压路机分体式冲击轮的分析计算

田 娇，张 洪，胡 亮，唐必亮，赵 继

(太原科技大学机械工程学院，太原030024)

冲击振动压实机，是一种既能直接拍击地面产生冲击力，同时又能产生振动力的新型压实机械。它是把压路机冲击轴和振动轴分离，冲击轴上带有冲击块，在牵引机的牵引下，在振动轮振动的同时会向前滚动压实，相应的冲击块会对被压材料产生冲击作用，以达到复合压实(振动、滚压、冲击相结合)的目的。该种冲击轮采用分体组合式机构，这种结构比整体式结构作业滚动阻力小得多，克服了水平冲击力，可以减小机械振动和故障，改善工人作业环境。因此使机器的减振缓冲装置结构简单;可以采用较小的牵引动力，降低使用成本和节约能源;冲击振动工作轮可以同时产生冲击力和振动力，在实施土壤压实时比只有冲击力压实效果好。

1 分体式冲击轮的结构

如图1所示非等半径截面冲击轮是由若干个不等半径弧面的冲击块1通过支承轴4组装在轮架的幅轮6上。当工作轮向前滚动，冲击块会依次绕其支承轴旋转拍击地面产生冲击力，实施冲击压实;同时激振器产生确定频率的振动，通过幅轮和冲击块对土壤实施振动压实。冲击和振动同时作用地面，大大提高压实效率。当冲击轮完成拍击地面后，随着幅轮的滚动支承轴向上提起，带动冲击块边沿地面滚动同时收回到轮架内。

当转场或不需要工作轮做冲击动作时，可以将止动销5插入冲击块1上的销孔内，冲击块和钢轮锁为一体。

图1 分体式冲击轮的结构示意图Fig.1 Illustration of the split-type impact wheel

2 冲击块的工作过程分析

冲击块所做的运动为复合运动，即绕着支承轴的转动和随着钢轮平动的运动的合成。图2描述了冲击块从开始离开幅板到冲击地面的四个工作受力状态。中心线代表冲击轮的质心所在的位置，冲击轴的轴心到它的距离恒定的。图2(a)中肋板作用冲击块的支撑力N4水平向左;图2(b)中离心力和支撑轴的支撑力处于竖直方向，冲击块处于脱离幅轮的临界状态，冲击块质心速度水平向左，做类似平抛运动;图2(c)中是拍击地面前的一任意时刻;图2(d)中冲击块开始冲击地面，冲击块的速度向下，速度由最大变为0，地面的反力即冲击力的大小。

图2 冲击块的工作受力示意图Fig.2 Illustration of working force of impact mass

3 振动部分的设计计算

分体式冲击轮的振动部分采用单轴旋转惯性激振器，产生的离心力使冲击轮做圆周运动。

3.1 工作振幅和名义振幅

工作振幅A是随机参数，而名义振幅

式中m0—激振器的质量(331 kg);e—偏心轴的偏心距离(20 mm);m—振动质量(9 200 kg).

3.2 振动加速度

式中ω—激振器的角频率(306 rad/s).振动加速度用重力加速度g(9.81 m/s2)的倍数表示，它反映了振动压路机对地面动态冲击力的大小，其值控制在4～10个g.过小的振动加速度，产生的动态冲击力很小，体现不出振动压实的优越性;过大的振动加速度，将导致被压实材料出现离析现象，即大质量的骨料颗粒在振动状态下产生较大垂直于地面的惯性力，使之沉降在铺层材料的底部，而小质量的颗粒将“浮”在面层，这种大小分层离析破坏了筑路材料的级配状态。

3.3 激振力

激振力F0是由偏心振子激振器高速旋转式的离心力形成的，它只和振子的静偏心距Me(Me=m0e)及角频率ω有关。

3.4 冲击轮的振动功率

(1)冲击轮的振动所需的功率

振动轮在激振力F0的激励下产生振动，该激励在垂直方向的分力为F0sinωt，并且在垂直方向移动dx距离所作的微功为dW=F0sinωt，因为 dx=，将其代入上式可得:

由此可得克服振动阻力所需的功率:

(2)振动轴承的摩擦功率损失

振动轴承受到径向压力P的作用于是产生摩擦功率损失为:

式中μ—轴承的摩擦系数，单排滚子轴承取μ=0.005，双滚子轴承取μ=0.007;P—轴承径向压力，N;d—轴承平均直径，m;ω—轴承旋转角速度，rad/s.

(3)总功率

根据功率消耗选取激振器的驱动马达，其额定功率为22 kW.

3.5 线载荷

线载荷是沿压轮轴向单位长度上土壤所施加的静压力，也称线压力。

式中G—压轮上的分配载荷，112 kN;

b—压轮宽度，280 cm.

4 冲击部分的设计计算

4.1 冲击能量

设轮心的速度为vc，牵引车带动冲击轮以7 km/h的速度工作。

冲击块转动的动能:

冲击块平动的的动能:

冲击块重力势能:

根据能量守恒定律，在冲击块的下落过程中，其动能和势能以大部分的形式转化成对地面的冲击能量，其他一小部分能量被钢轮和其他机构所消耗，所以冲击能量:

4.2 冲击速度

冲击块在冲击地面时竖直方向上的速度为:

水平方向上的速度为:

合速度为:

方向与水平方向成53°.

4.3 冲击力

设冲击块与地面的接触时间为0.02 s，根据动量定理:

5 结语

从冲击路块运动状态的受力分析得到，冲击块周期性的做着拍击地面的运动，它是以支撑轴为中心的转动和随着钢轮的平动合成的平面运动。分体式冲击轮具有振动和冲击两部分工作机构，本文从定性到定量对分体式冲击轮的各项参数进行设计计算，最后得出分体式冲击轮的部分技术参数如下表1所示，这些参数为进一步的冲击振动压实机的动力学模型仿真以及冲击轮工作时地面的压实效果分析提供理论基础和依据。

表1 分体式冲击轮的技术规格Tab.1 Technical specifications to the split-type wheel

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