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振动压路机上的无级调幅技术分析 摘要：介绍了振动压路机上无级调幅技术在国内外的研究现状及其相关专利发明，并且重点阐述了具有无级调幅功能的振动轮的结构原理和设计方法及控制过程，这是一种新型结构的振动轮，在现实应用中具有较高的适用价值。关键词：振动压路机 振动轮 无级调幅 研究现状 专利发明 原理方法 20世纪80年代到90年代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、电子信息技术和计算机技术等高科技的迅速发展，振动压路机也进入了一个新的发展时期，智能化的振动压路机成为新的发展趋势，而且在实际应用中已初具雏形。振动压路机技术虽经历了漫长的发展历程，但新技术仍在不断涌现。振动压路机的振幅是振动压路机的关键性能指标，它直接影响压路机的作业性能，根据压路机压实对象介质物理机械性能的不同，压路机的振幅应有一个合理的取值范围。振幅过大并不能有效提高机器的压实效果，反而会造成机器的振动强度过大，功率消耗增加，有时还会严重影响机器作业质量(压碎被压实材料)，所以振幅的合理调节对于提高振动压路机的作业质量极其重要。本文对现代振动压路机中一种新的调幅技术无级调幅技术进行简单的介绍。一振动压路机上无级调幅技术在国内外的研究现状1国外的研究现状振动轮是振动压路机产品的工作机构，是影响整机压实性能的核心部件。目前，绝大多数振动压路机具有高、低2种振幅，一般依靠振动轴的正、反转使固定偏心块与活动偏心块相叠加（高振幅）或相抵消（低振幅）来实现。但由于铺层材料千差万别，超薄与超厚铺层的巨大差异，因而对振幅的要求范围也更宽，高、低2种振幅已不适应对某些特殊工况的压实要求。另外，目前虽然出现了多振幅结构（例如：某些产品实现了八档振动幅度），但几乎都由人工直接操作调幅机构来实现，无法实现自动控制，而无级调幅技术是振动压路机振动参数实现在线自动化控制的基础和关键，显示了一种实现多种振幅的振动轴结构。其关键之处在于：一是一端带内花键的空心外振动轴。通过调幅花键套与一端带外花键的内振动轴联接；二是向外拉出调幅花键套时，调幅花键套的外花键与外振动轴的内花键脱开。而调幅花键套的内花键与内振动轴的外花键始终啮合。此时转动调幅花键套一定齿数后恢复正常双啮合状态，这样就改变了外振动轴与内振动轴上偏心块的夹角，即改变了合偏心矩，从而实现了调幅。 国外企业在压实机械理论方面进行了充分的研究，但由于压实材料的不确定性也带来了许多不定量的问题，经过现场施工的摸索和试验室的探索，现在已经发展到在理论基础之上的试验阶段。工作装置的发展在国外已经经历了多年的历程，从减缓冲击、提高轴承使用寿命、减振性能、调整压实参数、提高压实能力等方面做了大量的试验，形成了较完整的经验数据。压实机械的工作装置已经向智能化方向发展，通过CAN总线和控制系统的应用，结合机械结构的功能，使得压实机械的工作装置得到迅猛的发展。现代压实技术与压实机械的发展愈来愈多地依靠压实理论上的新突破，并成为创造全新压实过程的理论支撑。压实理论的研究更加显示出综合性的特点，即从工作介质的材料特性、力学基础、施工方法及机器结构、运动学与动力学的综合角度来研究压实作业过程。压实技术的发展更加显示多种施力方法综合作用的特点，即通过静压、揉搓、振动、捣实和冲击等多种方法的联合作用来强化压实过程。现已进人实用阶段的新的压实技术与压实机械，例如振荡式压路机、冲击式压路机将进一步定位自己的应用领域，而成为某个施工工况主要的压实设备。垂振式振动压路机在日本已完成了工业试验，振荡与垂振都是利用双轴激振机构静偏心矩的叠加原理而实现的定向振动，前者抵消了振动轮的垂直跳动而实现了对地面作用的水平振动，后者抵消了振动轮的水平扰动而实现了对地面作用的垂直振动。德国BOMAG公司具有能够实现自动无级变换振幅的振动压路机产品，代表了世界上最先进的压实技术水平。他们所开发的BOMAG VARIOMATIC无级调幅压实系统利用两振动轴静偏心矩的相位差调节，实现了压路机在水平或垂直振动两个极限或在其问的任何状态下工作，从而实现了压路机振幅的最佳选择和自动调控。2.国内的研究现状 国内压路机的发展大多采用引进和借鉴国外优点的方式来提升自己的技术，某些压路机制造企业及科研机构在上世纪90年代就开始研究无级调幅振动轮，但一直没有产生实质性的产品。目前徐工集团的振动压路机产品已采用了多振幅机构，而且通过改进能够实现低频5振幅、高频5振幅的功能，但是要想达到成熟的无级调幅功能还有很长的路要走。3.在无级调幅技术研究方面的专利（1）振动压路机无级调幅专利技术（国内）记录号申请号专利名称103127255.X振动压实机械振动轮无级调幅装置202264491.1振动压路机无级调幅机构303252378.5无级调幅压实机构402277685.0一种振动无级调幅机构5200520069815.1机械振动无级调幅机构6200520007525.4单轴式无级调幅振动工作装置701126690.2振幅无级可调的复合作用振动压路机898233268.8振幅实时无级可调的振动机构9200420027448.4振动模式无级可调的压路机激振机构(2) 相关专利或方案设计介绍下面简单介绍振动压路机无级调幅技术研究方面的几个国内、外的相关专利发明。专利一：一种新型振动压路机无级调幅系统此专利所设计的无级调幅系统，通过改变两偏心块的相对相位角以调节偏心距来实现无级调幅，从而达到低耗高效的目的。（1）方案设计图1是该调幅系统工作原理图。图中G为振动器结构简图，它由壳体、动块、轴套、定块和限位块组成。定位块用螺栓将其与壳体、轴套连接在一起。轴套通过平键与振动轴Z相连接。动块可在定块与限位块之间滑动，其滑动的空间为压力腔；壳体的端板上有油口a。限位块的左侧空腔为排气腔，在其间的壳体上设有排气孔b。液压系统有液压泵1、安全溢流阀2、压力表3、换向阀4、截止阀5、振幅表6及管件组成。当发动机E带振动轴以转速n逆时针旋转时，动块在其惯性力的作用下与定块紧密接触。在二者之间施加作用力，使之滑移角，则改变了振动轴的偏心距，即调节了振幅。从图一中可以看出，当动块和滑块之间充满压力油后，通过截止阀微量释放压力油，便可使动块在其惯性力的作用下相应位移，从而达到了无级调幅的目的。该系统进行调幅时的工作过程为：首先启动发动机E，然后将2位3通换向阀由右位拉到左位，液压泵1通过油口a向振动器G的压力腔提供压力油；当动块移到图示位置后，油压升高，溢流阀2自动打开溢流；此时，将换向阀4推到右位， 图1 调幅系统工作原理图液压泵卸荷，溢流阀关闭。至此，再使发动机驱动振动轴高速旋转，然后根据所需振幅，按照振幅表指示，调节截止阀改变动块的位置，渐至所需振幅，将截止阀打开，放尽液压油后关闭，将振幅表恢复到起始位置。（2）确定液压系统的工作压力根据工作原理图，当振动轴以转速n逆时针转动时，动块便产生与之反向的惯性力F，其值为：式中：； ； ；。式中未考虑动块与轴套、壳体的摩擦力及排气阻力。那么，动块对压力腔产生为：式中：； 。 据此，可以确定液压泵的工作压力和溢流阀的开启压力。由压力腔的容积来选择泵的排量，确定液压泵的规格型号。（3）结论上述液压无级调幅系统是一种新型、简单的高效节能系统。它仅利用了振动压路机发动机启动时不带负荷的功率，而在工作时，调幅过程对发动机是零负荷。另外，该系统的无级调幅还可以使振动压路机根据工况选择最佳振幅，以达到最佳压实效果，避免过压实和压碎骨料，达到一机多用、低耗高效的目的。专利二: 一种新型结构的压路机无级变幅振动轮此专利介绍了一种具有实用价值的无级变幅振动轮结构及控制原理，它与德国著名压路机厂家BOMAG公司的产品具有很大的差异。（1） 振动轮的结构 无级变幅振动轮的结构比普通双振幅振动轮复杂的多，本专利所介绍的无级变幅振动轮的详细结构（见图1）。在这个结构示意图中，对某些细节结构，如润滑结构、蜜封结构、联接紧固件等进行了简化表示或省略，使易于理解。图中的滚轮体（序号6）、左右轴承座（序号7和9）、行走支承座（序号10）、轴承（序号11和15）、液压马达（序号13）等与普通振动轮结构相似，没有特殊要求，行走驱动装置（序号4）是选用带有中心通孔的低速大扭矩马达，中心通孔用于变幅油缸（序号2）轴向推动旋转联轴器（序号5），变幅油缸（序号2）的内部装有高精度的位移传感器，变幅激振器（序号8）是无级变幅振动轮的核心部件，无级变幅功能主要依靠此部件实现。变幅激振器的结构（见图2）。1.支撑左支架 2.变幅油缸 3.减震器 4.行走驱动装置 5.旋转联接器 6.滚轮体 7.左轴承座 8.变幅激振器 9.右轴承座 10.行走支承座 11.双列轴承 12.联轴器 13.液压马达 14.支撑右支座 15.轴承图1 无级变幅振动轮示意图15.轴承 16.振动轴左段 17.振动轴中间段 18.护筒 19.调幅轴 20.销轴 21.内轴 22.偏心块 23.轴承 24. 振动轴右段 25.花键套图2 变幅激振器结构示意图变幅激振器主要是由内偏心轴部分和外偏心轴部分组成，通过改变内偏心轴部分的偏心相位差，实现变幅激振器的质量偏心距在一定范围内变化，导致振动轮的振幅在一定范围内连续变化，即实现无级变幅。外偏心轴部分包括振动轴左段（序号16）、振动轴中间段（序号17）和振动轴右段（序号24），振动轴中间段带有偏心块；内偏心轴部分包括内轴（序号21）、偏心块（序号22）和护筒（序号18），偏心块通过平键固定在内轴上。调幅轴（序号19）和销轴（序号20）是改变内、外偏心轴部分的偏心相位差的零件，调幅轴（序号19）上带有花键，通过花键套（序号25）与外偏心轴部分联成整体以相同的速度旋转，但能够进行轴向运动。内轴（序号21）上设计有双螺旋槽，销轴（序号20）在双螺旋槽的不同位置推动，就将内偏心轴部分偏转对应的角度，在整个推动行程内偏心轴部分的转动相对角度为180，即内偏心轴部分和外偏心轴部分的偏心相位差的变化范围为0.180。（2）振动轮参数计算 无级变幅振动轮在方案设计时就已确定了理论振幅的变化范围为0.20.8mm，按照此要求即可确定其他参数。已知变幅轮的振动部分质量，即两端减震器（序号3）以内部分的整体质量，根据以下计算公式可计算出e1和e2。式中：- 外偏心轴部分的质量偏心距,；- 内偏心轴部分的质量偏心距，； 假定=2200，则=1100，=660。在变幅激振器工作初始时，销轴（序号20）处于最左端，内偏心轴部分和外偏心轴部分的偏心方向重和，即偏心夹角为0，油缸的行程为初始位置规定为0。在变幅过程中理论振幅按以下公式计算：式中：实时振幅，； 变幅激振器的合成质量偏心距，； 内偏心轴部分和外偏心轴部分的偏心夹角， ； 变幅油缸的工作行程，； =内轴（序号21）上双螺旋槽的长度，；（假设其值为100）将各数值代入计算后为： 根据上述的计算结果就很容易的实现变幅过程控制了。（2） 控制原理2.变幅油缸 26.电磁换向阀 27.溢流阀 28.齿轮泵图3 变幅油缸液压控制原理 根据上面的计算结果可知，对无级变幅振动轮的振幅控制实际上是对变幅油缸的行程控制，在这里是采用一种反馈控制方式来实现。控制变幅油缸的液压原理见图3所示。 此液压控制回路主要由变幅油缸、电磁换向阀、齿轮泵、安全阀等组成，是一种油缸控制的基本回路。考虑到油缸需要频繁动作，也没有安全性的特殊要求，所以油缸没有加装平衡阀。当需要油缸动作时，只要向电磁换向阀的电磁铁Y1或Y2给电信号。这样，变幅油缸的控制就可以通过电控来完成。对于这种比较复杂的控制过程，必须采用PLC控制器来进行编程控制，编程控制流程见图4。图4 变幅过程的编程控制流程（4）结论本结构的无级变幅振动轮通过了样机实际验证，实现了设计所功能，能够根据要求进行自动无级变振幅。如果这种无级变幅振动轮与在线密实度检验仪结合使用，就能实现振动压路机的无级变幅智能化压实过程。专利三：振动轮的无级调幅技术（美国专利）该振动系统包括一个可操纵的振动器和压路机的静碾钢轮，而振动器则是由振动轴与偏心块组成。该偏心块可在偏心壳体内上、下移动，使振动轮的振幅进行无级调整。偏心块在离心力的作用下，在偏心壳体内产生上、下移动，并使得外储油室中的液压油受到挤压。由于该油室经油路与内油室相通，所以，受到挤压的液压油即流入内油室。这时，偏心块继续下行，直至偏心块将出油口挡住，该振动轮的振幅将不再变化。（1） 该振动轮技术发明专利的背景及目的该专利适应于压实路基、坝基等用途的振动压路机，更确切的说，该发明专利的内容是阐述振动压路机的振幅的变化原理。传统的振动压路机的振动机构是由振动轴和位子可调的偏心块组成。这种偏心块可分档变位以获得不同的振幅。为了改变振幅，必须使振动机构停止工作，这样给施工及操作带来很大麻烦，由于靠偏心块分档变位，振幅的调整范围受到限制。该专利对振动技术进行了独特的改进，利用流体系统，使得偏心块在振动机构工作过程中进行变位，实现了无级调幅。该流体系统包括两个储油室及液压油路。当振动轴转动时，由于离心力的作用，偏心块向外移动，使外油室内的液压油压力增大，驾驶员可通过操纵手柄，打开单向阀，使外油室内的油通过油路流入内油室内，外油室油位下降，使得偏心块产生径向位移，这时，振幅随之增大。通过仪表，驾驶员能很方便的观察偏心块的行程，并且当振幅达到需要值时及时关闭单向阀。该专利所研究的振动系统使得振动技术向前迈了一大步。当然，亦有不足之外，例如，驾驶员希望偏心块可以自动停止在所期望的位置而不需要人去监视其位移量，同时，还希望将液压泵、外油室及液压油路全部取消，这样，振动机构将会大为简化。（2） 发明要点 通常，振动机构均装在轮子内部，当其工作时，使该轮产生振动，实现压实效果。振动机构包括振动轴、偏心壳体、两个储油室及可上、下移动的偏心块，机构上装有一位置调整装置以调整偏心块的位置，从而获得各种不同的振幅。而位置调整机构撮好应包括内储油室、油路、出油口并与外油室相通。这样，当振动轴转动时，在离心力的作用下，偏心块向外移动，这时，外储油室内的液压油通过出油口流入内油室，使得偏心块继续向外移动，这时，振幅随之增大。该过程是通过偏心块在预调位置上自动停止移动实现的。滑杆最好应装在偏心块内，滑杆中心的孔作为连接两个储油室的油路。当偏心块达到预置位置时，出油口便被挡住。偏心块上端的油腔为上储油室，液油可通过偏心块上的单向阀流入下油室。图l、固2、图3分别为该专利产品的示意图、振动轮剖视图和振动机构局部放大图。现根据以上各图，详细叙述该专利产品（振动机构)的结构特点和振动原理。机构9为压路机前车架总成，包括轮圈11，前车架体10及轮轴15，振动机构包括：振动轴28，由轮幅上的轴承32支撑的左轴端30，由轮幅及轴承36支撑的右轴端34，与振动轴30、34焊为一体的偏心轴38.振动轴28是由安装在轮圈11上的液压马达经齿轮40、42直接驱动的，安装在偏心轴38上的筒状密封仓体46与轴28垂直，48为下油室，50为可移动式偏心块，并将油室一分为二，即上、下油路。图3密封仓48内为优质液压油，而滑杆56装在机构50内的密封圈内，并可在偏心壳体内上、下滑动。滑杆内的孔60为液压油路，油可经出油口62和64分别与油室52和54形成一循环回路。当滑杆56下行，使出油口62位于偏心块50的下方时，下油室52通过滑杆内的油路与54相通。 泄流口70位于偏心块50中，从而可使上、下油室相通，单向阀72使油只能从上油室流入下油室内。下油室52内有一压缩弹簧80，作用于偏心壳体下端面79和偏心块50的底面之面，从而产生一推力，使偏心块向上移动。由图可知，当偏心块50开始绕轴l5转动时，下油室52与出油口62相通，偏心块50在离心力作用下移动，将液压油从下油室52排入上油室54内，当偏心块停止转动时，压缩弹簧80便会自动复位，使得偏心块50向上移动，这时，液压油便从上油室经单向阀流入下油室52内，密封圈65，66、67及68的作用是防止上、下油室之间及偏心壳体的泄漏。操作杆81使驾驶员可在操作台82处通过连杆直接控制滑杆56的移动，操纵机构包括板88，销轴86。机构84可绕86转动，而件88托板则固定在偏心轴38上。操纵弯臂上有一弧槽89，滑杆56顶端的圆销可在其内滑动。弯臂84的另一端与传力杆92相触。传力杆92则可在轴28的右端34内滑动，拨柄94装在件98内紧压在机构92上并中绕销轴96转动，而件98则焊在轮圈11上。在拔柄端部的孔中通过一螺栓，使之与拉杆100相连，如图3所示。拉杆的另一端与操纵手柄连接。当驾驶员扳动操纵手柄时，便可使拨柄94转动(如图3示为顺时针方向旋转)，这时，滑杆相对于件50向上提起。当操纵手柄反方向拨动时，机构92、84便相互脱开，此时，在离心力作用下，滑杆56便向下移动，从而使得机构8l绕铺轴86逆时针转动(由滑杆重力所致)。偏心块的微调指示仪表最好与操纵手柄装在一起，以便驾驶员根据仪表上的位置扳动手柄来获得所需要的振幅。图3所示为振动机构在启动(静止状态)时的情况，也就是说，机构50在弹簧的作用下，与机构38接触，这时，轴28转动，使振动轴转动所需扭短最小。这是因为弹簧80的作用，使机构50距轴的距离最短。当轴23开始转动时，杆56的位置如图所示，即出油口62被偏心块挡住，这时虽然偏心块受离心力的作用，但因下油室内的油无法流入上油室而不能向下移动。当需要提高振幅时，驾驶员可直接扳动操纵手柄102，这时，机构92与机构84脱开，从而使滑杆在离心力的作用下向外移动(即图3所示向下移动)，当达到所需振幅时，可通过操纵手柄102及机构99使机构92停止右移，井顶住机构84，使滑杆56停止下移。在上述过程中，出油口62始终与下油室相通，液压油可从下油室流入上油室54内，而偏心块50在离心力的作用下，逐渐向下移动，当偏心块将滑杆上的出油口挡住时，偏心块50便自动停止移动。当压路机停机即振动机构停止振动时，机构50靠弹簧80的顶力使其处于最上端位置，此时，上油室54内的油由于压力增大打开单向阀72，液压油便全部注入下油室内。该发明提示：如果能使偏心块位于所需的位置时自动停止移动，便可达到无级调幅的效果。储油室在偏心壳体内用于调整偏心块的位置，这样，删去其液压油路会使振动轮的结构更为紧凑。此外，通过改变轴l5的转动方向，使偏心块与滚轮的旋转方向相反，根据这一原理亦可达到改变振幅以达到最佳压实效果。二无级调幅振动轮的工作原理及方法下面先简单介绍振动压路机的传统工作装置的结构及工作性能，然后再详细阐述能够实现无级调幅机构的新型工作装置的结构和工作原理。1 传统工作装置（1）传统工作装置的结构振动压路机传统的工作装置的结构均采用单轴圆周激振器，当位于钢轮中心带有偏心质量的偏心轴快速旋转时一个360方向回转的离心力，使钢轮作不定向的圆周运动。其结构基本采用2支撑（图1）和4支撑（图2）结构，两支撑的工作装置结构简单，但受力较大，对轴承的承载能力和同轴度要求比较高，只适用于激振力比较小的小吨位的振动压路机；4支撑的工作装置结构复杂，加工困难，对安装配合精度要求高，但受力较好，广泛用于激振力大的振动压路机。振幅调节是通过变换偏心轴的旋转方向带动偏心质量旋转，通过改变偏心距来改变振幅。图3为传统工作装置的偏心轴结构。如图3a所示，偏心结构处于大偏心距的位置，即活动和固定偏心质量重叠，产生大的偏心质量，实现大的振幅，得到大激振力。图1 2支撑工作装置图2 4支撑工作装置(a) 大偏心距的偏心轴结构（b） 小偏心距的偏心轴结构1.固定偏心快 2.活动偏心块 3.轴图3 传统工作装置的偏心轴结构如图3b所示，偏心结构处于小偏心距的位置，即活动和固定偏心质量相位差为180，两者的偏心质量在一定范围内相互抵消，得到小偏心距，实现小的振幅，得到小激振力。因此，两个振幅的调整就是来拿贵族偏心质量在正反两个旋转方向上偏心质量的组合，通过改变整体偏心轴的偏心距，得到两个大小不同的激振力。（2）传统工作装置的性能分析传统的工作装置基本以一种固定的模式向被压实路面施力，不管被压实材料的弹性模量和其它物理性能如何变化，一直持续地作用于被压实材料，虽然在一定程度上能够达到比较满意的压实性能，但不能适应所有的被压实材料。采用传统工作装置的振动压路机通过改变工作装置的旋转方向改变工作装置的振幅，一般只两种振幅，频率一般也只有两个。随着高速公路的发展，以及新型沥青材料的应用，施工工艺的变化、气候和地区的不同，传统的工作装置已经不能充分适应现在的要求，只有多振幅多频率的工作装置才能够适应高标准的施工要求。2. 能够实现无级调幅机构的新型工作装置（1）新型工作装置的结构随着新型沥青和施工工艺的不断更新，振动压路机的工作装置需要具备多振幅和宽频率来适应施工要求。这里研究的新型工作装置，主要解决压实新型混合材料，以及居民区、施工敏感区的路面施工以提高压实质量。新型工作装置的结构有两个关键，即调幅机构的可控性和智能控制的可行性。如图4所示的新型工作装置的激振单元有两根平行带偏心体的轴，旋转方向相反。它通过一组5个齿轮进行动力输入和动力传递，同时通过这5个齿轮对2根平行的偏心轴的相位角进行调整，解决振动腔内的发热问题、齿轮润滑问题和2根偏心轴的自锁问题。1.变幅马达 2.减震器 3.安装板 4.驱动马达 5.旋转壳体 6.加放油装置 7.偏心轴 8.齿轮组 9.大框架轴承 10.振动马达 11.减振器 12.轮体图4 新型工作装置新型工作装置先将驱动马达4(偏心轴7等)组装形成一个整体，接着与轮体12组装形成一个大的振动单元，左侧再安安装板3、减振器2和变幅马达1，右边与大框架轴承9、振动马达1O、减振器11和轮体12连接，形成工作装置总体，最后通过减振器2和减振器11装配在整机上。两个偏心轴7装配到安装板3时要保持两个偏心轴同相位，并保持水平装入振动轮内。变幅马达1的装配位置应在它的工作行程的中间，这样能够保证调幅过程的稳定性和保证从小到大、从大到小调整的一致性。加放油装置6对称布置，当其中之一垂直向下的时候作为放油装置，另一个就可作为加油装置。（2）新型工作装置的工作原理和方法 振动压路机作业时，由于振动轮的振动(即偏心作用)使其对铺层产生一个往复冲击力，振动轮对铺层每冲击一次，在压实材料的颗粒中就产生一个冲击波，同时这个冲击波在压实材料中沿着纵深和横向按一定衰减规律进行扩散传播，被压实材料颗粒之间的摩