（机械工程专业论文）摊铺机振捣器的动力学分析与应用.pdf

摘要 振捣器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。因此，针对国内外对振捣器研究相对较少的现状，专题对振捣器的运动学和动力学 进行研究，对振捣器的设计和合理使用具有主要的现实意义。 论文较全面地对振捣器的主要参数进行了归纳，通过对比和分析，给出了振捣梁运 动参数、振捣锤结构参数、振捣梁相位参数的选取原则和取值范围；在分析与工程实践 的基础上，首次提出了相位参数的概念及其范畴，它包括左右振捣梁相位差、相邻振捣 梁相位差和主副振捣梁相位差，对振捣器和熨平板的工作性能及可靠性有主要影响；列 出了振捣单元的运动微分方程，编写了运动分析的流程及其程序，采用m a t l a b 软件 对振捣器进行运动学和动力学仿真计算；按国标进行了试验样机振捣器的加速度测试， 结果与仿真结果变化趋势相一致，数值大小也相接近；给出了振捣器惯性力计算的公式， 采用试验样机参数和运动学仿真结果，综合分析了振捣器主要参数对振捣梁惯性力的影 响，为振捣器的设计和合理使用提供了依据，并参考振捣器惯性力仿真计算的结果，给 出了熨平板加长节的安装方式。 研究表明，振捣器的运动规律和动力特性与摊铺机的正常工作和作业质量直接相 关。因此，论文的研究结果对摊铺机的设计和使用都有实际意义。 关键词：摊铺机、熨平板、振捣器、相位角、惯性力 a b s t r a c t v i b r a t o ri st h em a i nc o m p o n e n to ft h es c r e e dp l a n t ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep a v e r w o r k i n gu n i th a s d i r e c te f f e c to nt h eq u a l i t yo ft h er o a d t h er e s e a r c ho nv i b r a t o ra th o m ea n d a b r o a di sr e l a t i v e l yr a r ea tp r e s e n t ，t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sm a k e sas t u d yo nk i n e m a t i c sa n d d y n a m i c so fv i b r a t o r , w h i c hh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ed e s i g na n dr e a s o n a b l eu s eo f v i b r a t o r t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h em a i np a r a m e t e r so fv i b r a t o r b yc o m p a r i s o na n d a n a l y s i s ，i tg i v e so u tt h es e l e c t i o np r i n c i p l ea n dt h es c o p eo fv a l u e so nt h em o t i o np a r a m e t e r s o fv i b r a t i o nb e a m ，s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fv i b r a t i o nh a m m e r sa n dp h a s ep a r a m e t e r so f v i b r a t i o nb e a m ；i tf i r s t l yb r i n g st h ec o n c e p ta n ds c o p eo fp h a s ep a r a m e t e r sw h i c hi n c l u d et h e l e f ta n dr i g h tv i b r a t e db e a mp h a s e ，t h ea d ja c e n tv i b r a t e db e a mp h a s ea n dt h em a i na n ds i d e v i b r a t e db e a mp h a s e ，w h i c hh a sac h i e fe f f e c t so nt h ew o r k i n gp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo f v i b r a t o ra n ds c r e e dp l a n t ；t h i st h e s i se s t a b l i s h e st h em o t i o nd i f f e r e n t i a le q u a t i o na b o u tt h e v i b r a t i o nu n i t ，c o m p o s e st h ep r o c e s s e sa n dp r o c e d u r e so ft h ek i n e m a t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t e s t h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so fv i b r a t o rb ym a t l a b ；t h et r e n d so fe x p e r i m e n t a lt e s tr e s u l t s a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o n s i s t e n ta n ds i m i l a r ；t h i sd i s s e r t a t i o na l s og i v e st h ef o r m u l af o r c a l c u l a t i o no ft h ei n e r t i af o r c eo fv i b r a t o r , a n dm a k e sac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sf o rt h em a i n p a r a m e t e r sw h i c ha f f e c tt h ei n e r t i af o r c eo fv i b r a t o r t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c hd o n ei nt h i s t h e s i s ，t a k i n gi n t o a c c o u n ti n e r t i af o r c es i m u l a t i o nr e s u l t so fv i b r a t o r , p r o v i d eab a s i sf o rt h e d e s i g na n dr a t i o n a lu s eo fv i b r a t o r , a n da l s of o rt h ei n s t a l l a t i o nm a n n e r o ft h ee x t e n d e dl o n g e r s e r e e ds e c t i o n r e s e a r c hs h o w st h a tt h em o v e m e n tr u l e sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sd i r e c t l yr e l a t et o t h en o r m a lw o r ka n dw o r k i n gq u a l i t yo fp a v e r t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e r h a v e p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo nt h ed e s i g na n du s e o fp a v e r k e yw o r d s ：p a v e r ；s c r e e dp l a t e ；v i b r a t o r ；p h a s ea n g l e ；i n e r t i af o r c e i i i 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： r 、 d 、闱l j 唧年雪月7 日 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：d y 乱己 导师签名：哟蔓 弓形 z 哆年上月2 7e t 7 朋7 日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀 v 匕 1 1 国内外现状 1 1 1 国内外沥青混合料摊铺机的技术现状 ( 1 ) 国产沥青混合料摊铺机的技术现状口 5 1 6 朋 问世于2 0 世纪3 0 年代的沥青混合料摊铺机，经过近8 0 年的发展，已成为集机、 电、液于一身的高科技产品。 液压系统 早期摊铺机的行走系统、螺旋、刮板系统都采用机械传动方式，一般仅有转向或其 他辅助系统采用液压传动。目前，全液压摊铺机形成了以高传动效率、灵活的传动方式、 优越的控制性能和高可靠性的主流，尤其是大中型摊铺机。过去，摊铺机液压系统以开 式系统为主。由于不易无级调速、元件分散、效率低、不易连续控制等原因，已被现在 的闭式系统所取代。 行驶驱动机构 国产大中型摊铺机均采用履带式行走机构，接地比压小，附着性能好。过去的国内 外摊铺机，驱动装置种类较多，有液压马达+ 链条、液压马达+ 减速器组合等。现在都 向液压马达+ 行星齿轮减速器发展，而且配套件的选用也趋于一致。 轮胎式行走机构用在中小型摊铺机上。小型轮胎式摊铺机采用后桥驱动、前轮转向 的方式，中型轮胎式摊铺机采用前后桥驱动前轮转向的方式。目前国产轮胎式摊铺机的 机型不多，性能差别较大。 机电液一体化 过去，摊铺机的行走、刮板送料和螺旋分料传动系统都是采用机械传动系统。现代 化的摊铺机已经发展成为集机电液为一体的先进设备，几乎所有的操作都采用电控方式 控制。如长沙中联重工科技发展股份有限公司生产的l t u 9 0 摊铺机，控制系统还设有 总线接口，实现数据交换及参数设置，配有左右两个多功能外控制台，实现外控操作。 恒速控制系统 摊铺作业中，外部负荷的变化，发动机转速的变化，液压元件容积效率的变化及履 带( 或轮胎) 滑转率的变化，都会导致摊铺速度的不稳定，这是影响摊铺路面平整度十 分重要的因素。现在的大中型摊铺机几乎都采用了摊铺速度恒速控制技术。 恒速控制的方法有以下2 种：第一，在发动机上安装电子调速器，对发动机转速进 第一章绪论 行控制。第二，在行走机构的终端减速箱或液压马达上安装速度传感器，测出真正的摊 铺速度信号，反馈给速度控制器( 即微处理器) 。速度控制器将输入的速度信号与设定的 速度进行对比处理，然后输出信号去控制行走变量泵的排量。 自动调平控制系统 在过去相当长的一段时间里，摊铺机没有自动调平功能。在摊铺作业时，对于路况 产生的干扰，只能靠摊铺机自身的自调平能力和人工手动调整，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。近十几年来，非接触式( 超 声波、激光) 自动调平系统问世，能高精度、高可靠性、全面补偿校正偏差，实现了自 动调平系统的网络化、智能化控制。尤其近年流行的以超声波检测技术为核心的非接触 式平衡梁方式，以其成熟的技术、较高的精度、方便的使用大受欢迎。典型代表是德国 m o b a 公司的s u p o - m a t i c 和美国t s d 公司的s y s t e i n v 非接触式自动调平系统。国内已有 厂家配备这些自动调平控制系统。 连续输料技术 以往摊铺机的刮板输料系统和螺旋输料系统都是采用机械传动，输料量的控制为开 关式，输料量与实际生产率( 由摊铺速度、宽度、厚度决定的) 之间难以稳定的匹配，最 终影响到平整度。改用液压传动以后，一度螺旋输料系统采用比例控制，刮板输料系统 仍是开关控制，除了与实际生产率之间的匹配仍不理想外，两者之间的匹配还不协调。 由于这种输料方式成本低，基本能适应施工要求，所以多数国产摊铺机长期采用。 抗离析摊铺技术 为解决离析难题，2 0 世纪末至l j 2 1 世纪初，几种国产抗离析摊铺机( l t l 2 0 0 型摊铺机、 d t l 3 0 0 型多功能摊铺机等) 相继问世。所采取的措施是：( 1 ) 采用螺旋叶片全埋输料 方法，大小粒料能被均匀输送，使摊铺层宽度方向上粒料均匀，以避免横向离析。( 2 ) 螺旋前面导料板的离地间隙应可调整，能减少粒料向基层表面滚落，使摊铺层在厚度方 向上粒料均匀，以避免竖向离析。( 3 ) 螺旋高度应多级调整，可对摊铺层表层的粒料起 到再次连续搅拌作用，使摊铺层在厚度方向上粒料均匀，以避免竖向离析。( 4 ) 合理设 计反向叶片、料槽宽度、螺旋支撑，改善输料阻滞现象，以避免纵向带状离析。( 5 ) 合 理设计刮板宽度和料斗形状，减少料斗收合时的集料量，减少大粒料滚落成堆，以避免 窝状离析。 数字化控制技术 在数字化控制的摊铺机的研究方面，我国落后于国外，数字化控制技术在摊铺机上 2 长安大学硕士学位论文 的应用也仅限于采用了数字化自动调平系统。 ( 2 ) 国外沥青混合料摊铺机的技术现状口1 5 1 刀 环保节能。 国外摊铺机在整机噪声控制方面采取了许多有效措施，使整机噪声控制在1 1 0 d b 以 下。福格勒系统摊铺机具有发动机经济型运转模式选择开关，超级1 6 0 0 系列发动机特 点在9 4 k w ( 1 8 0 0 r m m ) ；超级1 8 0 0 系列在1 2 5 k w ( 1 8 0 0 r m i n ) 。由于发动机3 4 的摊 铺工况不需要满负荷工作，故而该技术的应用可明显降低机器的燃油油耗、磨损及噪声； t i t a n8 8 2 0 多功能摊铺机选用道依茨b f 6 m 1 0 1 3 e c p 发动机，可满足欧i i 排放标准， 散热系统由马达带动风扇，设有温控系统，可以降低噪声并节能。 智能控制操作。 英格索兰一a b g 摊铺机的e p m 电子管理摊铺作业系统已发展到第二代，该系统既 有数据远程传送，卫星跟踪定位，电子路面扫描系统及镭射找平等功能，还有触摸式操 作平台实现整机运作情况监测及故障诊断，在面板上实现刮板无级调速、夯锤频率调整 等。 福格勒摊铺机输料器、分料器分别独立驱动，通过超声波传感器组成的闭环控制系 统能够精确控制料位高度，保证摊铺质量。其智能发电机管理系统配置一个三相交流发 电机，动力储备充足，不论发动机的转速高低如何，摊铺的负荷如何变化，发电机输出 都可满足使用，避免了负荷突变，降低总燃油消耗。另外熨平板得益于发电机管理系统，”、 具有左右交替加热模式，从而可以减少一半加热动力的消耗。v o t r o n i c 系统提供非接 触式自动导向，纵横坡控制，且具有记忆功能，只需按一下按扭，机器就能马上恢复到 停机前的工作状态。 熨平板技术。 英格索兰一a b g 摊铺机的熨平板设有停车等料、起步双重锁定功能( 防起步爬升 及防停车下降) ；带张紧调节油缸机构，可防止熨平板纵向变形，保证摊铺质量；拱度 液压调节，方便施工；专利技术的v b 8 8 熨平板延伸段采用液压快速连接机构，安装方 便快捷，使市政维护等施工更有弹性，效率更高；夯锤和振动装置不通过皮带而是由马 达直接驱动；可配置高密实度自动伸缩型熨平板和标准型伸缩熨平板；英格索兰一a b g 和福格勒均采用了机械加长熨平板液压伸缩加长块新技术，该技术弥补了机械加长熨平 板宽度不能无级变化的缺陷。 人性化设计。 3 第一章绪论 纵观国外厂商推出的摊铺机，无不体现以人为本的人机工程设计原则。英格索兰一 a b g 熨平板拱度液压调整，延伸段液压快速连接机构；福格勒和戴纳派克螺旋分料器 高度可机械或液压无级调幅等，使机器安装轻便快捷，效率更高；福格勒s 切? e r2 1 0 0 c 摊铺机的驾驶台整体可以后翻，易于接近所有维修点，料斗前部液压折叠，确保料斗排 空，减少人工劳动强度，司机座椅和控制面板一起可以摆动至两侧，视野更佳。 ( 3 ) 国内外摊铺机比较 国内的摊铺机通过多年的发展，在技术上有了一定的进步，可靠性有所提高，特别 是在外观方面有进一步的提高。但普遍技术含量较低，重复摹仿痕迹仍较明显。主要差 距体现在4 个方面。 自主创新能力差。国产摊铺机真正拥有自主知识产权的并不多，同质化现象严 重，技术的提升仅限于消化国外摊铺机技术，没有自己的核心技术。 摊铺机国内配套件技术落后。核心部件及系统仍需国际采购，在一定程度上限 制了国内整机的技术进步。 控制技术落后。国外摊铺机大量采用电子控制及通讯技术，实现智能化操作， 节能环保。 可靠性较差。国内产品虽然进行了国际化采购，但由于对整机的匹配缺乏研究， 加之制造装配水平落后，无法保证整机质量稳定。 1 1 2 沥青混合料摊铺机发展趋势阳刀 我国从2 0 世纪7 0 年代初开始研制沥青混合料摊铺机，8 0 年代摊铺宽度4 5 m 的沥 青混合料摊铺机形成批量生产，8 0 年代后期开始引进国外先进技术。目前，我国生产的 少数摊铺机的技术性能虽已接近2 0 世纪8 0 年代中期的国际水平，但多数生产厂产品的 规格较少，未形成系歹l j ，与国际先进技术水平相比，产品综合技术性能、可靠性和耐久 性等方面存在较大差距。目前，我国沥青混合料摊铺机产品开发的主要目标是：逐步完 善产品规格系列，以适应各种沥青路面工程的需要；在引进国外先进技术、消化吸收的 基础上，逐步扩大国产配套件的比重，提高国产化水平；不断提高国产摊铺机的技术性 能、工作可靠性和使用寿命。 工业发达国家生产、使用沥青混合料摊铺机的时间较早，也十分重视理论研究和技 术开发。目前，国外沥青混合料摊铺机产品规格巳成系列，能满足各种沥青路面施工的 需要。在产品及技木开发上，成熟地应用了机、电、液一体化技术，使沥青混合料摊铺 机具有结构合理、功能完善、性能稳定、安全可靠、易于维修等优点，并且仍在不断地 4 长安大学硕士学位论文 采用新理论、新技术、新上艺、新材料，以改进结构、提高性能，例如前桥的悬挂方式 和前后桥驱动等新结构不断出现，使产品不断更新换代。国外沥青混合料摊铺机技术发 展的趋势是：产品系列及其规格品种更加充实；为满足高等级公路的路面平整度的要求， 减少路面纵向接缝，沥青混合料摊铺机的大型化，目前稳定在摊铺宽度1 2 m 左右；同时， 为适应路面养护的小型工程施工需要，小型摊铺机也得到很大发展，其结构、功能、性 能也比较稳定；用全液压全自动的先进摊铺机逐步替代老产品。这些新型摊铺机的结构、 技术性能的特点是： ( 1 ) 供料速度自动控制。通过超声波传感装置连续监测熨平板挡板前的混合料数量， 控制刮板输料器和螺旋分料器的驱动机构，使其相应地增减速度，达到均匀、稳定、连 续地供料。 ( 2 ) 作业速度自动控制。利用脉冲传感器、信号放大器和比例控制阀等测定摊铺机 的行驶速度，并通过反馈调节液压系统的流量来控制摊铺机的行走速度，使其不受施工 条件变化的干扰，保持作业速度的稳定。 ( 3 ) 作业平整度自动调平。利用超声波，或激光等非接触式调平装置和技术，使摊 铺机作业平整度进一步提高。该自动调平装置对公路施工条件的适应性很强，其最小分 辨率巳达到纵向高度不大于4 - 0 3 m m 、横向坡度不大于4 - 0 0 2 。 ( 4 ) 改善操作人员劳动条件。为了减轻摊铺机野外露天作业的操作人员的劳动强度， 提高其工作舒适性，正在进行研究全自动和无人驾驶的摊铺机，并已取得一定进展。 1 2 课题的提出 、 沥青混合料的摊铺起始于2 0 世纪3 0 年代。从那时起，随着机械、电子、液压技术 的不断发展，其摊铺机械的结构与性能得到了很大发展。今天，随着我国经济的发展， 公路等级的提高，交通量、载重量都有大幅度提高，对摊铺机的技术水平提出了更高的 要求，特别是急需开发我国自己的、性能优良的摊铺设备，以适应快速发展的国民经济 的需要。 现代摊铺机工业的发展对摊铺机产品开发水平的要求愈来愈高，它要求整车及零部 件具有足够的强度和刚度及良好的振动特性，同时要求缩短产品开发周期，降低费用， 使开发的产品更具有竞争力。传统的摊铺机设计大多走的是经验设计的路子，即产品设 计以生产技术中的经验数据为依据，运用一些附有经验常数的计算公式为主要方法，这 样的设计由于缺乏准确的设计数据和科学的计算方法，使产品的结构安全系数取的偏 大，所以使所设计的零件过于笨重。随着计算机技术的发展，c a d 、动力学模型分析技 5 第一章绪论 术在提高产品质量和建立自主开发能力方面，对摊铺机企业提供了极大的帮助，正越来 越广泛的应用于现代的摊铺机产品的开发中【1 8 2 6 4 1 1 。 沥青混凝土摊铺机在高等级公路的铺筑中起着关键性作用，它直接影响着黑色路面 的平整度、密实度及其均匀性等。深入研究沥青混凝土摊铺机的工作原理、找平机理， 设计高性能、符合现代科技发展水平的熨平板压实机构，改进摊铺机性能，提高路面摊 铺质量一直是我们致力研究的方向之一。在摊铺机的熨平板压实机构中，为提高控制系 统的有效性、抗干扰能力、优越的适应性、完善的故障诊断技术等功能，越来越多的人 对熨平板压实系统感兴趣。就实用角度讲，国内在这一领域的研究工作尚处于起步阶段， 一 可以想象，随着计算机技术的飞速发展、数字化时代的到来及其在控制领域上的广泛应 用，对熨平板压实控制系统的研究将是一个重要的发展趋势。 摊铺机的最主要工作机构是熨平板压实机构。早期的压实机构是没有振捣等振动压 实机构的，熨平板装置整个重量通过熨平板压在摊铺层。当它在铺层上拖动时，会在松 散的物料层上流下一条条板辙。如果此时温度低，滑动过程中还会因与物料间的切向摩 擦力较大进一步影响摊铺质量。同时，这种压实机构的压实度极其有限，需要压路机的 进一步压实。 本论文所研究的是由一个振动器和一个振捣机构组成的熨平板压实机构，建立多自 由度体系的动力学模型，性能良好的配有这种压实机构的摊铺机，可减少振动压路机等 各种压实机的进一步压实。但要实现合理有效压实，必须系统地研究包含物料在内的压 实机构的动力学问题，并在此基础上，科学地设计、制造和安装压实机构。 1 3 课题背景 熨平板技术经历了从原始简单的平板熨平板、振捣压实熨平板、振捣高强压( 双振 捣) 熨平板的发展过程。熨平板技术的发展使得摊铺机作业范围大大扩大，摊铺精度也 得到大大提高。但是，目前，由于缺乏动力学分析的知识及手段等原因，国内不少厂家 难以生产先进的熨平板压实机构，只好从德国、美国等先进的摊铺机生产大国进口这些 摊铺机的最关键部件。为了改变这种现状，本文对沥青混凝土摊铺机熨平板压实机构动 力学问题进行了研究。动力学问题对于能否设计研制出性能优良、工作可靠的摊铺机关 系十分密切。对于工作对象复杂、利用振动原理工作的摊铺机来说，只有在对系统动力 学进行详细研究的基础上，才有可能设计研制出满足现代筑路工艺要求的设型4 8 ，4 叭。 6 长安大学硕上学位论文 1 4 课题研究的目的和意义 随着力学尤其是现代非线性动力学研究的突飞猛进，力学的各个学科得到不同程度 的发展。现在，各种振动理论虽还不是十分完善，但它们提供的各种分析手段可以解决 机械中的一般动力学问题。随着计算机计算技术、仿真技术、虚拟技术等的发展，对于 十分复杂的各类动力学问题，均可容易地在计算机上重新显示出来。在摊铺机的设计和 研究上，通过对摊铺机结构与工作原理的分析，建立了其压实机构的一种动力学模型分 析方法对摊铺机结构进行性能、振动等多方面的分析和优化，为摊铺机的设计、检验、 优化提供了参考和指导。本文目的在于通过建立摊铺机主要工作装置的熨平板动力学模 型，研究了摊铺机压实机构在不同振捣频率、振捣装置偏心距大小等情况下的动力学特 性，发现了一些新规律，这些方法与结论对研制摊铺机压实机构具有理论指导意义，为 使摊铺机的设计、制造与使用提供依据，为保证生产的摊铺机性能更好，摊铺质量更高， 在主要性能上赶超国外名牌产品，与世界著名厂家进行竞争，从而运用动力学分析对熨 平板整个压实机构进行研究。这个问题的研究，直接关系到新产品的性能是否先进，工 作是否可靠，在市场上是否具有竞争力等，同时又是实现摊铺机熨平板压实机构智能控 制的前提条件。 1 5 课题研究内容 熨平板技术经历了从原始简单的平板熨平板、振捣压实熨平板、振捣高强压( 双振 捣) 熨平板的发展过程。熨平板技术的发展使得摊铺机作业范围大大扩大，摊铺精度也 得到大大提高。因此，本文主要是研究双振捣的摊铺机熨平板压实机构的系统动力学问 题。借助于理论分析和实验等手段，研究摊铺机熨平板压实机构在工作过程的动力学行 为，为合理选择有关参数提供依据。 7 长安大学碰十学位论文 第二章摊铺机振捣器的结构 21 摊铺机基本结构 如图2l 所示，摊铺机主要由动力装置、传动系统、供料装置、操纵机构等组成。 动力装置多选用柴油机；传动系统由主离台器、主变速器、副变速器、减速器及各种传 动链所组成；供料装置由接料斗、闸门和刮板输送器等组成；工作装置由螺旋摊铺器、 振捣器和熨平器等组成【”】。此外，摊铺机一般还设有自动找平装置。上述各装置、机构 及仪表等均安装在特制的专用机架上。 e = = = = ：= j ! i ：习 图21 摊铺机造构示意图 l 、顶锥滚轮2 、料斗及输料刮料板3 、微调油缸 4 、发动机5 、操控台6 、螺旋输料器7 、熨平板 摊铺机是一种专用的筑路机械它的使用既具有一般工程机械的特点，又具其独有 的特点。这些特点足，路面摊铺是机械化筑路的重要工序，要求摊铺的热混合料连续一 次摊铺完成，要尽量减少停机次数：对高等级公路摊铺后的热混舍料温度要在1 0 0 c 以上。摊铺机作业时，轮式摊铺机的左右充气轮胎要保持均匀的空气压力，或者履带式 摊铺机保持左右履带轮的行走速度相同，从而保证摊铺作业的直线行驶性。摊铺机作业 速度要尽量保持恒定，不能随便改变作业速度，否则会因牵引力变化，导致熨平板力的 不平衡，使得摊铺厚度发生变化。摊铺速度的变化也会造成单位时间内对一定面积的沥 青混合料的压实次数的不同，从而影响最终路面的平整度。这些表明，摊铺机是含技术 成分很高的一种机械，目前还需人力干预才能保证其正常工作，可见要使其自动化程度 更高一些还有一段很长的路要走。这也是国内外同行共同面临的一个比较迫切而重要的 问题。 尽管当今摊铺机技术方面已进步不小，但对操作者的要求仍很高。要保证铺筑高质 第二章摊铺机振捣器的结构 量的路面和高效进行铺筑，仍要有相当经验的操作人员的操纵或指导方可。这就要求人 们对摊铺机械和摊铺过程的动力学行为开展进一步的研究，了解为保证路面质量，不同 路面参数与摊铺机工作参数的合理匹配关系，并借助计算机控制技术等手段，达到更大 程度的自动化控制，直至智能控制。 2 2 摊铺机工作原理 沥青混合料摊铺机是用来摊铺沥青混合料并对其预压实和整形的专用设备，是路面 机械中技术密集度较高和结构较复杂的专用设备。按照行走机构分类可以分为：轮胎式、 履带式和轮胎履带组合式摊铺机。 一般说来，沥青混合料摊铺机是由主机和熨平装置两大部分以及连接它们的牵引 大臂组成。作业前，首先要把摊铺机调整好，并按所铺路段的宽度、厚度、拱度等施工 要求，调整好摊铺机的各有关机构和装置；装运沥青混合料的自卸车对准接收料斗，直至 汽车后轮与摊铺机料斗前的顶推辊相接触，汽车挂空挡，由摊铺机顶推其运行，同时自 卸车车箱徐徐升起，将沥青混合料缓缓卸入摊铺机的接收料斗；接收料斗的底部的刮板输 送器在动力传动系统的驱动下以一定的转速运转，将料斗内的沥青混合料连续均匀的向 后输送到螺旋分料器前的通道内的路基上；螺旋分料器则将这些混合料沿摊铺机的整个 摊铺宽度向左右横向输送，摊铺在路基上；振捣梁初步捣实，然后振动熨平板再次振动 预压、整形和熨平而成为一条平整的有一定密实度的铺层【1 5 】。 2 3 振捣器的结构与主要参数 熨平板又是摊铺机中技术难度较高的核心工作装置。熨平板位于摊铺机的最后端， 是直接完成混合料的摊铺、初步振实和抹平的装置。它主要包括振捣器、振动器和熨平 板箱体等三大部分，见图2 2 。 振捣器是摊铺机熨平板的关键压实机构，用于混合料的初步压实。振捣器是设在熨 平板前面的一种梁式装置，故亦称振捣梁，也俗称夯锤。它是通过液压马达驱动一根偏 心轴转动，然后带动振捣梁作上下往复运动，对混合料产生捣固密实。所以，针对摊铺 机振捣器关键技术的研究是非常重要的n 引。 l o 长安人学砸i 学位论文 图2 2 某振捣单元 1 前( 副) 振捣粱；2 一后( 主) 振捣桨；3 一振捣连杆；4 - 轴承支座：5 - 偏心轴 通常使用的摊铺机尽管其基本结构和工作原理大同小异。外形和特点相似，但是 因出自不同厂家、关键技术掌握程度的不同，其机械性能和施工作业质量差异很大。振 捣器的主要参数包括振捣梁运动参数、振捣器结构尺寸以及振捣梁| 贯性力和振捣梁相位 关系参数等。 231 振捣梁运动参数 目前，振捣压实机构由原单一振幅发展为可调多级振幅以适应不同类型混合料的摊 铺作业。由单排振捣粱发展为双排振捣粱圆i 振捣) ，提高了同一断面混合料的压实次数 而显著提高了摊铺路面的密实度”】。采用双振捣高密实度熨平板施工后，路面混合料的 密实度可达9 5 以l ，减少了压路机的滚压次数，降低了筑路成本，提高了摊铺路面的 质量及上作效率，因而双振捣压实机构在国i 勾# l - 的摊铺机上得到了广泛应用。 第一章摊铺机振捣器的鲇构 图2 3 振捣机构装配结构囤 偏心轴2 、偏心套3 、振动轮4 、振捣梁 图2 4 双振捣压实机构图25 职振捣器结构简图 2 311 冲击行程h ( h2 e ) 1 各刊- 摊铺机振捣粱冲击行程对比分析 长安大学硕士学位论文 表2 1 摊铺机振捣粱冲击行程对比 前振捣后振捣 摊铺机 偏心轴偏心套偏心轴偏心套 类型 冲击行程 偏心量偏心量 冲击行程 偏心量 偏心量 h ( m m )h ( m m ) e l ( m m )e 2 ( m m )e l ( r a m )e 2 ( m m ) 陕建a b g v d t l 2 10 3 - 6 9 1 233 5 ( 固定值) 3o 5 机械式 陕建a b g v d t - v 8 80 3 6 1 033 5 ( 固定值) 30 5 液压伸缩式 陕西中大 0 3 6 9 1 233531 5 中联l t u 9 0 0 3 6 - 9 1 0 1 2333 4 5 7 8 931 5 徐工r p 9 5 5 0 3 - 6 9 1 2 333 5 7 - 931 5 天津鼎盛 o 3 6 8 5333 5 - 6 731 5 广西柳工 0 3 6 8 5333 5 6 731 5 表2 1 中列出了国产部分摊铺机振捣梁冲击行程。通过各种摊铺机振捣梁冲击行程 的对比分析，可以看出国内多数摊铺机制造企业都采用双振捣双调幅方案，但是陕建 a b g 摊铺机却已从双调幅方案改为付振捣梁调幅、主振捣梁振幅固定的方案，即采用 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 5 m m ) ，所以，结合摊铺机用户使用的实际情况( 后振捣梁冲击行程在使用期间 通常不调) ，为避免摊铺机后振捣梁冲击行程调整的麻烦，目前一般已将后振捣梁冲击 行程h 设计成固定值5 m m ，前振捣梁冲击行程h 设计成可调值0 3 6 9 1 2 咖。 2 振捣梁冲击行程h 计算公式 h = 2 e( 2 1 ) 式中：e 一偏心轴和偏心套所形成的总偏心量，e = q 2 + 乞2 - 2 e l e 2 c o s ( 2 e 1 一偏心轴的偏心量 吃一偏心套的偏心量 口一偏心套相对偏心轴的旋转角。 将图2 3 的装配结构进行几何简化，如图2 6 所示，以机构的旋转中心为圆心，以 13 第二章摊铺机振捣器的结构 偏心轴相对于转动轴心的偏心量q 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 点为圆心，以乞为 半径做偏心套的偏心圆。此时，偏心套的偏心圆上任意一点p 与机构转动轴心o 的连线 距离o p 即为该振捣机构的偏心量e ，冲击行程h = 2 e 。 偏由轴 机 图2 6 振捣梁冲击行程h ( h _ 2 e ) 计算示意图 调节冲击行程时，若将偏心套由图中。位置，旋转口角，此时振捣机构的偏心量e 即 为偏心套的偏心与偏心轴的偏心的向量和，t l p o p 连线间的距离。 e - - o p = ( 彳+ 弓- 2 e n e 2 - c o s o f ) 啦( 0 o r 獬 图2 7 旋转方向不同旋转角度相同时p 点位置的比较 取o 点为坐标圆点，图2 7 ( a ) 的偏心套相对于偏心轴的旋转角度为口，图2 7 ( b ) 的偏心套相对于偏心轴的旋转角度为( 3 6 0 0 一口) 。这时，口角度与( 3 6 0 0 一彩角度所对 应的偏心量e 值是相等的。 但当主轴旋转占角度时，则o p 亦旋转g 角度，o p 相对于x ，y 轴的坐标分别为： 对于图2 7 ( a ) 偏心结构： x 1 7 = e c o s ( p + 占) ( 2 4 ) x = e s i n ( f l + 占) ( 2 5 ) 对于图2 7 ( b ) 的偏心结构： x 2 = - e - c o s ( , a - 6 ) ( 2 6 ) k = e s i n ( f l 一占) ( 2 7 ) 显然，当9 0 。时，五五，x e 7 ，左右两边无法保持同步，振捣机构 无法正常工作。 如果要检验偏心套调节是否一致时，可将振捣梁装上后，用手去盘动偏心轴，并观 察振捣梁的运动，若盘动时较轻松，且振捣梁作水平的上下运动，则偏心套调节一致， 否则可能调的不对。 2 3 1 2 冲击频率f 1 各种摊铺机振捣轴转速、振捣梁冲击频率对比 1 5 第二章摊铺机振捣器的结构 表2 2 摊铺机振捣轴转速与振捣梁冲击频率 摊铺机类型 振捣轴转速n ( r m i n )振捣梁冲击频率f ( h z ) 振动器振动频率f ( h z ) 陕建v d t l 2 1 机械式 肛1 6 8 0o 一2 80 - 4 6 7 a b gt i t a n 4 2 3肛1 4 7 00 2 4 50 6 5 中联l t u 9 0 机械式 啦! 6 8 0m v 2 8o 5 8 中联l t u 9 0 液压伸缩式 0 1 5 0 00 2 50 5 0 华晨s p s 9 0 肛1 5 0 00 - 2 50 5 0 o 5 0 ( 普通型) 徐工r p 9 5 5 肛1 4 7 0m 乞4 5 0 6 8 7 1 ( 高强型) 通过各种摊铺机振捣梁冲击频率的对比分析，可以看出国内多数摊铺机制造企业都 采用振捣梁冲击频率f 2 8h z 的方案。 2 a b g 5 2 5 试验结果( 振捣器与熨平板同时工作时熨平板振动参数试验) 分析 表2 3a b 6 5 2 5 振捣器与振动器同时工作时熨平板振动参数试验结果 样机型号：a b g 5 2 5检测日期：2 0 0 4 1 1 0 4 出厂编号： 检测地点：沈大高速某标段 振捣、振动频率比振捣、振动频谱峰值比 振捣振动方式备注 ma a 0 低频振捣+ 中频振动 1 7 6 4 6 44 7 1 5 3 8 低频振捣+ 高频振动 1 7 1 5 1 34 2 7 9 9 8 振捣梁和熨平板 在弹性地面上 高频振捣+ 中频振动 2 3 4 4 3 91 0 5 6 1 6 高频振捣+ 高频振动 2 3 4 5 1 31 0 q b 3 4 通过a b g 5 2 5 试验结果分析可知，低频振捣+ 高频振动这种方式最好，这时振动频 率分量大，而振捣频率分量较小，表明熨平板振动器能量集中、作用突出，振捣器对熨 平板工作干扰相对减小。 所以，在允许的情况下采用低频振捣，冲击频率f 量值不宜过大，以免导致混合料 过压实以及破坏材料粒度。正确、合适的冲击频率f 下振捣，可使熨平板在混合料铺设 层上平稳铺筑，使铺层光滑平整，而且在用于控制坡度的外伸支架上看不到明显的跳动。 所以，为了减弱振捣对熨平板振动的干扰程度，比较有效的办法是拉开振捣和振动的频 率。因此，一般摊铺机振捣梁冲击频率f 设计值为0 2 5h z ，即振捣轴转速设计值为0 1 5 0 0 r m i n 。 3 冲击频率f 需与摊铺机作业速度v 相适应 振捣梁冲击频率f 需与摊铺机作业速度v ( 公路沥青路面施工技术规范要求摊铺 1 6 长安大学硕士学位论文 机作业速度v = 2 - - - ，6 m m i n ) 相适应。摊铺机作业速度太慢了，作业效率低下，机件磨损 严重；太快了，既增加供料难度，又不能保证摊铺层的预压实度。 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。 为保证振捣梁对松铺混合料均匀捣固和平整，由图2 8 和图2 9 可知需满足如下关 系式： a = k a( 2 8 ) 式中：a 一振捣梁振捣锤底面水平段宽度，一般设计值为1 7 m m k 一对尖峰料段材料振捣次数，一般取2 3 次 a 一为尖峰料宽 斛j 一 莓惩 图2 8 尖峰料形成示意图 图2 9 振捣梁振捣混合料示意图 所以，冲击频率f 应有如下关系： 厂七兰( 2 9 ) 口 根据上述关系式可知，摊铺机在施工作业时，冲击频率f 应随摊铺机作业速度v 增 加而增大；冲击频率f 应随振捣锤底面水平段宽度a 减小而增大。同时，冲击频率f 应 满足关系厂七兰。 口 2 3 2 振捣器结构尺寸 2 3 2 1 振捣梁振捣锤倒角 1 各种摊铺机振捣锤倒角对比 1 7 第二章摊铺机振捣器的结构 表2 4 摊铺机振捣锤倒角 摊铺机类型前振捣锤倒角( 。) 。 后振捣锤倒角( 。) 陕建a b g 4 55 0 _ - 4 5 陕西中大 4 54 5 天津鼎盛 4 53 0 广西柳工 4 53 0 图2 1 0 前、后振捣振捣锤倒角示意图 通过各种摊铺机前、后振捣锤倒角的对比分析，可以看出国内多数摊铺机制造企业 采用前振捣锤倒角为4 5 。、后振捣锤倒角为3 0 - - 5 0 。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底边约0 5 m m ， 见图2 1 0 ，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5 m m ，前振捣梁通过旋转付偏 心套( 相对付偏心轴旋转6 0 。) 将其冲击行程h 调整为6 m m 。这时前、后振捣锤底边高 差约为1 6 m m 。 2 。3 2 2 振捣锤振捣过程 沮池池谶 ， 1j 一 馏苗秘嚣艮= 吐 “一 ( a )( b )( c )( d )( e ) 图2 1 l 振捣锤振捣过程示意图 图2 1 l 为振捣锤振捣过程示意图。振捣梁从最高点( a ) 开始向下振捣，实现对混 1 8 长安大学硕士学位论文 合料的压缩密实( b ) ；然后从最低点向上运动形成一个空隙( c ) ：螺旋分料器压力f 和 混合料的自重作用填满空隙( d ) ；振捣梁从最高点向下振捣，实现对混合料的再一次压 2 3 3 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、付振捣梁相位关系以及其 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) 、主( 后) 振捣器组成。后振捣器冲程 固定，副振捣器冲程可调。前( 副) 、主( 后) 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，存在着相位差口。 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。 。 因此，由于振捣机构各个振捣器之间存在着相位差，工作时，各个振捣器到达它们 各自行程下至点的时刻不是同步的，而是按照一定顺序交替到达的。图2 1 2 为各个振捣 器单元之间的相位关系图。 奎f 搬；i 岛梁 中卢币声中每口币辛卢币卢中 中卢由芦由卢士口由卢由卢由声孛 书振捣粱 图2 1 2 各个振捣器单元之间的相位关系图 1 9 长安大学硕士学位论文 第三章振捣机构的运动学分析 振