多點受力振動壓實旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用

0 引言

壓路機(jī)在公路施工、機(jī)場建設(shè)、興修水利和建筑施工中發(fā)揮著越來越大的作用，振動壓路機(jī)是利用其自身的重力和振動壓實各種建筑和筑路材料的工程機(jī)械，振動壓路機(jī)最適宜壓實各種非黏性土壤、碎石、碎石混合料及各種瀝青混凝土，廣泛用于高等級公路、鐵路、機(jī)場跑道、農(nóng)機(jī)工程等大型項目的填方壓實作業(yè)

。振動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能實現(xiàn)沖擊振動復(fù)合壓實功能，使得被壓實物料承受沖擊載荷和簡諧振動載荷的力學(xué)模型作用疊加及其在沖擊振動載荷作用下的動力學(xué)響應(yīng)特性，利用其激振力在土中產(chǎn)生的剪切壓密作用，使一定深度內(nèi)的土均勻增密，從而達(dá)到改善地基的性能的目的

。壓實機(jī)械的發(fā)展經(jīng)歷了從一千多年前的石滾到現(xiàn)今靜作用光輪壓路機(jī)，20世紀(jì)30年代產(chǎn)生了振動壓實理論，即在傳統(tǒng)靜作用壓實機(jī)械和振動裝置基礎(chǔ)上發(fā)展起來，達(dá)到壓實效果好、生產(chǎn)效率高及節(jié)省能耗，可以適應(yīng)不同的壓實工況，受到廣大研究者、制造者和使用者的重視和青睞。振動壓路機(jī)壓實機(jī)構(gòu)由簡單的拖式振動壓路機(jī)，發(fā)展到結(jié)構(gòu)復(fù)雜的輪胎驅(qū)動自行式單鋼輪振動壓路機(jī)和雙鋼輪串聯(lián)式振動壓路機(jī)，同時液壓及電子技術(shù)和壓實機(jī)械自身技術(shù)也得到不斷的發(fā)展。

對于壓實機(jī)構(gòu)來說，現(xiàn)有技術(shù)裝置中因其結(jié)構(gòu)欠缺科學(xué)合理的原因，主要存在著旋轉(zhuǎn)軸單點受力，旋轉(zhuǎn)軸在集中受力點的位置受到很大的剪切力，從而造成旋轉(zhuǎn)軸的彎曲變形較大，且軸承磨損大，整機(jī)振動大，運(yùn)行噪聲大，導(dǎo)致壓路機(jī)的使用壽命短，返修率高。在認(rèn)真而充分調(diào)查、了解、分析、總結(jié)、研究現(xiàn)有技術(shù)及現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，特采取設(shè)置偏心塊及偏心半環(huán)關(guān)鍵技術(shù)，研究一種新的振動壓實機(jī)構(gòu)裝置，解決了已有技術(shù)及現(xiàn)狀存在的不足、缺陷與弊端，并進(jìn)一步探索在振動壓路機(jī)上的應(yīng)用研究。

1 方案設(shè)計

根據(jù)振動壓路機(jī)壓實物料的基本要求，引入多點受力分散作用于固定在鋼輪中心的旋轉(zhuǎn)軸上。如圖1所示，設(shè)計一種新的振動壓實機(jī)構(gòu)裝置，由旋轉(zhuǎn)軸、A軸承、B軸承、壓路機(jī)鋼輪、偏心塊、偏心半環(huán)構(gòu)成；旋轉(zhuǎn)軸的兩端與壓路機(jī)鋼輪兩側(cè)板的中心位置通過A軸承及B軸承固定連接，其壓路機(jī)鋼輪內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸與偏心塊及偏心半環(huán)均固定連接。壓路機(jī)鋼輪為兩端封閉的管狀結(jié)構(gòu)，偏心塊為截面呈半圓形的塊狀結(jié)構(gòu)，偏心半環(huán)為弓狀結(jié)構(gòu)。偏心塊與偏心半環(huán)安裝后所構(gòu)成的角度為0°～180°角范圍內(nèi)可調(diào)。旋轉(zhuǎn)軸由驅(qū)動馬達(dá)來驅(qū)動。實際應(yīng)用中，偏心塊與偏心半環(huán)安裝后所構(gòu)成的角度分別為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°，分別可以突現(xiàn)小振、大振、介于大小振之間不同擋位振動。圖2為常規(guī)偏心塊的主視及剖面?zhèn)纫暿疽鈭D；圖3為特制偏心半環(huán)的主視及斷面剖視示意圖。

從表4中可以看釬縫組織中心區(qū)主要合金元素是6%左右的Mn，主要元素是含量92%左右的Cu，形成均勻的Cu-Mn基固溶體組織，具有良好的塑性，能有效釋放硬質(zhì)合金側(cè)的焊接接頭殘余應(yīng)力。

The decision to accept a marginal donor organ is made on a recipient focused individualized basis rather than speci fic values,parameters or conditions [Figure 2].

對偏心塊與偏心半環(huán)的安裝角度為0°角而實現(xiàn)大振狀態(tài)下的側(cè)視示意圖。圖5中內(nèi)部的箭頭表示偏心塊與偏心半環(huán)的繞軸心旋轉(zhuǎn)方向、外部的箭頭表示壓路機(jī)鋼輪的行進(jìn)方向。從圖4到圖5可以實現(xiàn)小振、又可以實現(xiàn)大振、還可以實現(xiàn)介于大小振之間不同擋位的振動。其實現(xiàn)大振、小振、介于大小振之間不同擋位的振動是通過對偏心塊與偏心半環(huán)的安裝角度來實現(xiàn)：當(dāng)如圖4對偏心塊與偏心半環(huán)的安裝角度為180°角的時候，便可實現(xiàn)小振；壓路機(jī)行駛中，偏心塊和偏心半環(huán)組成激振深度壓實機(jī)構(gòu)對壓實路面的激振力為

壩址區(qū)主要物理地質(zhì)現(xiàn)象為基巖風(fēng)化，由于巖體較完整，礦物顆粒細(xì)微均勻，結(jié)構(gòu)致密，風(fēng)化程度相對較弱。強(qiáng)風(fēng)化帶表現(xiàn)為巖體裂隙發(fā)育，巖石棱角不清，錘擊易碎，斷面可見新鮮面，用鎬可挖掘。弱風(fēng)化帶裂隙較發(fā)育，巖石棱角可見，巖體多被切割成小塊狀，裂隙間有次生礦物充填，錘擊聲脆，斷口為新鮮面，不能用鎬挖掘，需爆破開挖。左岸基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚2～3 m，弱風(fēng)化層厚4.0～6.0 m，右岸基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚3～4 m，弱風(fēng)化層厚4.0～6.0 m，壩基強(qiáng)風(fēng)化層厚1.5～3.5 m，弱風(fēng)化層厚2～3 m。巖體中黑云角閃斜長片麻巖的風(fēng)化程度較變質(zhì)二長花崗巖強(qiáng)烈。

2 實際應(yīng)用分析

楊之光說：“我與石魯交情甚深，他是我敬佩的一位畫家。石魯不僅傳統(tǒng)學(xué)識深厚而且精通西方藝術(shù)史，說他是藝術(shù)大師一點不為過?！?/p>

偏心塊產(chǎn)生常規(guī)的振動旋轉(zhuǎn)力壓實的效果，特制的偏心半環(huán)可以實現(xiàn)與常規(guī)偏心塊互相疊加、抵消或一定角度的分力作用于土壤物料，可以實現(xiàn)串聯(lián)式、智能式的多模式振動壓實，實現(xiàn)對各種不同物料或同種物料的不同壓實階段的振動夯實。同時，采用弓形設(shè)計可以多點作用于旋轉(zhuǎn)軸上，防止應(yīng)力集中。因此采取設(shè)置偏心塊及偏心半環(huán)關(guān)鍵技術(shù)，其旋轉(zhuǎn)軸的兩端與壓路機(jī)鋼輪兩側(cè)板的中心位置通過A軸承及B軸承固定連接，壓路機(jī)鋼輪內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸與偏心塊及偏心半環(huán)均固定連接；偏心塊與偏心半環(huán)安裝后所構(gòu)成的角度為0°～180°。新的方案在原有振動基礎(chǔ)設(shè)備偏心塊的基礎(chǔ)上，增設(shè)偏心半環(huán)，進(jìn)而實現(xiàn)小振、大振、介于大小振之間不同擋位振動，新的振動壓實機(jī)構(gòu)裝置方案在具體使用時，只需把偏心塊及偏心半環(huán)安裝在鋼輪中心的旋轉(zhuǎn)軸上，由驅(qū)動馬達(dá)來旋轉(zhuǎn)驅(qū)動即可使用實現(xiàn)，簡單易行、效果穩(wěn)定可靠，便于今后廣泛推廣應(yīng)用。

壓實過程就是壓路機(jī)的行走過程，如圖4所示，具體的說就是壓路機(jī)鋼輪的行走過程。壓路機(jī)鋼輪在行走過程中，由驅(qū)動馬達(dá)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)帶動偏心塊及偏心半環(huán)旋轉(zhuǎn)，偏心塊及偏心半環(huán)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏心激振力，從而對路面便實施了夯實的操作。當(dāng)偏心塊與偏心半環(huán)的安裝角度設(shè)計為180°角時，可實現(xiàn)小振，該狀態(tài)下的側(cè)視示意圖見圖4。

表示偏心塊繞軸心旋轉(zhuǎn)的角速度、

表示偏心半環(huán)繞軸心旋轉(zhuǎn)的角速度、取

=

、最下面的箭頭表示壓路機(jī)鋼輪的行進(jìn)方向。

(

)=(

1

×

1

-

2

×

2

)×

×

(

)

(1)

當(dāng)如圖5所示的情況，對偏心塊與偏心半環(huán)的安裝角度為0 度角的時候，便可實現(xiàn)大振；同理，激振力為

其中，

1

為偏心塊的質(zhì)量，單位kg；

1

為質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)中心軸的距離，單位為m；

2

為偏心半環(huán)的質(zhì)量，單位kg；

2

質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)中心軸的距離，單位為m；

為偏心塊和偏心半環(huán)繞軸旋轉(zhuǎn)的相同角速度，單位rad·s

。

(

)=(

1

×

1

+

2

×

2

)×

×

(

)

(2)

當(dāng)偏心塊與偏心半環(huán)的相對位置處于0°～180°之間時，可以實現(xiàn)大小振之間不同擋位的振動。

目前，一般振動壓路機(jī)的激振機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的激振方式大都是慣性式激振器，通過振動輪對外表現(xiàn)的振動方式為振蕩、垂直振動和非定向式等，或以力的形式作用形成振動和以力偶的共同形式作用的振蕩式兩種；無論實現(xiàn)振動還是振蕩作用，都依賴于安裝在鋼輪軸上的特定裝置，即振動機(jī)構(gòu)。振動機(jī)構(gòu)包括整體式和內(nèi)振動室式，但都以單點受力的形式作用于中心軸，必然引起作用點的應(yīng)力集中，容易損壞。

本設(shè)計無論是小振還是大振，或是介于大小振之間不同擋位的振動，均使旋轉(zhuǎn)軸的受力點實現(xiàn)了分散。如原理圖6所示，圖中的1表示A軸承的承受力，2表示B軸承的承受力，從上向下的箭頭表示對旋轉(zhuǎn)軸分散的激振力。從而實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)軸由單點受力改為多點受力，旋轉(zhuǎn)軸在分散受力點的狀態(tài)下其剪切力大大減小，使旋轉(zhuǎn)軸的彎曲變形小，且軸承磨損小，整機(jī)振動小，運(yùn)行噪聲小，壓路機(jī)的使用壽命長，返修率低。工作過程極為簡單，結(jié)構(gòu)簡單巧妙、使用操作方便、效果穩(wěn)定可靠、便于廣泛推廣應(yīng)用。

3 結(jié)語

該技術(shù)方案由于采取了設(shè)置偏心塊及偏心半環(huán)關(guān)鍵技術(shù)；旋轉(zhuǎn)軸的兩端與壓路機(jī)鋼輪兩側(cè)板的中心位置通過A軸承及B軸承固定連接，壓路機(jī)鋼輪內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸與偏心塊及偏心半環(huán)均固定連接；偏心塊與偏心半環(huán)安裝后所構(gòu)成的角度為0°～180°。獲得了如下有益效果：1)采取了設(shè)置偏心塊及偏心半環(huán)關(guān)鍵技術(shù)，提供了一種新的振動壓實機(jī)構(gòu)裝置的壓路機(jī)新產(chǎn)品樣機(jī)。2)構(gòu)思獨特巧妙、結(jié)構(gòu)科學(xué)合理、使用方便簡約、效果穩(wěn)定可靠。3)旋轉(zhuǎn)軸由已有技術(shù)及現(xiàn)狀的單點受力改為多點受力，旋轉(zhuǎn)軸在分散受力點的狀態(tài)下其剪切力大大減小，從而可使旋轉(zhuǎn)軸的彎曲變形小，節(jié)省旋轉(zhuǎn)軸材料，且軸承磨損小，整機(jī)振動小，運(yùn)行噪聲小，壓路機(jī)的使用壽命長，返修率低。解決了現(xiàn)有技術(shù)及現(xiàn)狀存在的不足、缺陷與弊端，獲得了預(yù)期的良好效果。

[1] Zaizhan An, Tianyun Liu, Qinglong Zhang, et al. Vibration compaction process model for rockfill materials considering viscoelastic-plastic deformation[J]. Automation in Construction, 2021, 131(11): 103889.

[2] Haiyang Luo, Yuefang Wang. Dynamics of a continuum rotor with two nonlinear models of bearing and transverse electromagnetic excitations[J]. Journal of Vibration Engineering & Technologies, 2015, 3(1): 49-64.

[3] 高峰,王娜. 振動壓路機(jī)參數(shù)對壓實質(zhì)量的影響[J]. 建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理, 2015，28(4): 65-67.

[4] Peihui Shen. Hysteresis Modeling and Analysis for Dynamic Compaction[J]. Advanced Material Research, 2014, 1037(1): 53-56.

[5] Peihui Shen, Shuwen Lin. Mathematic Modeling and Chaotic Identification for Practice Construction in Vibratory Compacting[J]. Journal of Vibration Engineering and Technologies, 2018, 6(1): 1-13.

[6] 王飛. 瀝青路面攤鋪機(jī)作業(yè)過程仿真及振動裝置研究[D]. 西安: 長安大學(xué)，2013.