（机械工程专业论文）平衡冲击压路机牵引性能研究.pdf

摘要 本文首先通过理论与试验相结合的方法对冲击式压路机的牵引性能进行了分析，得 出了牵引力在较大范围内变化是冲击压路机消耗功率较大的原因；凹凸不平的冲击压实 表面是牵引车的牵引力不能得到充分发挥的原因。为了使冲击压路机在工作过程中所需 输入功率降低和使牵引车的牵引力得到充分发挥，根据“基于势能的机械设计节能方 法 ，研发生产了平衡冲击压路机。为了得到该机的牵引性能以及节能效果，对平衡冲 击压路机牵引力进行了理论分析与数值模拟；并对样机在不同工况以及不同相位下进行 了牵引性能试验。试验数据与理论分析结果一致。 通过对平衡冲击压路机试验数据与不同工况的牵引曲线图形的分析，表明：相同牵 引速度条件下，平衡冲击压路机在软路基工况下的牵引力较硬路基工况大；平衡冲击压 路机在湿陷性黄土路基作业时选取1 相位较为合理；平衡冲击压路机在软路基工况下的 启动时间约为1 5 s ，启动过程中的瞬时最大牵引力约为1 5 0 - - , 2 0 0 k n ，在启动阶段的平均 牵引力约为6 0 8 0 k n ；平衡冲击压路机在整个转向过程中的牵引力没有明显突变，转向 正常；平衡冲击压路机在较佳牵引速度( 9 - 1 3 k i n h ) 下运行平稳后的牵引力瞬时最大值 不超过6 0 k n ，平均牵引力不超过4 0 k n ，且牵引力的动态幅值范围较小。 本文还进一步理论结合试验地对比了平衡冲击压路机与冲击式压路机，分析表明： 同样条件下，若有同样作业效果，则平衡冲击压路机可比原冲击式压路机节能1 2 5 左 右；平衡冲击压路机改善了原冲击式压路机作业路面的不平整度，加深了对湿陷性黄土 路基的压实影响深度。 论文评价了平衡冲击压路机的牵引性能，为该机系列产品的进一步研究开发和工程 应用提供了参考。 关键词：平衡冲击压路机、牵引性能、牵引力 a b s t r a c t c o m b i n i n gt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，t h et r a c t i o np e r f o r m a n c eo fi m p a c t r o l l e ri sa n a l y z e di nt h i sp a p e r t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，w ec a ng e tt h a tt h el a r g ec h a n g i n g t r a c t i o nc a u s el a r g ep o w e rc o n s u m p t i o n ，a n du n e v e ns u r f a c ec a u s et h a tt h ei m p a c tr o l l e rc a l l t f u l l yo p e r a t i o n a c c o r d i n gt ot h e e n e r g y - s a v i n gp r i n c i p l eb a s e do np o t e n t i a le n e r g yf o r m e c h a n i c a ld e s i g ni t , t h eb a l a n c e di m p a c tr o l l e ri sr e s e a r c h e d t og e tt h et r a c t i o np e r f o r m a n c e o fb a l a n c e di m p a c tr o l l e r , t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na l ec a r r i e do u t ， a n de x p e r i m e n t a ld a t ac o n f o r m 丽t 1 1t h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t s t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft e s td a t aa n dt r a c t i o ng r a p h i c sf o rt h eb a l a n c e di m p a c tr o l l e r ，i t s h o w st h a t ：1 ) a tt h es s m es p e e dc o n d i t i o n , t h eb a l a n c e di m p a c tr o l l e r st r a c t i o ni nt h es o r s u b g r a d ec o n d i t i o ni sb i g g e rt h a ni ti nt h eh a r ds u b g r a d ec o n d i t i o n s 2 ) b a l a n c e di m p a c tr o l l e r i sm o r er e a s o n a b l ei nt h ec o l l a p s i b l el o e s sf o u n d a t i o nw h e ni tw o r k sa tp h a s e1 3 ) b a l a n c e d i m p a c tr o l l e r ss t a r t u pt i m ei sa b o u t1 5 si nt h es o f ts u b g r a d ec o n d i t i o n s ，a n di nt h es t a r t p r o c e s st h ei n s t a n t a n e o u sm a x i m u mt r a c t i o nf o r c ei sa b o u t15 0 2 0 0 k n ，b u tt h ea v e r a g e t r a c t i o nf o r c ei sa b o u t6 0 8 0 k n 4 ) b a l a n c e di m p a c tr 0 1 1 e r ss w e r v ei sn o r m a l ，a n di nt h e w h o l ep r o c e s so f s w e r v et h et r a c t i o ni sn os i g n i f i c a n tm u t a t i o n 5 ) b a l a n c e di m p a c tm i l e r s m a x i m u mt r a c t i o nf o r c ei sn o tm o r et h a n6 0 k na n dt h ea v e r a g et r a c t i o nn o tm o r et h a n4 0 k n w h e ni tw o r ka tf i n es p e e d ( 9 1 3 k i n h ) ，a n di t sd y n a m i ca m p l i t u d er a n g ei ss m a l l c o m p a r i n gb a l a n c e di m p a c tr o l l e rw i t ho r i g i n a li m p a c tr o l l e r ，a n a l y s i si sc a r r i e do u t a n di ts h o w st h a t ：i ) b a l a n c e di m p a c tr o l l e rc o u l ds a v ee n e r g ya b o u t1 2 5 t h a nt h eo r i g i n a l i m p a c tr o l l e r , i ft h e yw o r ka tt h es a m ec o n d i t i o n sa n dg e tt h es a m eo p e r a t i o ne f f e c t 2 ) b a l a n c e di m p a c tr o l l e rc o u l di m p r o v et h er o a du n e v e n n e s st h a no r i g i n a li m p a c tr o l l e r , a n di t c o u l dd e e p e n si n f l u e n c ed e p t hf o r t h el o e s ss u b g r a d e t h i sp a p e rh a se v a l u a t e dt h et r a c t i o np e r f o r m a n c eo fb a l a n c e di m p a c tr o l l e r ，w h i c hc a n p r o v i d e sad e t a i l e dr e f e r e n c ef o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h e sa n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n so fi t s s e r i e sp r o d u c t s k e yw o r d s ：b a l a n c e di m p a c tr o l l e r ；t r a c t i o np e r f o r m a n c e ；t r a c t i o nf o r c e i i 长安大学工程硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 冲击压路机自从引入我国以来，它在我国基础建设中发挥的作用越来越大，而且广 泛的应用于公路、铁路、大坝以及机场建设中。它主要用于路基基层的压实、路面沉降 检测以及路面破碎等方面。 冲击式压路机在发展的过程，其缺点和优点同样突出，和振动式压路机相比，具有 压实深度深、压实效果好，以及结构简单、使用维护方便、作业范围较宽等优点，已经 成为一些大型工程项目青睐的机型。但是冲击式压路机在作业时，工作阻力变化具有周 期性、幅值变化大，瞬时尖峰载荷低频高振幅的特性，因此对主机及其传动系统适应载 荷变化的能力要求较高，同时冲击式压路机施工工艺复杂等问题亟待人们去解决。 压实度和工后沉降量是公路施工中路基的重要指标，通过诸多重型压路机设备对路 基的压实效果无法满足现代经济发展的需要，由于我国公路的运输符合较大、车流量大 等原因的存在，发现在高速路通车不久，许多路面不同程度的出现沉降，更为严重的情 况是路面出现裂缝。经过前辈们的工程实践，特别是中国交通部公路科学研究院杨世基 高工所发明“冲击碾压增补路基强度与稳定 施工技术，基本解决了湿陷性黄土地基的 压实或沉降问题。冲击压路机的突出特点是冲击力大、压实效果好，越来越被工程技术 人员所青睐，并且在我国的路基施工中广泛越来越广泛。 经过冲击压路机的近二十年的应用后，我们发现虽然目前的冲击压路机广泛的应用 于各基础建设中，且能够满足大部分的压实需要，但是在施工中也存在一些制约其发展 的瓶颈问题，其中较为突出的两个问题：1 ) 司机室驾驶员操作环境恶劣，主要是凹凸 不平的路面对其产生垂直方向的激励；2 ) 牵引车功率浪费严重。 针对上述两个制约冲击压路机的发展瓶颈问题，经过多年的理论研究和探索，长安 大学工程机械学院的新老一辈团开辟了一条新的途径，并提出了“基于势能的机械节能 原理【9 1 ，平衡冲击压路机就是由于这一原理应用而申请了发明专利。平衡冲击压路机与 传统冲击压路机相比具有如下突出优点：1 ) 路面平整度高；2 ) 压实功效好：3 ) 节能 明显。 第一章绪论 1 2 冲击压路机的发展概况 1 2 1 国内外发展现状 冲击压实机是一种新型的压实机械，它是利用“三边形 或“五边形 的轮子产生 的集中冲击能量，达到压实土石填料的目的。冲击压实机综合了传统压路机的压实连续 性和强夯的强冲击性，冲击力可达2 0 0 , - - , 2 5 0 t ，分层压实时填方厚度可达4 0 0 - - 1 2 0 0 m m ， 压实影响深度5 m ，工作速度9 - - 1 2 k m h ，它对土的含水量要求宽，适合于砂质粘土、 重粘土、湿陷性黄土和石质路堤等。冲击压路机一经问世就以其作业速度快，施工工序 少、工期短、成本低等优点广泛应用于施工建设中，在提高路基强度、稳定性和均匀性、 防止路面沉降等方面发挥着重要的作用。同时在旧水泥路面的改造过程中，应用冲击压 路机冲击压实能量大的特点，可实现连续破碎路面的目的，同时又可将破碎后的碎块直 接压入地基而增加路基的压实度，这样以来大大缩短施工工期，施工成本也随之大幅下 降。中国市场在高速公路、机场、水坝、港口等基础设施建设应用的冲击式压路机于是 由南非蓝派公司于1 9 9 5 年引入的。冲击压路机经过多年的发展其知识产权主要分布在 在中国、美国、南非、英国、澳大利亚等国家。 1 发展历程 冲击压路机的发展最早起源于中国古代的“夯”和“碾 。根据历史记载，虽然人 们广泛的应用在实际生活中但是人们并没有重视这项技术的理论研究。而外国人最先开 启了这一新的研究方向，在压实机理和压实技术方面的理论研究从1 8 8 3 年开始先后有 十余位专家做了大量的研究工作。下面就对冲击压路机的发展有突出表现的几个专家作 以介绍。 首先是瑞典人e i n a r 在1 9 3 5 年提出了一种技术方案正多边形冲击压路机。此 方案的最大的特点是其冲击轮外形为六边形。在运动的过程中，质心上下偏移而压实路 基，压实路基后，在其身后会形成一条波浪形的路基。其使用特点也非常明显就是夯实 作用力大、行驶平顺性差。可以说此设计理念是现今应用非圆形冲击轮的雏形。 大约在1 9 5 3 年，在前人研究的基础上，南非工程师a u b r e yb e r r a n g6 对冲击压路机 的方案进行了极大地优化，也就是现在我们所看到的冲击压路机，但是当时的这一设计 并没有引起人们的广泛重视。随着重型卡车等交通工具的的大量出现，路面的压实度已 无法满足实际的需要时，a u b r e yb e r r a n g6 2 0 年前所提出的冲击压路机方案迟迟于2 0 世 纪7 0 年代才重新获得了人们的认可。 2 长安大学工程硕士学位论文 接下来的2 0 年中，冲击压路机迎来了其理论发展的黄金时期，在南非科学与工业 研究理事会的资助下，先后研究了三边形和五边形的冲击式压路机，其布置方式有机架 内侧和机架外侧的两种两种形式，可以说正是他们的大量研究才为冲击压路机的发展和 推广奠定了理论基础。 而国内引入冲击压路机是在9 0 年代初，是通过南非的蓝派公司所购买a u b r e y b e r r a n g6 的专利性冲击压路机引入中国的。 2 国内发展现状 国内最早申请冲击压路机专利的单位是长沙交通学院，在1 9 9 5 年元月就申请了国 内的冲击压路机专利，其早于南非蓝派公司引入中国大陆的时间。其实在我们的许多大 学中在这方面的理论研究一种进行着，其中具有研究成果的分别有长安大学、河北工业 大学，长沙交通学院、太原重型机械学院等。 虽然我国早早申请了冲击压路机专利，但是第一台样机出现则到了1 9 9 6 年，在河 南郑州试制成功。目前牵引式冲击压路机在国内生产施工中占据主导地位，而自行式冲 击压路机的研发计划只有少数厂家。冲击压路机从引入我国到现在，我国已经成为世界 上拥有和使用冲击压路机数量最多的一个国家。据数据统计，在全国各地施工中至少有 8 0 0 太冲击压路机在发挥其作用，而诸如南非、美国、澳大利亚等国外的产品的占有率 不足十分之一。经过高校的理论研究和大量企业的试制、生产以及应用，冲击压实的施 工工艺也取得了突破性进展，针对国内不同的施工土层，制定了不同的施工工艺满足压 实需要。 在工程实践中，虽然国内外研发生产的冲击压路机性能上相匹配，均可满足j 沲工要 求，但同时在施工过程中有许多制约其发展瓶颈的问题。为此经过孙祖望、陈元基等老 一辈知名教授带领一批高校和企业的业务骨干通过国内外考查、施工现场检测调研，其 目的是要将具有中国特色的冲击式压路机在国内外基础设施建设的市场中推广、普及应 用，进一步提高施工质量。 在冲击压路机巨大的市场推动下，许多专家学者针对冲击压路机在工程施工中存在 的诸多问题，对冲击压路机进行结构、施工工艺改进等方面的优化设计工作。本文就是 应用节能原理提出了一种新型压路机平衡冲击压路机，从根本上解决了传统冲击压 路机严重浪费能量的问题，同时改善了驾驶员的操作环境，最大程度的提高了施工功效。 3 第一章绪论 1 2 2 冲压压路机发展趋势 冲击式压路机是继振动式压路机之后，近年来发展起来的一种新型压路机，由于它 是在滚动中对路面进行冲击压实完成生产作业，因此在基础施工中的应用非常广泛。到 2 0 0 4 年3 月底，全国各地投入施工的各种不同类型的冲击压路机已超过2 0 0 台，其中国 产机占2 3 强，且中铁二十局西安工程机械有限公司占据了8 5 的市场份额。分析冲击 压路机的压路机理，不难看出，它是在利用我国古代夯和碾各自优点的基础上，结合现 代机械制造技术所做出的创新。在已有产品基础上，以下几个方面将成为未来冲击压路 机的发展方向。 l 、冲击压路机自行能力：自行式冲击压路机在我国也有应用。其主要特点是：1 ) 配备两个驱动轮( 2 2 ) ；2 ) 由于冲击轮机架和整体底盘铰接在一起，使得整机更加紧 凑，同时在垂直地面的方向上配备液压或气压弹簧等减振装置，提高驾驶员的舒服程度； 在水平方向同样配备减振装置，减小冲击过程对前驱动轮的冲击；3 ) 转弯半径小于拖 式冲击压路机；4 ) 冲击轮作为行驶轮增加了整机的附着力，提高了整机的牵引性能； 2 、自动检测技术的应用：工程实践证明，冲击力和被压材料的密实度之间的关系 并不是冲击力越大越好，它们之间有着最优匹配。从土的压实性能中可知，对于含水量 大的粘性土，当压实力大于一定值时就会变成”弹簧土”。对于软基粉质土，压实式非常 困难的，必须应用化学法来达到压实的目的。在实际施工中如果想获得较为准确的施工 数据，必须通过试验路段的测量得出数据来指导施工。冲击压路机判定土基压实度是否 满足要求，未来的考虑是通过测定冲击轮冲击地面时的加速度来反映，对应的加速度传 感器安装在冲击轮合适的位置。通过此检测方法可以根据被压材料瞬时的压实度情况来 调节所应施加的冲击力大小，伴随着变化的是牵引速度、施工工艺的变化；同时通过现 代的检测技术可以实时调整冲击压实的遍数；更加先进的检测技术是通过卫星定位系统 和远程操纵技术。对设备的运行情况和旌工区段的被压材料的不均匀度和整体稳定性 进行定位，避免重复冲击压实，最大限度的提高压实功效。 3 、标准化和系列化设计：任何产品发展到成熟阶段，必定会走向标准化和系列好 化，就冲击压路机而言，首先要定义设备本身的压实能力，从冲击势能来定义；其次必 须制定一般技术条件、试验方法、系列标准和检验准则；最后也是最重要的就是被压材 料检验标准和施工工艺条件的制定。 4 、新理论的研究，对冲击压路机的发展以革命性的冲击，基本解决其在施工中存 在的瓶颈问题。相信起源于南非的拖式冲击压路机，在它的技术不断进步，工作性能不 4 长安大学工程硕士学位论文 断提高，应用范围越来越广泛的情况下，可以预见，在今后的几十年里，冲击压路机在 国内外仍然会得到快速的发展，它仍是工程机械大家族中的一位重要成员。 1 3 问题的提出 我国的学者就目前冲击压路机在施工存在能源的浪费原因经过大量的理论分析和 研究，初步探求了一些解决的办法，但是还未从根本解决这一问题。而本文“机械设计 节能原理 为依据，创造性的提出了一种新颖的冲击压实设备一一平衡冲击压路机。目 的在于提高被压材料的压实效果和平整度，同时从根本上解决能量严重浪费的现象。在 能源危机频发的今天，能源问题制约着国家啊经济的发展，而作为在我国基础建设中发 挥重要作用的工程机械其节能显得尤为重要，因此从根本上解决冲击压路机的能量浪费 现象，必将掀起一场技术革命， 为了使得平衡冲击压路机有效发挥其优势，有必要对其牵引性能进行系统分析，并 对不同工况下的试验牵引力进行对比，找出平衡冲击压路机作业的合理工作速度、前后 相位角等参数，提高其牵引性能，开辟平衡冲击压路机节能的新局面。 1 4 论文的主要研究内容 本文的主要研究内容； l 、通过理论计算和试验研究两方面对冲击式压路机的牵引性能进行分析。 2 、引入节能设计原理，设计新型冲击压路机平衡冲击压路机，并对其设计原 理和方案进行系统论述。 3 、依据平衡冲击压路机相关参数，通过理论分析计算平衡冲击压路机整机牵引力 并对其进行数值模拟。 4 、对平衡冲击压路机的牵引性能试验进行设计。 5 、对平衡冲击压路机在不同路基、不同相位以及启动、转向等工况下进行牵引力 试验。 6 、分析试验数据，得出相关结论：对比平衡冲击压路机和冲击式压路机消耗功率、 压实效果等，分析平衡冲击压路机优越性。 5 第二章冲击式压路机牵弓l 性能研究 第二章冲击式压路机牵引性能研究 冲击压路机其显著的特点是低频、高幅冲击压实被压材料，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。冲击压路机在工作过程中，其冲击轮质心 周期性的升高和降低，不等径的轮廓线产生大振幅的冲击振动周期性地冲击、滚压被压 材料。和振动压实轮不同的是，它是由牵引车提供牵引力而获得工作轮的动能和位能， 而不需外激励源。冲击轮在冲击压实被压材料时，将位能和动能转换成对被压材料的压 实能，从而实现压实。目前冲击压路机在我国虽然广泛的应用于基础设施的建设中，但 是制约冲击压路机进一步发展的瓶颈问题是：冲击压路机在作业过程中牵引车颠簸不 堪，从而造成驾驶员操作环境恶劣以及必须配置大功率牵引车等。为了彻底解决上述瓶 颈问题，我们必须对冲击压路机的受力情况有一个深入的认识。 2 1 冲击轮牵引力分析 2 1 1 冲击轮动力学分析 首先必须明确牵引力的研究范围，这里所指的牵引力不是牵引车的牵引力，而是为 保证冲击压路机正常作业所需的牵引力。话句话说就是牵引车的发动机提供给冲击压路 机净牵引力。通过受力分析可知冲击压路机在运动过程中存在的阻力包括：滚动阻力、 摩擦阻力、重力产生的阻力和惯性阻力。本文的研究对象选取了y c t 2 0 型冲击压路机 的冲击轮。现对冲击轮的运动过程描述如下： 当冲击压路机的冲击轮对被压材料拍击压实结束的瞬间，冲击轮开始绕大园弧做平 面运动，当冲击轮上的大圆弧表面对被压材料滚动压实结束后，再绕小圆弧表面对被压 材料进行滚动压实，直至冲击轮质心运动到最高点，此后冲击轮加速下落冲击压实被压 材料，至此一个运动周期结束，周期性运动。 鉴于施工工况的复杂性，为了保证计算的可信度，本文引入了如下简化和假设： ( 1 ) 假设冲击轮是一个刚体。 ( 2 ) 假设冲击轮在牵引车的匀速带动下匀速工作。 ( 3 ) 认为通过平衡冲击压路机的冲击压实其被压材料平整度高； ( 4 ) 假设平衡冲击压路机在施工过程中运动为纯滚动，不考虑滑移对运动的影 响。 l 、工况一：冲击轮绕大圆弧做平面运动。 f ； 长安大学工程硕士学位论文 通过理论分析，冲击轮的平面运动可分解为沿点o 。的水平匀速运动和和绕点o 。转动 半径为r 的转动。对应的力学模型如图2 1 。由此可求出质心点0 的瞬时角速度和角加 速度。 。= v o r = ( v c o s 久) r e ls i n ( o c o 一0 c ) 】c o s 九- - = v r e is i n ( = o a ) 】 ( 2 1 ) 盖= 气= 鲁= 劣等= q c o s ( 0 c o - - ( z ) 【r 呷眦a o - o o 3 ( 2 2 ) y v 图2 1 冲击轮沿小圆弧运动的力学模型 图中对应符号说明如下： o 表示冲击轮在最低点时的质心位置；o 表示绕大圆弧结束时冲击轮质心位置：o 。为大圆弧圆心； r 为大圆弧半径；v 为牵引车水平速度；g 为冲击轮受到的重力；f 为作用于冲击轮的牵引力；q c 为 惯性力系简化的力；m 为惯性力系简化的惯性力偶；n x 为冲击轮支撑面上的合力沿水平方向的分力； n y 为冲击轮支撑面上的合力沿垂直地面方向的分力；q 为冲击轮沿大圆弧转过的角度；冲击轮在最 低点时，o o - 与水平线的夹角( 锐角) 为ao ：是质心的转动半径：r - 是惯性力的力臂：滚动摩擦阻 力臂是b ；v o 代表质心0 点的绝对速度方向；e - 是大圆弧圆心的偏心距。 做平面运动的冲击轮，其惯性力系可分解为随质心平动的惯性力系和绕质心转动的 惯性力系，前者简化为一个力q 。后者简化为一力偶m 。其中力q c 通过质心，其大小等于 冲击轮质量与质心加速的乘积( 由假设可知质心切向角加速为0 ，向心角加速度为( i ) 。2 e 1 ) ，方向与质心加速度的方向相反，力偶的矩m 等于冲击轮对通过o 点且垂直与对称面 的轴的转动惯量与角加速的乘积，转向角加速的转向相反。 7 第二章冲击式压路机牵引性能研究 其中q = 嬲a 2 岛 m = 如毋 因此平面运动的冲击轮对a 点取矩得： f r 一岛s i n ( a o a ) 卜g e , c o s ( a o 一仅) 一y 6 一q 。r c o s ( a o a ) - - j c + 胡咭。 其中b = f r 由以一g m a = o ( a 为质心的加速度) ，得 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 2 0 ) i = r a g + m a ，y， ( 2 6 ) = m g + 肌( 一y 2 e ic o s ( 0 【o a ) r e ls i n ( a o a ) r ) s i n ( ( t o a ) 由( 2 5 ) 得 dr a g e l c 0 s ( 一口) + y 6 + q 尺c o s ( 一口) + 厶趣 ，= = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 二- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 r e ls i n ( a o 一口) ( 2 7 ) 2 、工况二：冲击轮绕小圆弧半径r 做平面运动 在此工况下，冲击轮的运动同样可以分解为随点0 2 的水平匀速运动和和绕点0 2 转动 半径为r 的转动。其力学模型如图2 2 。则可知质心点0 的瞬时角速度和角加速度。 b 2 v o = ( v c o s x ) r + 8 2c o s ( 1 3 0 p ) c o s x = v j r + e 2c o s ( p o p ) 】 ( 2 8 ) 多= 知= 等= 万器= v 2 e 2 s i n 。删r + e 2 c o s 眠制 ( 2 9 ) 长安大学工程硕士学位论文 vy 图2 2 冲击轮沿小圆弧运动的力学模型 图中对应符号的说明如下： 0 代表冲击轮绕大圆弧结束时的质心位置：0 代表冲击轮绕小圆弧结束时质心位置：0 2 代表 小圆弧圆心；r 代表大圆弧半径；g 代表冲击轮受到的重力；f 代表作用于冲击轮的牵引力；q c 代表 作用于冲击轮的惯性力；m 代表作用于冲击轮的惯性力偶；n x 代表冲击轮支撑面上的合力沿水平方 向的分力；n y 代表冲击轮支撑面上的合力沿垂直地面方向的分力；1 3 代表冲击轮沿小圆弧转过的角 度；1 3 。代表冲击轮从绕大圆弧结束到最高点转过的角度；1 o 代表惯性力的力臂；c 代表滚动摩擦阻 力臂；v 代表质心0 点的绝对速度方向；o z 代表小圆弧圆心的偏心距。 做平面运动的冲击轮，其惯性力系可分解为随质心平动的惯性力系和绕质心转动的 惯性力系，前者简化为一个力q c 后者简化为一力偶m 。其中力q c 通过质心，其大小等 于冲击轮质量与质心加速的乘积( 由假设可知质心切向角加速为0 ，向心角加速度为。 2 e 。) ，方向与质心加速度的方向相反，力偶m 的矩等于冲击轮对通过a 点且垂直与对称 面的轴的转动惯量与角加速的乘积，转向角加速的转向相反。 其中q = m c o ，2 e 2 ( 2 1 0 ) m ：以伊 ( 2 i i ) 因此平面运动的冲击轮对a 点取矩得： f i r + e 2c o s ( p o p ) 卜g e 2s i n ( f i l o 一1 3 ) 一v y f 一q 。r s i n ( 1 3 0 p ) 一m = 0 ( 2 1 2 ) 9 第二章冲击式压路机牵引性能研究 其中：c = f ， 由m g m a = o ( a 为质心的加速度) ，得 n y = m g + m a y = m g + m v 2 e 2 s i n ( 1 3 0 一1 3 ) c o s ( & - f 1 ) j r + e 2 c o s ( o o - 1 3 ) 3 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 由( 2 1 2 ) 用口一代替进行坐标变换，得 f ：鳖! ! 坐鱼二! 竺二鱼塑丝! 垒! ! ! 坠鱼二竺二竺塑生堡 ( 2 1 5 ) ，+ 乞c o s ( p o 一 一q ) ) 3 、工况三：质心从最高点至冲击轮冲击地面 此工况下可认为牵引车与冲击轮没有关系，换句话说就是此时牵引车车既不牵引冲 击压路机，反过来冲击压路机的冲击轮也不冲击牵引车车。此时，冲击轮从最高点处自 由落下，并认为此时的牵引力为0 。 4 、坡道阻力 w = g s i n a = g i 其中道路的坡度角为a ，道路坡度为i 。对应的路面极限坡度角见表2 1 。 表2 2 道路极限坡度角 坡度i q 备注 o 1 l 6 92 0 未注明何种路面时的极限坡度 o 0 63 。2 0 碎石路面 取碎石路面，w = m g 0 0 6 。 5 、惯性阻力 冲击压路机惯性阻力记为。 彬：m d v ：肌兰 1 d t ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 式中：冲击轮的质量为m ，压路机的行驶速度为v ，加速时间为t ，一般取2 3 s 。 6 、拖式冲击压路机所需提供的牵引力 由上述分析可知冲击压路机所需的牵引力为： e f + + 彤 1 0 ( 2 1 8 ) 长安大学工程硕士学位论文 2 1 2 冲击轮牵引力数值仿真计算 m a t l a b 是美国m a t h w o r k s 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可 视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括m a t l a b 和s i m u l i n k 两大部分。m a t l a b 是矩阵实验室( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 的简称，和 m a t h e m a t i c a 、m a p l e 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面 首屈一指。m a t l a b 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、 连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像 处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 m a t l a b 具有下述特点： ( 1 ) 友好的工作平台和编程环境 m a t l a b 由一系列工具组成。这些工具方便用户使用m a t l a b 的函数和文件，其中许 多工具采用的是图形用户界面。 ( 2 ) 简单易用的程序语言 l i l a t l a b 一个高级的矩阵阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输 出和面向对象编程特点。 ( 3 ) 强大的科学计算机数据处理能力 m a t l a b 是一个包含大量计算算法的集合。其拥有6 0 0 多个工程中要用到的数学运算 函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。 ( 4 ) 出色的图形处理功能 m a t l a b 自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出 来，并且可以对图形进行标注和打印。 ( 5 ) 应用广泛的模块集合工具箱m a t l a b 对许多专门的领域都开发了功能强大的模 块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具 箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。 ( 6 ) 实用的程序接口和发布平台工 具箱是m a t l a b 函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定 制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方 面的应用。 ( 7 ) 应用软件开发( 包括用户界面) 在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数 l 1 第二章冲击式压路机牵引性能研究 嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对 起连接注释等：在输入输出方面，可以直接向e x c e l 和h d f 5 进行连接。 依据上述理论计算，结合表2 2 的y t 2 0 冲击压路机相关参数，在m a t l a b 中编写 相应的程序对冲击轮在1 2 k m h 下的牵引力进行求解，并绘制牵引力曲线，如下图2 3 所示。 表2 2 冲击轮相关参数 参数数值 r9 0 0m m r4 4 0m m e l 1 7 1 m m e 2 5 5 2 3 41 1 1 1 1 1 a o 3 4 8 4 。 ( 0 0 5 5 7 0 0 7 2 1 2 0 ) 图2 3v = 1 2 k m h 下牵引力随时间变化曲线 2 2 冲击式压路机牵引性能试验分析 2 2 1 试验原理 由冲击压路机的压实机理，我们知道：当冲击轮在完成冲击的瞬间，其动能、势能 1 2 长安大学工程硕士学位论文 转化为被压材料的压实能，对应的水平速度和角速度瞬间变为零，而与此同时牵引车必须 开始开始又举升冲击轮，这时系统的转动惯性力矩会很大。造成的结果是使牵引力迅速 剧增，其冲击力足可给牵引车辆的底盘和发动机造成很大的危害。 由于冲击压实力随压实工况、路面材料及牵引速度变化，因此影响牵引力的因素较 多，冲击压路机所需的净功率很难精确确定。本文旨在用试验的方法研究牵引力随压实 工况和牵引速度的变化规律。试验采用q c y 3 6 0 型牵引机牵引前后两排冲击轮，在冲击 压路机与牵引车之间安装拉、压力传感器刚性串接，传感器输出信号经放大后送到微机 测试系统进行数据处理；而通过q c y 3 6 0 型牵引车的速度表，可读出对应时刻的牵引速 度。 2 2 2 试验结果及分析 本文针对西北地区湿陷性黄土路面，在牵引速度由o 逐步升到1 5 k m h 时，分别对 冲击压路机进行了软、硬两种路基土工况下的全面测试。图2 4 - 2 6 所示分别为出为软 路基工况和硬路基工况下牵引速度为6 k m h 、8 2k m h 、1 1 5k m h 以及1 5k m h 牵引力 的变化过程。 | 一一一一一一一一一f 一一一一一一一一一丁一一一一： l 二丕i 墨i 磊= i = 图2 4 软路基工况6 1 u n h 牵引力曲线 1 3 洲蜘“ “ - o 纠中。 “。 【f墓。|cl麓 第二章冲击式压路机牵引性能研究 z 邕 f ，l 占3 c 忑 f l “4 f - ，。 r c l p 暑 蔑 d c 专 趸 端 f “ 翰 g f 。 n r z z 一 c 彳c j 苍 蕊 l l 0 d 3 7 5 57 5 1 1 图2 5 硬路基工况6 k m h 牵引力曲线 1 5 0 2 2 一l一一一一t丁一一一一一一一：一一 e ll ii 玉ij ii 一 i i i 铲妒。峨船 ：烂业犁“i 乙c “j 黝型、叠， i i i 一r i f i 1 0 d 0 03 7 5 57 5 1 1 图2 6 软路基工况8 2 k m h 牵引力曲线 1 5 0 2 2 0 0 3 7 5 57 5 11 图2 7 硬路基工况8 2 k m h 牵引力曲线 1 5 0 2 2 游n 一穗蠕 长安大学工程硕士学位论文 旺j f 篁 z 一 i 秭。o 荔 谚 c fj “) “ z 邑 l o 甍 趸 0 啦 ：， “ 2 ； 烈 i 扣 r 0 0 3 - 7 5 5 7 5 1 1 1 1 2 6 7 1 5 d 2 2 图2 8 软路基工况1 1 5 k m h 牵引力曲线 l 一一一一一一一一一一一一i i i 如掣3 0 竺竺泛2 0 f竺型鱼叠醴蔓筻y 型 i i l i iii iii iii ii1 0 0 3 7 5 57 5 11 图2 9 硬路基工况1 1 5 k m k 牵引力曲线 1 5 0 役 0 d 0 03 7 5 57 5 1 11 1 _ 2 6 71 5 0 2 2 图2 1 0 软路基工况1 5 k m h 牵引力曲线 1 5 心h r o 乏i ；= 譬夏，d c 麓 第二章冲击式压路机牵引性能研究 | p l- - t i t i 1 竺2 矗= 唑竺点生竺= 竺一 iil 图2 1 l 硬路基工况1 5 k m h 牵引力曲线 为了进一步分析的需要，从测试仪器中取出软硬路基在不同牵引速度和档位下的牵 引力进行对比，如下图2 1 2 、2 1 3 所示。 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 l2345 , - - 4 , - - 单轮牵引力对比 r 1 - - i i - - 单轮牵引力对比 r 2 + 单轮牵引力对比 y 1 t 单轮牵引力对比 y 2 图2 1 2 单排冲击轮软硬路基牵引力一。i。l麓譬 长安大学工程硕士学位论文 图5 7 平衡冲击压路机牵引力曲线( 1 5 k a 恤软路基1 相位) 图5 8 平衡冲击压路机牵引力曲线( 1 5 k m h 硬路基1 相位) 3 ) 试验对前后两排轮在不同初始相位下的牵引力进行了测试，如下图5 卜图5 1 2 所示分别为平衡冲击压路机在1 1 5k m h 牵引速度下的2 相位和3 相位的牵引力变化曲 线。试验还对整机在8 2k m h 、1 2 5k m h 以及1 5k m h 下的2 相位和3 相位时的牵引力 进行了测定，限于篇幅在此不做一一列出。 4 1 n “ ! 圣“r 蝣“r 。 n “。 罗乏一秭强麓 “绀 a o “一。 “坼 一zx一，峪x 第五章 平衡冲击压路机试验结果与分析 二二= ，二二二= 二二二_ 二二= _ 二二一 图5 9 平衡冲击压路机牵引力曲线( 1 1 5 k m h 软路基2 相位) 图5 1 0 平衡冲击压路机牵引力曲线( i i 5 k m l l n 软路基3 相位) 图5 1 1 平衡冲击压路机牵引力曲线( i i 5 k m h 硬路基2 相位) 4 2 长安大学工程硕士学位论文 图5 1 2 平衡冲击压路机牵引力曲线( 1 1 5 k m h 硬路基3 相位) 4 ) 平衡冲击压路机在短途转场时，可通过举升机构将前后两排冲击轮举起，采用 橡胶轮支撑整机，以免对无需冲压路面造成破坏，这样也保证了工作的快速性和稳定性。 在作业过程中，也可采取橡胶轮支撑转向；若是工作场地较大，采用冲击轮直接转向也 能实现。因此，牵引性能试验还对平衡冲击压路机在作业转向( 冲击轮转向) 下的牵引 力进行了测定。通过试验获得的左右两侧冲击轮转向下( 速度1 1 5 k m h ) 的牵引力曲线 如图5 1 3 、图5 1 4 所示。 鬟 “ 翟 ， 委 一 ，鼍。 磊 x 叠 搿 q 图5 1 3 平衡冲击压路机左转向工况下牵引力曲线 4 3 第五章平衡冲击压路机试验结果与分析 5 2 试验结果分析 图5 “平衡冲击压路机右转向工况下牵引力曲线 从图5 1 一图5 8 可以看出，平衡冲击压路机在i i 5 k m h 、1 2 5k m h 下的牵引力幅值 变化比在8 2h 1 i l 、1 5k m b 下的要小，尤其是在1 5 i o t d h 的软路基工况下，牵引力变化较 为剧烈，运行平稳后的瞬时最大值较高。因此，从牵引力曲线来看，牵引速度选在9k m h 一1 3k m h 较为理想，当然，在实际应用中还应进一步从压实效率和压实效果等方面考 虑。如果选取高于1 5k m h 的牵引速度，还应考虑牵引轴的安全、寿命以及整机的作业 可靠性。 5 2 1 平衡冲击压路机软硬路基工况下牵引力分析 如下图5 1 5 、图5 1 6 、图5 1 7 所示分别为l 、2 、3 相位下软路基工况与硬路基工况下 的牵引力对比。 长安大学工程硕士学位论文 fs 、s 、sj 飞， 岛， q p 、q ， 妒。 飞 岛 q q 、= + l 相位速度与牵引力 y + 1 相位速度与牵引力 r 图5 1 51 相位下平衡冲击压路机牵引力与速度关系 6 0 5 0 4 0 3 0 图5 1 62 相位下平衡冲击压路机牵引力与速度关系 一一3 相位双轮速度与牵 引力y - - - 3 相位双轮速度与牵 引力r 图5 1 73 相位下平衡冲击压路机牵引力与速度关系 从图5 1 5 5 1