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手扶振动压路机的设计【说明书+CAD】,手扶,振动,压路机,设计,说明书,CAD
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手扶压路机毕业设计 作 者: XX 指导老师：XXX 2014年5月8日手扶压路机设计的压实机理研究作者：XXX 指导老师：XXX（长安大学 交通建设与装备 学号：2506080108 陕西 西安）摘要：压力原理上，探讨了土中含水量，压路机的震动压实功能与土的级配组成对压实效果的影响。且进一步对振动压实原理做研究，振动压实类型及振动压路机的力学模型进行了研究。分析了振动对压实材料剪应力、抗剪强度的影响，结合各个因素来考虑设计手扶压路机结构，简要提出了对振动压路机参数的选择和提高压实效率的途径。关键词：手扶压路机 振动压路机 Abstract: On the analysis of soil properties and and soil compaction performance, discusses on the basis of the soil moisture content, roller compaction function and soil graded composition on compaction effect. And further, the vibration compaction mechanism of vibration compaction type and mechanics model of vibratory rollers are studied. Analysis of the vibration compaction material shear stress, shear strength with the influence of the structure of vibratory roller, analyzed its mechanical properties, briefly proposed to the vibratory rollers parameter selection and improve the efficiency of the way compaction. 目录第一章 概述11.1 选题目的与意义11.2 设计题目及参数要求1第二章 压路机工作参数的确定32.1 主机结构方案拟定32.2 基本参数确定计算32.2.1 工作重量m32.2.2 前后轮分配重32.2.3 重心位置的确定32.2.4 压轮直径42.2.5 压轮宽度42.2.6 前后轮静线载荷4第三章：振动压实机理73.1土的抗剪强度及特点73.2振动对土的剪切应力和抗剪强度的影响7第四章：振动压路机结构94.1振动压实理论的几种学说94.2振动压路机的形式94.3振动压路机的振动轮结构104.4二自由度振动压路机一土壤系统动力学模型104.5振动压路机参数选择简介11第五章 油箱的设计295.1 油箱容量的确定295.2 油箱尺寸的确定295.3 油箱的散热验算295.3.1 系统发热量计算295.3.2 液压系统的散热功率计算305.4 油箱附件的选择与结构设计315.5 油液的选择32致谢第一章 概述1.1 选题目的与意义手扶振动式压路机是一种用于路面养护和小型路面工程施工的压实机械。适用于城乡道路、停车场、沥青路面的修补及市政等小型工程的压实作业。优点是体积小重量轻，使得驾驶、作业灵活机动，更易于在狭窄空间施工。小型手扶振动压路机采用行走、振动和手扶转向系统。手扶传动技术的应用不仅大大减轻了操作人员的工作强度，而且使整机的性能有了很大提高。如果泵和电机容量大、体积小、效率高、电的综合效果，使操作过程和控制系统的振动，以达到一个高水平的automatizacion，发动机很容易实现积极的道路的振动和压力辊装置振动，可以获得不同的振幅，控制电机的转速，可获得不同频率的加速度；扭转和更加强劲。目前，国外绝大多数均属此结构性能，而国内大多数机属单轮驱动，单轮振动，机械传动。国际上著名的压路机制造商像西德BOMAG公司生产的BWl 00AD(2吨)，BWl20AD(2.5吨)，BWl30AD(3.5吨)双锻轮振动压路机年产量及销售量都在3000台以上：瑞典的DYNAPAC公司的CCl02(2.3吨)，CCl 22(2.6吨)，CCl 42(3.9吨)双钢轮振动压路机年产量及销售量也在l 000台以上。说明国外在高速公路网形成以后主要以路面维修为主，因此，大力开发研制小型振动式压路机是公路发展的必要。1.2 设计题目及参数要求技术项目手扶压路机动力配置GX160汽油机/3.1KW激振力10KN振动频率4600/min行走速度0-27米/分钟压实宽度560mm水箱容量30L自重180kg长X宽X高1200X650X1020 mm滚轮尺寸400X560爬坡能力301.3 系统配置振动压路机应有如下三个功能：(1)振动压实功能 通过机械偏心振动方式，强迫滚轮产生振动来压实土壤。(2)行驶功能 压路机完成在振动压实过程中的行驶（前进和后退）以及非振动压实工作状态下的快速行驶。(3)转向功能 实现压路机的左右转向功能。由于振动式压路机的各个功能是独立的，所以与各功能适应的三个系统均是独立配置系统。各系统由独立的动力元件、控制阀和执行元件构成。分别为行驶系统、振动系统和转向系统。第二章 压路机工作参数的确定2.1 主机结构方案拟定 目前，国内大多数小吨位双钢轮同类机型的振动压路机，多为单轮振动单轮驱动，并且多为整体框架式。本次设计采用单钢轮驱动，单钢轮振动，前轮为振动轮。转向采用铰接转向：转弯半径小，灵活方便，在狭窄地域能灵活应用，在压实弯道时可提高路面的压实均匀度。2.2 基本参数确定计算2.2.1 工作重量m 压路机工作重量为2.2.2 前后轮分配重根据压路机的工作重量，给前轮分配重，后轮分配重。根据【3】前后轮分配推荐范围20合乎要求。2.2.3 重心位置的确定前后轮中心轴距离取c=。设重心水平位置为O，前后轮重心分配距如图1所示。图1 重心O前后分配距求解简图 2.2.4 压轮直径前轮直径为500 ，后轮直径为1002.2.5 压轮宽度压轮的宽度通常参考直径取之。根据【2】式2-1-6，压轮宽度为式中：宽度系数，光轮振动压路机取=1.41.65。压轮的宽度为6682.2.6 前后轮静线载荷前轮静线载荷 后轮静线载荷 2.3 行走速度压路机的工作速度应考虑到作业工况的碾压速度和运输工况的行使速度。压路机的碾压速度是根据滚动压实工艺规范选定的。碾压速度对土壤的压实效果有显著的影响。在铺层厚度一定时，压路机传递给填方内的能量与碾压变数和碾压速度之比值成正比。较低的碾压速度能使铺层材料在压实力的作用下有足够的时间产生不可逆变形，及更好的改变被压实材料的结构。然而压实速度还与生产率有密切的关系。所以碾压速度应存在一个最佳值，这个最佳值就是在不降低压实质量的前提下，选择尽可能高的碾压速度，以保证压路机有较高的效率。与静作用压实相比，振动压路机的碾压速度对压实效果的影响更加明显。因为在振动压实时，土壤颗粒由静止的初始状态变化为运动状态要有一个过程。这个过程持续时间的长短与土壤力之间的粘聚力、吸附力的大小有关，也与振动压路机的静线载荷有关。试验表明，为了克服土壤颗粒之间的粘聚力和吸附力，对一般的亚粘土应至少三次有效的强迫振动，才足以使这些土壤颗粒处于振动状态。而振动压路机的线载荷越大，颗粒从静止到运动的转换时间越短。经验表明，在一个振动周期内振动轮行走的距离在3cm左右，就可以土壤颗粒之间的粘聚力和吸附力，使之由静止进入到运动状态。由此可以导出振动碾压速度cm/s。 由于压路机的振动频率为 Hz，可得其碾压速度应为考虑到静线载荷大小的影响，推荐5t以上的振动压路机碾压速度取36km/h，35t振动压路机碾压速度取34km/h，2t以下振动压路机碾压速度应低于3km/h。因此，振动压路机的最高碾压速度取3km/h。压路机运输工况的行驶速度，应考虑行驶稳定性和机器颠簸的程度选定。对于由刚性车轮驱动的压路机，最高行驶速度推荐为810km/h。此处取最高行驶速度为8km/h。第三章：振动压实机理3.1土的抗剪强度及特点实际上，土在压实过程中，无论是静碾压实还是振动压实，只有当土中产生的剪应力大于土的抗剪强度才能使土颗粒重新排列，土体压实变密。所以只要清楚了振动对土剪应力和抗剪强度的影响，也就清楚了振动压实机理。由土力学的知识可知，土的抗剪强度与法向应力的关系可由库仑定律表示为: 4式中：土的抗剪强度；作用在剪切面上的法相应力； 土的强度指标，内摩擦角； 土的强度指标，黏聚力。如前所述，一般大致可把土分为粘性土和非粘性土两大类，不同类型的土抗剪强度不同。一般情况下，土的抗剪强度为常数。土体的破坏不是土中颗粒本身的破坏，而是颗粒间联结的破坏。联结强度与作用在剪切面上的法向应力有关。土的密实度、颗粒形状大小以及颗粒的级配都将通过影响内摩擦角而影响土的抗剪强度。含水率对砂性土的抗剪强度影响小，对黏性土的影响大。含水率过高或者过低都会使土的黏聚力降低。这是因为对于砂性土，土的黏聚力c0.振动机与减速器3.2振动对土的剪切应力和抗剪强度的影响实验表明，土的抗剪强度与土的级配粒径，土的含水量，振动的振幅、频率、振动加速度有关。振动使土的内摩擦力迅速降低，使土的颗粒处于运动状态，在运动状态下，颗粒能够找到在土体中尽可能低的位置，使土壤更加密实。当振动频率等于土壤固有频率时，产生共振，土壤颗粒运动加剧，压实效果更好。3.2.1振动对土的剪应力的影响如下图15是在土层下200一处静、动压力测试结果，土承受的压力P为静压力Pj与动压力Pd之和，即：PPjPd 土体压力p的最大值Pmax和最小值Pmin为Pmax=Pj+kPdmax; Pmin=Pj-kPdmax（k为比例系数）。显然振动压实过程中土体承受的最大压力Pma大于静碾压实过程中土体承受的压力Pj：PmaxPj，即振动压实过程中土体承受的最大剪切应力max 大于静碾压实过程中土体承受的剪切应力f，压实效果提高。可见振动压实对土体中剪切应力的影响与被压实土的种类无关。3.2.2振动对抗剪强度的影响振动压实对土体中剪切应力的影响与被压实土的种类无关，但是对土体抗剪强度的影响却与土的种类有着密切的联系。粘土结构为聚粒结构或絮凝结构，粘土颗粒细小，颗粒的矿物成分、颗粒的结构型式以及土一水系统的相互作用和胶结物质的存在，形成了复杂的物理化学现象。它在压实过程中形成的剪阻力主要是凝聚力C，摩擦角中比砂上摩擦角小得多，可以忽略不计。砂土的结构是单粒结构，它的粘聚力很小或非常微弱，它在压实过程中形成的剪阻力主要是土粒间摩擦力，粒问摩擦力是由颗粒的滑动摩擦、咬合摩擦、颗粒破碎效应和重新排列效应所组成。振动压实过程中砂土的剪阻力主要是由颗粒间的滑动摩擦所引起。综上所述，振动可以显著减小滑动摩擦。由于滑动摩擦对不同材料抗剪强度所起的作用不同，所以振动对不同材料抗剪强度的影响也不同。振动可以显著减小无粘性土的抗剪强度，但对粘性土抗剪强度的影响可以忽略不计。所以，振动压实对于无粘性土的效果更加显著。第四章：振动压路机结构4.1振动压实理论的几种学说目前关于振动压路机压实机理的研究已经取得了一定的进展，工程技术界提出了几种有关振动压实机理的学说:土的共振学说、反复载荷学说、内摩擦减小学说、交变剪应变学说等。这些观点虽然各自可以解释某一类振动压实现象，但不能全面解释各种振动压实现象。无论是那一种学说，目的都是使压实材料在振动作用下空隙减小，压实度增加，导致颗粒间接触面积增加，内摩擦力增大，从而使强度怎大，承载能力提高。4.2振动压路机的形式根据振动器安装形式的差异，振动压路机有如下几种形式：（见附录一）（1）定向振动压路机：具有两个在垂直平面上对称布置的振动器。两个振动器的偏心块转速相等但是转向相反。当振动轴带动偏心块高速运转时，两个偏心块产生的水平分量相互抵消，垂直分量相互叠加，从而形成了垂直方向的干扰力。因这种压路机在实际作业中没有突出的优越性，所以很少采用。（2）摆动式振动压路机：在工作中呈摆动状态。两个振动器有180的相位差。工作时，两个振动器的振动方向相同，保证相位差不变。因此，摆动式压路机总是保持一个振动轮跳离地面，使整机在工作时除具有振动特性外，还具有前后摆动的特点。（3）外振式振动压路机：具有两层机架，即上机架和下机架。上下机架间由减震器连接。振动器安装在下机架上。当振动轴带动偏心块高速运转时，下机架连同安装在下机架上的振动轮一起振动。这种振动机结构简单，便于维修。（4）内振式振动压路机：这种振动压路机的振动器安装在振动轴上，而振动轴又是振动轮的回转轴。当振动压路机工作时，振动轴带动偏心块高速旋转而产生离心力，振动轮在这个离心力的作用下产生圆周振动。这种振动压路机结构简单，操作安全，因此，绝大多数的振动压路机采用这种形式。4.3振动压路机的振动轮结构图4-1 振动轮结构示意图振动压路机是利用振动轴离心力使振动轮产生振动。6其结构示意图见图4-1。工作时，振动轴上的偏心块高速旋转，从而产生强大的离心力，在动轮在与地面接触时，给予地面很大的反复冲击，从而使土壤产生振动，达到了对土壤压实的目的。4.4二自由度振动压路机一土壤系统动力学模型T.5.YO。和E.T.Seling7于20世纪70年代针对振动压路机的振动系统提出了二自由度、线性、集中参数、弹簧一阻尼系统所描述的土壤-压路机系统动力学模型。模型简图见图4一2。其动力学方程为:图4-2 模型简图机一土壤系统动力学模型式中: ，分别为振动轮和机架的质量；，分别为振动轮和机架的质心位移；，分别为土壤和减振器的刚度；，分别为土壤和减振器的阻尼;F为振动轮的激振力。该模型称之为“二自由度动力学模型”。它计算简单，为振动压路机动力学参数的选择、研究各参数对振动压路机性能的影响以及合理评价振动压路机性能提供了理论依据。但利用此模型进行理论分析的结果与实测结果相差较大。这是因为:在此模型中，压路机的压实对象具有很大的随机性，该模型将压实对象简化为具有线性变化的弹性体;有的压路机本身就是一个多自由度的振动体，由于受计算因素的限制，而简化为具有两个自由度的“压路机一土壤”模型，这种处理方法也必然给理论分析带来一定的误差，因此不能全面指导整机设计和性能研究等方面的工作。因能力有限，在此，就不再进行深入研究。4.5振动压路机参数选择简介8振动压路机参数的选择主要包括以下四个方面：1.压路机名义振幅的选择：这是影响压实效果的一个非常重要的因素。与振动频率相比，振幅变化对压实效果的影响更加显著。根据长期试验和经验积累，再结合具体施工要求和压实对象，振动压路机的名义振幅的选择已经有个较为合理的取值范围。设计时可根据实际情况查阅相关资料进行选择。2.振动压路机工作频率的选择：合理的工作频率应略高于“压路机-土”振动系统的二阶固有频率。一般情况下，振动压路机工作频率可按表4-1选取：压实范围路基次基层沥青混泥土及路面选取频率（Hz）25-3025-4030-50表4-1 振动压路机频率选择表3.振动质量和上、下车质量的确定：经验表明振动压路机的上、下车质量比近似等于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。但是，在实际中，要满足上下车质量比为1并不容易，但是，应满足：/=0.51.9.4振动压路机工作速度的选择:振动压路机的工作速度是生产效率的重要标志。所以，在满足压实的情况下，应该尽量使工作速度高一些。压实初始阶段，振动对压实的效果影响不明显，工作速度可以高点；压实终了时，工作速度对压实效果有着十分显著的影响，故压实终了时，工作速度应该低一些。各质量的振动压路机的推荐工作速度如表4-2：工作质量5t3-5t2t工作速度（km/h）4-62-43 表4-2 振动压路机工作速度选择表第五章 油箱的设计5.1 油箱容量的确定初始设计时，先按经验公式确定油箱的容量，待系统确定后，再按散热要求进行校核。由【1】式23.4-13，油箱容量的经验公式为式中：液压泵每分钟排出压力油的容积（）； a经验系数，查资料【1】，见下表3。表3 经验系数a系统类型行走机械低压系统中压系统锻压机械冶金机械a12245761210压路机为行走机械，故取a=2。该液压系统由三个相互独立的液压系统需要油箱供油，油箱的容量应该按照三个分系统的流量总和来计算。液压行驶系统为闭式系统，只有补油泵直接与油箱相连，故按补油泵流量计算，补油泵的流量为。液压振动系统为开式系统，流量为。液压转向系统为开式系统，流量为。因此，由经验公式计算液压系统油箱的容量为根据【1】表23.9-1油箱的公称容量系列，确定油箱的容量为100L。5.2 油箱尺寸的确定油箱一般为长六面体，其长宽高之比可依主机总体布置确定，约在1:1:13:2:1之间。已知油箱容积为100L，取油箱长、宽、高分别为0.5m、0.5m、0.4m。，基本满足要求。5.3 油箱的散热验算5.3.1 系统发热量计算压路机正常工作时，主要工况时压实平直的路面。故正常工作时，主要是液压行驶系统和液压振动系统耗能。此时，行驶速度为，牵引力等于滚动摩擦阻力。此时的最大行驶功率为而振动系统的功率为。则，正常工作时，液压系统的发热功率为式中：行驶工况的效率，取0.85； 振动工况的效率取0.64。故，系统的发热功率为5.3.2 液压系统的散热功率计算液压系统的散热渠道主要是油箱表面，但如果系统的外接管路较长则应该考虑管路表面散热。散热功率为式中：油箱散热系数，根据【1】表23.4-12查得，见下表4； 管路散热系数，根据【1】表23.4-13查得； 油箱的散热面积（）； 管路的散热面积（）； 油温与环境温度之差（）。现忽略管道散热，只考虑油箱散热来验算散热能力。若此情况下算得油箱能满足散热要求，则加上管道系统的散热，油箱定能满足散热要求，油箱尺寸的设计就是合理的。表4 油箱散热系数冷却条件通风条件很差89通风条件良好1517用风扇冷却23循环水强制冷却110170油箱采用风扇冷却，由表4得油箱散热系数为=23。油箱的散热面积为若系统散热达到平衡时，油温不再升高。此时，最大温差工作的环境温度取，则油温。如果计算出的油温超过该液压设备允许的最高油温，就要设法增大散热面积，或者增大散热系数。如果油箱的散热面积不能加大，或者采用循环水强制冷却也无济于事，则需要装设冷却器。根据【1】表23.4-14各种机械允许油温，查得工程机械的正常工作温度为5080，最高允许油温为7090。而计算得最高油温T为76.8，小于80，因此无需增大油箱尺寸或增设冷却器，油箱采用风扇冷却即可。综上所述，确定油箱的容量为100L。尺寸为长0.5m，宽0.4m，高0.5m。5.4 油箱附件的选择与结构设计 油箱设计时还应考虑以下几点：(1)油箱的主要油口设置 油箱的排油口与回油口之间的距离应尽可能的远些，管口都应插入最低油面之下，以免发生吸空和回油冲溅产生气泡。吸油管离箱底距离H2D（D为管径），距箱边不小于3D。回油管离箱底距离h3D。 将主回路的吸油口设在隔板一侧，且尽量远离隔板，系统的主回油口以及泄漏油口均设在隔板另一侧，且也尽量远离隔板，以拉开吸油口与回油口的距离。吸油口采用法兰连接，泄漏油口采用螺纹连接。 放油孔要设置在油箱底部最低的位置，使换油时油液和污物能顺利的从放油口流出。在油箱两侧的最低位置各设置一个放油孔，即可保证将油箱中的油放干净，放油孔采用法兰连接。 (2)隔板设置 在油箱中间设置隔板以增长液压油流动循环时间，将吸、回油管隔开，除去沉淀的杂质，分离，清除水和空气，调整温度，吸收液压油压力的波动及防止液面的波动。在隔板上安装过滤网，使吸油管与回油管隔开，这样液压油可以经过一次过滤。过滤网使用 100 目左右的金属网。 (3)空气滤清器设置 在油箱盖上装有空气滤清器。兼作注油口用。注油和通气一般都由一个空气过滤器来完成。在油箱顶部设一连接法兰以安装空气滤清器，法兰尺寸参照所选空气滤清器的安装尺寸设计。若油箱上方空间不够，也可将空气滤清器设在清洗盖上。 (4)清洗孔设置 在设计油箱时，从结构上应考虑清洗换油的方便，设置清洗孔，以便于油箱内沉积物的定期清理。由于油箱被隔板一分为二，故在油箱顶部隔板两侧各设一个清洗孔。清洗孔的孔口大小应能够使一个人自由出入。 (5)液位计设置 为了能够观察向油箱注入油液的上升情况和在系统过程中看见液位的高度，必须设置液位计。 (6)取样油口设置 为了方便随时了解油箱中油液的污染情况，在油箱一侧的中下方位置设置一取样油口，由于该油口很小，故采用螺纹连接。 (7)吊环 在油箱顶部两侧各设置一个吊环，以便于起重机吊运。5.5 油液的选择液压介质应具有适宜的粘度和良好的粘-温特性；油膜强度要求高；具有较好的润滑性能；能抗氧化稳定性好；腐蚀作用小，对涂料、密封材料等有良好的适应性；同时液压介质还应具有一定的消泡能力。选择液压介质时，出专用液压油外，首先是介质种类的选择。根据液压系统对介质是否有抗燃性的要求，决定选用矿油型液压油还是抗燃性液压液。其次，应根据系统中所用液压泵的类型选用具有合适粘度的介质。最后，还应考虑使用条件等因素，如环境温度、工作压力、执行机构速度等。(1)压力较高时，宜选用粘度较高的压力油；压力低时，宜选用粘度较低的液压油；高压系统宜选用加有抗磨剂的抗磨液压油。(2)环境温度较高时，宜选用高粘度的液压油；环
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