（载运工具运用工程专业论文）基于cosmos的振动压路机振动加速度与压实度关系研究.pdf

摘要 振动压路机的一些重要参数如振动加速度等与压实作业的联系目前是一个 有待研究的问题，本文就此问题做出比较深入的研究与讨论。 本文对压路机，尤其是振动压路机的发展概况与国内外发展趋势，压实过程 的基本原理与工作情况，基本力学原理做了简明扼要的叙述，在此基础上采用三 维建模软件s o l i d w o r k s ，建立了双轮式振动式压路机的实体模型，并且通过带 a d a m s 内核的动力学仿真软件c o s m o s m o t i o n 构建了等效的动力学仿真模型，并 且先采用了三维有限元软件c o s m o s w o r k s 的模态分析模块对主要工作部件振动 压路机的振动轮作了有限元模态分析，验证了其作业的合理性与安全性，以及模 态刚度的可靠性，用c o s m o s m o t i o n 分析了各种工况下的振动压路机的作业工况， 总结出了基于动力学仿真结果的大致合理工况的经验公式，并提取了主要参数振 动加速度、路面刚度k ，找出合理工况下随着路面刚度的变化振动加速度的大致 变化趋势，做出了拟合出曲线图，由此表明振动加速度与土壤刚度之间确实存在 一定的联系。 关键词：振动压路机；力学性能；c o s m o s 有限元；c o s m o s m o t i o n 动力学仿真； 振动加速度； a b s t ra c t v i b r a t o r yc o m p a c t i o no fh o m e w o r k _ r e l a t e dc o n d i t i o n s ，a sw e l l 豳t h em a i n p a r a m e t e r so ft h ev i b r a t o r yr o l l e rv i b r a t i o no fs o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r ss u c ha s a c c e l e r a t i o n ，s u c ha sc o n t a c tw i t ht h ec o m p a c t i o no ft h eh o m e w o r ki sa ni s s u et ob e e x a m i n e d ，t h i sa r t i c l em a d et h i si s s u em o r ei n - d e p t hr e s e a r c ha n dd i s c u s s i o n i nt h i sp a p e r , r o l l e r s ，v i b r a t o r yr o l l e r s ，e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n tt r e n do f d e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d ，c o m p a c t i o np r o c e s sa n dt h ew o r ko ft h eb a s i c p r i n c i p l e s ，t h e b a s i cm e c h a n i c st od oab r i e fd e s c r i p t i o n ，o nt h eb a s i so f t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r es o l i d w o r k s ，s e tu pav i b r a t o r yr o l l e r d o u b l et h es o l i dm o d e l ，a n dt h r o u g ht h ec o r ew i t ha d a m sd y n a m i cs i m u l a t i o n s o f t w a r et ob u i l dt h ee q u i v a l e n tc o s m o s m o t i o nd y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l ，a n d t h ef i r s tu s eo ft h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ec o s m o s w o r k sm o d a l a n a l y s i sm o d u l eo ft h em a i nw o r k i n gp a r t sv i b r a t o r yr o l l e rr o t a t i o no ft h ev i b r a t i o n o ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d a la n a l y s i st ov e r i f yt h er e a s o n a b l e n e s so fi t so p e r a t i o n sa n d s e c u r i t y , a sw e l la st h er e l i a b i l i t yo fm o d a ls t i f f n e s s ，u s i n gav a r i e t yo fc o n d i t i o n s c o s m o s m o t i o na n a l y s i so ft h ev i b r a t o r yr o l l e ro p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，s u m m a r i z e d d y n a m i c ss i m u l a t i o nr e s u l t sb a s e do nt h eg e n e r a lc o n d i t i o no far e a s o n a b l ee m p i r i c a l f o r m u l a ，a n de x t r a c tt h em a i np a r a m e t e r so ft h ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o nw i t ht h es u r f a c e s t i f f n e s sks u m m e du pw i t ht h ec h a n g e si ns u r f a c es t i f f n e s sv i b r a t i o na c c e l e r a t i o n u n d e rr e a s o n a b l ec o n d i t i o n st h eg e n e r a lt r e n d ，a n df i t t i n gt h ec u r v e s ，i n d i c a t i n gt h a t t h ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o na n dt h es o i lm u s te x i s tb e t w e e nt h es t i f f n e s so ft h ec o n t a c t k e y w o r d s ：v i b r a t o r yr o l l e r ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；c o s m o sf i n i t ee l e m e n t ； c o s m o s m o t i o nd y n a m i c ss i m u l a t i o n ；v i b r a t i o na c c e l e r a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。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 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 靴做储鹕。拟q 同期： 每h 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大 学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传 播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 指导教师签名：粝酝 日期：0 3 年心月矿同 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库中 全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。 2 指导教师签名：饧心 同期： d 7 年仁月汐同 励彳， 彩日一 彩日 虿7一 ： 月 名尸一 签， 一 者争储生刘玩 论 ： 一 位期 学 日 一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 振动压路机发展趋势与简史 1 1 1 振动压路机发展简史2 8 1 美国是发展土壤压实技术的先驱。1 8 6 2 年，美国制成了世界上第一台以蒸 汽机为动力的自行式三轮压路机。1 9 2 9 年，美国制成了世界上第一台以柴油机 为动力的自行式光轮压路机。 在美国发展起来的土壤压实理论和方法在其它国家也被广泛应用。2 0 世纪 3 0 年代初，德国在修筑公路网时开始利用振动压实。最初的振动压路机是拖拉 机牵引的1 5 吨板式压路机和自重约2 5 吨的推土机式压路机。4 0 年代初制造出 第一台自行式钢轮振动压路机和拖拉机牵引的振动压路机。 振动压路机的出现，引起各国制造商的关注，对振动压路机进行了广泛的实 验研究。最初，振动压路机只用于压实非粘性材料。随着技术性能的改进和提高， 振动压路机已广泛用于粘性土、沥青路面和混凝土的压实工作。 5 0 年代欧洲各国开发了串联式整体车架压路机并逐步改型。6 0 年代随着振 动压实理论的深入研究和完善，出现了各种型式的振动压实机械。此时，轮胎驱 动铰接式振动压路机、串联式振动压路机等产品相继问世。振动压路机形成两个 主要系列。7 0 年代，振动压路机家族先后出现了组合式、蟹行式、凸块式、手 扶式振动压路机。调频、调幅技术，全轮驱动、振动技术，被广泛应用于振动压 路机。8 0 年代初瑞典乔戴纳米克研究所提出了新的压实理论，即利用土力学交 变剪应变原理使土壤等压实材料的颗粒重新排列而变得更加密实。根据该理论， 德国哈姆( h a m m ) 公司开发出新型振动压路机，即振荡压路机。8 0 年代末日本 生产出大吨位垂直振动压路机，其振动轮内部采用双轴交叉振动法，使压路机压 实深度深、压实效果好且低速直线行驶稳定。8 0 年代末9 0 年代初瑞典乔戴纳米 克研究所在振动压路机液压化、电子化的基础上提出智能压路机的概念，使振动 压路机的研究和应用进入新的领域。 1 1 2 振动压路机发展趋势嗡1 纵观振动压路机发展简史，振动压路机发展水平及发展趋势可归纳为： 液压化 6 0 年代，国外大中型振动压路机己经采用液压技术，7 0 年代推出的全液压 振动压路机，使得压路机的传动系统大大简化、操作简便、省力。特别是液压传 2第一章绪论 动使行走机构实现了无级变速：使振动系统能够根据施工要求在较大范围内调频 和变幅。振动压路机的使用性能和应用范围得到大大改善和提高。同时，液压化 为机器自动检测和控制提供了条件。近年来，液压技术逐步应用于小型振动压路 机和振动平板夯，而且非常重视液压系统的污染控制。 系列化 为了满足不同施工条件的要求，国外压实机械产品系列不断扩大和完善。就 振动压路机而言，从自重仅3 0 0 公斤的手扶式振动压路机直到1 8 t 的大型振动压 路机，都按不同的系列进行生产。根据用户的不同要求，一种产品又派生出多种 变型产品。瑞典戴纳帕克( d y n a p a c ) 公司的c a 2 5 s 振动压路机派生出压实粘土用 的c a 2 5 p 、双轮驱动的c a 2 5 d 和压实面层的c a 2 5 r 等型号。德国韦伯麦克( v i b r o m a x ) 公司在其i 5 t 重的小型振动压路机w 1 5 2 上派生出w 1 5 2 k 型压路机。德国b o m a g 公司在b w 9 0 s 手扶振动压路机的基础上派生出带有转向和司机座椅的b w 9 0 s l 型 振动压路机。 标准化 标准化包括两个方面内容。一方面，为了适应施工工艺，产品性能参数尽可 能标准化。例如，振动轮尺寸、静线压力、激振频率、振幅、行驶速度等。另一 方面，为了简化加工工艺，降低成本，生产厂家尽力将本公司零件标准化。例如， 瑞典戴纳帕克公司正在改进c a l 5 ，c a 2 5 ，c a 3 0 ，c a sl 机型的设计，使其零件在 一定范围内尽可能通用，如分动箱、减速器、驱动桥等，便于组织大批量生产。 另外，标准化有利于采用模块组合 设计方法，将一台机器分成不同的模块，提高新产品开发速度，满足一机多 用的需要。 一机多用化 实现一机多用的途径主要有两条：一是改进对振动结构的操作控制，使压路 机具有垂直振动、水平振动( 振荡) 、调频调幅和静碾压功能，根据需要随时变通， 发挥各种振动压实方法的特点。二是在压路机上增加附属装置( 如推土铲、路面 刮平修整机、凿岩机等) ，增加其专用功能。 电子化 微电子技术、计算机技术和遥感技术的发展，推动了压路机的电子化进程。 各种电子元器件、电液伺服机构以及压实度检测装置的应用，克服了压实检测靠 经验判断或取样化验的缺点，确保了整个压实面质量的一致性，提高了施工效率。 压路机实现电子化，是其向高性能、自动化、智能化方向发展的标志。 舒适、方便、安全化 为了提高生产率，延长机器的使用时间和寿命，振动压路机均在减振降噪方 第一章绪论 面做了大量工作，可以满足司机连续工作8 小时不疲劳的要求。采用双方向盘、 可移动方向盘、旋转座椅并且将操纵手柄设计在座椅扶手上，尽可能减少操纵失 误和减轻司机的劳动强度，满足操纵方便性。采用防倾翻驾驶室和防重降物驾驶 室，适应特殊施工的要求，保障驾驶人员的人身安全等。 1 2 我国压路机行业的发展现状n 盯 1 9 6 1 年西安公路交通大学与西安筑路机械厂联合开发3 t 自行式振动压路 机，标志着我国自行开发设计振动压实机械的起步。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1 0 t 轮胎驱动振动压路机和1 4 t 拖式振动压路机。8 0 年代中期，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 s t e r 公司 技术，合作生产6 t 铰接式振动压路机，1 9 8 4 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b w 2 1 7 d 和b w 2 1 7 a d 振动压路机技术。江麓机械厂引进德国 凯斯伟博麦士( c a s e - v i b r o m a x ) 公司的w l1 0 2 系列振动压路机技术。以后，各生 产厂家在此基础上不断开发新产品，使本厂产品多样化、系列化。 8 0 年代后期，随着基础工业元件的发展，特别是液压泵、马达、振动轮用 轴承、橡胶减振器的引进生产，使振动压路机总体水平和可靠性有很大的提高。 在基础元件支持下，振动压路机引进技术不断得到消化吸收，国内高等院校和科 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较大的提高。 1 9 9 0 年西安公路交通大学与徐州工程机械厂共同开发的1 0 t 振荡压路机，标志 着我国振动压路机科研和产品开发达到新的水平。 进入9 0 年代的“八五 、“九五 期间，我国压路机呈迅速增长之势，最近 2 - 3 年，又增加了2 0 多家，使压路机制造企业总数已超过7 0 家。能生产4 t 一2 4 t 静碾、1 6 t - 3 0 t 轮胎、0 5 t - 3 0 t 振动压路机等品种，并出现了多种规格的拖式、 冲击式、蟹行式等特殊用途振动压路机。在技术质量方面，先进的全液压技术及 铰接转向已得到普遍推广应用，其余基本上达到了当今世界压路机的先进水平。 特别是最近出现了大吨位铰接式全液压驱动光轮静碾压路机及大吨位全液压国 际配套的振动压路机，以及全液压拖式振动压路机等，可完全与当今世界最先进 水平相媲美。因此，无论从品种规格方面，还是从技术质量方面，我国压路机都 基本能满足国内建设的需求，并有一定数量的出口。 在我国压路机产品中，机械振动占3 7 1 ，居第一位。第二为静碾钢轮占 3 1 5 ，全液压振动占2 2 2 ，居第三位。轮胎式及双钢轮量都很小，分别占3 2 4 第一章绪论 及3 5 。从发展趋势看，今后静碾压路机的产品数量会进一步减少，特别是小 吨位静碾压路机，由于技术落后，效率低，金属材料及能耗高，尽管价格低，今 后也会逐渐被小型振动压路机所代替。轮胎式压路机，特别是大吨位轮胎振动压 路机，由于它压实路面的特殊优越性能，使其在高等级公路建设中成为不可替代 的产品，随着我国高等级公路，特别是高速公路建设力度的加大，轮胎式压路机 市场占有率将有比较大的增长。 在振动压路机中，目前国内机械驱动振动压路机比全，液压驱动还多，主要 是在我国目前购买力情况下的价格影响。全液压驱动振动压路机在压实性能、操 纵方便性、舒适性等各方面都大大优于机械驱动振动压路机。在国外发达国家， 振动压路机基本上都是全液压驱动。随着我国对基础压实要求越来越高及购买力 的提高，全液压驱动振动压路机将会逐渐取代机械驱动振动压路机。 双钢轮振动压路机，目前只占市场总量的3 5 ，市场份额很小。今后双钢 轮振动压路机将有比较大的发展空间。双钢轮串联式振动压路机原先只用于压实 路面，目前已扩展到压实土壤铺层。压实土壤时，比单钢轮提高效率8 0 以上， 且压实效果更好，因此，l o t 以上双驱双振的双钢轮振动压路机今后将会得到进 一步发展。同时，行驶速度在每小时1 5 k i n 以上，机动性较好的、4 t 以下的小型 串联式双钢轮振动压路机，作为公路养护压路机用有比较大的发展空间。由于近 年来我国公路，特别是高速公路发展速度很快，公路养护机械特别是高速公路养 护机械，包括养护压路机在内，跟不上发展需要。1 9 9 9 年我国进口的2 0 0 多台 压路机中，双钢轮振动压路机占了绝大部分，据工程机械信息2 0 0 0 年第3 期报 道，1 9 9 8 ，1 9 9 9 两年，从英格索兰一家公司进口的双钢轮振动压路机就达1 6 0 0 台之多。因此，国内压路机企业应把双钢轮振动压路机尽快搞上去。 还有近年来开始发展起来的大吨位拖式振动压路机及冲击式压路机也有相 当大的发展空间。大吨位拖式振动压路机对大填方的压实施工具有比一般振动压 路机压实效果更好、效率更高的优越性。但以前的拖式振动压路机都是用机械驱 动，性能差，特别是可靠性更差，因此应用很少。而近年来将液压驱动用于拖式 振动压路机上，性能及可靠性发生了根本变化，彻底解决了机械驱动拖式压路机 不能解决的问题，且使用费用也较低，是一种很有前途的压路机。冲击式压路机 是国外7 0 年代才出现的新型压路机，由于技术问题尚未完全解决，一直未得到 推广应用，直到9 0 年代才开始投入实际使用。冲击式压路机特别适用于湿陷性 黄土压实，其它压路机对这种土壤压实效果都不好。同时还特别适宜大面积深填 土石方的压实工作。另外，在路基工程中，冲击压实可以减少路基施工后沉降。 因此冲击式压路机的市场前景较好。 第一章绪论5 1 3 国内外压路机的发展趋势2 8 1 超高级路面的振动压实技术的发展 为了能以适当的温度控制压实超高级路面( s u p e rp a v e ) 材料，需要提高碾压 速度，同时提高振动频率，以保持振动压实混合材料的时间间隔，从而保证密实 度。目前，世界上各主要压路机生产企业均开展了这一方面的研制工作。卡特彼 勒公司、戴纳帕克公司、酒井公司海帕克公司等通过对两轮振动压路机的改进， 提高了振动频率和激振力。操作者能舒适地、自动地控制振动轮的振动频率和振 幅，实现在保证质量的同时进行高速压实。由于从高到低设置有多级频率和振幅， 使这些产品能够在高速状态下压实较多结构类型的土壤，从而提高施工范围和施 工效率。 振动技术不断创新 宝马公司为了满足高密实度精度的使用要求，研制出双钢轮自动控制压实系 统“v a r i o m a t i c ”，简称b v m 。该系统的特点是能自动判别和控制所需压实力的大 小，也可称自动调幅压实系统。其主要工作装置由两根反向旋转的轴组成，工作 时旋转产生的离心力经几何叠加形成定向振动，定向振动系统是b v m 的基础。 b v m 系统的独到之处是振动方向可变化，它能自动调节定向振动的施振方向， 在压实过程中可根据压实面刚度的变化或压路机的行驶方向的变化调节施振方 向，从而达到调节振幅的目的。 其它如美国英格索兰公司的d d 1 3 0 双钢轮串联式振动压路机。它在每个振 动轮中都具有自动反向的偏心装置，可实现从o 7 t - 1 6 t 的8 种不同激振力输出， 基本上可以满足所有土壤类型路面的碾压需要。 此外，还有水平振动压实技术。它是利用土壤力学中交变剪应变原理，使土 壤等材料的颗粒重新排列来进行密实的。德国h a m m 公司首先根据这一原理歼 发出了振荡压路机，它利用两根偏心轴同步旋转，产生相互平行的偏心力，形成 交变扭矩，使振动轮产生振荡作用，形成对地面的压实。 为了增强压实效果和提高压实效率，国外一些产品还普遍采用了超高频振动 技术，振动频率超过了6 6 7 h z ，使压路机迅速达到所需密实度的高输出力，可 有效提高压实的速度。 适时监测、自动化、智能化和网络化技术的发展应用 随着现代新技术革命的兴起，特别是微电子技术、自动控制技术和计算机技 术等高科技的迅速发展，引导着压实机械向着自动化、智能化和机器人化的方向 发展。 在压实过程监测技术方面，德国的b t m 压实计利用振动部件与基础之间相 6第一章绪论 互作用的动力特性来判断压实进程。这种方法的原理是建立在当地面在振动部件 的作用下逐步压实时，地面与机器系统的动力特性也在变化，这种变化将指示出 地面承压能力变化的相对数值，从而也反映了地面被压实的程度。其b t m 0 5 型 计算机压实控制测量系统，可以进行连续和实时测量并处理压实过程中压实度的 变化情况，可显示或打印出压实层剖面各点的压实质量。在此基础上该公司又开 发出一种可与微机相连的离线处理系统b c m 0 3 ，数据经处理后可以绘制出整个 压实地区的压实质量图。同时在德国b o m a g ，瑞典d y n a p a c 等公司的压路机产 品上，微电脑技术已在各工作系统中被广泛应用，如工作系统的监控、驱动系统 的防滑转装置、整机的故障自动检测系统等。它们的基本原理是预先将整机各工 作系统的有关工况信息编制成软件，在整机工作过程中，安装在各工作装置上的 传感器不断向微处理器发送出设备运行中有关的信号或数据，经计算机处理后在 l c d 显示屏上显示出相应的文字、图像或声光信息( 报警) 。在非报警时，操作人 员还可以随时通过该系统查询所关心的整机工作信息，如温度、转速、油量等。 在智能化、网络化的应用上，德国b o m a g 公司已将网络传输和卫星定位系 统( g p s ) 应用于相应的产品上。通过此系统，压路机的位置可以被非常精确地记 录下来，并能确定压实的位置和保证压实质量。它通过安装在压路机上的g p s 脉冲装置，将整机的工作情况如整机的工作区域、工作轨迹、碾压密实度等g p s 信号，传输到空间卫星上；空间卫星将汇集到的信息形成图像或数据信息重新发 送到安装在压路机上的g p s 接收装置上并在p c 机上显示：并可同时通过地面的 g p s 信号装置向压路机发出指令，启动自动调幅机构，随时调节工作激振力的大 小，以达到路面规定的密实度要求。有的压路机还在机身周围布置方向传感器和 超声波发射接收装置，压路机在行驶时若遇到障碍，接收装置就会接收到障碍物 反射回的反射波，触发警报器，提醒驾驶员注意；如果和操作人员的手持式传感 遥控器相连接，就能实现信息的远距离自由传递，并实现整机的无人驾驶。 注重人性化设计的理念，提高产品的舒适性和安全性 国外工程机械产品在人性化设计方面做了大量细致、有效的工作，尽力满足 操作人员希望达到的美观、实用、舒适等需求。除了前面提到的座椅高度的升降、 前后左右的滑移和旋转、靠背的前后及角度调节外，还考虑了诸如扶手的上下浮 动、方向盘角度的随动、脚蹬与扶拦的协调、文件袋的设置，急救包的配备、操 纵台的布置、仪表灯光的安装布置及操作繁简程度等，这些设计充分考虑了人的 生理特点和行为习惯，尽量减轻驾驶员的劳动强度，以减少操作失误，体现最大 限度地满足用户的使用意愿。 工程机械的舒适性涉及面很广，如司机的驾驶环境、操作过程、维护及保养 性等，其中最主要的是驾驶环境。目前，国外振动压路机的驾驶室有逐渐向汽车 第一章绪论 7 驾驶室的标准靠近的趋势，表现在内部结构大量采用模块化成形零件，外观考究， 整体布置舒适合理，并根据压路机经常需要前后行驶作业的特点，特别注意追求 视野宽阔、等视距效果，并配备有换气、空调、暖风、电视监测等设施。在操纵 及控制方面，大量采用电控或电液联控，使操作轻便灵活。在驾驶室整体结构上， 加大了人机工程造型艺术的应用，驾驶室的四周设有超大钢化玻璃门窗，豪华司 机座椅可前后、左右、上下滑动和移动，靠背角度可任意调节，驾驶室可整体翻 转或滑移，提高了对设备内部维修养护的方便性。在驾驶室与机身之间设置多层 电子橡胶阻尼元件，振动轮与机身采用柔性联接，使压路机的驱动部分与振动部 分处在两个单元上，动力靠液压系统传过去，而振动轮的振动却很少能传过来： 加上驾驶室采用优质橡胶元件，振动轮与框架之间装有弹性减振器，使座椅的振 幅大幅减小，妥善地解决了既要提高振动效果又要防止有害振动这一矛盾，极大 地提高了操作的舒适性和维护的方便性，体现了很高的人机造型艺术。 在安全性方面，普遍采用了防倾翻及落物保护的驾驶室或独立的防倾翻及落 物保护装置，并配有重型工程座椅及安全带。在刹车系统上普遍采用了钳盘式气 推液的无动力制动系统，可在失去动力的紧急情况下，实现整机的有效制动。在 驱动系统中，通过采用防滑转技术，极大地提高了整机的驱动性能，使整机的爬 坡能力达到5 0 以上。如采用这项技术的英国b e n f o r d 公司研制的s p 2 0 1 2 d h c 振动压路机，能够在1 ：2 的斜坡上压实含8 膨润土浓缩沙子的材料，且进行 几次振动压实就能达到规定的密实度。 注重绿色环保设计 为满足日益苛刻的环保要求，国外振动压路机生产厂商纷纷引入绿色环保设 计的理念。目前，主要是从降低发动机尾气排放、减少振动和降低噪音几个方面 入手。国外一些振动压路机在设计和试制过程的开始就注意寻找降低噪音、振动、 废气产生的原因、部位，积极探求并采取措施将其设法消除。如在尾气净化方面， 卡特彼勒公司生产的部分产品，通过应用燃油电控喷射、废气再循环和使用催化 净化器等新技术，已能满足e p a t i e r l i 和e u s t a g e l i 排放标准：其某些型号柴油 机更由于采用了新型的a d e m 微处理柴油喷射电子控制模块，喷射压力提高2 2 ，使燃油雾化程度得到提高，燃烧充分、高效，不但减少了尾气有害物的含量， 更使输出扭矩增大3 5 。在降低噪音方面，通过大量使用弹性支承、弹性阻尼 元件，以及提高各机构中各运动体、执行件的制作、装配精度，提高驾驶室的密 封性，选用合适的轮胎等，来降低机械、液压和轮胎噪声；还有一些厂家的产品 使用了表面涂覆有吸声材料的罩壳，起到了良好的隔音作用，使机外噪声降至 7 2 a b 以下，取得了较好的应用及环保效果。 以上仅仅是国外振动压路机技术先进性的几个侧面，但是代表了国外产品在 第一章绪论 设计开发方面的发展趋势。国内的压路机生产制造企业应该充分认识到自身产品 在技术性能上与国外的先进产品存在的差距，找出自己的不足，借鉴和学习国外 产品的先进技术，结合国内市场需要不断创新，才能提高国产振动压路机的竞争 力。 1 4 研究问题的提出 振动压路机是依靠自重和振动的联合作用来压实路基及路面材料，使被压实 的材料具有足够的压实度。压实可以充分发挥路基和路面材料的强度，可以减少 路基、路面在行车荷载下产生的形变，还可以增加路基和路面材料的不透水性和 强度稳定性。在现代建筑工程施工中，压实起着比过去更为重要的作用。在最近 几年，工程界对压实的重要性和影响有了更深入的了解。压实施工阶段实际是建 筑工程最基础的工作。现在全世界的建筑工程都要求对土壤进行有效的压实，以 便承受新建的高速公路、机场、海港、堤坝、铁路和建筑基础的更大的负荷。由 于振动压路机压实效果好，影响深度大，生产率高，而且适用于各种土壤的压实， 因此，振动压路机逐渐成为许多压实工作的标准设备和首选设备。 振动压路机工作时偏心块高速旋转产生离心力，振动轮在这个力的作用下产 生强迫振动，振动轮下面的土也随之振动。因此，为了在仿真实验中研究振动压 路机作业时被压实的基础、振动轮( 下车) 、机架( 上车) 的动态响应，必须把振动 压路机连同被压实的土视为一个振动系统，并进行必要的合理等效简化，才能达 到合理的仿真效果国内外的许多专家学者对振动压路机的研究做了大量的工作， 为振动压路机的设计和生产提供了许多宝贵的意见和建议。如7 0 年代美国学者 t s y o 和e t s e l i g 在完全弹性振动理论的基础上建立振动压路机两自由度模型， 分析了振动轮质量的变化、土壤刚度和阻尼以及对振动压路机压实性能的影响。 t s y o o 和e t s e l i g 的研究对振动压路机设计时参数的选取和样机实验时整机性 能的估计有重要的指导意义，同时也为振动压路机整机参数的优化设计奠定了基 础。j m 麦切特在流变模型的基础上也建立了相同的数学模型来计算振动力与激 振频率之间的关系。研究表明，频率变化的影响是有限的，振动力与离心力之间 不存在直接关系，超过某一振动强度之后振动轮就开始脱离地面( 跳振) 。国内学 者对振动压路机振动系统的研究是从8 0 年代初期才开始的。他们也主要采用两 自由度数学模型对振动压路机的各种振动特性进行研究。为了达到更好的压实效 果，对振动加速度与土壤压实度( 本文一律换算成土壤刚度) 的联系进行进一步 研究，成为目前要解决的重中之重。 振动压路机是一个多自由度振动系统，为了计算方便而将其简化具有单自由 度的数学模型，这种处理方法必然会给理论分析带来一定误差。为了更真实地反 第一章绪论9 映振动压路机的实际工作情况，本文利用c o s m o s m o t i o m 仿真软件与三维设 计软件s o l i d w o r k s 建立了振动压路机整机分析模型( 图2 1 ) 。并且先对振动 轮的模态刚度的安全性作了必要的基于有限元法的分析验证，结果可靠。该模型 可对振动压路机的接地工况和跳振工况进行分析；并能方便地修改参数，研究振 动压路机在不同参数条件下的动态响应；最后还研究了连续压实控制条件下振动 压路机工作频率，振动加速度的幅值和振幅随材料刚度变化关系。并且总结出有 可能达到理想工况下的一组关系式( 见式5 1 、5 2 、5 3 、5 4 ) 。 1 5 研究路线 步骤一：考察实际工程中的某型双钢轮振动式压路机，提取相关参数与内部 构造，并进一步搜集相关信息。 步骤二：基于三维设计软件s o l i d w o r k s ，从提取的参数与尺寸入手，构 建出几何模型。 步骤三：对三维模型中的主要作业部件振动轮单独提取出来，进行有限元模 态分析，验证结构的模态刚度是否符合要求，为进一步的动力学分析提供基础。 步骤四：对三维模型进行动力学参数定义，设置边界条件与步骤一提取出来 的参数，根据振动压路机土的振动系统的力学原理，对模型进行参数设置，得 到仿真模型。 步骤五：分析各种工况，分析压路机的各种相关工况，得到相关结论，总结 出相关的基于虚拟仿真的比较粗略的经验公式，为下一步研究振动加速度与土壤 刚度的联系奠定基础。 ， 步骤六：从个区间等分设置土壤刚度，分别进行仿真，得到振动加速度与 土壤的刚度之间的相关联系，并且作出力学解释。 步骤七：对研究工作作出总结，并且提出展望。 l o 第二章振动压实基础概念与振动压路机特点 第二章振动压实基础概念与振动压路机特点 2 1 振动压实的基本概念乜8 1 压实是用外力使材料压实度获得提高的作用方法。土中包含有矿物颗粒和孔 隙，部分孔隙被水和空气所填充。压实使颗粒发生位移，孔隙体积减少，颗粒间 的水分和空气被挤压出来。在压实过程中，主要发生的物理现象是颗粒重新排列、 互相靠近和小颗粒进入大颗粒的孔隙中。 目前关于振动压路机压实机理的研究已经取得了一定的进展，工程技术界提 出了几种有关振动压实机理的学说：土的共振学说、反复载荷学说、内摩擦减小 学说、交变剪应变学说。这些观点虽然各自可以解释某一类振动压实现象，但不 能全面解释各种振动压实现象。实际上，土在压实过程中，无论是静碾压实还是 振动压实，只有当土中产生的剪应力f 大于土的抗剪强度f ，即f f ，时，才能使 土颗粒重新排列，土体压实变密。因此，必须考虑振动对土体剪应力和抗剪强度 的影响，才能有效分析振动压实机理。 2 1 1 振动对材料剪应力的影响 振动压实过程中，土体承受的压力为静压力与动压力之和。土体承受的最大 压力大于静碾压实过程中土体承受的压力，即振动压实过程中土体承受的最大剪 应力大于相同条件下静碾压实过程中土体承变的剪应力，因而土体易于压实。振 动压实对土体剪应力的影响与被压实土的种类无关。 2 1 2 振动对不同材料压实强度的影响 振动压实对土体剪应力的影响与被压实土的种类无关，但是对土体抗剪强度 的影响却与土的种类有密切联系。 由土力学的知识可知，土的抗剪强度与法向应力的关系可由库仑定律表示 为： f ，= c + a t g q ， ( 2 1 ) 式中：f ，土的抗剪强度 c 作用在剪切面上的法向应力 万土的内聚力 矽土的内摩擦角 土由各种粒径和形状不同的颗粒组成，颗粒间的空隙中存在着水和气体。由 第二章振动压实基础概念与振动压路机特点li 于土的成分不同，其特性也有很大差异。一般大致可把土分为粘性土和非粘性土 两大类。 粘性土颗粒细小，颗粒的矿物成分、颗粒的结构形式以及土与水的相互作用 和胶结物质的存在，形成了复杂的物理化学现象。它在压实过程中形成的剪切阻 力主要是内聚力。 无粘性土在压实过程中形成的剪切阻力主要是土颗粒间的内摩擦力，砂、砾、 碎石等均属无粘性土。无粘性土的摩擦性质涉及到颗粒间的相对移动，其物理过 程包括两部分：一是颗粒的滑动产生滑动摩擦：二是颗粒与相邻颗粒脱离咬合而 移动产生咬合摩擦。咬合摩擦是由于相邻颗粒对相对移动起约束作用而形成的。 因为颗粒相互咬合，阻碍相对移动，颗粒必须首先竖立，跨过相邻颗粒才能移动， 所以随着咬合作用的破坏，一般都会发生体积增大即剪胀效应。滑动摩擦是颗粒 接触面粗糙不平形成的微细咬合作用。颗粒间距离的微弱增长，会使微细咬合作 用产生很大的衰减。如果振动能使颗粒间的距离产生微弱增长，就会使滑动摩擦 减小。振动压实过程中，振动轮下面的土体颗粒也随着振动。当其它条件相同时， 土颗粒的惯性力与颗粒质量成正比。当土颗粒质量较小时，土颗粒的惯性力也较 小，它将在自己原来的位置振动。当土颗粒质量足够大，土颗粒的惯性力足以克 服周围其它土颗粒内聚力的作用时，土颗粒将偏离自己原来的位置，导致滑动摩 擦减小。具有良好级配的砂土，相邻土颗粒间的粒径大小不同，即它们的颗粒质 量不同，因此具有不同的惯性力，这种差别必然会使颗粒间的距离发生微小的变 化，对颗粒间的微细咬合作用产生很大的衰减，导致内摩擦减小。实验证明，当 振动加速度在o 2 9 o 5 9 时，砂的内摩擦力已经减少。在饱和砂中，为了消除几 乎全部内摩擦力所需的最小加速度为1 。o g ，粘性土的颗粒质量较小，同时它的 内聚力很大，振动不易使土颗粒的惯性力达到足以克服周围其它土颗粒内聚力的 作用，因此振动对粘性土的滑动摩擦影响很小。 综上所述，振动可以显著减小滑动摩擦。由于滑动摩擦对不同材料抗剪强度 所起的作用不同，所以振动对不同材料抗剪强度的影响也不同。振动可以显著减 小无粘性土的抗剪强度，但对粘性土抗剪强度的影响可以忽略不计。 1 2 第二章振动压实基础概念与振动压路机特点 2 2 振动压路机的主要性能与结构特点介绍 2 2 1 振动压路机的主要性能特点 与静作用压路机相比，振动压路机具有以下的性能特点： 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。 振动压路机的生产效率高。当所要求的压实度相同时，碾压遍数少。 压实沥青混凝土上面层时，由于振动作用，可使面层的沥青材料能与其他 集料充分渗透，揉合，故路面耐磨性好，返修率低。 机载压实度在振动压路机上的应用使驾驶员可以及时发现施工道路中的 薄弱点，随时采取补救措施，大大减少质量隐患。 可压实大粒径的回填石等静作用难以压实的物料。 由于其振动作用，可压实干硬性水泥混凝土( 即r c c 材料) 。 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。 但是，由于振动压路机的振动作用，给周边环境以及人体带来一定的公害， 限制了振动压路机的使用范围，在人口密集地区，危房区，靠近装有精密仪器的 建筑物以及桥梁路面等处都不适合使用振动压路机进行压实作业，另外，由于振 动对人体健康的影响，减振效果不好的振动压路机对驾驶员的伤害比较大。 2 2 2 振动压路机的主要结构特点 无论振动压路机在结构上的差异有多大，任何振动压路机都装有振动器，当 振动压路机工作时，振动器将产生振动的干扰力。在干扰力的作用下，振动压路 机的工作部件( 振动轮) 将产生具有一定的振幅跟频率的振动。这就是振动压路 机在原理上与静作用压路机的根本区别。 通常，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，当振动压路机作业时，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 的振动系统的干扰力。振动压路机的下车( 振动轮在这 个干扰力的作用下产生强迫振动，强迫振动的频率等于干扰力的频率。此时，振 动轮将其振动作用传递到土或者其他被压实的材料上。压路机连其被压实材料一 起产生强迫振动，这就是“压路机一土”的振动系统。 根据振动器安装形式的差异，振动压路机有如下几种形式： 定向振动压路机 第二章振动压实基础概念与振动压路机特点1 3 定向振动压路机具有两个在垂直平面上对称布置的振动器。这两个振动器的 偏心块转速相等但是方向相反。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互相抵消，垂直分量相互叠加，从而形成了纯垂直方向的 干扰力，使“压路机一土”的振动系统在理论上产生垂直振动。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，所以很少采用 摆振式振动压路机 摆振式压路机在工作时呈现摆动振动状态，因此在任何一个工作的瞬时，振 动压路机总是保持一个振动轮接触地面。 摆振式振动压路机具有两个振动器。一个安装在前轮中心上，另外一个安装 在后轮中心上。两个振动器的偏心块具有1 8 0 。的相位差。工作时两个振动器由 一个齿型带驱动，这样即保持两个振动器在工作时旋转方向相同，又可保持他们 之间的相位差不变，由于两个振动器存在1 8 0 。的相位差，一个振动器的离心力 方向朝上时候，另外一个振动器的离心力的方向朝下。因而在理论上，摆振式振 动压路机总是保持一个振动轮跳离地面，使整机工作的时候除了具备振动特性 外，还具有前后摆动的特点，故成为摆振式振动压路机。由于摆振式振动压路机 永远只有一个振动轮接触地面，因而它可以在相同的质量的情况下，得到比较高 的线压力跟比较高的冲击能力，德国宝马公司的b w 9 0 型手扶振动压路机采用的 就是这种结构。 外振式振动压路机 外振式振动压路机具有两层机架，即是上机架跟下机架。上下机架之间由减 振器连接。振动器安装在下机架上，当振动轴带动偏心快告诉旋转时，下机架连 同下机架上的振动轮一起振动。这种振动压路机的振动器结构简单，非常便于维 修保养，所以很多手扶式振动压路机采用这种结构。 内振式振动压路机 目前绝大多数振动压路机采用内振式结构，内振式压路机的振动器安装在振 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 块高速旋转产生而产生离心力，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的结构紧凑，操作使用非常安全，因此，绝大多数振 动压路机的振动系统采用内振式结构。 1 4 第三章振动压路机的动力学仿真模型的建立 第三章振动压路机的动力学仿真模型的建立 3 1 振动压路机的动力学模型的建立3 1 1 本节以双驱双振振动压路机为例，建立“压路机一土 振动系统的动力学模 型如图2 - 1 所示。 osin w t x 图4 1 仿真对象等效力学模型原理图 f i g u r e4 - 1e q u i v a l e n tm e c h a n i c a lm o d e lo ft h et a r g e ts i m u l a t i o ns c h e m a t i c ，戚+ 矗+ h = f o s i nw t ( 4 1 ) 振动轮本身的质量加上受到的当量荷载为i i i ，把振动轮跟机架的一部分看作 一体，土壤阻尼为c ，土壤刚度为k ，振动力为f 0 w 为振动周期。 为了列出描述该振动系统的单