一種振動壓路機剖分式鋼輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

裴志明

（長安大學(xué)工程機械學(xué)院，陜西 西安 710000）

壓路機又名壓土機，是壓實機械的一種，是以鋼輪或無花紋的充氣輪胎對水泥穩(wěn)定土或瀝青混合料進(jìn)行壓實的路面機械，主要用來提高路面和路基的密實度和穩(wěn)定性，提高被壓實材料承受載荷的能力，是公路修建與養(yǎng)護(hù)過程中必不可少的機械[1]。壓路機的工作過程如下：通過壓路機的鋼輪利用壓路機自重或機械結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的不同方向的力向被壓實材料加載，克服被壓實材料顆粒間的摩擦力及黏滯力，減小被壓實材料顆粒之間的間隙，壓縮被壓實材料顆粒間的空氣和密實顆粒之間的水分，使不同粒徑的被壓實材料顆粒相互接近，提高被壓實材料的干密度[2]；通過壓路機對被壓實材料的碾壓，減少被壓實材料的空隙率，提高被壓實材料的干密度，提高被壓實材料的承載剛度和結(jié)構(gòu)強度，提高被壓實材料的抗?jié)B性和水溫穩(wěn)定性，提高被壓實材料的承載能力，延長相應(yīng)公路的使用壽命，降低公路養(yǎng)護(hù)費用[3]。壓路機廣泛應(yīng)用于道路施工中，減少了施工成本，提高了工作效率和施工質(zhì)量。

1 壓路機的用途及分類

由于被壓實材料種類、被壓實材料濕度、壓實溫度、施工地區(qū)地形以及施工工藝的差別，全球各壓路機廠家生產(chǎn)了門類繁復(fù)、規(guī)格各異的壓路機[3]。我國壓路機行業(yè)的權(quán)威組織統(tǒng)計了道路施工工程中壓路機壓實的常用方案，考察了我國壓路機產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀，并以此為依據(jù)，結(jié)合壓實作業(yè)的不同機理，對我國壓路機產(chǎn)品進(jìn)行分類，其中常用壓路機有沖擊壓路機、靜壓壓路機、振動壓路機、光面充氣輪胎壓路機[4]。

靜壓鋼輪壓路機依靠機械自身重量對土方進(jìn)行壓實作業(yè)，進(jìn)行一遍壓實后，對土壤干密度的提升作用較小，壓實效率較低，單位體積或單位質(zhì)量能提供的壓實功較小，通常情況下用作薄壓實層的預(yù)壓。由于振動鋼輪壓路機可以關(guān)閉振動功能，所以在高等級路面修建中，靜壓鋼輪壓路機的工作通常由振動鋼輪壓路機關(guān)閉振動功能后完成。鋼輪壓路機壓實路面后，會留下一些車轍。光面輪胎壓路機因自重較輕，在利用自重對路面進(jìn)行壓實作業(yè)時不會因壓實作用破壞路面材料顆粒，所以經(jīng)常用于路面終壓，以消除壓實痕跡，提高路面整體的平整度，幾乎不會對提高壓實度起到作用。振動鋼輪壓路機依靠振動鋼輪內(nèi)激振器的作用帶動振動鋼輪高頻振動，使土方顆粒處于高頻振動狀態(tài)，減小土方顆粒間的黏滯力，同時振動鋼輪所產(chǎn)生的巨大激振力作用于土壤，使土壤顆粒改變其排列順序，從而減小顆粒之間的孔隙，提高土壤干密度[5]。振動壓路機的出現(xiàn)，是壓實技術(shù)的一次飛躍，標(biāo)志著壓路機發(fā)展史上一個新的時代的來臨。自此，提升壓路機壓實能力，不僅僅有提高壓路機質(zhì)量從而增大壓路機靜線壓力這一個方法。由于振動壓路機單位體積或單位質(zhì)量所產(chǎn)生的壓實功遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)壓路機，適用范圍也較傳統(tǒng)壓路機更廣泛，所以振動壓路機在業(yè)內(nèi)廣受歡迎，成為壓路機市場的主流。振動壓路機根據(jù)所裝配鋼輪數(shù)目可以分為兩類，一類是單鋼輪振動壓路機，另一類是雙鋼輪振動壓路機，雙鋼輪振動壓路機主要用于對瀝青混凝土攤鋪層或路面的壓實[6]。

2 振動壓路機剖分式鋼輪總體方案設(shè)計

2.1 振動輪工作原理

振動壓路機依靠自重和振動系統(tǒng)所產(chǎn)生的激振力共同作用，對被壓實材料進(jìn)行壓實作業(yè)。在壓路機鋼輪開啟振動模式時，振動系統(tǒng)中的偏心機構(gòu)開始旋轉(zhuǎn)。通過調(diào)整偏心機構(gòu)運動的相位和偏心矩，可以實現(xiàn)振動輪振幅的改變[7]。本文所設(shè)計的鋼輪采用剖分式結(jié)構(gòu)，左右兩部分通過回轉(zhuǎn)支承連接，兩部分可以發(fā)生一定的相對角位移，減少轉(zhuǎn)彎時行駛阻力的影響。

2.2 振動輪總體結(jié)構(gòu)

對于雙鋼輪振動壓路機來說，振動鋼輪既是壓路機的工作裝置，也是其行走裝置，猶如雙鋼輪振動壓路機的“手足”，是振動壓路機的重要部件之一。振動鋼輪的主要組成部分有鋼輪輪體、振動機構(gòu)、行走機構(gòu)、減振系統(tǒng)、附屬機構(gòu)這五部分[8]。傳統(tǒng)振動鋼輪輪體由一塊鋼板卷制而成，鋼輪寬度較長，在轉(zhuǎn)向過程中會存在較大的轉(zhuǎn)向阻力，導(dǎo)致混合料的推移以及路面的破壞。

本文設(shè)計的是一種8 噸振動壓路機的剖分式鋼輪。剖分式鋼輪在左右兩部分的連接處采用特制的回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行連接，減少了左右兩部分在發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)動阻力，提高了鋼輪左右兩部分在裝配時的對心性，減少了因裝配而導(dǎo)致振動軸承、行走軸承壽命縮短的問題，提高了轉(zhuǎn)彎時的壓實質(zhì)量。在轉(zhuǎn)彎時，外鋼輪的旋轉(zhuǎn)速度比內(nèi)鋼輪快，消除了標(biāo)準(zhǔn)振動鋼輪設(shè)計中路面出現(xiàn)撕裂的可能性。

剖分式鋼輪結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其由鋼輪輪圈、輻板等焊接而成，在振動鋼輪總成中起到支撐其他零件的作用。傳統(tǒng)振動鋼輪需要設(shè)置單獨的潤滑油腔對鋼輪內(nèi)部元件進(jìn)行潤滑，剖分式鋼輪可以利用鋼輪輪體自身結(jié)構(gòu)焊接筋板形成潤滑油腔，方便對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行潤滑，也可以對鋼輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。在進(jìn)行壓實工作時，鋼輪輪體與被壓實土方直接接觸，以完成壓實工作。因此，要求在加工時保證鋼輪輪體外表面的粗糙度，還要求鋼輪輪體抗變形能力高，硬度好，耐磨性好，強度、剛度都達(dá)到一定要求。剖分式鋼輪由左右兩部分裝配組成，左右兩部分通過回轉(zhuǎn)支承連接成為整體，共同完成壓實作業(yè)。

圖1 剖分式鋼輪結(jié)構(gòu)圖

2.3 轉(zhuǎn)向阻力計算

單個驅(qū)動輪在驅(qū)動力矩的作用下，地面對車輪產(chǎn)生沿車輪切線方向的反作用驅(qū)動力。當(dāng)驅(qū)動輪偏轉(zhuǎn)某一角度時，驅(qū)動力的方向也隨之改變，從而推動車輪沿著新的方向滾動。無論是直線還是彎道行駛，車輪與地面之間都必須有足夠的附著力，以傳遞驅(qū)動力并克服阻力。每個車輪都具有一定的寬度，壓路機的車輪更是一個很寬的滾輪。當(dāng)車輪以半徑R繞轉(zhuǎn)向中心點O沿彎道行駛時，壓輪上各接地點運行的路程是不相等的，外側(cè)的運行路程肯定大于內(nèi)側(cè)。若車輪中心平面是作純滾動的，車輪的外側(cè)就必然有向前的滑移速度（bw/2），內(nèi)側(cè)有向后的滑移速度（-bw/2），如圖2 所示[9]。因為摩擦阻力的方向總是與車輪滑動方向相反，所以地面給車輪外側(cè)的滑動摩擦阻力向后，地面給車輪內(nèi)側(cè)的滑動摩擦阻力向前，即地面給了車輪一個與其偏轉(zhuǎn)方向相反的摩擦阻力矩，這個阻力矩企圖使車輪恢復(fù)到直線行駛狀態(tài)。

圖2 彎道行駛時車輪阻力矩示意圖

剖分式鋼輪的轉(zhuǎn)向阻力矩應(yīng)按照式（1）進(jìn)行計算：

式中，Mf表示鋼輪受到的滾動阻力矩，N·m；μ 表示滾動阻力系數(shù)，取0.4；Ga表示前鋼輪分配的使用重量，2 400 kg；b表示壓路機前鋼輪寬度，1 500 mm。

壓路機轉(zhuǎn)向時的受力情況如圖3 所示，分析可得，回轉(zhuǎn)支承受到的徑向力為4 234 N，壓路機鋼輪的直徑為1 108 mm，算得轉(zhuǎn)向阻力矩為3 175.5 N·m。

圖3 鋼輪轉(zhuǎn)向阻力圖

2.4 回轉(zhuǎn)支承選型

回轉(zhuǎn)支承又稱轉(zhuǎn)盤軸承，是新出現(xiàn)的大型機械零部件，在工程機械領(lǐng)域，多用于挖掘機回轉(zhuǎn)齒圈部位及其他重型機械的回轉(zhuǎn)部位?；剞D(zhuǎn)支承按照其滾子可分為單排球式回轉(zhuǎn)支承、雙排球式回轉(zhuǎn)支承、交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承、三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承。其中，單排四點接觸球式回轉(zhuǎn)支承可以承受軸向載荷、徑向載荷以及傾覆力矩。

在剖分式鋼輪中，回轉(zhuǎn)支承的作用是保證剖分式鋼輪在轉(zhuǎn)向時左右兩個鋼輪可以發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。

壓路機的最大行駛速度為3.33 m/s，鋼輪的寬度為1 500 mm，所以左右半鋼輪的極限轉(zhuǎn)速差為42.4 r/min[10]。根據(jù)以上條件，在表1 中選擇合適的回轉(zhuǎn)支承。

表1 回轉(zhuǎn)支承型號表

根據(jù)條件，選取型號為010.30.500 的回轉(zhuǎn)支承。

3 結(jié)論

本文主要對剖分式鋼輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過計算得到剖分式鋼輪的轉(zhuǎn)向阻力遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)鋼輪的轉(zhuǎn)向阻力，在工程應(yīng)用中，可以有效避免振動壓路機對于路面的破壞，并且以8 噸振動壓路機為例，進(jìn)行轉(zhuǎn)向力矩的計算和回轉(zhuǎn)支承的選型，為剖分式鋼輪的設(shè)計提供參考。