（机械设计及理论专业论文）平衡冲击压路机运动分析与方案设计.pdf

摘要 冲击压路机在工程施工中 与其它压实机械相比 具有冲击能量大 影响深度深 作业效率高 施工质量好的特点 但是冲击压路机除了与某些机械同样存在没有将能 量完全作用在工作对象或工作介质上 造成能量的浪费 需要配置较大功率的牵引机 外 还存在使被冲击压实的材料表面高低起伏不平 造成牵引机驾驶员在极其恶劣的 工作环境之下工作 工作时间不能超过两个小时的问题 而以基于势能为常量的机械 节能设计理论为基础 提出了平衡冲击压路机的概念 基本解决了上面所提到的问题 为了使设计的平衡冲击压路机达到最佳效果和良好的性能 本文采用理论和实验 研究相结合的方法对小摆架结构和大摆架结构两种设计方案进行了分析 得到了小摆 架结构设计方案优于大摆架结构设计方案和整机的转向和短途转场机构己成为平衡冲 击压路机能否实施设计的关键技术的结论 论文首先对前后三边形冲击轮运动进行了 理论和模型的实验分析 得出了平衡冲击压路机既要保持冲击轮良好的压实效果 又 要达到节能的目的 同时还要使被压实的材料表面比较平整 关键取决于两个冲击轮 的相位角 平衡角 和两冲击轮的轴距 根据两冲击轮上两点 轴心两点除外 之间 的距离有较大的变化结论 以及现有的相位同步或协调机构根本无法满足要求的事实 得出了要满足两冲击轮在工作过程中既要相位协调还要当一个冲击轮在压实时另一冲 击轮须解除约束的要求 必须设计新的相位协调机构的结果 另一方面 为了使平衡 冲击压路机能够应用于高铁建设 必须将整机的转向半径控制在6 m 本文根据工程 机械多轴车辆的转向原理 分析了平衡冲击压路机的结构特点 得出了要减小整机的 转向半径 需要通过自由转向轮 采用轮胎转向机构才能满足需求的结论 同时 为 了使冲击轮能够举升离开地面 实现轮胎转向 还要设计出既能够满足冲击轮举升距 离的需求 又能控制在一个运动周期时间内 还要能够适应冲击轮冲击运动的举升机 构 通过样机的实验 用实验证了对平衡冲击压路机运动规律研究的正确性 并采用 全新设计的相位协调机构和转向举升机构 成功解决了平衡冲击压路机设计中的难点 同时实验的成功也再一次证明了机械节能设计原理在动力机械设计中起到了重要的作 用 关键词 工程机械 机械设计 平衡冲击压路机 运动学分析 方案设计 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ho t h e rc o m p a c t i o nm a c h i n e r y i m p a c tr o l l e ri sc h a r a c t e r i z e db yh i g hi m p a c t e n e r g y d e e pi m p a c td e p t h h i g he f f i c i e n c ya n dg o o dq u a l i t yc o n s t r u c t i o ni ne n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n h o w e v e r t h ee n e r g yo fi m p a c tr o l l e ra n ds o m em a c h i n e r yi sn o ta c t i n go nt h e o b j e c t so rt h em e d i ao ft h e i rw o r k r e s u l t i n gi nw a s t eo fe n e r g y w h i c hn e e d st oc o n f i g u r e l a r g e rt r a c t o ro u t s i d ep o w e r a n ds t i l le x i s tt h ep r o b l e m st h a tt h em a t e r i a lo fc o m p a c t i o ni s i m p a c t e dr o u g h r e s u l t i n g i nt r a c t o rd r i v e r s w o r k i n gi ne x t r e m e l y h a r s h w o r k i n g e n v i r o n m e n t a n dw o r k i n gh o u r sc a n n o tb em o r et h a nt w oh o u r s b a s e do nt h ec o n s t a n t p o t e n t i a lf o re n e r g y s a v i n gd e s i g no ft h em e c h a n i c a lt h e o r y i tp u t sf o r w a r dt h ec o n c e p to f t h eb a l a n c ei m p a c tr o l l e r w h i c he l e m e n t a r i l ys o l u t e st h ep r o b l e m sm e n t i o n e d i no r d e rt og e tt h eb e s tr e s u l t sa n dg o o dp e r f o r m a n c eo ft h eb a l a n c ei m p a c tr o l l e r t h i s p a p e rs t u d i e st h et w od e s i g no p t i o n so fb i gs w i n ga n ds m a l ls w i n gs t r u c t u r e sb yt h e t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lw h i c hi n c l u d e st h ec o n c l u s i o nt h a ts m a l ls w i n gs t r u c t u r e b e t t e rt h a nt h eb i gs w i n gs t r u c t u r e a n dt h es t e e r i n go ft h ew h o l em a c h i n ea n das h o r t t r a n s i t i o ns t r u c t u r eh a v eb e c o m et h ek e yo f d e s i g n t h o u g ht h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l a n a l y s i sa b o u tt h em o t i o no ft h et r i a n g u l a r s h a p e di m p a c tw h e e l s w eg e tt h ek e y st o o b t a i n i n gg o o dc o m p a c t i o ne f f e c t e n e r g y s a v i n ga n ds m o o t hs u r f a c eo fm a t e r i a lo f c o m p a c t i o na r et h ep h a s eo ft w oi m p a c tw h e e l sa n dt h ew h e e l b a s e a c c o r d i n gt ot h e c o n c l u s i o no ft h ed i s t a n c eo ft h et w op o i n t so ni m p a c tw h e e l s e x c e p tt h et w oa x i so ft h e b a l a n c e i m p a c tr o l l e r h a v i n gl a r g ec h a n g ea n dt h e f a c tt h a tt h ec u r r e n t p h a s e s y n c h r o n i z a t i o na n dc o o r d i n a t i o nb o d yc a n tm e e tt h er e q u i r e m e n t s w ec o m et om e e tt h a t t h et w oi m p a c tw h e e l si nc o u r s eo ft h e i rw o r kn e e dp h a s es y n c h r o n i z a t i o na n dr e m o v e l i m i t so fo n ei m p a c tw h e e lw h e nt h eo t h e ro n ei m p a c t i n g s oan e wp h a s ec o o r d i n a t i o n b o d yi sn e e d e d o nt h eo t h e rh a n d i no r d e rt ou s e di nt h eh i g hs p e e dr a i l w a yc o n s t r u c t i o n i t i sn e e d e dt oc o n t r o lt h es t e e r i n gr a d i u si n6 m i nt h i sp a p e r b a s e do nt h em u l t i a x i ss t e e r i n g p r i n c i p l eo fm a c h i n e r yv e h i c l e s w eg e tt h ec o n c l u s i o nt h a t i no r d e rt or e d u c es t e e r i n g r a d i u s t i r e s t e e r i n gb o d yw i t hs t e e r i n gw h e e li sn e e d e dt h o u g ht h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h eb a l a n c ei m p a c tr o l l e r a tt h es a m et i m e i no r d e rt om a k et h ei m p a c t i i i w h e e l sr a i s ea w a yf r o mg r o u n da n dc o m p l e t et h et i r e s t e e r i n g w es t i l ln e e dt od e s i g na l i f t i n gb o d yt h a tc a nm e e tt h en e e do fr i s i n gd i s t a n c e b ec o n t r o l l e di nac y c l et i m ea n db e a d a p tt ot h ei m p a c tm o v e m e n t t h o u g ht h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e t h ec o n c r e t i o ni sp r o v e db yt h ef a c t so nt h e m o v e m e n tl a wo ft h eb a l a n c e i m p a c t r o l l e r a n du s i n g p h a s ec o o r d i n a t i n g a n d s t e e r i n g l i f t i n gb o d yw h i c h a l en e w l yd e s i g n e ds u c c e s s f u l l ys o l v e dt h ed i f f i c u l t i e sa b o u tt h e d e s i g no ft h eb a l a n c ei m p a c tr o l l e r w h i l et h es u c c e s so ft h ee x p e r i m e n ta l s op r o v e do n c e a g a i nt h a tt h em e c h a n i c a le n e r g y s a v i n gd e s i g np r i n c i p l e si nt h ed e s i g no fp o w e rm a c h i n e r y h a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l e k e yw o r d s c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y m e c h a n i c a ld e s i g n b a l a n c ei m p a c tr o l l e r k i n e m a t i ca n a l y s i s p r o g r a md e s i g n 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 桑席 上 of i 年夕月2 d 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 导师签名 梁席 泓7 l o o1 年乡月p 日 1 钳肋日 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 近年来 随着现代工程建设的蓬勃发展 以及国家需要通过拉动内需应对金融危 机的大势下 高等级公路 高速铁路等一大批基础建设项目开始实施 而与此相关的 一些新技术也越来越受到人们的重视 冲击压实作为一个新的压实技术发展方向 由 于它使用了多边形外形轮廓钢轮 不同于传统的滚动压实方式 它可以利用其非圆形 形状钢轮的连续滚动对被压材料进行冲击压实 因此它具有运行速度快 施工工序少 工期短 成本低 应用范围广等优点 但是它的运行需要较大驱动功率 并且第一遍 压实后路面崎岖不平所带来的不利影响是限制其发展的一个重要障碍 而平衡冲击压 路机的概念的提出则正是为了克服这种不利影响 使冲击压路机更加高效节能 1 2 传统冲击压路机对路基材料进行第一遍压实后 由于冲击轮在拍击点位置对路基 材料的冲击作用会使路基材料产生较大的沉降量 而其它位置上为滚动压实 路基材 料的沉降量较小 因此在第一遍压实后路基路面变得起伏不平 这会使冲击压路机的 驾驶员工作环境变得更加恶劣 这种情况下施工人员需要在冲击压实几次后进行一次 平地处理 因此增加了一步施工工艺 这也是现有冲击压路机的不足之处 平衡冲击压路机的基本原理是利用前后两组冲击轮工作在不同相位上 因为冲击 轮冲击压实的被压材料会产生类似正弦线的表面形态 所以通过将前后两组冲击轮产 生的曲线叠加 减小波峰 从而达到增大被压材料平整度 改善施工作业环境的目的 由于冲击轮是非圆形截面 其运动规律复杂 故本文将对平衡冲击压路机的运动进行 分析与研究 1 2 冲击压路机研究现状 压实可以花费较少成本来有效的提高被压基础材料的强度和稳定性 研究表明 对 工程基础材料实施机械压实 密实度提高1 可以提高1 0 的承载能力 对沥青砼路面 每提高1 的密实度路面的承载能力和使用寿命能提高1 0 一1 5 所以工业发达国家越来 越注重对压实机械的开发 生产和应用 1 1 1 随着现代施工工程建设的发展 由于现代工 程建设中 对基础结构的承载能力及其寿命要求越来越高 因此在施工当中采用了重型 1 第一章绪论 压实标准 从而使得专家们开始对压实技术进行更深层次的研究 压实机械主要分为压路机和夯实机械两大类 从目前情况来说 压路机占据了工程 施工的绝大多数压实作业 可是实际上从使用效果及效率上人们对夯实机械的需求更 大 按施力工作原理的不同 压实机械现在主要分为静碾压路机 轮胎压路机 振动压 路机 振荡压路机和冲击式压路机等种类 它们各自拥有自己的特点 其中静碾压路机 已经基本被淘汰 在工程施工作业中 为了提高施工生产效率 施工方通常希望材料的每铺层厚度尽 可能的大 但是由于使用最为广泛的振动压路机只能产生小振幅振动 因此其作业时不 能采用较大的每铺层厚度和较高的工作速度 这就会对施工生产效率产生影响 因此需 要通过压实技术上的创新 提出新的压实方法来实现提高生产效率 近些年的滚动冲击 压实方案就是在这种背景下产生的 它不同于以往的压实方式 采用多边形外形轮廓 使得冲击轮质心上下波动 产生对被压材料的冲击压实 同时又结合了滚动压实的特点 因此既发挥了夯击压实冲击能量大 影响力深 效率高 效果好的特点 同时又具有滚 动压实的连续性 因此对这种冲击压路机的进一步研究对现实生产有着重要的意义 2 0 冲击压路机的工作轮采用了多边形外形轮廓的钢轮 目前其主要产品以三边形 四 边形和五边形的冲击轮结构为主 冲击轮在半径较大弧段滚动时 质心处于上升阶段 势能增加 随着它滚动到小弧段 冲击轮向前倾倒 质心快速降低 对地面就产生了强 大的冲击力 通过牵引机的牵引 冲击轮周期性的对被压材料产生冲击 根据冲击轮的 边数以及牵引速度的不同 冲击频率也不同 冲击压路机的冲击压实具有地震波的传播 特性 其冲击波向被压材料深处传播 所以冲击压实影响深度大 并且随着压实度的快 速提高 其影响深度也将提高 因此 冲击压路机在提高土方压实度的作业中具有高效 率 经济性好的特点 同时 它也可以用于路面破碎等用途 效果也很理想 1 2 1 国外冲击压路机的发展概况 压路机是压实机械中最主要的一大类 它具有较长的发展历史 出现最早的是采用 牲畜拖动的碾子和羊足压路机 其中以羊足碾子使用的时间最长 在蒸汽机发明以后 也就是1 9 世纪中叶左右 出现了采用蒸汽机作为动力的光轮压路机 而在内燃机出现后 的2 0 世纪初 则产生了采用内燃机作为动力的压路机 直j u 2 0 世纪的3 0 年代才发明了轮 胎压路机 在当时 重型轮胎压路机是当时施工作业中主要的压实设备 5 0 至7 0 吨的轮 2 长安大学硕士学位论文 胎压路机组要用于机场 大坝以及公路的施工中 而最重的轮胎压路机甚至能达j f j 2 0 0 吨 到了近代 压实机械基本上没有太大的发展 在2 0 世纪5 0 年代以前采用光轮的静碾 压路机是压实作业中的主要力量 并且在这期间 人们一直专注于提高压路机的质量从 而达到更好的压实效果 然而事实证明了这种指导思想对压实效果的提高并不理想 直 n 2 0 世纪4 0 年代振动压路机的出现彻底改变了以往对压实的错误理解 它的出现迅速取 代了传统的光轮压路机 从而占据了绝大部分的市场 而与此同时 各种控制 液压 人工智能等新技术的飞速发展 也加入到振动压路机的改进中 使得振动压路机具有更 高的可靠性 操作更为简便 生产效率更高的特性 而这种发展也使得专家们开始对压 实理论进行了更深层次的研究 在振动压路机的压实原理基础之上 又提出了振荡压实 原理和冲击压实原理 这些创新的压实技术在传统的滚动压实机理中 加入了振动 揉 搓 冲击等多种压实方式 使得压路机已经不再依靠单一的方式进行压实 而是采用多 种压实手段 进行复合型压实 从而达到更好的压实效果 冲击压路机实际上最早是由中国发明的 从发展历史和其原理上来说 它同我国古 时候的夯和碾的基础原理是相同的 但是从古代就已经存在的这项技术并没有引起人们 更多的重视与研究 只是单纯的应用而已 并没有进行相关理论的研究 相反的 真正 开始研究这些压实技术原理的则是西方人 自1 8 8 3 年开始 西方就有十几位专家先后开 始研究压实技术和压实机理方面的问题 他们先后做过大量的工作 探索并提出了不少 的压路机方案 为压路机的研究工作做出了杰出贡献 在所有的研究方案中 有两种压 路机的方案相对较为成熟 1 9 8 0 年 南非人j a c o b u s 发明了一种冲击压路机 参见图1 1 这种压路机的方案中 工作轮中包括有三个夯锤 当牵引机拖动工作轮运动时 工作轮 在被压材料上滚动 对被压材料起到滚动压实的效果 当工作轮滚动到一定角度时 工 作轮上的其中一个夯锤就会在离心力的作用下就会甩出原来位置 并且围绕铰销转动 从而使得外侧夯锤质量较大的部分摔打在被压材料上 形成对被压材料的冲击 而当工 作轮继续滚动 夯锤则会回到原来的位置 并被固定销锁住 这个工作轮上有三个夯锤 因此工作轮每工作一圈 将会对被压材料产生三次夯击 这个方案从工作原理上来看 仅仅是简单的将滚动和夯击组合在一起 从技术角度上讲 它完成了使冲击压实具有连 续性的设计初衷 但是这种简单的组合由于具有太多的连接 在理论转向实用的过程中 遇到了太多的困难 其可靠性也有较大的疑问 因此在当时这种方案并不能夺走光轮压 3 第一章绪论 路机的市场霸主地位 最终 这个方案也只能一直停留在方案设计阶段 并没有形成真 正的产品 图i ij a c o b u s 冲击压路机方案 1 9 3 5 年 另外一种冲击压路机的方案被瑞典人爱勒 e i n a r 提出来 就是类似于 现在的冲击压路机的方案 即冲击轮采用的是正多边形截面的冲击压路机方案 爱勒提 出的冲击压路机方案的采用了六边形的冲击轮 这个创新的冲击压路机设计思想对现在 的非圆形截面冲击轮的发展产生了极大的影响 可以说它是现代冲击压路机的方案设计 的鼻祖 这种多边形冲击轮的设计使得冲击轮在给你东过程中 其质心做周期性的上下 波动 当质心上升的时候 冲击轮处于蓄能状态 当质心下降时 冲击轮对被压材料进 行冲击 随着牵引速度的增加 冲击力也将增大 但是质心的上下波动也造成了冲击轮 的不平稳性 对机架以及牵引机都会有不同程度的影响 这也是后来专家研究冲击压路 机首先需要解决的问题 到了1 9 5 3 年 一个在南非工作的土木工程o 币i a u b r e yb e r r a n g6 根据前面专家对冲击 压路机的研究 对前人的方案进行了改进 并申请了一个更加成熟的方案专利 如图1 2 该结构方案采用了四边形的冲击轮结构 该设计方案将冲击轮的边设计成曲线 类似叶 形 这种设计使得冲击轮在滚动过程中不会产生突然的变化 并且其滚动阻力相对于以 前的方案要小的多 不但节省了能量 同时还增加了整机的平稳性 另一方面 原来采 用的方案在冲击时 拍击点为一个平面 而该方案的冲击点为一条线 使得它的冲击作 用大大增强 该设计方案还有一个特点就是采用了可拆卸结构的设计 当不需要冲击轮 的冲击运动时 可以通过机构将圆形钢轮安装在上面 从而实现将其转化为光轮压路机 的目的 这样可以解决冲击压路机转场的问题 在冲击轮与机架的连接处采用了弹性构 件 这种设计减缓冲击轮在工作中产生的冲击作用 起到减震的作用 并且有利于保证 牵引机的平稳牵引 该申请在1 9 5 9 年获得了美国专利 专利号u s 2 9 0 9 1 0 6 但是由于 4 长安大学硕士学位论文 当时人们对冲击压路机的了解不足 并且在施工作业中还没有高压实度的要求 因此这 个设计方案并没有得到应有的重视 图1 2a u b r e yb e r r a r 堰6 冲击压路机方案 一直到了2 0 世纪7 0 年代 随着人们生活水平的提高和科学技术的进步 公路上出现 重型卡车 而飞机也越来越多 在这个背景之下 公路施工一级机场建设对被压材料的 压实度提出了更高的要求 直到这个时候 a u b r e yb e r r a n g6 的方案才进入人们的视野 并得到足够的重视 因此通过南非科学与工业研究理事会的资助 这项冲击压路机的发 明技术终于得到了进一步的完善和推广 在这个方案的基础上 人们研究出了更多的冲 击压路机方案 包括本文提到的平衡冲击压路机方案也是建立在这个方案基础上的 2 0 世纪8 0 年代中期 澳大利亚博能 b r o o n sh i r e 公司开发设计了可商业应用的 四边形碾冲击式压路机 1 9 9 0 年3 月号德国 b d b a u m a s c h i n e n d i e n s t 建筑机械服务 杂志介绍了该机的工程使用性能 1 9 9 2 年1 1 月号 建筑机械 杂志在国外技术的专栏里 以译文的方式给予了报道 当时 该种机型被译为 多棱辊拖式压路机 冲击辊 这是目前见到的国内对冲击压路机的最先报道 9 0 年代初 a u b r e yb e r r a n g6 的冲击压路机专利被南非压实设备技术 p t y 有限公 司 贸易名称l a n dp a c 简称蓝派公司 买下 在此发明专利的基础上 将方案由图纸 变为了真正的产品 并开发了多种不同的冲击压路机 而这些产品中 主要是以三边形 和五边形冲击轮的结构 1 9 9 5 年初 该机器在澳大利亚进行了农业土壤的防渗处理工程 作业的实验 得到了较高的评价 从而引起了同行的重视 此外 还有美国的i r t 公司 也在做冲击压路机的生产 其采用的是四边形冲击轮结构的冲击压路机 6 1 1 2 2 国内冲击压路机的发展概况 1 9 9 5 年夏 蓝派公司通过香港新机场 c h e kl a pk o k 的项目施工 将冲击压路机第 一次展现给中国大陆 并于当年在黑龙江省哈同公路段进行演示 但是 由于当时该专 5 第 章绪论 利没有向中国专利局申请 因此它不享受 中国专利法 的保护 2 0 世纪9 0 年代 在社会高速发展以及通过修建高速公路拉动内需解决金融危机的背 景下 中国的高速公路 机场 大坝等基础设施的建设蓬勃发展 由于其对压实质量要 求较高 同时施工期限较短 因此冲击压路机这种新型压实机械受到国内施工单位的极 大欢迎 但是由于国外的技术及设备封锁 中国无法获得这种冲击压路机设备 于是1 9 9 7 年由河北省交通厅牵头 开始进行冲击压路机的研发工作 一年后 1 9 9 8 年8 月 中国 自己的冲击压路机在河北工业大学和唐山专用汽车厂等单位联合研制下 试制成功并开 始进行工业性实验 1 9 9 9 年1 月 冲击压路机样机经过工业实验改进后通过了河北省经 贸委组织的新产品鉴定 该项目申请并获得了中国实用新型专利 而这也标志着我国在 冲击压路机的研发上获得了突破 依靠自身的技术实力 打破国外垄断 最终获得了成 功 自1 9 9 9 年我国自行研制的冲击压路机实现了从研发走向市场开始 国内先后有十余 家企业投入到冲击压路机研发及生产上 到目前为止 我国现有的冲击压路机数量居世 界第一 同时 由于我国冲击压路机的市场巨大 企业对其研发的投入也相对较大 因 此从技术角度上来说 我国的冲击压路机实力在世界上也属于先进行列 巨大的冲击压路机市场带动了企业对其研究及改进的投入力度 专家们通过大量的 施工工程中冲击压路机的工作情况 对以往冲击压路机的一些问题进行了改进 例如本 文将介绍的平衡冲击压路机就是为了解决在工程施工中出现的冲击压路机没有将能量 完全作用在工作对象或工作介质上 造成能量的浪费 需要配置较大功率的牵引机 还 存在使被冲击压实的材料表面高低起伏不平 造成牵引机驾驶员在极其恶劣的工作环境 之下工作 工作时间不能超过两个小时的问题 而通过提出平衡冲击压路机的方案来解 决以上问题 6 1 因此 随着冲击压路机在中国的发展 对其的研究也将得到更大的投入 通过不断 的改进 冲击压路机将会变得更加合理 高效 在我国的基础设施建设中起到更大的作 用 1 3 本文的主要研究内容 冲击压路机在经过多年的研究后 已经有 r f l t 大的改进 本文的研究对象就是在 6 长安大学硕士学位论文 现有的传统冲击压路机基础上发展出来的平衡冲击压路机 平衡冲击压路机在工作效 率 施工作业质量以及驾驶员的工作环境方面都有着显著优势 通过详细的运动分析 和进一步的方案设计将会使它真正的能够从概念形态转变为实物形态 从而使冲击压 路机得到新的发展 1 3 1 现有冲击压路机在应用中存在的一些问题 1 能量消耗大 由于现代社会的发展对自然环境造成了巨大的破坏 人们逐渐开始认识到自然资源的 有限性以及环境需要得到保护的道理 而我国提出的科学发展观的思想逐渐成为社会 的主流思想 人们逐渐认识到节能环保对人类生存与发展的重要性 而在工程机械行 业中 随着基础设施建设的蓬勃发展 各种施工设备对能源的利用上都存在或多或少 的浪费 而在节能环保观念盛行的现代社会 这种浪费是让人难以忍受的 因此 工 程机械制造行业也开始重视起产品的环保节能 越来越多的工程师在产品的设计中 将这种节能的思想贯穿其中 设计研发出新型的节能环保的工程机械设备 为创建节 约型社会做出自己的贡献 现有冲击压路机其工作原理决定了其冲击轮需要达到相当大的质量 这也就对冲击 压路机的牵引力提出了相当大的要求 冲击压路机在启动开始工作时 冲击轮的轴心处 于最低位置 此时 拖动冲击轮运动的牵引机需要克服冲击轮巨大的惯性使其运动起来 并且在运动过程中 多边形冲击轮的质心会作周期性的上下波动 在质心上升阶段 冲 击轮的重力势能增加 冲击轮处于储能阶段 而这个部分能量也必须由牵引机来提供 因此牵引机所要消耗的能量很大 2 作业后路面平整度差 对于现有的冲击压路机 特别是在第一遍虚土压实后 由于冲击轮的不规则截面 以及冲击的不均匀性 决定了其冲击后的地面是一个起伏不平的路面 以三边形冲击 轮为例 冲击轮每转动一圈 将会对路面冲击三次 而这三次冲击只是三个冲击点 其它地方则为滚动压实区域 因此 在冲击点附近的土壤下沉量比较大 而其它地方 比较小 最后形成了波浪状起伏的路面形态 这样的路面平整度是很低的 波浪状起伏的路面影响最大的就是牵引机的驾驶员 牵引机行驶在这种崎岖不平 的路面上会产生很大的颠簸 而这个颠簸传递到驾驶员身上会使驾驶员产生不适 容 7 第一章绪论 易增加工作疲劳度 所以冲击压路机牵引机的驾驶员在施工时 通常会以两小时为限 换休 这样才能维持冲击压路机的连续运转 如果能够将路面的平整度提高一些 将 会对驾驶员的工作环境得到极大改善 路面不平产生的振动还会给冲击压路机的机构带来不利的影响 路面越颠簸 冲 击压路机上的机构越容易发生不可预知的随机运动 随机运动所产生的振动都是有害 的 无论是冲击压路机的连接 还是单个零件的强度都会受到它的影响 3 工序复杂 由于冲击压路机冲击后的路面起伏不平 因此经过几遍的冲击后 路面的起伏高 度差极大 导致牵引机无法继续在路面上行驶 上述情况的出现使得冲击压路机的施 工工艺上需要增加一道平地机对路面进行平整的工序 也就是说 每经过几遍冲击压 实 就需要平地机进行一次平地 之后才能重新继续使用冲击压路机进行冲压 这样 既增加了一道工序 降低了生产效率 又需要添置平地机 增加了施工成本 平地机 平整土地这道工序完全是迫不得已增加进去的 而这道工序实际上对提高路面质量是 没有任何作用的 4 在施工作业中转向困难 现有的传统冲击压路机没有独立的转向机构 它主要是通过牵引机牵引冲击轮硬 性转向 当然 只要能够提供足够的牵引力 硬拖式的转向也是可以实现的 但是它 对冲击轮的磨损以及牵引力的消耗都是很大的 在如今处处都提倡节约环保的时代 这样的转向方式还是需要进行改进的 1 3 2 本文需要解决的问题 根据上文所述 传统冲击压路机在施工使用当中存在的一些问题 现在提出了平 衡冲击压路机的方案来解决困难 为了通过对平衡冲击压路机运动规律的分析 开发 出实用可行的产品 本文对以下问题进行了研究 1 研究平衡冲击压路机的压实机理 2 通过冲击压路机冲击轮的运动规律的研究 分析冲击压路机冲击轮质心的轨 迹 速度 加速度等运动关系 3 对影响平衡冲击压路机运动的重要因素进行分析和研究 从而为优化其设计参 数做准备 8 长安大学硕士学位论文 4 对平衡冲击压路机的两个重要机构 相位协调机构和工作转向及转场机构 进行研究 完成其方案设计 9 第二章平衡冲击压路机工作机理 第二章平衡冲击压路机的工作机理 平衡冲击压路机的提出是为了解决现有的拖式冲击压路机能量浪费和在施工作业 中所遇到的作业路面平整度太差的问题 同时本着进一步提高产品的工作效率 简化 施工工艺 降低生产制造成本的设计目的 对平衡冲击压路机整机的设计参数进行优 化 因此需要对平衡冲击压路机的工作机理进行分析与研究 2 1 平衡冲击压路机的基本结构 平衡冲击压路机是以y c t 2 0 型冲击压路机为基础 其总体结构是将两台y c t 2 0 型冲击压路机进行串联 一组冲击轮在前 一组冲击轮在后 通过机架 摇杆 摆架 等机构将两组冲击轮连接起来 根据平衡冲击压路机前后冲击轮串联连接方式的不同 可分为两类 一类为小摆架结构的平衡冲击压路机 一类为大摆架结构的平衡冲击压 路机 2 1 1 小摆架结构 小摆架结构平衡冲击压路机的基本结构见图2 1 9865432 9 k i 鼢i 闩鳓 黾 j 卜l n 葺e 卜刊 葭 亘罢 蟹 卜叫 譬 旷l 一 i 燧到 蚓浏 图2 1 小摆架结构平衡冲击压路机 1 0 长安大学硕士学位论文 小摆架结构平衡冲击压路机的冲击轮 5 7 为三边形冲击轮 它们是冲击压实 的主要工作结构 冲击轮的外形轮廓由三段相同的曲线组成 而该曲线则是由曲率半 径不同的弧线构成 四个冲击轮分别布置在前 后机架 2 8 的左右两侧 并且前 机架上的一组冲击轮保持完全同步 后机架上的一组冲击轮亦保持完全同步 而前后 两组冲击轮则需要通过相位协调机构 6 保持一定的相位差 由摇杆 3 和小摆架 4 组成的摆架摇杆机构将冲击轮与机架连接起来 其中机架与摇杆相连 摇杆再与 小摆架连接 最后冲击轮轴连接在小摆架的另一端 轮胎 9 可以辅助平衡冲击压路 机进行工作转向以及短途转场 减小整机的转向半径 牵引机 1 的牵引部位为前机架的端部 牵引力通过机架 摆架摇杆机构传递到 冲击轮的轮轴上 从而拖动冲击轮在地面上连续滚动 实现冲击压实运动 摆架摇杆机构可以给冲击轮的轴心提供较大的自由空间 从而解决了冲击轮质心 在滚动中位置上下波动与牵引机和机架位置在高度上固定不变的矛盾 两组冲击轮的 连接都是采用这种连接方式 因此前后两组冲击轮在这种连接方式下是相对比较自由 的 两组冲击轮之间相互的影响较小 不会因为两者相互之间的内耗而减小作用于路 面的冲击能量 2 1 2 大摆架结构 大摆架结构平衡冲击压路机的基本结构见图2 2 98765 4 32 1 图2 2 大摆架结构平衡冲击压路机 l l 第二章平衡冲击压路机工作机理 大摆架结构平衡冲击压路机与小摆架结构平衡冲击压路机的总体结构相似 它的 冲击轮 5 8 为三边形冲击轮 四个冲击轮分别布置在前 后机架 2 9 的左右 两侧 前后两组冲击轮通过相位协调机构 6 保持一定的相位差 不同之处主要是由 摇杆 3 和小摆架 4 组成的摆架摇杆机构将前机架上的一组冲击轮与机架连接起 来 而后面一组冲击轮不与后机架连接 而是通过大摆架 7 与前机架的冲击轮大轴 相连 其中机架与摇杆相连 摇杆再与小摆架连接 小摆架的另一端连接前冲击轮轴 大摆架将前后两组冲击轮连接起来 构成大摆架结构 轮胎 9 可以辅助平衡冲击压 路机进行工作转向以及短途转场 减小整机的转向半径 牵引机 1 的牵引部位为前机架的端部 牵引力通过机架 摆架摇杆机构传递到 前冲击轮的轮轴上 前冲击轮的轮轴通过大摆架带动后冲击轮 从而拖动两组冲击轮 在地面上连续滚动 实现冲击压实运动 大摆架结构的平衡冲击压路机前后冲击轮通过大摆架连接在一起 机架仅与前面 一组冲击轮相连 而不是小摆架结构那样前后两组冲击轮分别与机架连接 这样的连 接方式能够保证前后两组冲击轮之间的中心距固定不变 而其运动规律更加有利于相 位协调机构限制前后轮相位差 但是对冲击能量影响较大 这一点后面会做详细介绍 2 2 平衡冲击压路机的压实作业原理 近年随着冲击压路压机开发应用 加速了岩土工程压实技术的新加发展 在解决路 基工程质量隐患方面有所创新 如有效地减少路基的工后沉降与差异沉降 保证路堤的 整体稳定性 对碾压成型路基的路床 路堤进行检验性追加冲碾遍数 提高了路基的整 体强度与均匀性 对湿陷性黄土地基或软弱地基进行冲击碾压的填前处理 使地基满足 承载力与稳定的要求 对砂石路面 水泥混凝土路面等旧路应用冲击碾压技术进行改建 可加快施工进度 达到工程质量要求 目前国内除极少省 区外都已有冲击碾压技术的 应用 5 o 2 2 1 压实原理及特点 由于平衡冲击压路机是在传统冲击压路机的基础上发展创新出来的新产品 其基 本的压实原理与传统的冲击压路机的压实原理相同 冲击压实技术同振动压实技术相 似 都是利用垂直方向上的振动作用于路面 对路面土壤进行压实 但是振动压实是 将工作轮中的激振器所产生的高频小振幅振动通过工作轮传递给土壤 使得土壤颗粒 1 2 长安大学硕士学位论文 在接近自身固有频率下振动 靠自重相互靠近密实度增加 冲击压路机则是利用冲击 轮产生的低频大振幅冲击作用 在瞬间释放出巨大的冲击能量作用于土壤 使得土壤 颗粒产生大的运动加速度和位移 排除土壤内的气体和液体而使密实度增加 此外 振动压路机的激振力是由工作轮内的激振器产生的 但是激振器的质量较 小 因此产生的激振力也较小 被压材料表面应力不大 而冲击压路机的冲击力是由 整个冲击轮产生的 冲击轮可以有很大的质量 在速度较高时其巨大的惯性所产生的 冲击力是激振器无法比拟的 它对被压材料产生的应力变化速度很大 可发生强制压 缩作用 这种作用相当于夯锤夯击压实的效果 冲击压实技术与其它压实技术相比 有着自己鲜明的特点 冲击压路机以非圆形 轮沿地面对土石材料进行静压 搓揉 冲击的周期性连续作业 产生强烈的冲击波 向下具有地震波的传播特性 它对地面的作用影响深度要远远高于现有振动压路机 具有更好的压实功效 使被压的土石材料更加接近于弹性状态 另外 由于冲击压路 机的影响深度大 路基在达到规范要求的压实度时 其工后沉降量要低于振动压路机 压实的路面 这个特性能有效的减少土石高填方路堤变形病害的发生 此外 使用冲 击压路机分层冲击碾压高路堤与补压达标路床工程 能较好的提高路基的整体强度与 均匀性 有利于避免路面的早期损害 延长路面使用寿命 2 2 2 机械工作原理 振动压路机为了实现其振动功能 必须附加专门的激振器 激振器发出的振动通 过工作轮传递到土壤 冲击压路机的实现则不需要添置额外的装置来产生冲击力 它 完全依靠冲击轮本身的非圆截面形状在滚动中使冲击轮的质心上下波动而产生连续的 周期性冲击 这种非圆截面的不等径的轮廓曲线通常分为大弧段和小弧段 冲击轮在 滚动时接地点会在大弧段和小弧段作周期变化 而冲击轮重心也会随之作周期性的升 最低点最高点最低点 l 一t 升阶段 j l 下降阶段 一 图2 3 冲击轮质心运动状况 1 3 第二章平衡冲击压路机工作机理 如图2 3 所示为冲击轮滚动的一个周期 冲击轮大弧段曲线曲率半径较大 弧长 也较长 当冲击轮在这段弧上滚动时 轴心处于上升阶段 此时冲击轮的质心位于接 地点后方 重力对冲击轮产生阻碍冲击轮转动的阻力矩 即在这个阶段牵引机的牵引 力需要克服这个阻力矩 将牵引力转化为冲击轮的重力势能 增加冲击轮的势能 随 着冲击轮的滚动 当接地点移动至质心与小弧圆心连线上时 冲击轮的质心处于最高 位置 此时冲击轮的质心与接地点连线垂直于地面 当冲击轮质心越过最高点后 质 心将位于接地点之前 在重力的作用下 产生一个使冲击轮转动的作用扭矩 它会促 使冲击轮加速转动 并且质心位置会随之降低 将冲击轮的重力势能释放出来 通过 轮缘对地面的拍击将能量传递给土壤 从而实现冲击压实 234567 图2 4y c t 2 0 型冲击压路机 平衡冲击压路机的结构借用了传统冲击压路机的基本结构 如图2 4 为y c t 2 0 型 冲击压路机的基本结构 该结构主要是以摇杆 4 和摆架 5 组成的摇杆摆架机构 为核心 的连接结构 该结构的最大特就是有比较大的自由空间能够满足冲击轮 6 质心纵向和垂直方向上的运动 牵引机通过牵引钩 1 带动机架 2 机架与摇杆摆 架机构相连 带动冲击轮前进 图中橡胶垫 3 一方面对摇杆的摆动角度进行了限制 另一方面也减小了摇杆对机架的冲击 轮胎 7 主要用于其转场 而在施工中也能起 到一定的滚动压实效果 因此 平衡冲击压路机也同样具有冲击压路机的工作原理和运动特性 同时由于 它是对传统冲击压路机的一种发展 它还拥有自己独特的一些特点 1 振动压路机工作轮在工作振动时振幅很小 轮心的理论运动轨迹近似一条水 平直线 并且其水平方向上的加速度可以近似看作为零 因此振动压路机工作轮的运动 1 4 长安大学硕士学位论文 可以看作是匀速运动 而由于冲击压路机的冲击轮为非圆横截面形状 在滚动时其轴心 理论运动轨迹是一条周期曲线 并且在水平方向和垂直方向上都有加速度 而不是匀速 运动 2 在压实作业过程中为了保证好的压实效果 振动压路机的工作轮需要始终保 持与地面的接触以利于将振动传递给被压路面 而冲击压路机的冲击轮为了产生冲击的 效果 冲击轮轮缘上的拍击作用位置应尽量抬高从而加大对地面的拍击力度 3 平衡冲击压路机与传统冲击压路机的不同之处在于平衡冲击压路机的前后两 组冲击轮在工作时 当一组冲击轮的轴心处于最低点 另一组冲击轮的轴心需要处于最 高点附近 因为冲击轮轴心在最低点时 牵引力对地的力臂最小 冲击轮滚动所需的转 矩最大 而冲击轮轴心在最高点时 滚动所需的转矩最小 这样相比较而言 平衡冲击 压路机所需的牵引力小于两倍的传统冲击压路机牵引力 并且牵引力变化也相对平稳 些 符合基于势能为常量的振动与冲击机械节能原理 4 在平衡冲击压路机的运动中 后一组冲击轮的拍击点落在前一组冲击轮两次 拍击点的中心位置附近 传统冲击压路机冲击一遍后的路面平整度很低 路面拍击点的 沉降量远远大于其他位置的沉降量 形成高低起伏的路况 对后几遍的冲击压实影响很 大 而平衡冲击压路机的后一组冲击轮会冲击在前一组冲击轮滚动压实的部分 这部分 在前一组冲击轮经过后沉降量较小 后一组冲击轮的冲击则