沖擊振動(dòng)壓路機(jī)工作特性及試驗(yàn)研究

郭增彩，張 洪，高廣恒，蔡言龍，劉利寶

（太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

目前，國內(nèi)外施工中使用的壓實(shí)設(shè)備多為振動(dòng)壓路機(jī)和沖擊壓路機(jī)，隨著壓實(shí)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，工程實(shí)踐中壓實(shí)方式由以前單一的靜力、振動(dòng)、沖擊壓實(shí)發(fā)展到靜力、振動(dòng)、沖擊等多種壓實(shí)方式復(fù)合施工，以達(dá)到強(qiáng)化壓實(shí)的目的。本次研究的沖擊振動(dòng)壓路機(jī)，就是將沖擊作用與振動(dòng)作用有機(jī)結(jié)合起來的一種新機(jī)型。它的工作效率高、壓實(shí)深度大，適用于從砂性土到粘性土的壓實(shí)，對含水量要求也比較寬松。振動(dòng)軸和沖擊軸各自工作，互不干擾，克服了由同一根軸同時(shí)擔(dān)任振動(dòng)軸和沖擊軸所帶來的水平?jīng)_擊大、工作不平穩(wěn)的缺點(diǎn)。

1 沖擊振動(dòng)壓路機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

依據(jù)振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)和沖擊壓實(shí)技術(shù)相結(jié)合的理論提出了新型復(fù)合壓路機(jī)。根據(jù)行走方式將該壓路機(jī)分為自行式結(jié)構(gòu)和拖式結(jié)構(gòu)。拖式結(jié)構(gòu)中牽引車可以是推土機(jī)、裝載機(jī)和其它經(jīng)過改裝并能滿足牽引作業(yè)要求的工程車輛。工作輪的工作系統(tǒng)是由沖擊系統(tǒng)和振動(dòng)系統(tǒng)兩大系統(tǒng)組成，并可以設(shè)定每個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，有沖擊、振動(dòng)和沖擊－振動(dòng)3種模式，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，從而擴(kuò)大了設(shè)備的工作范圍、提高了設(shè)備利用率、降低了生產(chǎn)成本并有效地提高了工作效率。

1.1 沖擊振動(dòng)壓路機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)

沖擊振動(dòng)壓路機(jī)工作裝置是由牽引緩沖裝置和工作輪機(jī)構(gòu)組成。工作輪機(jī)構(gòu)是由可使機(jī)器作業(yè)時(shí)拍擊地面產(chǎn)生沖擊力功能的分體組合式?jīng)_擊振動(dòng)輪和可使機(jī)器產(chǎn)生振動(dòng)力功能的振動(dòng)激勵(lì)發(fā)生裝置組成。分體組合式?jīng)_擊振動(dòng)輪是由鋼輪、沖擊軸、沖擊塊等組成，振動(dòng)激勵(lì)發(fā)生裝置是由液壓馬達(dá)和偏心軸組成。連接盤通過減振器與車架相連，牽引機(jī)構(gòu)通過車架將動(dòng)力傳到工作輪，如圖1。沖擊塊是圓形異形截面輪，其截面輪廓線由多段圓弧線組成，通過沖擊軸連接在鋼輪的腹板上，根據(jù)工況需要可制成3塊、4塊、5塊，本次研究的沖擊振動(dòng)壓路機(jī)的沖擊塊采用3塊。

1.2 工作輪工作原理

圖1 壓路機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 沖擊塊工作過程示意圖

沖擊振動(dòng)壓路機(jī)工作時(shí)，工作裝置在牽引車的拖動(dòng)下，鋼輪在被壓材料上滾動(dòng)前進(jìn)，沖擊塊繞著沖擊軸運(yùn)動(dòng)，圖2a位置為沖擊塊未轉(zhuǎn)動(dòng)的某一狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到圖2b位置沖擊塊處于脫離鋼輪的臨界狀態(tài)，繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)直到如圖2d中所示的沖擊塊開始沖擊地面，圖2為一個(gè)工作行程。就這樣，體位不斷升高和降低,拍打著地面，對地面產(chǎn)生沖擊作用施以沖擊壓實(shí)；同時(shí)開動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)偏心軸旋轉(zhuǎn)，工作輪產(chǎn)生確定頻率的振動(dòng)，并通過鋼輪和沖擊塊對土壤實(shí)施振動(dòng)壓實(shí)；這樣沖擊塊就同時(shí)產(chǎn)生沖擊與振動(dòng)復(fù)合壓實(shí)作用。當(dāng)沖擊塊完成拍擊地面的動(dòng)作后，隨著鋼輪的旋轉(zhuǎn)，沖擊軸向上抬起，帶動(dòng)沖擊塊邊沿地面滾動(dòng)邊收回，直到下一個(gè)工作位置，重復(fù)以上過程。該裝置共有3個(gè)沖擊塊，工作輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈便產(chǎn)生3次沖擊力。工作輪連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)，即可獲得連續(xù)不斷的沖擊力。

若關(guān)閉液壓馬達(dá)，則振動(dòng)系統(tǒng)停止工作，此時(shí)整機(jī)僅具有沖擊功能和靜碾功能；若鎖定沖擊機(jī)構(gòu)，則僅具有振動(dòng)功能和靜碾功能。

2 機(jī)械性能與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

2.1 工作特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

當(dāng)工作輪在施工時(shí)，鋼輪邊行走邊對土壤產(chǎn)生振動(dòng)壓實(shí)，沖擊塊對土壤產(chǎn)生沖擊壓實(shí)和滾動(dòng)揉搓壓實(shí)。牽引主機(jī)消耗的功率P主要用于克服夯實(shí)PA、滾壓阻力Pf和振動(dòng)壓實(shí)P三部分,由此可以推出機(jī)械壓實(shí)土壤做功與工作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系

式中 E——沖擊塊沖擊地面的功，kJ；

f——沖擊塊作用頻率，H；

m——沖擊塊的質(zhì)量，kg；

g——重力加速度（9.8m/s2）；

Δh——沖擊塊的工作行程,m；

b——沖擊塊寬度，m；

L——工作輪壓實(shí)土壤的距離，m；

H——土壤的下陷深度，m；

σ——土壤與工作輪接觸面上的壓力，（N/m2）。

從公式（1）（2）可以看出沖擊塊的壓實(shí)效果與沖擊塊的寬度b、工作行程Δh、沖擊塊質(zhì)量m都有關(guān)，合理地選擇b、Δh和m，會(huì)使工作輪更加有效地工作。

2.2 工作輪徑D和沖擊塊寬度b的關(guān)系

沖擊能量與結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量的關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，工作輪徑D和沖擊塊寬度b決定沖擊塊質(zhì)量m的量值，b亦與壓實(shí)生產(chǎn)率成正比關(guān)系，所以加大D和b對提高m、Δh以及生產(chǎn)率均有利。但D和b取太大會(huì)引起工作輪接觸面上載荷下降，壓實(shí)影響深度減小，所以選擇D應(yīng)與所需的m和Δh同時(shí)綜合考慮。輪寬b由D/b比值控制，在0.8～1.5之間比較合理，所以選取D=1 300mm，b=1 200mm。

圖3 沖擊能量與沖擊塊外形尺寸和質(zhì)量的關(guān)系

2.3 壓實(shí)特性與機(jī)械性能參數(shù)的關(guān)系

對于同種類型的待壓實(shí)土壤，沖擊力的大小決定了沖擊壓實(shí)效果的優(yōu)劣，沖擊塊對地面所產(chǎn)生的沖擊力與沖擊塊轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度有關(guān)，可根據(jù)沖量定理來計(jì)算沖擊壓實(shí)過程中的平均沖擊力F

式中 m——沖擊塊的質(zhì)量，kg；

v1——沖擊初速度，m/s；

v——沖擊末速度，m/s；

t——沖擊作用時(shí)間，s。

由沖量定理可知：動(dòng)量的改變完全取決于合外力的沖量。所以，沖擊塊沖擊作用時(shí)間是很關(guān)鍵的問題，實(shí)踐證明，它不僅與壓實(shí)機(jī)沖擊物料的種類有關(guān)，而且與物料含水量、密實(shí)度有關(guān)，表1為不同土質(zhì)最佳夯擊時(shí)間。

表1 不同土壤的夯擊時(shí)間 (s)

2.4 沖擊塊的結(jié)構(gòu)分析

異形截面沖擊塊的參數(shù)是沖擊振動(dòng)壓路機(jī)達(dá)到大振幅沖擊功能的主要特征參數(shù)，除了沖擊塊質(zhì)量m、輪徑D和輪寬b外，外輪廓曲線的形狀也是很重要的，它的選擇既要保證拍擊地面的打擊效果，又要利于下一個(gè)工作循環(huán)的順利過渡，在保證拍擊面積的前提下盡量減小滾動(dòng)阻力。沖擊塊有均勻壁厚和非均勻壁厚兩種結(jié)構(gòu)形式。為了滿足研究的需要，最終確定采用均勻壁厚的結(jié)構(gòu)形式。

3 試驗(yàn)樣機(jī)的研究

為了說明所研究的沖擊振動(dòng)壓路機(jī)的可行性，采取試驗(yàn)的方法來驗(yàn)證。考慮到試驗(yàn)的可比性，根據(jù)相似理論，在保證整機(jī)工作特性的情況下，試驗(yàn)裝置的尺寸是將整機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸按比例縮小4倍而成，作為壓路機(jī)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)樣機(jī)的簡化

為了保證樣機(jī)能如實(shí)反映整機(jī)特性，對整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的簡化，對試驗(yàn)樣機(jī)做如下更改：①試驗(yàn)樣機(jī)的激振源用小功率電機(jī)代替液壓馬達(dá)，并把電機(jī)裝在后車架上，可增加整個(gè)工作裝置的穩(wěn)定性；②沖擊軸與鋼輪的連結(jié)采用滑動(dòng)軸承，由于滑動(dòng)軸承的油膜能緩沖吸振，耐沖擊、承載力大、結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便，克服了因軸承結(jié)構(gòu)尺寸減小帶來的承載能力下降的問題。

3.2 試驗(yàn)樣機(jī)主參數(shù)計(jì)算

1）沖擊能量計(jì)算 利用Solidworks可以直接求出沖擊塊的質(zhì)量和重心。首先進(jìn)入Solidworks工作界面繪制沖擊塊草圖，利用特征命令做出沖擊塊的實(shí)體模型，并賦予沖擊塊的材質(zhì)為20鋼。在三維建模軟件中，根據(jù)模型的體積和材質(zhì)自動(dòng)計(jì)算模型的質(zhì)量m和重心。根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡測出重心變化高度Δh=161mm,其中沖擊塊質(zhì)量m=14.79kg,根據(jù)公式（2）得沖擊能量E=23.34J。

2）沖擊力計(jì)算 沖擊塊下落到地面的初速度為v1，末速度v為0，根據(jù)能量守恒定律，計(jì)算出v1=1.78m/s2。計(jì)算沖擊塊沖擊粘土的兩種土壤狀態(tài)（松土、實(shí)土）的沖擊力。

從試驗(yàn)樣機(jī)計(jì)算出的沖擊能量23.34J，可以推出整機(jī)的沖擊能量為5.98kJ，滿足本次的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)沖擊力也滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

本文從工作裝置的結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究了工作輪的工作原理，分析了工作輪的壓實(shí)過程，通過工作輪的機(jī)械性能與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系，確定了沖擊塊的結(jié)構(gòu)形式與外形尺寸,運(yùn)用相似理論對整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行縮放制作試驗(yàn)樣機(jī)，用理論方法對樣機(jī)性能進(jìn)行了計(jì)算，驗(yàn)證了整機(jī)的可行性，推出整機(jī)性能的正確性與有效性，為產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了參考。