 4 0 0i 1 i 1 ，按g b 2 3 4 8- - 8 0 选取液压缸直径标准值时得：油缸内径d - - 5 0i i l l n 。由此求得液压缸有效面积为：么= z ) 2 4 = 1 9 6 3m n l 2 。1 4长安大学硕士学位论文根据上述各值，可估算配重提升油缸的压力和流量：落锤提升压力p l = f a = 1 5 2 8m p a 、落锤提升流量q l = a l l t - - 7 8 5 2 0 舢m 3 s = 4 7 1l m i n 。2 承载板提升油缸由最大负载为f 2 = 4 0 0 0n ，并设定起升时间为t - - 1 0s ，行程l 2 = 2 5 0r a i n ，按g b 2 3 4 8 - - 8 0 选取液压缸直径标准值时得：油缸内径d - - 4 01 t i i i i 、活塞杆直径d = 2 5m i l 。求得油缸无杆腔有效面积为a l = 兀9 2 4 = 1 2 5 7m m 2 、有杆腔有效面积为a 2 = ( 萨a a ) 4 = 7 6 6 彻砰。经检验，活塞杆的强度和稳定性均符合要求。根据上述各值，可估算承载板提升油缸所最大压力和流量：压力p 2 - - f 2 彳2 - - 2 6 1 1m p a 、流量q 2 = 2 a l l 2 t = 6 2 8 5 0i l l m 3 s = 3 7 7 u m i n 。2 3 3 液压元件的选择1 液压泵液压泵在整个工作循环中的最大工作压力为p = p 2 = 2 6 11m p a ，液压泵应向液压缸提供的最大流量为4 7 1l m i n ，同时考虑进回油路总压力损失及回路中的泄漏流量，液压泵的流量规格应为5 5l m i n ，最大工作压力规格应为6m - p a 。根据以上压力和流量的数值查阅产品目录，最后确定选取y b l 4 叶片泵，其参数为：排量4m 、额定压力6 3m p a 、额定转速刀。h l = 1 4 5 0r m i n 。在叶片泵在额定状态下运行功率最大，此时相当于液压泵输出压力为6 3 m p a 、流量为q = g ，l e h l - - 5 8l m i n 的情况。如取叶片泵的总效率为q v = o 9 ，则液压泵驱动电机所需的功率为p = p q r v - - 0 6 7 7k w 。根据此数值查阅电机产品目录，最后选定1 3 2 s z x 型直流电机，其额定功率为1 1k w 。2 阀类元件及辅助元件根据液压系统的工作压力和通过各个阀类元件和辅助元件的实际流量，可选出这些元件的型号及规格，见表2 1 。3 油管各元件间连接管道的规格按元件接口处尺寸，液压缸进、出油管则按输入、排出的最大流量计算。由于选定液压泵及驱动电机，要重新计算：q m a x - - q n e h 2r l v - - 5 4l m i n = 9 x1 0 5m 3 s1 5第二章f w d 荷载发生装置的设计根据以上数值，当油液茬压力管中流速取5n 1 s 时，按式：d 1 1 3 。亨算得油管内径为d 1 1 3 0 万而= 万= 4 8m i l l按j b 8 2 7 6 6 选用内径1 0l l l l n ，外径1 2n l l t i 的紫铜管为油箱内部及液压泵联接阀体油管；选用内径6n l l i l ，外径8l n l l l 的紫铜管为阀体连接液压缸油管。表2 1 元件的型号及规格序号型号名称数量ly b i - 4叶片泵12d b d h 6 p l o 1 0直动溢流阀13d b d h 6 p 1 0 5直动溢流阀l44 w e 6 g 5 0 ，a g 24 n z 4电磁换向阀l54 w e 6 p 5 0 a g 2 4 n z 4电磁换向阀162 2 e 2 - 2 5 b h电磁换向阀17z 2 f s 6 3 0 s双向节流阀18s 8 a 1 2单向阀391 6 x 8 0 - j吸油过滤器l1 0e f i - 2 5空气滤清器l1 1y w r z 1 0 0 t液位液温计l4 油箱油箱容积按式肛f 估算，当善取7 时，求得其容积v = 7 x 5 4l = 3 7 8l ；按g b 2 8 7 6 8 1 规定，取最靠近的标准值v = 4 0l 。2 4 升降拉杆的设计升降拉杆与承载板提升油缸用关节轴承联接，通过螺栓与承载板相联接，主要承受承载板提升油缸及承载系统的作用力f = 2 0 0 0n ，受力简图如图2 7 所示。图2 7 升降拉杆受力图1 6长安人学硕士学位论文图中可以看出危险截面应在螺栓m 2 0 的截面上。该截面承受承载系统轴向作用力f = 2 0 0 0n ，拉杆承受的弯矩m = 咒= 2 0 0 0 0 0 9 = - 1 8 0n m 。考虑到承载能力将此拉杆做成两部分，而后通过焊接成一整体。2 4 1 升降拉杆的强度校核1 螺栓部分的强度校核由受力简图图2 7 ，可知螺栓部分要承受应力：一、轴向工作载荷作用下的拉应力；二、在工作载荷，所产生弯矩作用下的应力。故要进行拉伸与弯曲组合的强度校核。拉伸与弯曲组合校核公式【9 1 ：o r = 盯l + o r 2 b 】( 2 1 )式中：吼一轴向工作载荷应力；仃，一弯矩作用下的应力；b 】一材料许用应力。( 1 ) 轴向工作载荷作用下的应力螺栓联接情况：预紧联接，承受轴向变载荷，由于拉杆的使用频率不高，不作疲劳强度校核，按最大应力进行强度计算。轴向工作载荷作用下的应力计算公式为：0 ：( 2 2 ) i (