沖擊壓路機(jī)輪軸減振方法探討

【摘 要】本文通過對(duì)沖擊壓路機(jī)輪軸減振系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，從沖擊響應(yīng)理論的角度研究減振系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，并提出設(shè)計(jì)新思路，為技術(shù)研究和產(chǎn)品優(yōu)化提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】沖擊；晌應(yīng)；減振系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)特性

沖擊壓路機(jī)利用非圓截面壓實(shí)輪質(zhì)心在滾動(dòng)過程中的周期性上下運(yùn)動(dòng)，對(duì)土壤產(chǎn)生低頻大振幅的沖擊振動(dòng)，從而達(dá)到壓實(shí)目的沖擊壓路機(jī)這種獨(dú)特的沖壓方式產(chǎn)生了良好的壓實(shí)效果，但強(qiáng)大的反作用力及惡劣的工況，會(huì)對(duì)設(shè)備本身造成嚴(yán)重的破壞，特別是沖擊輪軸系統(tǒng)，在長(zhǎng)時(shí)間工作過程中，會(huì)出現(xiàn)減振器失效、軸頭斷裂、花鍵齒變形、軸承早期磨損等現(xiàn)象，使產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性大大降低，所以對(duì)沖擊輪減振系統(tǒng)進(jìn)行正確有效的分析和計(jì)算非常必要。本文提出一種研究思路和方法，以便為合理的減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇提供參考依據(jù)。

1 工況分析

以一次沖擊工作為周期，沖擊輪運(yùn)動(dòng)過程可分為質(zhì)心被動(dòng)上升、質(zhì)心自由下降和拍擊三個(gè)階段在上一個(gè)沖擊周期結(jié)束時(shí)，沖擊輪質(zhì)心處于最低位置，受牽引力的作用、沖擊輪繞瞬心滾動(dòng)，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)半徑逐漸變大，質(zhì)心不斷上升、此過程中質(zhì)心水平速度可近似地認(rèn)為和牽引速度相同；當(dāng)上升到最高點(diǎn)時(shí)，根據(jù)沖擊輪的外形結(jié)構(gòu)，瞬心處于外形曲面拐點(diǎn)上，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑急劇變小，在慣性和重力作用下，隨著沖擊輪滾動(dòng)，質(zhì)心快速自由下降，當(dāng)沖擊輪工作面開始接觸地面時(shí)，沖擊輪質(zhì)心下降到最低位置，進(jìn)入拍擊階段，此過程中質(zhì)心水平速度大于牽引速度；在沖擊輪的拍擊下，地面被擠壓沉降變形，一個(gè)沖擊循環(huán)結(jié)束，進(jìn)入下一個(gè)周期，此時(shí)質(zhì)心水平速度最小，垂直方向速度為0。

2 力學(xué)分析

從沖擊壓路機(jī)的結(jié)構(gòu)布置可知，減振裝置包括若干阻尼減振器，周向均布于輪軸和沖擊輪幅板之間，輪軸和擺架、搖桿機(jī)構(gòu)連接為一體將輪軸、擺架、搖桿視為一個(gè)集中質(zhì)量m。

減振器組可以等效為一個(gè)彈性阻尼器，忽略沖擊輪橫向擺動(dòng)，該系統(tǒng)就是一個(gè)單自由度的振動(dòng)系統(tǒng)從工況分析可以看出，在質(zhì)心上升階段，為了克服重力，牽引力持續(xù)作用于輪軸，由于水平方向速度近似勻速，可以認(rèn)為在這個(gè)階段系統(tǒng)受恒外力作用產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)；在質(zhì)心下降階段，水平速度大于牽引速度，沖擊輪受重力和慣性作用，做類似鐘擺狀態(tài)的滾壓運(yùn)動(dòng)，可以認(rèn)為在這個(gè)階段系統(tǒng)沒有外部激勵(lì)，不產(chǎn)生振動(dòng)；在拍擊階段，系統(tǒng)在垂直方向受到瞬間的地面反力N作用，會(huì)產(chǎn)生明顯的沖擊響應(yīng)。

根據(jù)計(jì)算及試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，正常工作狀態(tài)沖擊力峰值（即地面反力Nmax）在2000—3000kN范圍內(nèi)時(shí)，牽引力峰值Pmax在40—60kN之間，沖擊力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于牽引力?？梢哉J(rèn)為系統(tǒng)垂直方向的沖擊響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平方向的振動(dòng)響應(yīng)，而且這兩種激勵(lì)在一個(gè)周期內(nèi)先后發(fā)生，有一定的時(shí)差，所以在設(shè)計(jì)減振系統(tǒng)時(shí)，按照滿足最惡劣工況的計(jì)算原則，應(yīng)主要研究垂直方向的振動(dòng)過程。

3 建立數(shù)學(xué)模型

對(duì)不同基礎(chǔ)，沖擊壓路機(jī)持續(xù)拍擊地面的時(shí)間不同，理論分析時(shí)一般考慮最惡劣工況，按較硬的填石路面，經(jīng)測(cè)試可知， Δt≤0.01s，相對(duì)系統(tǒng)的固有周期而言很短。根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性理論，在這種突然變化的外部激勵(lì)下，系統(tǒng)產(chǎn)生瞬態(tài)振動(dòng)，即系統(tǒng)對(duì)沖擊的響應(yīng)，雖然這種響應(yīng)會(huì)很快消失，但會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生最大應(yīng)力或位移，可使結(jié)構(gòu)部件失效破壞\"因此，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，必須考慮沖擊的影響，而不能按照常規(guī)振動(dòng)模型及公式分析。

為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)被壓基礎(chǔ)是表面光滑的剛性體，在垂直方向?qū)︿撦啴a(chǎn)生外部激勵(lì)，然后通過阻尼減振系統(tǒng)作用于輪軸\"以輪軸集中質(zhì)量m為研究對(duì)象，輪軸減振周向均布，垂直方向的激勵(lì)可以等效轉(zhuǎn)換為水平激勵(lì)。

運(yùn)動(dòng)方程的一般表達(dá)式為：

■+■x（t）+x（t）=？孜（t）

式中：■（t）——響應(yīng)函數(shù)

？孜（t）——激勵(lì)函數(shù)

？棕■■——無阻尼系統(tǒng)的固有角頻率

？孜——阻尼比。

4 減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

為了減少?zèng)_擊傳遞對(duì)輪軸及軸承的危害和影響，需要采取隔振措施將其隔離。通過減振系統(tǒng)，可以將沖擊瞬態(tài)能量?jī)?chǔ)存起來，用較緩的形式釋放，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸頭系統(tǒng)的保護(hù)。

為了取得最佳減振效果，減振材料一般選擇既有彈性又有良好粘性阻尼的橡膠根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)介紹，橡膠阻尼比？孜取值范圍為0.2-0.5，在脈沖持續(xù)時(shí)間較短時(shí)， ？孜宜取0.26；擠壓工況下，許用應(yīng)變？孜n≦5%。

在沖擊隔離理論中，減振系統(tǒng)要考慮2個(gè)參數(shù)：通過減振后的最大振動(dòng)力和減振器的最大變形量，要求最大振動(dòng)力不超過輪軸受力，最大變形量不超過減振橡膠許用變形，并能滿足工作空間布置實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以將不同方案的減振系統(tǒng)參數(shù)代入式，通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析，得出最大位移和最大加速度，再利用公式計(jì)算出理論值，再和實(shí)際值進(jìn)行比較，復(fù)核設(shè)計(jì)結(jié)果是否合理。

按照上述思路，對(duì)沖擊壓路機(jī)輪軸減振系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化，經(jīng)多年的實(shí)際應(yīng)用證明，改進(jìn)后的減振器使用壽命延長(zhǎng)，減振性能得到了改善，極大地提高了輪軸系統(tǒng)的可靠性。

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[責(zé)任編輯：劉帥]