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机械毕业设计1663振动压路机振动轮设计,机械毕业设计论文
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毕业设计说明书 题 目： 振动压路机振动轮设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2014 年 5 月 nts nts 目录 摘要 . 1 ABSTRACT . 2 第一章 绪论 . 3 1.1 课题研究的意义 . 3 1.2 国内外压路机产品技术概述与发展趋势 . 3 第二章 设计方案比较 . 5 2.1 外振式振动压路机 . 5 2.2 内振式振动压路机 . 5 2.3 单轮振动压路机 . 5 2.4 双轮振动压路机 . 6 2.5 摆振式振动压路机 . 6 2.6 定向式振动压路机 . 6 2.7 本设计方案 . 7 第三章 变 频变幅振动轮的压实原理 . 8 3.1 振动压实机理 . 8 3.2 变频变幅振动压实的优势 . 10 第四章 振动轮总成设计思路 . 13 第五章 变频变幅振动轮的总体设计及计算 . 13 5.1 振动轮振动参数的讨论及确定 . 13 5.1.1 振动频率 . 13 5.1.2 工作振幅和名义振幅 . 13 5.1.3 振动加速度 . 14 5.1.4 振动压路机工作速度和压实遍数 . 16 5.1.5 激振力 . 16 5.1.6 振动轮的振动功率 . 17 5.2 振动轮主要工作参数的设计计算 . 18 5.2.1 压路机的工作质量及其分配 . 18 5.2.2 振动轮的直径和宽度 . 18 5.3 振动轮激振机构 . 20 5.3.1 几种激振形式压路机力学特性和压实特性 . 20 5.3.2 振动机械激振器的分类及作用原理 . 21 第六章 振动轮减振支承系统设计 . 24 6.1 振动压路机减振系统的基本原理 . 24 nts 6.2 减振系统总刚度的确定 . 25 6.3 橡胶减振器的设计与计算 . 26 6.3.1 橡胶减振器的材料 . 27 6.3.2 橡胶减振器的几何形状 . 27 6.3.3 橡胶减振器的硬度 HS . 27 6.3.4 减振器的几何尺寸 . 28 6.3.5 橡胶减震器的刚度设计与计算 . 28 6.4 橡胶减振器的校核 . 29 第七章 三维附图 设计总结 . 35 致谢 . 37 参考文献 . 37 附录 1 . 38 附录 2 . 42 nts 共 50 页 第 1 页 蒈薁螅芇蒇蚃 摘 要 振动压路机是工程施工的重要设备之一，用来压实各种土壤、碎石料、各种沥青混凝土等。在公路施工中，多用在路基、路面的压实，是筑路施工中 不可缺少的压实设备。根据振动压路机工作原理、结构特点、操作方法和用途等的不同，有不同的分类方法。按振动轮内部结构可分为：振动、震荡和垂直振动。其中振动又可分为：单频单幅、单频双幅、单频多幅、多频多幅和无级调频调幅。可见，振动轮是振动压路机的核心工作机构。 我国的振动压路机研究已经接近成熟，但是与国外相比仍有很大的差距，本文意在研究压路机振动轮 的 相关参数和结构，使其能够在工作状态达到效率最大化，能够缩小和国外的研究差距。 本设计介绍了振动压路机的发展概况、振动机构的配置、振动轮功率的计算、激振器的型式、偏 心块的设计计算、减振系统的刚度计算和减震器的设计，轴的设计与校核，轴承的选型和寿命计算。 关键词 ： 振动压路机；振动轮设计；联轴器；偏心块；激振力；减振 nts 共 50 页 第 2 页 ABSTRACT The vibratory roller is one of the important construction equipments for compaction of soil, aggregates, asphalt and concrete. In highway construction,it is used in the compaction of the roadbed and act as an indispensable road construction.The vibratory roller can be classified depending on the vibratory rollers working principle, the structural characteristics, methods of operation and use .It can be divided through the internal structure of the wheel vibration: vibration, shock and vertical vibration. Whele vibration can be divided into single-frequency single, single-frequency double-width, single-frequency multiple pieces of multi-frequency and stepless AM FM. So, the vibrating drum is the core of vibratory roller . Our vibratory roller studies have been approaching maturity, but there is still a big gap compared with foreign countries, this article is intended to study the relevant parameters and structure of the roller wheel vibration, to enable them to maximize efficiency in working condition, can be reduced and abroadresearch gaps. This article introduces the design of vibration roller development, vibration mechanism, vibration wheel configuration power calculation, the exciter eccentric block type, the design and calculation of vibration system, calculation of stiffness and damper design, shaft design and verification, selection and the service life of the bearing calculation. KEY WORDS: vibratory roller, design, Vibration exciter, hydraulic, vibration force, vibration nts 共 50 页 第 3 页 第一章 绪论 1.1 设计 的 意义 振动压路机 是 工程施工的重要设备之一，用来压实各种土壤、碎石料、各种沥青混凝土等。在公路施工中，多用在路基、路面的压实，是筑路施工中不可缺少的压实设备。根据振动压路机工作原理、结构特点、操作方法和用途等的不同，有不同的分类方法。按振动轮内部结构可分为：振动、震荡和垂直振动 。 其中振动又可分为：单频单幅、单频双幅、单频多幅、多频多幅和无级调频调幅。可见，振动轮是振动压路机的核心工作机构。 根据振动压实原理中的土的共振学说，当激振频率与被压实土的固有频率相等或非常相近时，振 动压实的效果最佳。而当振动压路机在不同土壤上工作时，土的固有频率是变化的，这样若压路机的振动频率是固定的或是只有有限档位的，就无法在每一时刻都保证最佳的压实效果。于是，研究振动压路机的振动轮变频的实现，就是为了在不同土壤上工作时都能自动达到共振，将土如期压实。关于振幅，根据重复冲击学，为了增大机械在与土接触前一瞬间的动量，就需要振动轮有较大振幅和增大振动部分的质量。而根据内摩擦减少学说，为了使振动轮在振动过程始终保持和土的接触，又需要振动轮的振幅很小，使其不脱离地面。同时，压实时振动轮进行浅层振动或深层振动 所需要的振幅大小是不同的。因此振动压路机也应有变化的振幅。 1.2 国内外压路机产品技术概述与发展趋势 20世纪 30 年代，世界上最早的振动压路机出现在德国。此后随着振动压实理论研究的深入，避振材料和振动轴承制造技术的不断完善，振动压路机在 60年代占领了世界压实机械市场，其品种、规格也呈现多元化发展。随着社会需求对压路机动力性能、运动精度及自动化程度的要求，液压传动技术于 60 年代应用于压路机， 70 年代国外的大多数振动压路机已经实现液压传动。随后，电液控制技术在振动压路机上的应用，更使得压路机实现了行走、振动 、转向和制动等系统的全液压传动。到 20 世纪末期，电子技术和计算机技术给压实机械进行了一场控制革命，德国宝马（ Bomag）公司首创了振动调幅压实系统并迅速推向世界市场。目前，国际上全液压传动压路机技术中，液压传动、全轮驱动、铰接转向等技术已经较为成熟，自动控制技术还处于起步阶段，其中振动参数的自动控制已经有了突破性进展，但技术还有待进一步完善。 我国的压路机研制起步较晚，主要借鉴国外成果经验发展， 20 世纪 80 年代，国内压路机厂家引进国外先进技术，开发生产了全液压单钢轮振动压路机，由于国情原因， 90 年代国内出现 了将静压路机的机械驱动行使系统移植到了全液nts 共 50 页 第 4 页 压振动压路机上，替代了其原有的液压传动件和驱动桥组成行使驱动系统，创造了国内特有的机械式单缸轮振动压路机，它以低廉的价格赢得了市场 3。总体上说，我国振动压路机市场的特点可以概括为：生产厂家众多，产品系列齐全，销量规模攀升，高端市场不强。 目前，国内大部分振动压路机仍为单轮驱动、单轮振动、机械传动的状态，与国外相关产品技术比较，还有较大的差距。在保证占有市场份额的同时，加快研发高端振动压路机产品，积极抢占国内外高端市场，是国内相关企业的当务之急。 目前，国际上振动压 路机正朝着 结构模块化、一机多用化、机电一体化、行车安全化、智能化、专业化的趋势发展。可以预见，随着我国基础设施建设特别是公路建设的持续发展， 我国压路机销量将有所增加，且会呈现较大的增长幅度。根据权威专家预计，“十一五”期间我国压路机容量将会达到 15000 台左右，其中国有生产的产品销量约占 85，静碾压路机和机械驱动单钢轮振动压路机等中低档产品依然维持主导；国外产品约占 15，其中以全液压驱动振动压路机等高档产品为主。由于技术上的差距，国内企业的增长空间将比较有限。效率高、档次高的高端产品是未来的发展方向。 随着市场对施工机械性能的更高要求， 以下类型的产品具有更广阔的发展空间： 大型振动压路机、中型轮胎压路机、自行式双钢轮串联振动压路机、无级调频调幅振动压路机、压实 RCC 材料的专用压路机。 需要进一步研发与推广的产品有： 驾驶条件好、环境污染小的振荡式压路机 ； 生产率高的串联振动压路机 ； 压实封层严密又不破坏骨料的轮胎压路机 。 nts 共 50 页 第 5 页 第二章 设计方案比较 振动压路机上的振动机构有着不同的配置方法，从而形成了具有不同工作性能的振动压路机。例如按激振器安装位置的不同区分为外振式与内振式，按振动轮的不同位置区分为单轮 振动、双轮振动与摆振式，按振动力与传递方向的不同区分为无定向摆动、振荡和垂直振动。其中振荡与垂直振动可合称为定向振动，或称双轴振动。 2.1 外振式振动压路机 外振式振动压路机有上下两层机架，两机架之间由压缩减振器相连接，激振器安装在下机架上。当振动轴带动偏心块高速旋转时，压路机的下机架连同安装在下机架上的压轮一起振动。这种振动压路机的激振器结构简单，便于维修保养，所以在很多手扶振动压路机上得到了应用。 图 2-1 外振式振动压路机 2.2 内振式振 动压路机 目前，绝大多数的振动压路机都采用内振式单轴振动结构。内振式振动压路机的激振器安装在振动轮内，并与振动轮的回转轴在同一轴线上。当振动压路机工作时，振动马达驱动振动轴高速旋转，振动轴上的偏心振子即产生离心力，振动轮就是在这个离心力的作用下产生圆周运动。 内振式振动压路机结构紧凑，技术成熟，操作使用安全，因此获得了广泛应用。 2.3 单轮振动压路机 单轮振动压路机只有一个振动轮，另一个车轮不振动而仅起驱动或导向作用，如 CA25 轮胎驱动振动压路机即 YZC5 型串联振动压路机。 nts 共 50 页 第 6 页 单轮振 动压路机的结构相对简单，大吨位的轮胎驱动单轮振动压路机用于基础压实，驱动能力大，横向性能好。小型的串联式单轮振动压路机用于小型压实工程或路面维修作业。 2.4 双轮振动压路机 双钢轮串联式振动压路机的结构相对复杂些，两个振动轮上都需要减振，也都需要驱动，如 CC21 振动压路机。但双轮振动压路机的压实能力强，作业效率高，与同吨位的单轮振动压路机相比，双轮振动压路机压实土壤时的生产率可提高 80%，压实沥青混凝土时的生产率可提高 50%。 2.5 摆振式振动压路机 摆振式振动压路机也有两个振动轮，两个振动轮上 激振器的偏心块具有0180 的相位差。它们工作时由一根齿形带驱动，这就能保持其旋转方向相同而相位差不变化。两个激振器产生的离心力总是相反的，导致了压路机的两个振动轮总是一个跳起而另一个触地，使得整个压路机在工作时除具有振动特性之外，还呈现前后摆动的特点 . 图 2-2 摆振式振动压路机 2.6 定向式振动压路机 通常意义上的振动压路机是无定向振动的，无定向振动压路机使用的是单轴激振器，其激振力是沿振动轮圆周变化的。在同一个振动 轮上属于两个激振器作不同的配置，可以使地面接收到理论上属于纯粹水平或纯粹垂直的振动力，这就是所谓的“定向振动”。 nts 共 50 页 第 7 页 2.7 本设计方案 本设计为内振式双振幅无定向式振动压路机。可 机械行走 、 双振幅，具有可靠的性能 ， 较大的工作质量和强大的激振力，因而是高质量、高效能、机械化施工中的 优良 压实设备。 nts 共 50 页 第 8 页 第三章 变频变幅振动论的压实原理 3.1 振动压实机理 振动压实用快速、连续地反复冲击土的方式工作。压力波从土的表面向深处传播，土颗粒处于振动状态，颗粒间的摩擦力实际上被消除，在这种状态下，小的土颗粒填充到大 的土颗粒的孔隙中，土处于容积尽量小的状态。 不同时产生压力的振动，能在一些情况下获得好的压实效果。如混凝土或完全水饱和砂，由于振动消除了内摩擦力，因受重力影响，这些材料被固紧密实。有必要用带有压力和剪切力的振动去克服土颗粒间的粘结力和内聚力，因为这些力阻碍土的压实。在土中，毛细管把土颗粒连接在一起，并形成表面内聚力，内聚力随土颗粒尺寸 的减小而增大。在粘土中，由于粘土颗粒之间分子力的作用，也形成内聚力。 土的振动压实，必须具备下列条件才能得到理想的压实效果。 1） 土颗粒处于运动状态，内摩擦力被消除； 2） 在土中产生 应力和内聚力。 关于土的振动压实的三种学说： （ 1）土的共振学说。根据物理学原理，如果被压实土的固有频率和激振机构振动频率相一致，则振动压实能得到最好的结果。但在各种土及一种土的是挤压式过程中，土的固有频率是变化的，因此激振机构的频率就必须有一个较大的调节范围。 （ 2） 重复冲击学说。利用振动在土上所产生的周期性的压缩运动作用，使土压实，为此就需要增大机械在与土接触前一瞬间的动量，这就需要使机械具有大振幅和增大振动部分的质量。 （ 3）内摩擦减少学说。土的内摩擦因振动作用而急剧减小，使剪切强度下降到只要很小的符 合就能很容易进行压实，为此，就需要使压轮在振动过程中始终保持着和土的接触，即土的振动频率、振幅与压轮的频率、振幅相同，就能得到最好的压实效果，在这种情况下，振动压轮传递给土的纯粹是振动能量，为了使压轮达到这样一种工作状态，就必须使振幅很小使它不脱离地面。 振动压路机在进行压实作业时，由于振动轮的振动使其对地面作用一个往复的冲击力。振动轮每对地面冲击一次，被压实的材料中就产生一个冲击波。同时，这个冲击波在被压实的材料内，沿着纵深方向扩散和传播。随着振动轮不断振动，冲击波也将不断产生和持续扩散（见图 3.1）。被 压实材料的颗粒在冲击波的作用下，由静止的初始状态变为运动状态。被压实材料颗粒之间的摩擦力，也由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态。同时，由于材料中水分nts 共 50 页 第 9 页 的离析作用，使材料颗粒的外层，包围了一层水膜，形成了颗粒运动的润滑剂。颗粒间的摩擦阻力将大为下降，这为颗粒的运动创造了十分有利的条件。被压实材料的颗粒在冲击波的作用下产生了运动，造成了颗粒间的初始位置的变化，并且由此产生了相互填充间隙的现象（见图 3.2）。颗粒之间存在许多大小不等的间隙。在振动压实之后，由于颗粒之间的相对位置发生了变化，出现了相互填充的现象， 颗粒间的间隙减少了。较大颗粒之间形成的间隙由较小的颗粒所填充，被压是材料的压实度提高了。同时，颗粒之间的紧密接触也增大了被压实材料的内摩擦阻力，使基础的承载能力也随之提高了。 图 3.1 振动冲击波在土中的传递 图 3.2 压实前、压实后被压实材料颗粒排列状态 a)压实前 b)压实后 由于被压实材料其颗粒之间存在着粘聚力和吸附力等阻碍颗粒运动的力。所以，要达到压实目的，必须克服阻碍颗粒运动的力。振动压路机是通过合理地选择一组振动与工作参数，来降低被压实材料的内部阻力，来实现用较少的能量消耗来获得较高的压实效果。 如果以 E表示土的压实度， E与振动压路机的振动参数和工作参数有以下的函数关 系： nts 共 50 页 第 10 页 12L AE f P f v （ 3.1） 式中，LP 振动压路机振动轮的线载荷， N/cm； A 振动压路机工作振幅， mm； 振动压路机工作频率（角频率）； v 振动压路机的工作速度， m/s。 为了克服土颗粒之间的粘聚力和吸附力，振动压路机必须有足够大的线载荷LP和振幅 A 。线载荷越大，作用在被压实的土表面上的正压力也越大，从而越容易破坏土颗粒之间的粘聚力和吸附力形成的抗剪切强度。振动轮振幅越大，土颗粒运动的位移越大，也就越容易破坏土的颗粒之间的粘聚力，土容易被压实。 振动压路机的工作频率是影响土颗粒运动状态的重要参数。当工作频率 靠近“压 路机 土”的振动系统的二阶固有平率时，土的颗粒运动加速度增高，其内摩擦阻力急剧下降，土的颗粒之间的相互填充作用加强。此时，土仿佛处于流动状态。这种内摩擦阻力急剧下降，仿佛处于流动状态的土的状态称为“土的液化”现象。 土处于“液化”状态时，有些物料，例如纯干性水泥、干砂和水饱和砂等其内部摩擦阻力几乎为零。因此，这些物料在“液化”状态下仅需要振动可以达到完全密实的效果。 瑞典 Dynapac 公司测试了不同物料在不同物理状态下的振动与非振动时的摩擦阻力矩。从中可知，对于粘聚性很小的物料，如干性水泥、干砂和 水饱和砂等在振动状态下内摩擦阻力几乎等于零。因此，对于这些材料，只要满足一定的振动加速度要求，就完全可以通过振动达到自行密实的效果。对于粘性较大的土，在振动状态下，内摩擦阻力虽也有十分明显的下降，但仅仅通过振动是不足以使这种物料达到密实的。为了使其密实，还必须施加一定的正压力。同时，还要有足够大的振幅，以克服土的抗剪切强度和土的颗粒之间的粘聚力和吸附力。这说明，两台振动参数相同的振动压路机，振动轮的线载荷越大，压实效果越好。 3.2 变频变幅振动压实的优势 在实际应用中，因被压实层的土的性质不同，粒径不 同。初始密实状态不同，其弹性也不同，因此，对振动频率和振幅大小的要求也不尽相同。根据实验得到的粘聚力不大、颗粒间能有相对运动的土的压实效果与振动频率和振幅之间的关系曲线，如图 3.3 所示。 nts 共 50 页 第 11 页 图 3.3 振动频率和振幅与压实效果的关系 由图 3.3 可以看出： 1.振动频率为 25 35Hz 的压实效果最好； 2.在整个频率从范围内，增大振幅可明显增加压实效果； 3.振动频率过高反而会降低压实效果。其原因是振动轮在过大的振动强度作用下脱离了地面，使表层受到严重不规则的冲击和过度碾压。 振幅为振动压路机振动轮上下移动的 量。振幅越大，使被压土或材料参加振动的质量越多，从而增加压实影响深度或压实厚度。这里需要注意的是，如果要求的压实深度不大，就无需使用大振幅的压实。因为过高的压实能量不仅不会被压层的土或材料吸收，反而会使已压实的薄层产生松散现象。对于较厚的碾压层来说，虽然其上层已经压实到一定程度，在继续碾压过程中，未达到完全压实以前，其上层仍会产生再松散现象。为了避免这种现象发生，对于厚碾压层，开始时振幅要大，之后随压实度增加应逐渐减小振幅。 nts 共 50 页 第 12 页 第四章 振动轮总成设计思路 振动轮总体设计结构如图所 示，通过振动马达的正反转来实现振动轴的正反转，而振动轴在振动轴承两端分别装有两组偏心块，每组偏心块由活动偏心块和固定偏心块组成，固定偏心块紧固在振动轴上，振动轴的正反转带动活动偏心块也正反转，从而产生偏心距，激振力也因此产生。 图 4.1 本次设计振动轮结构示意图 1.滚筒 2.固定偏心块 3.振动轴 4,5.垫圈 6轴承座端盖 7联轴器 8支承矩形钢 9振动马达 10 螺栓 11.橡胶减震块 12.振动马达固定法兰 13,14 螺栓 15.滚筒 nts 共 50 页 第 13 页 第五章 变频变幅振动轮的总体设计及计算 5.1 振动轮振动参数的讨论及确定 振动压路机的振动轮的振动参数主要是振幅和频率，还有一些派生振动参数，如振动加速度、激振力等，这些派生参数都可以用振幅和频率导出。另外就是振动功率，它是计算振动压路机振动轮功率消耗所必需的。振动功率不仅与振动参数有关，而且还与压实工况有着密切的关系。 5.1.1 振动频率 压路机振动轮在激振里的作用下产生受迫振动，其振动频率 f（ Hz）、角频率 (rad/s)和振动周期 T(s)分别按以下公式计算 60nf （ 5.1） = 2 f = 30n （ 5.2） T = 1f= 2（ 5.3） 式中 n 激振器转速， r/min。 由以上公式可知，想要改变振动频率 f只要改变激振器的转速 n 即可。由本设计的任务书可得，振动频率的变化范围要求为 25-30Hz,可导出激振器转速的变化范围应为 1500 1800r/min。在本设计中，振动轮的变频振动就是通过轴的转速的变化而实现的。 通常情况，振动压路机工作频率的取值范围如下，作为参考数据： 压实路基 25 30Hz 压实次基层 25 40Hz 压实路面 30 50Hz 5.1.2 工作振幅和名义振幅 振动压路机在振动压实作业时，振动轮 的实际振幅称为振动压路机的工作振幅，用 A 来表示，振动压路机的工作振幅受土壤刚度的影响。由于土壤铺层的刚度是一个随机值，所以振动压路机的工作振幅也是一个随机参数。因此，我们设计时，研究的是“名义振幅”，即是把振动压路机用支撑物加起来，振动轮悬空时测得的振幅，也称为“空载振幅”，用 A0表示。名义振幅的大小只nts 共 50 页 第 14 页 与振动论本身的参振质量及激振器的静偏心距有关，而不受外部工况条件的约束。名义振幅也称“理论振幅”。 振动压路机的名义振幅的计算公式如下： A0 = edMm(5.4) 式中， eM 激振器的静偏心距； dm 下车质量（振动轮质量）。 本设计中，振动轮质量为 11.1t。 根据振动轮的名义振幅的定义可得，当振动压路机振动质量dm确定之后，要改变名义振幅的唯一途径就是改变激振器的静偏心距eM，静偏心距eM是偏心质量0m与偏心距0r的乘积。 通常情况，振动压路机名义振幅的取值范围如下，作为参考数据： 压实路基 1.4 2.0mm 压实次基层 0.8 2.0mm 压实路面 0.4 0.8mm 本设计中，振动压路机振动轮的上车振幅和下车振幅分别为 1.7mm和 0.9mm。 5.1.3 振动加速度 名义振幅和振动频率选定后，校核振动轮的振动加速度 a 。 209800Aa (5.5) 式中， 0A 名义振幅， mm； 振动角频率， Hz。 振动轮加速度的校核范围： 压实路面 4 7g 压实基础 5 10g 由于本设计中，名义振幅上车和下车分别为 1.7mm和 0.9mm,而振动频率都不是某个具体值，而分别是一个范围，下车频率的最大值为 26，于是此时，先用范围的 最大值进行初步校核。 209800Aa 9800 2614.327.12 4.6 计算后，发现振动加速度属于压实路面范围。在实际的压实作业中，当振动压路机的振幅达到最大值时，若其工作频率也处在最大值，则振动压路机的nts 共 50 页 第 15 页 振动情况必然过于剧烈，导致压实效果并不良好。在实际应用中，两者同时处于最大值的概率是极小的。另一方面，在 掌握了压实原理之后可知，通常，振动压路机在压实粘性材料、混合土等或者压实基础时，采用的是低频高幅的工作状态；在压实砂土或路面浅层压实时，采用的是高频低幅的工作状态。 因此，推出这样一个结论，即压实路面时，频率会达到其最大值，而振幅需要控制在某个范围以内；压实基础时，振幅会达到其最大值，而工作频率需要控制在某个范围以内。此处，在整机需要有一个控制系统来实现分别对振幅和工作频率的控制，它并不在振动轮中，因此本设计中不含这一部分的设计。 现分别计算两种情况时的两组可能出现的最大值： 压实路面： a 的范围为 4 7g 由公式 5.5，导出 0 29800aA 带入频率最大值，及 a 的最大值，又由 2 f ， 得出 6.22614.32 79 8 0 09 8 0 0 220 w aA即，当频率处在最大值时，振幅应控制在 2.6mm 以下。这组频率和振幅的数值即为： f =26Hz 0A=2.6mm 压实路基： a 的范围为 5 10g 由公式 5.5，导出 09800aA 带入振幅最大值，及 a 的最大值，又由 2 f ，得出 1847.110980098000 A aw 2914.32 1 8 414.32 wf 即，当振幅处在最大值时，频率应控制在 29Hz 以下。这组频率和振幅的数值即为： f =29Hz 0A =1.7mm nts 共 50 页 第 16 页 综上，以上两组频率和振幅的数值就是本设计中可能出现的振动最强烈的两个时刻，故在以下的校核计算中，只要分别用这两组数据校核即可。 f =26Hz 0A=2.6mm 和 f =29Hz 0A=1.7mm 5.1.4 振动压路机工作速度和压实遍数 振动压路机的工作速度是指振动压路机在进行压实作业时的行走速度。与静作用压路机相比，振动压路机的工作速度对压实效果的影响特别明显。因为，在振动压实过程中，土的颗粒由静止的初始状态变化为运动状态要有一个过渡过程。过渡过程持续的时间长短与土的颗粒之间的粘聚力、吸附力的 大小有关 ;也与振动压路机的振动轮的线载荷有关。线载荷越大，过渡过程所需要的时间就越短。研究表明，为了克服土颗粒之间的粘聚力、吸附力，对于一般的亚粘土应至少三次有效的强迫振动，才足以使土颗粒处于振动状态。 在铺层厚度一定时，传递至被压材料的能量与碾压遍数成正比，与碾压速度成反比。当压路机的速度增加，碾压遍数也要相应增加。随着碾压速度的提高，振动撞击的次数减少，要获得相同的压实效果，势必增加压实遍数。如果碾压速度与遍数不匹配，就达不到设计的密实度。需选择合适的碾压速度，碾压速度一般选用 3km/h 6km/h，高 频并不意味着可以提高碾压速度，碾压速度还应该保持在 3km/h 6km/h。有研究数据表示，如果把碾压速度提高到 5km/h7km/h，达到同样要求密实度的碾压遍数要增加 50%。 5.1.5 激振力 振动压路机振动轮的激振力： 20 eFM (5.6) 激振力越大，压路机作用于土壤的压实力就越大，压路机的总压实力由振动轮的激振力和轮轴分配的静轴荷之和构成。激振力的增大与振幅和振动频率的平方成正比。在一定范围内振动频率的增加 对压实效果的影响是有限的，因此激振力越大，并不意味着压实效果越好。激振力只能用于对静重和频率相等的各压路机之间进行直接对比。 nts 共 50 页 第 17 页 5.1.6 振动轮的振动功率 振动压路机的振动功率是指振动压路机的下车（振动轮）产生的振动并克服土的阻尼所消耗的功率。 查找相关资料可知，振动功率的计算目前尚没有一种较为完善的计算方法。瑞典戴纳帕克公司根据本公司产品的特点，即以 CA 系列和 CC 系列为主的两大系列产品，绘制了每一系列产品振动功率及整机功率曲线，在系列内需开发新产品时，所需功率在曲线上寻查；德国劳森浩森公司有其自己的振动 功率计算方法，这套计算方法也有其优缺点，但经实践证明基本是可行的。 两种常见的振动压路机振动功率的计算方法如下：第一种为经验公式，第二种为理论计算方法。前者计算净度较低，但简便易算，在初步设计中进行估算是很有实用价值的；第二种方法计算精度略高，但人们对这个公式的理论依据上有不同看法，特别是这种算法可能出现功率负值，其解释也不尽人意。 对比以上两种计算方法的优势和劣势，本设计选用第一种方法进行初步计算。 振动功率的经验计算公式： 0dP m A n (5.7) 式中， P 振动系统消耗功率， W； dm 振动质量（振动压路机下车质量或振动轮质量）， Kg； 0A 名义振幅， mm； n 振动轮数量； 频率修正系数，见表 5.1。 表 5.1 振 动功率的频率修正系数 频率（ Hz） 2530 3135 3640 4145 4650 5.5 6.5 7 7.5 8 本设计中，振动振幅和频率都是一个范围，而不是一个具体值。计算功率时用 5.1.3 中计算的两组最大值来计算出功率的最大值。 两组最大值即： f =26Hz 0A =2.6mm 和 f =29Hz 0A =1.7mm nts 共 50 页 第 18 页 第一组： 当 f =26 时，代入进行计算得： nAmPA 0=158730W 第二组： nAmPA 0=103785W 取两者中较大一个为本设计中 振动轮的振动频率的功率最大值，即P =15.8KW。 5.2 振动轮主要工作参数的设计计算 振动压路机振动轮的主要工作参数是工作质量、外形尺寸等。 5.2.1 压路机的工作质量及其分配 工作质量是振动压路机的主要参数，它是按规定加入油、水、压重物、随机工具，并包括一名司机在内的振动压路机的总质量。振动压路机工作质量的大小直接影响了压实质量和工作效率。 当其他条件不变时，减小振动轮质量，有利于提高振动轮振幅和振动轮对地面的作用力。但在相同振幅条件下，振动轮 质量越大，对地面的冲击能量也就越大，压实效果就越好。两者兼顾，才能解决这一矛盾。 振动压路机机架与振动轮质量比通常应在以下这个范围之内： m1/m2=13.9/11.1=1.25=0.81.8 式中， 1m 机架质量； 2m 振动轮质量 。 经验表明，振动压路机机架 (上车质量 13.9 吨）与振动轮质量（下车质量11.1 吨）比近似于 1 时，可以兼顾振动压路机对地面的作用力和振动 压路机对地面的冲击能量。这时，振动压路机具有较好的压实效果。 5.2.2 振动轮的直径和宽度 当振动压路机振动轮的分配质量（振动质量和振动压路机上车作用在振动论上的部分质量之和）保持一定时，振动轮越宽，其线载荷越低，压实影响深度越小。反之，振动轮的宽度越窄，压实影响深度越大。 当振动轮分配质量相同时，振动轮的宽度不可取得过小，同样，振动轮的直径也不可缺的过小。如振动轮直径过小，进行压实作业时，振动轮前方就会出现“波纹”。如轮宽过窄，在压实路面时，会使路面产生裂纹。不仅取值不能nts 共 50 页 第 19 页 过小，也不能过高，要避免整机的 重心过高。下面有两种算法，其中用算法二将算法一中的设计数据进行校核。 （ 1）算法一： 线载荷的表达式如下： Gq b (5.8) 式中， G 振动轮的分配载荷， N； b 振动轮宽度， cm。 由于本设计的研究对象为单个振动轮，没办法精确计算出振动轮轮的分配载荷的数值，因此，在本设计中将振动轮的重量带入计算，但不表示两者意义等同。 由此，导出振动轮的宽度表达式： Gb q 由于本设计中，振动轮的质量为 11.1t，其重量约为 111000N。 表 5.2 振动压路机产品目录（部分） 型号 工作质量（ t） 静线压力 (N/cm) 振动轮尺寸 直径宽度 （ mm） 振动频率 （ Hz） 激振力 (kN) 振幅 (mm) YZ12 12 263 1530 2130 30 110 220 0.8 1.6 YZ14A 14 320 1500 2150 30 285 1.6 YZJ12 12 258 1530 2130 27 245 1.7 DF-YZ14 14 1500 2150 32 270 1.6 为了使本设计符合实际，参考上表，合理设计振动轮的直径和宽度。设计任务书中要求静线载荷 760-1050N/cm，借鉴实际产品的参数，选取静线载荷为925N/cm。带入振动轮宽度表达式： 120925111000 qGb 其中 ， b的单位为 cm。按照设计要求，振动轮的宽度为振动轮直径的 1,1-1.8倍，将轮的直径设计为 70cm。 nts 共 50 页 第 20 页 5.3 振动轮激振机构 5.3.1 几种激振形式压路机力学特性和压实特性 1.外振式振动压路机 外振式振动压路机有上、下两层机架，两机架之间由减振器相连接，激振器安装在下机架上。当振动轴带动偏心块高速旋转时，压路机的下机架连同安装在下机架上的压轮 起振动。 2内振式振动压路机。 大多数的振动压路机 (如 YZl0 型振动压路机 )都采用内振式单轴振动结构。内振式激振器安装在振动 轮内，并与振动轮的回转轴同一轴线。振动油马达驱动振动轴高速旋 转。 内振式振动压路机的激振机构由激振器、振动轴承和振动室组成。现有的振动压路机激振器都是用偏心质量块旋转而产生离心力的原理制成的，即所谓的惯性激振器。激振器的振动轴支撑在两个特制的振动轴承上。振动室用于支撑激振器的惯性力，并且盛装一定的冷却润滑油。 内振式振动压路机结构紧凑，技术成熟，操作使用安全，因此获得了广泛应用。 3单轮振动压路机 单轮振动压路机只有一个振动轮，另一个车轮不振动而仅起驱动或导向作用。单轮振动压路机的 结构相对简单，大吨位的轮胎驱动单轮振动压路机用于基础压实，驱动能力大，横向稳定性好。小型串联式单轮振动压路机用于小型压实或路面维修作业。 4双轮振动压路机 双钢轮串联振动压路机的结构相对复杂些，两个振动轮上都需要减振。但双轮振动压路机的压实能力强，作业效率高，与同样吨位的单轮振动压路机相比，双轮振动压路机 压实 土壤时的生产率可提高 80，压实沥青混凝土时的生产 率 可提高 50。 5摆振式振动压路机 摆振式振动压路机也有两个振动轮，两个振动轮上激振器的偏心块具有 180度的相位差 ，它们工作时由一根齿形带驱动，这就能保持其旋转方向相同而相位差不变化。两个激振 器 产生的离心力总是相反的，导致了压路机的两个振动轮总是一个跳起而另一个触地使压路机在工作时除具有振动特性之外，还呈现前后摆动的特点。由于摆振式振动压路机总是有 个振动轮接触地面，它可以nts 共 50 页 第 21 页 在相同轮重的情况下得到较大的线载荷和冲击能量。 6 定向式振动压路机 通常意义上的振动压路机是无定向振动的。无定向振动压路机使用的是单轴激振器，其激振力是沿振动轮圆周变化的。在同一个振动轮上使用两个激振器作不同的配置，可以使地面接受到理论上属 于纯粹水平或纯粹垂振的振动力，这就是所谓的 “ 定向振动 ” 。前者称之为振荡式振动压路机，后者称之为垂振式振动压路机，这两种定向振动压路机在某些工况条件下显示了其优越性。 5.3.2 振动机械激振器的分类及作用原理 目前振动压力机上都采用旋转惯性激振器。单轴激振器旋转产生的离心力使振动轮作圆周运动，这样使被压实的土颗粒不仅产生垂直位移，而且也有水平位移，从而产生一定的揉搓力，使压实的效果比较好。这种激振器的结构设计比较简单，振动频率的调节可用油马达的变速完成，其安装和调节控制都很方便。但振幅的调节仍有多种不同的 方案，于是会有各种不同激振器结构形式。 1. 单幅激振器 单幅惯性激振器是一根旋转的偏心轴，或在振动轴上装一块偏心质量块，如图 4.1 所示，这种激振器只能产生
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