沖擊振動壓路機工作特性及試驗研究

郭增彩，張 洪，高廣恒，蔡言龍，劉利寶

（太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024）

目前，國內外施工中使用的壓實設備多為振動壓路機和沖擊壓路機，隨著壓實技術的發展和進步，工程實踐中壓實方式由以前單一的靜力、振動、沖擊壓實發展到靜力、振動、沖擊等多種壓實方式復合施工，以達到強化壓實的目的。本次研究的沖擊振動壓路機，就是將沖擊作用與振動作用有機結合起來的一種新機型。它的工作效率高、壓實深度大，適用于從砂性土到粘性土的壓實，對含水量要求也比較寬松。振動軸和沖擊軸各自工作，互不干擾，克服了由同一根軸同時擔任振動軸和沖擊軸所帶來的水平沖擊大、工作不平穩的缺點。

1 沖擊振動壓路機整機結構

依據振動壓實技術和沖擊壓實技術相結合的理論提出了新型復合壓路機。根據行走方式將該壓路機分為自行式結構和拖式結構。拖式結構中牽引車可以是推土機、裝載機和其它經過改裝并能滿足牽引作業要求的工程車輛。工作輪的工作系統是由沖擊系統和振動系統兩大系統組成，并可以設定每個系統的工作狀態，有沖擊、振動和沖擊－振動3種模式，可以實現一機多用，從而擴大了設備的工作范圍、提高了設備利用率、降低了生產成本并有效地提高了工作效率。

1.1 沖擊振動壓路機工作裝置結構

沖擊振動壓路機工作裝置是由牽引緩沖裝置和工作輪機構組成。工作輪機構是由可使機器作業時拍擊地面產生沖擊力功能的分體組合式沖擊振動輪和可使機器產生振動力功能的振動激勵發生裝置組成。分體組合式沖擊振動輪是由鋼輪、沖擊軸、沖擊塊等組成，振動激勵發生裝置是由液壓馬達和偏心軸組成。連接盤通過減振器與車架相連，牽引機構通過車架將動力傳到工作輪，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，根據工況需要可制成3塊、4塊、5塊，本次研究的沖擊振動壓路機的沖擊塊采用3塊。

1.2 工作輪工作原理

圖1 壓路機工作裝置結構圖

圖2 沖擊塊工作過程示意圖

沖擊振動壓路機工作時，工作裝置在牽引車的拖動下，鋼輪在被壓材料上滾動前進，沖擊塊繞著沖擊軸運動，圖2a位置為沖擊塊未轉動的某一狀態，當運動到圖2b位置沖擊塊處于脫離鋼輪的臨界狀態，繼續向前運動直到如圖2d中所示的沖擊塊開始沖擊地面，圖2為一個工作行程。就這樣，體位不斷升高和降低,拍打著地面，對地面產生沖擊作用施以沖擊壓實；同時開動液壓馬達帶動偏心軸旋轉，工作輪產生確定頻率的振動，并通過鋼輪和沖擊塊對土壤實施振動壓實；這樣沖擊塊就同時產生沖擊與振動復合壓實作用。當沖擊塊完成拍擊地面的動作后，隨著鋼輪的旋轉，沖擊軸向上抬起，帶動沖擊塊邊沿地面滾動邊收回，直到下一個工作位置，重復以上過程。該裝置共有3個沖擊塊，工作輪每轉動一圈便產生3次沖擊力。工作輪連續地轉動，即可獲得連續不斷的沖擊力。

若關閉液壓馬達，則振動系統停止工作，此時整機僅具有沖擊功能和靜碾功能；若鎖定沖擊機構，則僅具有振動功能和靜碾功能。

2 機械性能與系統結構參數的關系

2.1 工作特性與結構參數的關系

當工作輪在施工時，鋼輪邊行走邊對土壤產生振動壓實，沖擊塊對土壤產生沖擊壓實和滾動揉搓壓實。牽引主機消耗的功率P主要用于克服夯實PA、滾壓阻力Pf和振動壓實P三部分,由此可以推出機械壓實土壤做功與工作機構結構參數之間的關系

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效果與沖擊塊的寬度b、工作行程Δh、沖擊塊質量m都有關，合理地選擇b、Δh和m，會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的關系

沖擊能量與結構尺寸、質量的關系如圖3所示。從圖3可以看出，工作輪徑D和沖擊塊寬度b決定沖擊塊質量m的量值，b亦與壓實生產率成正比關系，所以加大D和b對提高m、Δh以及生產率均有利。但D和b取太大會引起工作輪接觸面上載荷下降，壓實影響深度減小，所以選擇D應與所需的m和Δh同時綜合考慮。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量的關系

2.3 壓實特性與機械性能參數的關系

對于同種類型的待壓實土壤，沖擊力的大小決定了沖擊壓實效果的優劣，沖擊塊對地面所產生的沖擊力與沖擊塊轉動的線速度有關，可根據沖量定理來計算沖擊壓實過程中的平均沖擊力F

式中 m——沖擊塊的質量，kg；

v1——沖擊初速度，m/s；

v——沖擊末速度，m/s；

t——沖擊作用時間，s。

由沖量定理可知：動量的改變完全取決于合外力的沖量。所以，沖擊塊沖擊作用時間是很關鍵的問題，實踐證明，它不僅與壓實機沖擊物料的種類有關，而且與物料含水量、密實度有關，表1為不同土質最佳夯擊時間。

表1 不同土壤的夯擊時間 (s)

2.4 沖擊塊的結構分析

異形截面沖擊塊的參數是沖擊振動壓路機達到大振幅沖擊功能的主要特征參數，除了沖擊塊質量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，又要利于下一個工作循環的順利過渡，在保證拍擊面積的前提下盡量減小滾動阻力。沖擊塊有均勻壁厚和非均勻壁厚兩種結構形式。為了滿足研究的需要，最終確定采用均勻壁厚的結構形式。

3 試驗樣機的研究

為了說明所研究的沖擊振動壓路機的可行性，采取試驗的方法來驗證。考慮到試驗的可比性，根據相似理論，在保證整機工作特性的情況下，試驗裝置的尺寸是將整機的結構尺寸按比例縮小4倍而成，作為壓路機樣機進行試驗。

3.1 試驗樣機的簡化

為了保證樣機能如實反映整機特性，對整機結構進行了合理的簡化，對試驗樣機做如下更改：①試驗樣機的激振源用小功率電機代替液壓馬達，并把電機裝在后車架上，可增加整個工作裝置的穩定性；②沖擊軸與鋼輪的連結采用滑動軸承，由于滑動軸承的油膜能緩沖吸振，耐沖擊、承載力大、結構簡單、裝拆方便，克服了因軸承結構尺寸減小帶來的承載能力下降的問題。

3.2 試驗樣機主參數計算

1）沖擊能量計算 利用Solidworks可以直接求出沖擊塊的質量和重心。首先進入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體模型，并賦予沖擊塊的材質為20鋼。在三維建模軟件中，根據模型的體積和材質自動計算模型的質量m和重心。根據運動軌跡測出重心變化高度Δh=161mm,其中沖擊塊質量m=14.79kg,根據公式（2）得沖擊能量E=23.34J。

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

從試驗樣機計算出的沖擊能量23.34J，可以推出整機的沖擊能量為5.98kJ，滿足本次的設計要求，同時沖擊力也滿足設計要求。

4 結 語

本文從工作裝置的結構出發，研究了工作輪的工作原理，分析了工作輪的壓實過程，通過工作輪的機械性能與系統結構參數關系，確定了沖擊塊的結構形式與外形尺寸,運用相似理論對整機結構尺寸進行縮放制作試驗樣機，用理論方法對樣機性能進行了計算，驗證了整機的可行性，推出整機性能的正確性與有效性，為產品的開發設計提供了參考。