摊铺机振捣梁结构设计.docx

2008级工程机械专业综合课程设计2008级工程机械综合课程设计 RP452L沥青混凝土摊铺机振捣装置结构设计 姓 名： 学 号： 班 级： 指导老师： 二 0 一 一 年十 二 月目录摘 要2第一章绪 论31.1国内外发展状况31.11 国内外技术现状31.12 现代先进摊铺机的关键技术和结构41.13 国内外技术发展趋势5第二章摊铺机振捣装置工作特点及原理概述62.1 振捣装置工作特点62.2 振捣装置工作原理7第三章振捣装置的总体方案分析与确定83.1 振捣器的主要参数83.11 振捣梁的运动参数83.2 振捣功率的计算113.21 振距的计算113.22 振捣驱动比功率123.23 振捣驱动力矩M123.24 马达压力差P123.25 振捣功率NT133.3 振捣参数优化设计13第四章振捣梁的设计与计算154.1 振捣器结构尺寸设计154.11 振捣器振捣锤倒角154.12 振捣梁相位关系15第五章振捣装置液压系统分析17第六章设计总结18参考文献19摘 要振捣器是摊铺机的主要工作装置之一也是熨平板的主要组成部分，摊铺机工作装置的性能直接影响着路面的施工质量。振捣装置是安装在熨平板前面的偏心式梁式旋转机构，主要用于混合料的初步捣实，对提高摊铺机混合料的密实度起关键性作用。目前，摊铺机振捣装置主要有但振捣和双振捣两种形式。单振捣装置，只有一排振捣梁，对混合料的捣实作用强度小，振捣梁的符合运动产生的惯性力以及偏心轴运动产生的离心力共同作用于熨平板箱体，使熨平板产生不可避免的前后摆振，即有害振动。由于单振捣装置结构简单、性价比较高，被广泛用于对摊铺路面质量要求不高的道路施工中。双振捣装置分为前、后两排振捣梁和偏心轴。偏心轴通过两个振捣连杆把运动传递到振捣装置，从而抵消一部分离心力，前后振捣梁交替上下往复运动，可以抵消运动过程中产生的一部分惯性力，故双振捣装置大大提高了摊铺路面的平整度，而且由于振捣装置质量一般较大，采用双振捣熨平板施工后，摊铺路面的混合料密实度可达95%以上，减少了后续压路机的碾压次数，降低了施工成本，提高了摊铺路面质量和工作效率。关键词：摊铺机，熨平板，振捣器，偏心轴第一章 绪 论1.1 国内外发展状况 20世纪60年代，中国开始研制沥青混合料摊铺机产品，在1986-1993年期间分别引进日本NIIGATA、德国戴纳派克、福格勒和ABG公司的制造技术，同时也进口了大量的德国的摊铺机产品。截至目前我们已经形成了可生产制造全系列摊铺机产品的能力，并得到了广泛应用，可满足各种工况需求。国产摊铺机已得到道路施工的广泛应用，其比例不断升高，已成为主导机型。培养了一大批摊铺机开发研究、使用治理、维修保养等方面的专业人才，为今后进一步发展打下良好的技术基础。1.11 国内外技术现状问世于20世纪30年代的沥青混合料摊铺机，经过近80年的发展，已经成为集机械技术、液压技术、电子技术等高新技术于一体的高科技产品。我国是从20世纪60年代才正式开始，快速发展阶段不足10年。目前国内外先进摊铺机的技术现状主要体现在以下五个方面：（1）机电液一体化摊铺机已成主流；现代沥青混合料摊铺机的行走装置有轮胎式和履带式两种，输料装置有刮板送料和螺旋分料两种，其传动系统在过去相当长的时间里都是采用机械传动系统。对于摊铺作业中出现的种种复杂情况，机械传动系统难以适应，结果造成摊铺速度时快时慢，最终影响摊铺路面平整度。现代摊铺机已发展成为集机电液为一体的先进设备，很好的解决了以上难题。（2）摊铺机恒速控制得到广泛应用；在每个摊铺作业循环中，发动机转速的变化，液压元件容积效率的变化及履带划转率的变化，都会导致摊铺速度的不稳定，这是影响摊铺路面平整度十分重要的原因。为此采用恒速控制技术能更好的从各个方面来解决这些问题。（3）自动调平成为重要特性；摊铺机作业时，对于路况产生的干扰，只能靠摊铺机自身的自调平能力来抵抗，使得基层原有的纵坡坡形在摊铺层上得以递减，起到摊铺的上层比下层平整的效果。（4）比例控制输料达到匹配新水平；以往的摊铺机，其刮土输料系统和螺旋输料系统都是采用机械传动，输料量的控制也都是开关式，输料量与实际生产率之间难以稳定的匹配，最终影响平整度。改用比例控制使匹配输料达到了一个新水平，实现了在设定摊铺速度、宽度、厚度情况下连续稳定输料，并且液压系统的负荷也稳定，不但对提高平整度有利，而且提高了传动系统的可靠性。（5）抗离析摊铺技术日趋成熟 。离析曾是摊铺机大宽度摊铺很难解决的问题。离析有四种情况分别是横向离析，竖向离析，纵向带状离析和窝状离析。为解决离析难题，抗离析摊铺机相继出现从而更好的解决了这些问题。1.12 现代先进摊铺机的关键技术和结构 （1） 左右行走履带全液压独立驱动方式。可实现圆滑转向摊铺以及无级变速的性能（2） 全自动比例供料系统。全自动比例及非接触式传感控制方式，使供料自动保持均匀、稳定。确保高质量连续摊铺作业。（3） 多种组合形式的高密实度熨平装置。目前具有多种组合的高密实度熨平装置，分别采用不用工作原理和结构。福格勒公司近期开发研制适合不同工况的多种熨平装置，更便于用户选择应用。（4） 组合式自动找平系统。将参照基准分别设置在已摊铺和未摊铺的路面上，并采用非接触式传感装置，有效地提高了摊铺平整度和应用机动性能。全轮驱动的轮胎式摊铺机。加大了附着牵引力，减少打滑，改善了轮胎式摊铺机的使用性能。目前，国内有关摊铺机熨平装置的研究主要集中在自动悬挂装置、智能加热装置、抗弯拉紧装置等方面，相关的研究单位主要有东北大学、江苏大学、中国矿业大学、天津工程机械研究所和长安大学等几家。研究内容包括建立熨平装置的数学模型，振捣、振动机构的运动学、动力学分析，振动、振捣频率的确定，振捣机构振幅调节方法等，取得了一定的成绩。但大家的研究分析仅停留在理论分析阶段，没有结合熨平装置的实际工作情况，相关试验研究也未见到。专利方面，国内有关熨平装置的专利涉及了自动找平系统，熨平板液压伸缩装置，振捣机构的传动控制，熨平板的浮动控制等方面，对于本项目拟将开展的熨平板振捣惯性力平衡技术、振动均匀性技术和箱体热变形抑制技术等方面未见涉及。1.13 国内外技术发展趋势目前，我们可以通过展览会、技术交流以及各种技术资料等多种渠道去了解国外摊铺机的技术发展情况。公路建设的迅猛发展，有力的促进了摊铺机技术的不断提高。当前，摊铺机的发展趋势主要以下几个方面：（1）高密实度摊铺，熨平板由单排振捣发展为双排振捣梁，并同时在熨平板箱体内装有振动器，显著提高了铺层材料的密实度。（2）多功能摊铺，不但能够铺设沥青混合料，而且也可以摊铺稳定土、RCC材料等多种材料。（3）人性化和精细化的设计动向 。（4）双层沥青混合料铺层一次性完成 。第二章 摊铺机振捣装置工作特点及原理概述2.1 振捣装置工作特点振捣装置布置在螺旋布料器之后、熨平板之前。由偏心轴和铰接在偏心轴上的振捣梁组成。其作用是将横向铺开的料带进行初步捣实，将大集料压入铺层内部，有单振捣梁式和双振捣梁式。图2.1为双振捣装置结构，其轴承与框架连接，轴承座内偏心轴通过液压马达驱动带动主副振捣梁作不同步的上下往复振动。梁下平面对沥青混合料进行初步密实。图2.1 双振捣装置1- 轴承座；2-副振捣梁；3-主振捣梁；4-副振捣锤；5-主振捣锤；6-框架；7-连杆；8-偏心轴振捣梁的底部前沿有斜面，当机器作业时，振捣梁对松散混合料的击实作用逐渐增强。为了保证铺层顺利进入熨平板下，机构设计时应保证振捣梁的下止点位置低于熨平板底面约34mm。振捣装置可对路面进行预压实，这种预压实是在一定的摊铺速度情况下产生的。经过预压实的路面的，不同粒径的石料填充镶嵌，初步形成了板块骨架结构，再经过压路机碾压成型后，粗细石料咬合形成密实的板块。单振捣梁结构比较简单，但是振捣的密实度较低，为了提高铺层密实度，有的摊铺机配备双振捣梁。2.2 振捣装置工作原理振捣装置布置在螺旋布料器之后、熨平板之前，有单振捣梁式和双振捣梁式之分，其中双振捣梁式可以提高铺层密实度，应用较为广泛。双振捣梁式振捣装置，前后有两套振捣装置，前面的是预捣实梁，后面的是主振捣梁。两根振捣梁的偏心相位配置相差1800。振捣以熨平装置为机架，以液压马达驱动偏心轴，梁被夹在熨平板前端和挡料板之间，当偏心机构转动时，振捣梁只作上下往复运动从而达到捣实的目的。振捣梁的往复行程，可进行无级调整，视摊铺厚度。摊铺温度和密实度来选择行程的大小。通常来说，薄层小粒径宜选用段短行程。反之，摊铺层厚度大，集料粒径大、摊铺温度低时宜选用长行程。摊铺面层时只能选用短行程。根据不同的摊铺层厚度通过调整偏心量即可调整振捣梁冲击行程，两偏心量的相位差为1800，有利于振捣梁的质量平衡而使熨平板平稳工作。前后振捣梁的振动幅度分别为012mm和09mm，振动频率和激振力均可调节。前振捣梁的迎料坡角450，后振捣梁的迎料坡角为300。振捣梁振动可带动熨平板振动，使摊铺后的混合料更加密实。第三章 振捣装置的总体方案分析与确定3.1 振捣器的主要参数3.11 振捣梁的运动参数1冲击行程H（1）摊铺机振捣梁冲击行程分析表3.1 RP452L摊铺机振捣梁冲击行程参数摊铺机型号前振捣后振捣RP452L冲击行程H（mm）偏心轴偏心量e1（mm）偏心套偏心量e2（mm）冲击行程H（mm）偏心轴偏心量e1（mm）偏心套偏心量e2（mm）0-3-6-9-12333-5-7-931.5表3.1中列出了徐工生产的RP452L型号摊铺机振捣梁冲击行程的一些参数，查资料可以打出国内外多数摊铺机都采用双振捣双调幅方案，结合工程实际情况和摊铺机技术的不断发展已经开始开始采用前调幅后定幅双振捣方案。振捣振幅可调式的熨平板，由于其结构复杂，调节时容易导致同一振捣器中两侧振捣机构偏心不一致，致使振捣器无法正常工作，损坏轴承或是振捣梁作非水平的上下运动。同时，因为摊铺机后振捣梁的冲击行程下止点位置一般固定不变（比摊铺机熨平板底面低0.5mm），所以，结合摊铺机用户使用的实际情况（后振捣梁冲程在使用时通常不调），为避免摊铺机后振捣梁冲程调整的麻烦，目前一般已将后振捣梁冲程H设计成固定值5mm，前振捣梁冲击行程H设计成可调值0-3-6-9-12。（2）振捣梁冲击行程H计算公式 H=2e （3.1.1）式中：e偏心轴和偏心套所形成的总偏心量e=e12+e22-2e1e2cos e1偏心轴的偏心量； e2偏心套的偏心量； 偏心套相对偏心轴的旋转角；将装配结构简化，以机构旋转中心为圆心，以偏心轴相对于转动轴的偏心量e为半径作偏心轴的偏心圆。为便于调节，设定偏心轴的偏心方向始终朝正上方，偏心套的初始偏心方向朝正下方，以C点位圆心，以e2为半径做偏心套的偏心圆，如图3.1所示，此时，偏心套的偏心圆上任意一点P与机构转动轴心O连线距离OP即为该振捣机构的偏心量e，冲击行程H=2e。 图3.1 振捣梁冲击行程H计算示意图调节冲击行程时将偏心套由图中0位置旋转角，此时振捣机构偏心量e即为偏心套的偏心与偏心轴的偏心的向量和，即OP连线间的距离e=OP=e12+e22-2e1e2cos （03600） （3.1.2）当e1、e2、e已知时Cos=（e12+e22-e2）/2e1e2即可求得相应值，由此即可确定偏心套与偏心轴的相对位置，调节熨平板时必须保证每一振捣器中两侧的偏心套相对于偏心轴的旋转方向和角度一致，否则导致振捣器无法正常工作，或使振捣梁左右两边作非水平的上下运动，影响振捣效果，并产生噪声，最终导致损坏内部轴承，这一过程可通过坐标系进行简化分析，如图3.2所示图3.2 旋转不同角度时P点位置的比较取O点为坐标原点，图3.2（a）的偏心套相对于偏心轴的旋转角度为，图3.2（b）的偏心套相对于偏心轴的旋转角度为（3600-）。这时，角度与（3600-）角度所对应的偏心量e值是相等的。但是当主轴旋转角度时，则OP亦旋转角度，OP相对于x、y轴的坐标分别为：对于图3.2（a）偏心结构：X11=Ecos（+） （3.1.3）Y11=Esin（+） （3.1.4）对于图3.2（b）偏心结构：X21=-Ecos（-） (3.1.5)Y21= Esin（-） (3.1.6)显然，当900时，X11X21，Y11Y21，左右两边无法保持同步，振捣机构无法正常工作。2冲击频率f（1）摊铺机振捣轴转速、振捣梁冲击频率分析。表3.2 RP452L型摊铺机振捣梁冲击频率参数表摊铺机型号振捣轴转速n（r/min）振捣梁冲击频率f（HZ）振动器振动频率f（HZ）RP452L01470024.5050通过查相关资料手册可以得出国内多数摊铺机制造企业都采用振捣梁冲击频率f25HZ方案。如果振捣频率大于25HZ时，除了产生不良的夯实效果外，机械噪声会大增，结构件损坏严重，安装在熨平装置上的自动调平仪器振动会过大。振捣频率确定后，再根据振捣系统传动路线计算实际的振捣频率，使其等于或约等于所确定的振捣频率。（2）冲击频率f需与摊铺机作业速度相适应。 振捣梁冲击频率f需与摊铺机作业速度v相适应（公路沥青路面施工技术规范）要求摊铺机作业速度v=26m/min）。作业速度太慢效率低下，机件磨损严重，太快增加供料难度，不能保证摊铺层预压实度。振捣器的振动给沥青摊铺机的摊铺带来不同程度的影响，特别是宽而薄的面层。过高的冲击频率会产生共振，使熨平板产生不稳定的状态、改变熨平板的工作仰角，影响摊铺质量。同时，也会使沥青摊铺机加速损坏。因此，要根据不同沥青路面铺筑厚度选择最佳冲击频率。另外，为了减少沥青摊铺机的起步阻力，起步时暂不施振，待沥青摊铺机正常运行后再进行振捣。3.2 振捣功率的计算3.21 振距的计算振捣梁夯实两次摊铺机前进的距离称为振距。用S表示：S = vT103 （3.2.1） 式中：S-摊铺机的振距，mm； v-摊铺速度，m/min； T-振捣频率，等于偏心轴转速，r/min。按照公路沥青路面施工技术规范要求摊铺机作业速度v=26m/min，取v=5m/min；取T=25HZ（1500r/min），计算可得S = vT103= 51500103mm=3.33mm振距大，压实度低。对于所设计的摊铺机，在标准设计工况下，也应该有与压实度指标相对应的振距，如果设计的摊铺机振距不大于与设定压实度相对应的振距，那么摊铺层的压实度也就不低于所设定的压实度。3.22 振捣驱动比功率在一定的摊铺速度情况下，单位摊铺宽度上所消耗的振捣驱动功率称为振捣驱动比功率。振捣驱动比功率 NT= NB (3.2.2)式中：N-振捣驱动功率，kW; B-摊铺机最大摊铺宽度，m。驱动比功率是由实验测得，不同的物料，不同的摊铺速度，不同的振捣频率，驱动比功率也不同。查手册可得，设计时对于振距3.33mm，压实度指标80%的沥青摊铺机，振捣驱动比功率为1.2kW/m。振距大，压实度低。对于所设计的摊铺机，在标准设计工况下，也应该有与压实度指标相对应的振距，如果设计的摊铺机振距不大于与设定压实度相对应的振距，那么摊铺层的压实度也就不低于所设定的压实度。3.23 振捣驱动力矩M 发动机通过传动系统传到振捣梁上的力矩称为振捣驱动力矩M，用式（3.2.3）表示： M=9546N/T （N m） （3.2.3）式中，N,T代号的意义与前面相同。查相关资料可得RP452L沥青混凝土摊铺机最大摊铺宽度B=4.5m，由前面计算可得NT=1.2kW/m,T=1500r/min;结合式（3.2.3）计算可得：M=95461.24.5/1500=34.4KNm3.24 马达压力差P对于振捣系统为液压传动的摊铺机，马达压力差P用式（3.2.4）表示：P = 2Mmqm （MPa） （3.2.4） Mm=MTiiTiT （N m） （3.2.5）式中：Mm-马达的输出扭矩（N m）； q-马达的排量（mL/r）； m马达的效率； iT-从马达到振捣梁之间各种传动元件（如链传动、带传动等）的总速比； iT-从马达到振捣梁之间各种传动元件（如链传动、带传动、万向节、支撑等）的总效率；3.25 振捣功率NT 摊铺机的振捣功率NT指发动机输出给振捣系统消耗的有用功率，用式（3.2.6）表示： NT = N （3.2.6）式中：N-振捣驱动功率，Kw； -振捣系统的总效率，等于从发动机到振捣梁之间各种传动元件（如联轴器、分动箱、泵、马达、链传动、带传动、万向节、支撑等）效率之乘积。3.3 振捣参数优化设计摊铺机的熨平装置是由两个主熨平装置或两个液压伸缩熨平装置及若干个加宽熨平装置拼装组成，各拼装段都有独立的偏心轴和振捣梁。因此，各拼装段的振捣频率、振幅和振捣质量都有可能不相同。这样，虽然确定了一个总的振捣驱动比功率，但是分配给各拼装段的实际振捣驱动比功率就会不一样。每个熨平装置拼装段实际振捣驱动比功率不等，将会造成摊铺层上压实度的横向不均匀，影响平整度的横向均匀性。所以，在振捣系统设计时，不可忽视的一个问题是根据等比功率振捣原理进行设计。所谓等比功率振捣原理，就是使熨平装置各拼装段的单位长度上所消耗的振捣驱动功率（即振捣驱动比功率）相等。各拼装段的振捣驱动比功率Nt与振捣质量、振幅及频率的关系可以用式（3.3.1）表示： Nt=6.2KGA2T3L10-8 （3.3.1）式中：Nt-振捣驱动比功率，kw/m； K-修正参数，由实验得，取1.4-1.8； G-振捣件（振捣梁及随动连接件）质量，kg；A- 振幅，mm；T-振捣频率，Hz;L-振捣梁长度，m。对于机械加宽熨平装置，各拼接段振捣梁的振捣频率都是相同的；对于液压伸缩熨平装置，通常主熨平板与伸缩熨平板上的振捣马达是串联的，由于容积效率的关系，第二个马达（偏心轴）的转速比第一个马达（偏心轴）的转速小，对驱动功率有影响。另外，各拼接段振捣梁的长度难以相等，如果按等截面设计振捣架，振捣质量也不一定相等，对驱动功率也有影响。所以，在设计时，应按公示（3.3.1）给出的G、A或T的数值进行优化调整设计，验算各拼接段的振捣驱动比功率Nt，使其与确定的振捣驱动比功率NT相等或近似相等。第四章 振捣梁的设计与计算4.1 振捣器结构尺寸设计4.11 振捣器振捣锤倒角（1）振捣锤倒角分析表4.1 摊铺机振捣锤倒角分析摊铺机类型前振捣锤倒角（0）后振捣锤倒角（0）RP452L4530通过查相关资料可以得出RP452L型沥青混凝土摊铺机振捣锤倒角分析如表4.1所示，从而可以确定前振捣锤采用倒角为450、后振捣锤倒角为300的方案。从其设计结构上来分析，后振捣锤在下止点时其底边略低于熨平板边约0.5mm，其主要作用在于将熨平板前的松散混合料顺利捣入熨平板之下，利于熨平板的整平作业，提高铺设层平整度。摊铺机出厂设置值为：后振捣梁冲击行程H为固定值5mm，前振捣梁通过旋转副偏心套（相对副偏心轴旋转600）将其冲击行程H调整为6mm。这时前、后振捣梁底边高差约16mm。（2）振捣锤振捣过程振捣梁从最高点开始向下振捣、实现对混合料的压缩密实，然后从最低点向上运动形成空隙，螺旋粉料器压力F和混合料自重作用填满空隙，振捣梁从最高点向下振捣实现对混合料的再一次压缩密实。4.12 振捣梁相位关系如果振捣梁的惯性力过大，会对整个摊铺机熨平板振动参数和作业质量产生较大的不良影响。为了找出抑制或消除惯性力的办法，应分析出主、副振捣梁的相位关系以及其他因素对振捣梁惯性力大小的影响，从而减小惯性力过大对整个摊铺机熨平板的影响。每一振捣单元都是双振捣机构，由前（副）、后（主）振捣器组成。后振捣器冲程固定，副振捣器冲程可调。前（副）、后（主）振捣器到达各自行程下止点存在着相位差。左右基本段振捣单元之间，左基本段振捣器与右基本段振捣器到达各自行程下止点时间不同，存在着相位差。加长段振捣单元宽度不等，通过螺栓与另一加长段振捣单元固连在一起，形成一段振捣单元。左右基本段振捣器与相邻的加宽段振捣器以及不同尺寸的相邻加宽段振捣器，到达各自行程下止点时间不同，存在着相位差。第五章 振捣装置液压系统分析振捣液压系统由电比例控制变量柱塞泵和斜轴式柱塞马达组成的一套闭式液压系统，由马达输出转速给振捣机构，使夯锤频率实现无级变速，其原理如图5.1所示。图5.1 振捣液压系统1- 振捣泵；2-补油泵；3-安全溢流阀；4-单向阀；5-补油泵安全溢流阀；6-梭阀；7-振捣马达；8-外控减压阀；Y-振捣泵比例电磁阀振捣液压系统和螺旋分料液压系统相似，是由振捣泵和振捣马达组成。当操纵调节面板上的振捣频率调节旋钮，就改变电磁阀Y的电量，改变油泵盘活塞的位置。油泵流量的改变，使马达的转速改变，振捣频率也就改变了。由于振捣梁马达安装在熨平装置上，要经常的装拆，所以与振捣马达的管路连接