銑刨機可移動配重機構設計及研究

吳俊良

摘要：基于配重法的平衡原理，設計了一種銑刨機可移動配重機構；列出了銑刨機的各種施工工況，詳細說明在幾種極限工況下調節(jié)銑刨機質心位置的方法；創(chuàng)建了銑刨機在坡面上的數(shù)學模型，計算出將可移動配重塊向銑刨機前方移動一定距離后銑刨機的爬坡角增值。結果表明：向前移動可移動配重塊能增大銑刨機的爬坡角，從而拓寬銑刨機的施工范圍，為銑刨機可移動配重的設計提供了數(shù)據(jù)參考，具有一定的實用價值。

關鍵詞：可移動配重；銑刨機；質心；可行性分析

中圖分類號：U415.52文獻標志碼：B

Abstract： A movable counterweight mechanism was designed for milling machine based on the balancing principle of counterweight. All kinds of construction conditions of milling machine were listed， and method for the adjustment of center of mass in limit conditions was expounded. Numerical model of milling machine on the ramp was built， with which the increment in angle of climb when the counterweight moves forward was calculated. The results show that the angle of climb of milling machine can be increased by moving the counterweight forward， which broadens the working range of the milling machine.

Key words： movable counterweight； milling machine； center of mass； feasibility analysis

0引言

銑刨機是路面養(yǎng)護的常用設備，其機構平衡問題是一個很重要的課題。在各種平衡方法中，配重法對于震動力的平衡最為簡單、有效。然而有研究表明，采用配重法完全平衡震動力后，會出現(xiàn)震動力矩增加的負面效應。與固定配重法相比，在添加相同質量參數(shù)的配重部分平衡震動力時，可移動配重法能使震動力進一步降低，而且還可以使輸入轉矩明顯降低[13]。

本文設計的銑刨機可移動配重能實現(xiàn)銑刨機質心位置的無級調節(jié)，提高銑刨機的爬坡角，拓寬其工程使用范圍，為銑刨機配重設計提供一定的參考。

1移動配重機構設計及調節(jié)方法

1.1機構設計

圖1為裝有可移動配重的銑刨機車架的剖視圖，銑刨機的配重由固定配重塊和移動配重塊組成。固定配重塊裝于車架的前側，與車架的前板、底板、左側板和右側板焊接成一體；移動配重塊裝于車架上安裝板和下安裝板之間的空腔中。在移動配重塊和機架的隔板上各焊接2個鉸耳，并通過第一伸縮油缸和第二伸縮油缸將可移動配重塊與車架的隔板連接起來，如圖2所示。第一伸縮油缸、第二伸縮油缸與移動配重塊和隔板的鉸耳連接處用銷軸固定[4]；

同時，確?？梢苿优渲貕K能在下安裝板上自由移動。安裝在下安裝板上的前輪通過沉頭螺釘連接。

1.2重心調節(jié)方法

1.2.1銑刨機的幾種施工工況

設計銑刨機時，應同時滿足如下幾種工況所需的配重塊質量。

（1）工況1：配重塊質量滿足銑刨機位于水平面上、輸料機張角從0°（輸料機水平放置）到α1（輸料機在豎直平面內的最大張角）時處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖3所示。

1.2.2極限工況下重心調節(jié)方法

一般情況下，當銑刨機處于極限工況時，可通過調節(jié)移動配重塊的位置使銑刨機處于穩(wěn)定狀態(tài)而不翻轉。從根本上講，銑刨機發(fā)生翻轉是由于路面的支反力F對支點（支點位置位于車輪與地面接觸的區(qū)域）所產生的力矩M1大于銑刨機的重力G對支點所產生的力矩M2。因此，調節(jié)銑刨機質心的目的在于：使銑刨機的重力G對支點所產生的力矩M2等于支反力F對支點所產生的力矩M1。幾種極限工況及調節(jié)方法如下。

（1）工況2中銑刨機水平放置且輸料機水平向右達到最大擺角α2。由圖4可知，由于輸料機向右擺，銑刨機重心右移，重力G到支點的力臂L1減小，銑刨機會因為M2小于M1而向右翻轉。因此，通過調節(jié)可移動配重塊向左移動可以保證銑刨機重心位置不發(fā)生改變，進而保證重力G到支點的力臂L1不變；當M2再次等于M1時，銑刨機處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會向右翻轉。由圖2可知，通過液壓控制使第二伸縮油缸伸長，第一伸縮油缸處于自由狀態(tài)，并隨第二伸縮油缸繞鉸點Q旋轉。第二伸縮油缸主動控制，第一伸縮油缸隨第二伸縮油缸的伸長而伸長。

（2）工況3中銑刨機水平放置且輸料機水平向左達到最大擺角α3。由圖5可知，由于輸料機向左擺，銑刨機重心左移，重力G到支點的力臂L1減小，銑刨機會因為M2小于M1而向左翻轉。因此，通過調節(jié)可移動配重塊向右移動可以保證銑刨機重心位置不發(fā)生改變，進而保證重力G到支點的力臂L1不變；當M2再次等于M1時，銑刨機處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會向左翻轉。由圖2可知，此時通過液壓控制使第二伸縮油缸縮短，第一伸縮油缸處于自由狀態(tài)，隨第二伸縮油缸繞鉸點Q旋轉。第二伸縮油缸主動控制，第一伸縮油缸隨第二伸縮油缸的縮短而縮短。

（3）工況4中銑刨機位于最大下坡角為α4的下坡面，且輸料機張角達α1，向右達最大擺角α2（銑刨鼓靠右安裝，此時輸料機向右達最大擺角α2，為極限工況）。由圖6可知，由于輸料機張角達α1，向右達最大擺角α2，銑刨機重心向右前方移動，重力G到支點的力臂L1減小，導致銑刨機因M2小于M1而向右或向前翻轉。因此，通過調節(jié)可移動配重塊向左后方移動可以保證重心位置不發(fā)生改變，進而保證重力G到支點的力臂L1不變；當M2再次等于M1時，銑刨機處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會翻轉。由圖2可知，通過液壓控制使第二伸縮油缸伸長，第一伸縮油缸處于自由狀態(tài)，且隨第二伸縮油缸繞鉸點Q旋轉。第二伸縮油缸主動控制，第一伸縮油缸隨第二伸縮油缸的伸長而縮短。

（4）工況6中銑刨機位于最大爬坡角α5的上坡面，輸料機張角為0°，最大右擺角為α2。由圖8可知，由于輸料機張角為0°，向右達最大擺角α2，銑刨機重心向右后方移動，重力G到支點的力臂L1減小，導致銑刨機因M2小于M1而向右或向后翻轉。因此，通過調節(jié)可移動配重塊向左前方移動，可以保證銑刨機重心位置不發(fā)生改變，進而保證重力G到支點的力臂L1不變；當M2再次等于M1時，銑刨機處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會翻轉。由圖2可知，通過液壓控制使第二伸縮油缸伸長并繞P點旋轉，第一伸縮油缸處于自由狀態(tài)，隨第二伸縮油缸繞鉸點Q旋轉。第二伸縮油缸主動控制，第一伸縮油缸隨第二伸縮油缸的伸長而伸長。

（5）工況8中銑刨機位于最大右傾角為α6的坡面上，輸料機達最大張角為α1，向右達最大擺角為α2。由圖10可知，由于輸料機張角為α1，向右達最大擺角α2，銑刨機重心向右前方移動，重力G到支點的力臂L1減小，導致銑刨機因M2小于M1而向右或向前翻轉。因此，通過調節(jié)可移動配重塊向左后方移動可以保證銑刨機重心位置不發(fā)生改變，進而保證重力G到支點的力臂L1不變；當M2再次等于M1時，銑刨機處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會翻轉。由圖2可知，通過液壓控制使第二伸縮油缸伸長并繞P點旋轉，第一伸縮油缸處于自由狀態(tài)，隨第二伸縮油缸繞鉸點Q旋轉。第二伸縮油缸主動控制，第一伸縮油缸隨第二伸縮油缸的伸長而縮短。

（6）工況10中銑刨機位于最大左傾角為α7的坡面上，輸料機達最大張角為α1，向左達最大擺角為α3。由圖12可知，由于輸料機張角為α1，向左達最大擺角為α3，銑刨機重心向左前方移動，重力G到支點的力臂L1減小，導致銑刨機因M2小于M1而向左翻轉。因此，通過調節(jié)可移動配重塊向左后方移動可以保證銑刨機重心位置不發(fā)生改變，進而保證重力G到支點的力臂L1不變；當M2再次等于M1時，銑刨機處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會翻轉。由圖2可知，通過液壓控制使第二伸縮油缸縮短并繞P點旋轉，第一伸縮油缸處于自由狀態(tài)，隨第二伸縮油缸繞鉸點Q旋轉。第二伸縮油缸主動控制，第一伸縮油缸隨第二伸縮油缸的縮短而伸長。

需要說明的是，上述各極限工況下可移動配重塊調節(jié)的最終位置是經(jīng)過有限元分析后通過控制第二伸縮油缸的伸縮行程進行控制，可移動配重塊的位置調節(jié)完畢后鎖定2個油缸，固定其位置。

2可行性分析

2.1移動配重數(shù)學簡化模型

根據(jù)工程機械穩(wěn)定性，賈會星等通過仿真建立起鉸接式車輛轉向側翻過程的數(shù)學模型，研究和分析了鉸接車輛側翻的影響參數(shù)[58]。銑刨機在具有一定爬坡角的路面上工作時穩(wěn)定性尤其關鍵，因此爬坡角是影響銑刨機側翻的一個重要的參數(shù)[912]。

本文就銑刨機在爬坡角為α的坡面上工作的工況做可行性分析。為了計算方便，簡化銑刨機及配重模型，假設銑刨機工作時輸料機位置保持不變，且銑刨機兩側前后輪在同一條直線上[1318]。如圖14所示，假定銑刨機最大爬坡角為α時，配重質量為m1和m2。設銑刨機僅有固定配重m1時質心位置為A1，增加質量為m2、質心位置在A′的另一固定配重后，銑刨機的質心坐標在A1與A′的連線上，質心A位于臨界點處，此時質心A過后輪中心O1的連線垂直于水平面。當銑刨機在大于α的爬坡角路面時，將沿后輪傾翻，爬坡角余量為0。在圖14的二維坐標系中，設O與A的距離為d0，A與A′的距離為d1，當銑刨機質心在傾翻極限位置A點時，A點與兩前輪中心O2和兩后輪中心O1連線所在平面的垂直距離為h。

如圖15所示，如果m2為可移動配重塊，為了增大銑刨機的爬坡角，將m2沿EF向前移動距離d。當質心位置移到B′時，設此時銑刨機的合質心從A點移到B點，移動的距離為d2，并令此時銑刨機的爬坡角為β，即銑刨機向逆時針再旋轉β-α后，才達到傾翻的極限位置。

由式（20）可知，當銑刨機在爬坡角為α的坡面上，如果質心位置與兩前輪中心O2和兩后輪中心O1連線所在的平面的垂直距離為h，將移動配重塊向前移動使銑刨機的合質心向前移動距離d后，銑刨機的爬坡角可增加Δa。

由式（2）可知，當銑刨機的配重m1和m2均為固定配重時，其最大爬坡角僅與h和d0有關，然而d0與d1有關，因此當固定配重塊m1和m2的質量和位置確定后，決定銑刨機最大爬坡角的參數(shù)為d0、d1和h。如果將m2設為可移動配重塊后，由式（18）可知，此時的最大爬坡角由d、d0、d1、d2和h共同決定。

3結語

（1）設計了一種銑刨機可移動配重機構，能夠通過調節(jié)油缸行程改變銑刨機的質心位置。

（2）詳細說明了銑刨機在幾種極限工況下通過調節(jié)可移動配重塊的位置保持銑刨機平衡的方法。

（3）在銑刨機2個配重質量和位置已知的情況下，將其中一個配重設置為可移動配重后，建立銑刨機帶固定配重和帶可移動配重在爬坡角為α的坡面上的數(shù)學模型，計算出當可移動配重塊前移距離d后銑刨機爬坡角的增值Δα。

（4）銑刨機的配重全部為固定配重時，固定配重在銑刨機前后方向的位置和與銑刨機車輪中心的距離h決定了銑刨機爬坡角的大??；當銑刨機安裝移動配重時，可通過移動配重塊的位置改變銑刨機的爬坡角。

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[責任編輯：王玉玲]