一種振動壓路機剖分式鋼輪結構設計

裴志明

（長安大學工程機械學院，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定土或瀝青混合料進行壓實的路面機械，主要用來提高路面和路基的密實度和穩定性，提高被壓實材料承受載荷的能力，是公路修建與養護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構所產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構強度，提高被壓實材料的抗滲性和水溫穩定性，提高被壓實材料的承載能力，延長相應公路的使用壽命，降低公路養護費用[3]。壓路機廣泛應用于道路施工中，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、施工地區地形以及施工工藝的差別，全球各壓路機廠家生產了門類繁復、規格各異的壓路機[3]。我國壓路機行業的權威組織統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品的發展現狀，并以此為依據，結合壓實作業的不同機理，對我國壓路機產品進行分類，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行壓實作業，進行一遍壓實后，對土壤干密度的提升作用較小，壓實效率較低，單位體積或單位質量能提供的壓實功較小，通常情況下用作薄壓實層的預壓。由于振動鋼輪壓路機可以關閉振動功能，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行壓實作業時不會因壓實作用破壞路面材料顆粒，所以經常用于路面終壓，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，減小土方顆粒間的黏滯力，同時振動鋼輪所產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，是壓實技術的一次飛躍，標志著壓路機發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量所產生的壓實功遠高于傳統壓路機，適用范圍也較傳統壓路機更廣泛，所以振動壓路機在業內廣受歡迎，成為壓路機市場的主流。振動壓路機根據所裝配鋼輪數目可以分為兩類，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計

2.1 振動輪工作原理

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

2.2 振動輪總體結構

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、行走機構、減振系統、附屬機構這五部分[8]。傳統振動鋼輪輪體由一塊鋼板卷制而成，鋼輪寬度較長，在轉向過程中會存在較大的轉向阻力，導致混合料的推移以及路面的破壞。

本文設計的是一種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支承進行連接，減少了左右兩部分在發生相對轉動時的轉動阻力，提高了鋼輪左右兩部分在裝配時的對心性，減少了因裝配而導致振動軸承、行走軸承壽命縮短的問題，提高了轉彎時的壓實質量。在轉彎時，外鋼輪的旋轉速度比內鋼輪快，消除了標準振動鋼輪設計中路面出現撕裂的可能性。

剖分式鋼輪結構如圖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。傳統振動鋼輪需要設置單獨的潤滑油腔對鋼輪內部元件進行潤滑，剖分式鋼輪可以利用鋼輪輪體自身結構焊接筋板形成潤滑油腔，方便對內部結構進行潤滑，也可以對鋼輪結構進行簡化。在進行壓實工作時，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支承連接成為整體，共同完成壓實作業。

圖1 剖分式鋼輪結構圖

2.3 轉向阻力計算

單個驅動輪在驅動力矩的作用下，地面對車輪產生沿車輪切線方向的反作用驅動力。當驅動輪偏轉某一角度時，驅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。當車輪以半徑R繞轉向中心點O沿彎道行駛時，壓輪上各接地點運行的路程是不相等的，外側的運行路程肯定大于內側。若車輪中心平面是作純滾動的，車輪的外側就必然有向前的滑移速度（bw/2），內側有向后的滑移速度（-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的滑動摩擦阻力向后，地面給車輪內側的滑動摩擦阻力向前，即地面給了車輪一個與其偏轉方向相反的摩擦阻力矩，這個阻力矩企圖使車輪恢復到直線行駛狀態。

圖2 彎道行駛時車輪阻力矩示意圖

剖分式鋼輪的轉向阻力矩應按照式（1）進行計算：

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，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。

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

圖3 鋼輪轉向阻力圖

2.4 回轉支承選型

回轉支承又稱轉盤軸承，是新出現的大型機械零部件，在工程機械領域，多用于挖掘機回轉齒圈部位及其他重型機械的回轉部位。回轉支承按照其滾子可分為單排球式回轉支承、雙排球式回轉支承、交叉滾柱式回轉支承、三排滾柱式回轉支承。其中，單排四點接觸球式回轉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，回轉支承的作用是保證剖分式鋼輪在轉向時左右兩個鋼輪可以發生相對轉動。

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速差為42.4 r/min[10]。根據以上條件，在表1 中選擇合適的回轉支承。

表1 回轉支承型號表

根據條件，選取型號為010.30.500 的回轉支承。

3 結論

本文主要對剖分式鋼輪進行結構設計，并通過計算得到剖分式鋼輪的轉向阻力遠小于傳統鋼輪的轉向阻力，在工程應用中，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，進行轉向力矩的計算和回轉支承的選型，為剖分式鋼輪的設計提供參考。