YZ20D型振动压路机总体设计【说明书+CAD】
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XXXX 大学 本科毕业设计(论文) 题目:YZ20D 型振动压路机总体设计 系 别: 机电信息系 专 业:机械设计制造及其自动化 班 级: 1230203 学 生: XXXX 学 号: 123020302 指导教师: XXXX 2011 年 05 月 毕业设计(论文)任务书 系别 机电信息系 专业 机械设计制造及其自动化 班 1230203 姓名 XXXX 学号 123020302 1.毕业设计(论文)题目: YZ20D 型振动压路机总体设计 2.题目背景和意义: 振动压路机是利用机械自重和激振器产生的激振力,迫使土壤产生 垂直振动,急剧减小土颗粒间的内摩擦力,达到压实土壤的目的。振动压实可以根据不同 的铺筑材料和铺层厚度,合理地选则振动频率的振幅,提高压实效果,减少压实遍数。振 动压路机的压实深度和压实生产率均高于静力压路机,是一种理想的压实设备。振动压路 机最适宜压实各种非粘性土(砂、碎石、碎石混和料)及各种沥青混凝土等。是公路、机 场、海港、堤坝、铁道等建筑和筑路工程必备的压实设备。 3.设计(论文) 的主要内容(理工科含技术指标): (1)设计概述(设计的目的,内容和方法) ; (2)总体设计参数的确定与计算;1)主要技术参数的确定; 2)发动机功率计算; (3)爬坡能力校核; (4)建立振动压路机的数学模型及运动方程; (5)振动压路机的动态响应; (6)振动压路机液压系统介绍; (7)绘制图纸,其中包括 : 压路机总体结构图; 前车架; 后车架; 振动轮及 1 2 3 4 其它结构图纸。其中,至少有一张 3 号图纸应用 AUTOCAD 软件绘出。 (8)编写设计说明书一份; 4.设计的基本要求及进度安排(含起始时间、设计地点):要求: (1)有部分计算机绘图,图纸布局合理,结构正确,图面质量好; (2)按时完成开题报告及中期报告; (3)论文要有英文摘要 进度安排:1)1-4 周,下达任务书,收集资料,撰写开题报告; 2)5-6 周,总体设计参数的确定与计算;爬坡能力校核;建立振动压路机的数 学模型及运动方程; 3)7-10 周,振动压路机的动态响应及液压系统介绍;装配图设计,完成外文 翻译、撰写中期报告; 4)11-15 周,完成全部零件设计 5)16-17 周,撰写毕业设计论文 6)18 周,整理资料,准备答辩。 设计地点:XXXX 大学 5.毕业设计(论文)的工作量要求 实验(时数) *或实习(天数): 3 天 图纸(幅面和张数) *: 不少于 3 张 0 号图纸 其他要求: 英文翻译汉字字数在 3000 字以上;中文文献不得少于 15 篇,外文文献不 少于 3 篇 指导教师签名: 年 月 日 学生签名: 年 月 日 系(教研室)主任审批: 年 月 日 说明:1 本表一式二份,一份由学生装订入附件册,一份教师自留。 2 带*项可根据学科特点选填。 I YZ20D 型振动压路机总体设计 摘 要 振动压路机是一种高效的压实机械,广泛应用于道路建设施工中。目前国 产振动压路机以中小吨位和机械传动方式为主,而性能优良的全液压重型振动 压路机主要依赖于进口。为彻底改变这种现状,必须研制和生产具有自主知识 产权的高性能重型振动压路机。 本文本论文简述了国内外压实设备和压实技术的发展概况、振动压实的原 理、振动轮的结构和工作原理、振动压路机的压实特性与压实效果,动力学特性 和振动压实机理进行了研究与分析,建立了振动轮的数学模型,明确了振幅、 加速度、激振力、对地面作用力与振动频率之间的动态响应关系,以此作为参 数的设计依据,计算出了 YZ20D 型振动压路机的整机工作质量、振动频率、振 幅、激振力、发动机功率等压路机压实作业中重要的振动性能参数及振动轮等 关键技术结构进行研究及确定,最大功率。 本文在理论分析和计算的基础上,完成了 YZ20D 型振动压路机总体和液压 系统、振动轮总成等主要部件的设计。 关键词: 振动压路机; 总体参数;功率计算;爬坡校核;液压系统 II YZ20D Type Vibratory Rollers Overall Design Abstract Vibratory roller is a kind of highly efficient compaction machine which is widely used in the road construction. Most of domestic vibratory rollers adopting mechanical transmission are light or medium size at present, while full hydraulic and heavy vibratory rollers with high performance are mainly depended on importation. To change the actuality completely, the heavy vibratory rollers with high performance an our own intellectual property rights must be developed and manufactured. The general development of road rollers is stated in this paper. The theories of vibratory compacting and the configuration and work theory of vibratory wheel and the compact characteristic and effect of vibratory road roller are introduced. In this paper the physical property, dynamic characteristics and vibration compaction mechanism of soil are studied and a mathematical model of vibratory rollers is created. The dynamic responses between the amplitude, acceleration, exciting force, acting force on the ground and vibration frequency are determined, and according to which, frequency, amplitude and mass are designed. Determine the important vibratory performance specifications for the compaction operation of roller,such as the operating mass,vibratory frequency,amplitude,centrifugal force,power of engine and so on. Based on theoretical analysis and calculation, the overall design of model YZ20D vibratory roller and the main part design of hydraulic system,roller and vibration damping system have been complished. Key Words: Vibratory roller;the overall parameters;Grade ability check ;shock absorbers;Hydraulic system III 目录 1 绪论 .1 1.1 研究的背景 .1 1.2 研究的意义 .1 1.3 国内外相关研究现状 .2 1.3.1 国内研究情况 .2 1.3.2 国外研究情况 .2 1.4 研究的主要内容 .3 2 振动压路机设计综述 .4 2.1 振动压路机 .4 2.1.1 振动压路机的种类 .4 2.1.2 振动压路机的基本结构和特点 .5 2.1.3 振动压实的基本原理 .5 2.1.4 振动压实的性能特点 .6 2.1.5 振动压实的结构特点 .6 2.2 振动压路机总体设计 .7 3 总体参数确定及部件设计计算 .10 3.1 振动压路机总体参数的确定 .10 3.1.1 振动压路机总体参数的选择依据 .10 3.1.2 名义振幅的选择 .10 3.1.3 振动压路机工作频率的选择 .11 3.1.4 振动压路机部分质量的确定 .12 3.1.5 振动压路机振动加速度的校核 .14 3.1.6 振动压路机工作速度的确定 .14 3.1.7 激振力 0F和振动压路机对地面的作用力 Fs.16 3.1.8 振动轮宽度和直径的确定 .16 3.2 振动压路机发动机功率的计算 .17 3.2.1 行驶功率 P1.17 3.2.2 转向功率 P2.18 3.2.3 换向功率 P3.19 IV 3.2.3 振动压路机的爬坡功率 4P(KW) .19 3.2.4 振动压路机的振动功率 P5.20 3.2.5 振动压路机的功率组合 .21 3.2.6 振动功率 P5 的研究讨论 .22 4 振动压路机爬坡能力校核 .28 4.1 爬坡能力的概述 .28 4.2 由牵引力决定的压路机爬坡能力 .28 4.3 由附着力决定的压路机爬坡能力 .29 5 压路机数学模型和运动方程的建立 .32 5.1 振动压路机数学模型的建立原则 .32 5.2 两个自由度系统振动压路机的运动方程 .32 5.3 运动方程中各个参数的取值 .35 6 振动压路机的动态响应 .37 6.1 位移-频率( x)和加速度-频率( a)曲线 .37 6.2 激振力-频率( 0F) 曲线和振动压路机对土的作用力-频率( SF) 曲线 .38 6.3 下车质量 2m对 曲线、 0曲线和 SF曲线的影响 .39 6.4 减振器刚度 1K对 x曲线的影响 .40 6.5 土的刚度和阻尼对 曲线的影响 .40 7 振动压路机液压系统 .41 7.1 液压传动性能特点分析 .41 7.2 振动压路机行走液压系统 .42 7.3 振动液压系统 .43 7.4 转向液压系统 .43 8 结论 .44 参考文献 .45 致 谢 .46 毕业设计(论文)知识产权声明 .47 毕业设计(论文)独创性声明 .48 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究的背景 我国公路建设正处于高速发展的阶段,交通建设一直作为我国国民经济建 设的重点投资领域,随着公路总里程的增加和出口量增多,需求量将逐年增长。 公路建设的投资为开发面向国内中、高档用户的超重型振动压路机提供了极其 广阔的市场空间。目前国内年产量 6000 台压路机中,振动压路机不到总产量的 70%,而发达国家为 90%以上,并且国内振动压路机产量中 14 吨以下的中小吨 位压路机仍占有相当比例,按国家有关要求规定,高等级公路建设必须采用 14 吨以上超重型压路机才能获得施工资格。根据近年来高等级公路建设中使用的 压路机已向 20 吨发展的情况,开发 20 吨超重型压路机市场前景较好阁。 现代公路都是在原始地面基础上,自下而上由自然土石方和各种混合料逐 层铺筑起来的各种结构层。这些结构层除了承受上层的重量载荷和车辆的流动 变载荷外,还要遭受日晒、雨淋、冰雪、洪水、地震等自然气候灾害的侵蚀与 破坏。如果各层材料压实不足,将直接导致道路面层出现沉陷、波浪、裂纹等 缺陷。路基和路面的早期破坏,将降低运输效率、提高运输成本、诱发交通事 故、危及行车安全、大幅增加道路养护成本。随着交通流量与大吨位车辆的与 日俱增,对道路强度、刚度、平整度和气候稳定性要求越来越高。为了适应这 些要求,必须对各铺层材料运用重型压实机械进行逐层压实以达到高标准的密 实度。经过良好均匀压实的铺层,材料颗粒间摩擦阻力和内聚力增大,道路强 度、刚度和承载能力大大提高;材料内部的空隙减少,颗粒之间结合更加紧密, 能抵抗水的渗透,改善道路的水稳定性和抗冰冻的能力;路面获得好的平整度, 车辆行驶更舒适、平稳 。工程实践证明,将筑路料的密实度增加 1%,道路的 承载能力会增加 10%15% 。尽管压实所需的费用只占总施工预算的 1%4%, 但压实结果对道路的使用寿命是至关重要的。 我国公路建设正逐步采用高的压实标准,为达到这样的标准,国家建设部 门规定,只有装备 16 吨级以上重型振动压路机的施工单位才具备参与高等级 公路建设的资质。因此,随着每年大量高速公路的开工建设,市场对于重型振 动压路机的需求量不断增加。目前国产振动压路机在压实性能、可靠性、液压 传动、电器控制等方面与国外产品相比还存在一定的差距,产品系列以中小吨 位机械传动 方式为主,而性能优良的全液压重型振动压路机主要依赖于进口。要彻底改变 西安工业大学北方信息工程学院 2 这 种现状,就必须研制和生产具有自主知识产权的高性能重型振动压路机,既能 满足市场需求,又能为我国高等级公路建设提供现代化的高效压实装备,确保 公路建设的质量。 1.2 研究的意义 振动压路机是施工工程的重要设备之一,用来压实各种土壤,碎石料,各 种沥青混凝土等。在公路施工中,多用在路基,路面的压实,是筑路施工中不 可缺少的压实设备。根据压路机工作原理,结构特点,操作方法和用途等的不 同,有 不同的分类方法。振动压路机是利用机械自重和激振器产生的激振力,迫使土 壤产生垂直振动,急剧减小土颗粒间的内摩擦力,达到压实土壤的目的。振动 压实可以根据不同的铺筑材料和铺层厚度,合理地选则振动频率的振幅,提高 压实效果,减少压实遍数。振动压路机的压实深度和压实生产率均高于静力压 路机,是一种理想的压实设备。振动压路机最适宜压实各种非粘性土(砂、碎 石、碎石混和料)及各种沥青混凝土等。是公路、机场、海港、堤坝、铁道等 建筑和筑路工程必备的压实设备。 YZ20D型超重型压路机是长沙中联重工科技发展股份有限公司以建设部长 沙建设机械研究院为依托,充分发挥其科技创新优势,瞄准国外压路机先进技 术,高起点研制成功最新推出的单钢轮全液压自行式压路机。该机采用现代工 业设计方法设计,选用原装进口的优质配置,是一种高品质,高可靠性,环保 型的产品。它可广泛用于各种等级的公路,铁路,机场,港口及各种工业场地 基础层和中间层的压实施工,特别适宜砾石,碎石,沙石混合料等非粘性土壤 的高效压实。YZ20D超重型振动压路机在安装装配式凸块构件后可用于块状和 粘土的压实。 1.3 国内外相关研究现状 1.3.1 国内研究情况 我国工程机械行业起步较晚,振动压路机的发展源于1961年西安公路交通 学院与西安筑路机械厂联合开发的3t自行式振动压路机。目前,国内已初步形 成以徐州工程机械厂、洛阳建筑机械厂为主的二十余家压路机生产厂家,能够 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 2 生产数十种型号规格的压路机产品。 国内压路机生产企业应充分认识到自身产品在技术性能上与国外先进产品 存在的差距,找出自己的不足,认真借鉴和学习国外产品的先进技术,并结合 国内市场的需要不断创新。只有奋起直追,才能为提高国产振动压路机竞争力。 长沙建设机械研究院以及中联重工业科技发展股份有限公司一直致力于振动压 路机的开发与实验工作并取得了显著的成绩。其中,YZ14,YZ16型压路机已开 发成功。1999年,长沙中联重工科技发展股份有限公司以建设部长沙建设机械 研究院为依托,充分发挥其科技创新优势,瞄准国外压路机先进技术,高起点 研制成功了YZ2OD型全液压双驱动振动压路机,这是长沙中联重工科技发展股份 有限公司凭籍建设部长沙建设机械研究院几十年从事压路机研究所取得的科研 成果和丰富的设计经验,在充分吸收借鉴九十年代未国内外最先进的压路机技术 的基础上而开发的压路机产品,是目前国内作用力最大,压实效果最佳的超重型 振动压路机。该机采用全液压双驱动,驱动桥内装了防止轮胎打滑的差速锁, 无级变速,钢轮振动,双频双幅,三级减震,发动机、液压系统和振动轴承等 关键零部件选用世界著名品牌,确保使用可靠。 我国压路机行业生产研制水平与我国经济建设仍不相适应,尤其是重型和 超重型振动压路机生产数量和品种依然较少,产品的可靠陛和外观质量等综合 技术经济指标和自动控制技术方面仍低于国外先进水平闹。积极引进国外先进 技术,加强技术创新,开发出具有自主知识产权和独特技术的产品,缩小与国 外先进生产企业的差距,对国内压路机生产厂家来说迫在眉睫。设计技术的整 体水平还处于经验设计时期,近十多年的压路机技术发展,大部分是通过技术 引进实现的。以技术模仿,降低零部件的成本为主;加强科学实验,进行技术 测试,建设高水平的实验室的进程还处于起步阶段;CAD技术,有限元分析,机 电液一体化,动态设计,仿真等现代设计技术还处于应用入门或水平较低的普 及阶段。这种状况是导致企业自主开发能力不强,技术创新能力不足,难以与 世界先进水平的工程机械企业展开强有力竞争的原因之一。 1.3.2 国外研究情况 1930 年德国人最先使用了振动压实技术,并于 1940 年成功发明了拖式振 动压路机,彻底改变了压实效果简单依靠重量或增大线压力的方式。随着振动 压实理论研究的不断深入,振动压路机产品的规格品种也越来越多,尤其是 20 世纪 70 年代静液压传动和液压控制技术在振动压路机上得到应用,出现了采用 调频调幅机构的振动压路机,为压实工作参数的优化调节奠定了基础,使得振 动压路机迅速成为世界压路机市场的主导者。 国外超高级路面的振动压实技术,双钢轮自动控制压实系统,水平振动压 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 3 实技术,增强了压实效果。为了提高了压实效率,国外一些产品还普遍采用超 高频振动技术,振动频率超过 4000r/min,使压路机迅速达到所需密实度的高 输出力,可有效提高压实的速度。此外,建立在冲击技术理论上的冲击式压路 机由于具有制造简单、成本低廉、作用力均匀、压实效果较好的特点也被国内 外越来越多的企业所采用,其压实深度可达 22.5m。 近来国外振动技术更是向着自动化、智能化的方向发展美国 INGERsOURAND 公司的 DD 一 130 双钢轮串联式振动压路机,在每个振动轮中都有自动反向的偏 向装置,可实现 7225 一 16330 吨八种不同的激振力输出,基本上可以满足所有 土壤类型路面的碾压需要。 目前在国外全液压传动、全轮驱动振动压路机成为主流,铰接式转向、三级 制动、调频调幅、故障自动报警与调控、静液压传动与控制、压实度随机检测, 振动压实动态特性仿真与分析等技术被充分运用到压路机上同。除上述技术特 点之外,国外压实技术在多频率复合振动或混沌振动、超声波技术促使土壤 “液化”原理以及新传动技术上也有新的发展。驾驶室有逐渐向汽车驾驶室标 准靠近的趋势,整体布置舒适合理,并根据压路机经常需要前后行驶作业的特点, 特别注意追求丰裂野宽阔、1xl 的等韧捉巨效果,配备有换气、空调、暖风、 电视监测等设施。计算机、智能化技术在整机的设计中也被广泛采用。在德国 BOMAG 和 HAMM、瑞典 DYNAPAC 等公司的压路机产品中,微电脑技术已经在各工 作系统中被广泛应用,如工作系统的监控、驱动系统的防滑转装置,整机的故 障自动检测系统等。 1.4 研究的主要内容 根据对压路机的主要参数的确定和发动机功率的计算来确定总体设计的参 数,校核其爬坡能力。并建立振动压路机的数学模型和运动方程,对其动态响 应进行分析研究。结合其他某型号的振动压路机,对 YZ20D 型振动压路机的液 压系统进行介绍。主要包括: a. 设计概述(设计的目的,内容和方法) ; b. 总体设计参数的确定与计算;1)主要技术参数的确定; 2)发动机功率计 算; c. 爬坡能力校核; d. 建立振动压路机的数学模型及运动方程; e. 振动压路机的动态响应; f. 振动压路机液压系统介绍; g. 绘制图纸,其中包括 :(1)压路机总体结构图;(2)前车架; (3)后车架; 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 4 (4)振动轮及其它结构图纸。其中,至少有一张 3 号图纸应用 AUTOCAD 软件 绘 出。 h. 编写设计说明书一份; 2 振动压路机设计综述 2.1 振动压路机 2.1.1 振动压路机的种类 振动压路机的类型和特性主要由振动机构决定。因此,可以从振动机构来 分 类:常见的振动机构有圆周振动机构、扭矩振动机构、由垂直、水平、倾斜的 组 合机构统称为智能振动和复式振动机构。 a. 圆周振动 中型和大型振动压路机的振动机构多采用圆周振动。在一个振动轮内有一 个 振动轴,轴上装有偏心块,振动轴带着偏心块旋转,产生离心力,从而产生振 动。 由于离心力(也称激振力)绕圆周旋转,所以称作圆周振动。振动轴每秒钟的 转 动次数即为振动频率。这种机构结构简单、工作可靠、压实深度大、压实效果 好, 所以得到广泛应用。 b. 扭转振动 在一个振动轮内有两个振动轴,两个振动轴转速、转向相同,但两个振动 轴 上的振动块相位差 180,产生的离心力形成一对力矩,从而形成扭矩振动即 扭 转振动。这就是通常所说的振荡机构。 2 振动压路机设计综述 5 振荡压路机产生的扭转振动不会产生冲击,振荡轮也不会离开地面,这样 行 驶时可改善对地面的附着力和表面压实质量。对周围建筑物影响小,可在市内、 桥梁上施工。其主要缺点压实深度小。所以,在双钢轮压路机中与圆周振动组 合 使用可获得不同的压实组合作业方式,满足不同的压实工作的需要。 c. 智能振动 德国(Bomag)宝马公司研制的智多星压实控制系统,其中一项就是通过一 油缸改变两偏心块的相位差实现垂直,水平(扭振) ,倾斜不同振动方向的需要, 这种振动组合机构是实现压实作业过程智能化的基础,因此也称为智能振动。 d. 复式振动 这是日本酒井公司首创的振动方式,这种方式一改过去在圆周方向、径向 上 做文章,而是在轴向产生振动。对多孔性沥青混凝土压实效果好。 e. 混沌振动 混沌振动即主频附近的宽频激振。 f. 冲击振动 利用多边凸轮转动时,势能的变化对压实材料有夯碾作用。 2.1.2 振动压路机的基本结构和特点 见图 2.1,为轮胎驱动单钢轮振动压路机的结构简图。振动轮是主要的工 作部件,内部设置有高速旋转的偏心轴或偏心块,产生圆周方向的巨大离心力, 迫使振动轮产生机械振动,并利用其自身重量,完成对路面的振动压实。振动 轮与后轮又是行走部件,在传动系统的作用下,驱动压路机前后行驶。当后轮 是主动轮时,则为单驱动;当后轮与振动轮均为主动轮时,则为全驱动。后轮 采用低压宽基轮胎,外形尺寸大,弹性好,能增大接地面积,减小比压,适合 在松软的路基上行走,同时滚动阻力小,附着系数大,爬坡能力强,减振性能 好。前车架通过两侧的减振器悬挂在振动轮上,以隔离和缓冲高频振动。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 6 图 2.1 振动压路机外形结构简图 1振动轮(下车) ;2前车架(上车) ;3驾驶室;4后轮;5后车架 2.1.3 振动压实的基本原理 振动使被压实材料内产生振动冲击。被压实材料的颗粒在振动冲击的作用 下,由静止的初始状态过渡到运动状态,被压实材料之间的摩擦力也由初始的 静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态。同时,由于材料中水分的离析作用,使材 料颗粒的外层包围一层水膜,形成了颗粒运动的润滑剂,为颗粒的运动提供了 十分有利的条件。被压实材料颗粒之间在非密实状态下存在许多大小不等的间 隙,被压实材料在振动冲击的作用下,其颗粒间的相对位置发生变化出现了相 互填充现象,即大颗粒形成的间隙由较小颗粒来填充,较小颗粒形成的间隙由 水分来填充。被压实材料中空气的含量也在振动冲击过程中减少了。被压实材 料颗粒间隙的减少,意味着密实度的增加;被压实材料之间间隙的减少使其颗 粒间接触面增大,导致被压使材料内摩擦阻力增大,意味着其承载能力的提高。 无论是水平振动还是垂直振动,压实材料在振动作用下减少空隙率,使其变得 更加密实的原理是一致的。 2.1.4 振动压实的性能特点 与静作用压路机相比,振动压路机具有以下性能特点: a. 同样质量的振动压路机比静作用压路机的压实效果好,压实后的基础压 实度高,稳定性好。 b. 振动压路机的生产效率高。当所要求的压实度相同时,压实遍数少。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 7 c. 压实沥青混凝土面层时,由于振动作用,当使面层的沥青材料能与其他 集料充分渗透、揉合,故路面耐磨性好,返修率低。 d. 机载压实度计在振动压路机上的应用,使驾驶员可及时发现施工道路中 的薄弱点,随时采取补救措施,大大减少质量隐患。 e. 可压实大粒径的回填石等静作用压路机难以压实的物料。 f. 压实沥青混凝土时,允许沥青混凝土的温度较低。 g. 由于其振动作用,可压实干硬性水泥混凝土(即 RCC 材料) 。 h. 在压实效果相同的情况下,振动压路机的结构质量为静作用压路机的一 半,发动机的功率可降低 30%左右。但是,由于振动压路机的振动作用, 给周围环境及人体带来一定公害,限制了它的使用范围。在人口密集地 区、危房区、靠近装有精密仪器的建筑物以及公路桥梁的桥面等处都不 宜使用振动压路机进行压实作业。另外,由于振动对人体健康的影响, 减振效果不好的振动压路机是不受欢迎的。 2.1.5 振动压实的结构特点 不论振动压路机在结构上的差异有多大,任何振动压路机都装有振动器。 当振动压路机工作时,振动器产生引起振动的干扰力。在干扰力的作用下,振 动压路机的工作部件(振动轮)将产生具有一定振幅和频率的振动。这就是振 动压路机在原理上与静作用压路机的根本区别。 通常振动压路机的振动器是由振动轴和安装在振动轴上的偏心块组成。当 今,有些公司将液压振动器在振动压路机上使用,由于液压振动器机构较为复 杂,尽管具有可以无机调频和调幅的优点,但并未广泛使用。当振动压路机作 业时,振动轴带动偏心块高速旋转。因此偏心块产生的离心力形成了“压路机- 土”的振动系统的干扰力,振动压路机的下车(振动轮)在这个干扰力的作用 下产生强迫振动,强迫振动的频率等于干扰力的频率。此时,振动轮将其振动 作用传递到土或其他被压实材料上。压路机的振动轮连同其接触的被压实材料 一起产生受迫振动,这就是“压路-土”的振动系统。 2.2 振动压路机总体设计 振动压路机主要分为结构件、动力系统、传动系统(桥箱及液压系统)、控 制系统(液压及电气系统)和振动轮等五大部分。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 8 图 2.2 YZ20D 振动压路机总体图 2.2.1 振动轮 振动轮采用内外圆筒相套结构,内圆筒作为润滑油室,结构受力合理,油 室润滑和散热空间大。振动轴承和行走轴承采用进口的单列圆柱滚子轴承。具 有激振力超大,工作可靠,轴承使用寿命长等优点。 图 2.3 振动轮总示意图 1 振动轮 2 悬架 3 偏心块 4 连接座 5 联轴器 6 中间轴 7 振动轮行走轴承 8 减振器 9 振动马达 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 9 2.2.2 液压驱动系统 如图 2.4 所示,液压驱动系统由驱动泵,液压差速及冲洗组合阀,制动阀, 驱动马达,调速阀等元件构成。 图 2.4 液压系统 1 行走液压泵 2 振动液压泵 3 转向泵 4 桥驱动马达 5 钢轮驱动马达 6 振动马达 7 转向器 8 转向油缸 9 液压油 箱 2.2.3 液压振动系统 通过仪表板上的自动/手动开关,可实现振动的手动操作或自动操作。选择 自动操作状态后,当压路机行走速度达到一定值时,振动就自动开始,在压路 机行走速度下降到一定值时,振动将自动停止。 2.2.4 液压制动系统 采用工作制动、停车制动和紧急制动三级常闭式制动系统,常闭式制动器 内藏于低速大扭矩驱动马达之中。当换向操纵杆移到中间“停止”位置时,驱 动泵摆角为零,驱动泵停止向驱动马达供油,常闭式制动器制动,实现工作制 动;当压路机在坡道上停车,柴油机停止转动后,常闭磨擦片式停车制动器便自 动实现停车制动;当液压驱动系统出现工作油渗漏或胶管破裂等情况时,紧急制 动器便 会自动实现紧急制动。 2.2.5 电气及操纵系统 电气系统主要由发电及起动系统、控制系统、照明系统、讯号系统四个部 分组成。电气系统与液压系统紧密相关,振动、驱动、制动液压系统皆是通过 电气系统的电液控制来实现的,压路机的关键部件采用电子元件进行监控。在 驾驶台的后壁上,集中有液压系统主要压力的测压接口,供调试检测时使用。 该机操纵轻便灵活,仪表灯具和故障报警装备配备齐全,便于及时发现和排除 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 10 故障,避免压路机带病作业网。柴油机、泵、阀、马达、轴承、油封、电器元 件、仪表等主要件均采用国际著名公司产品,确保了整机性能优越、质量稳定。 2.2.6 减振系统 振动压路机采用三级隔振系统: 第一级隔振一-前车架框架与振动轮之间即振动轮减振器; 第二级隔振-一,后车架与驾驶台之间即操纵台减振器; 第三级隔振一一驾驶员与驾驶台之间即带减振功能的座椅闭。 3 总体参数确定及部件设计计算 3.1 振动压路机总体参数的确定 3.1.1 振动压路机总体参数的选择依据 a. 根据被压实材料的性质和振动压路机的用途选择参数 振动压路机在压实土壤、回境石、沥青混凝土以及水泥混凝土等不同材料 时,对振动轮的工作频率和振幅均有不同要求。当然,用于压实路基和压实 路面的振动压路机所要求的振动参数及总体参数也不尽相同。 b. 根据节能和高效的原则选择振动压路机的参数 希望用尽量少的压实遍数获得尽可能高的压实度和良好的路面质量。例如, 用于压实面层的振动压路机,应尽量采用双轮振动、双轮驱动的串联振动压 路 机。 c. 振动压路机的参数选择应考虑到驾驶人员具有舒适、良好的工作环境,同时 也应考虑机械零部件具有较高的使用寿命。 3 总体参数确定及部件设计计算 11 3.1.2 名义振幅的选择 振动压路机工作振幅是指振动压路机在实际工作时的实际振幅,其大小受土壤 的刚度影响,而土壤的刚度值是一个随机变化的参数,所以振动压路机的工作 振幅也是一个随机参数。所谓“名义振幅”是指前轮车架用千斤顶或其它支承 物架起后,振动轮悬空时测得的振动轮振幅。通常,工作振幅比名义振幅大, 用 A 表示工作振幅,A0 表示名义振幅,则 A 与 A0随土的刚度的变化有如下关系: A =(12)A0 (3.1) 工作振幅 A 的均值 A1,按正态分布统计,其结果是 A11.2 A0 (3.2) 工作振幅是影响压实效果的一个非常重要的参数。振幅增大时,土壤颗粒 运动的位移增加,振动轮对地面作用的冲击能量增大,振动冲击波传播距离更 远,因而压实效果越好,因此振动压路机设计时,其名义振幅取值不可太小。 但是,名义振幅的取值也不可过大,过大的振幅必将导致上车振幅的增加,引 起驾驶员疲劳和机械零部件过早的损坏;过大的振幅也将造成路面的“过压实” 现象,压实后的路面疏松,材料级配失调,路面质量降低。综上所述,振动压 路机的名义振幅应有一个合理的取值范围。 根据资料的查询,并针对不同的被压实材料,振动压路机名义振幅的取值 范围如下: 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 12 压实路基 1.42.0mm 压实次基层 1.02.0mm 压实沥青混凝土及路面 0.41.0mm 名义振幅可用下面公式进行计算: A0 =Me / m2 (3.3) M 偏心轴的静偏心矩(kg.m); m2 下车振动轮总成质量(kg) 因此,类比已知数据可以计算出: 当高频率时: 026.14mFMeNf: (3.4) 0216.4dWAf 可得: 01A 当低频率时: 02.6mFMeNf: (3.5) 026.3dWAf 可得: 0m 综上所述,可得压路机名义振幅取值为 12mm,当高频率时获得低的振幅 1mm,当低频率时获得高的振幅 2mm。使得压路机有双频双幅(低频大振幅、高 频小振幅)的振动系统,能更好的对不同路面进行压实作业。 3.1.3 振动压路机工作频率的选择 当振动压路机的工作频率 低于“压路机一土”的振动系统的二阶固有频 率时, 曲线呈大起大落的状态。这说明在这一频段中,振动压路机工作频x 率 每一个微小变化,都将引起振动压路机工作振幅的大幅度变化,因而称这 一工作频段为振动压路机工作频率的非稳定区。由于被压实土的刚度随着压实 变数的增加而增大, “压路机一土”的振动系统的二阶固有频率也随着压实遍数 的增加而增大,振动压路机工作频率的非稳定区也随之增大。因此,在振动压 路机工作频率 选择时,规定了这个工作频率是以振动压路机在压实接近终了 时的“压路机一土”的振动系统的特性为依据。只有这样才能保证在任何情况 下振动压路机的工作频率都不可能进入非稳定频率区。而且,在这个非稳定频 率区内存在两个共振峰值,即一阶共振峰和二阶共振峰。在这两个共振峰之间 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 13 还存在一个波谷。当工作频率 恰好等于或非常接近波谷频率 时,振动压路 机下车振幅几乎为零,而上车的振幅反而很大。所以,当工作频率为 时,这 时不仅不能起到振动压实基础的作用,反而会使上车产生剧烈振动,严重危害 操作者身体健康,造成整机寿命下降。所以,频率的非稳定区是振动压路机工 作的“禁区” 。合理的工作频率 应略高于“压路机一土”的振动系统的二阶固 有频率。因此,振动压路机的工作频率。也应有一合理的选择范围。其取值范 围是: 2: (3.6) 式中 “压路机一土”的振动系统的二阶固有频率。2 由于土的随机性, “压路机一土”的振动系统的二阶固有频率也具有随机性。 通常,选取振动压路机工作频率和选取振幅一样,把试验取得的数据,经过数 理统计后,给出工作频率 取值范围。 振动压路机工作频率 的取值范围: 压实路基 2530Hz 压实次基层 2540Hz 压实沥青混凝土及路面 3050Hz 由于合理的压路机振动频率应略高于二阶固有频率,一般认为强迫振动的 频率应取二阶固有频率的 倍为佳,这时上车的振幅很小,上、下车的振动加2 速度还不很大,而且大部分的激振力都转换成了动作用力。大多数土壤的自然 频率约在 18.527Hz 之间,因此,单轮振动压路机的振动频率取值为 2835Hz 比较合适,能够获得较好的压实效果。 3.1.4 振动压路机部分质量的确定 下车质量的变化对振幅 和振动压路机对地面的作用力 有影响。为提高AsF ,希望在其它条件不变时,下车质量偏低为好。但振动压路机的压实效果除sF 与 有关外,还与下车的动量有关。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 14 图 3.1 下车质量对冲击动量的影响 在图 3.1 中,把振动压路机的下车质量比作具有不同质量的钉锤。如果钉 锤始起的高度相同,钉锤的质量越大,钉子就越容易被打人木板中。这说明振 动轮的质量(即下车质量)越大,在同样工作振幅的条件下,振动压路机对土作 用的冲击能量也就越大,压实效果越好。提高下车的冲击能量,意味着加大下 车的动量。当工作频率和振幅选定以后,提高下车动量的唯一办法是增大下车 质量。 综上所述,欲增大振动压路机对地面的作用力 ,希望 F 车质量选得偏低s 为好;而欲增加振动压路机对地面作用的冲击能量,希望下车质量选得偏高为 好。因而,在设计振动压路机时应两者兼顾、合理地解决这一矛盾。 在合理选择下车质量时,还要考虑到上、下车质量比对压实效果的影响。 图 3.2: 图 3.2 上下车质量的变化对压实效果的影响 表示振动压路机上、下车质量比的变化对压实效果的影响。当上、下车质 量之和为一常数时,如把下车质量减少 20,并将这部分质量加到上车上;或 将上车质量减少 20,并将其加到下车上时, 力的变化情况。从图中可见,sF 当下车质量减少时, 力增大,振动压路机对地面动态作用力增大,因此压实sF 效果提高。 经验表明,振动压路机的上、下车质量比近似等于 1 时,可以兼顾振动压 路机对地面的作用力 和振动压路机对地面作用的冲击能量。这时,振动压路s 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 15 机具有较好的压实效果。然而,在实际设计中,当整机工作质量确定以后,能 满足上、下车质量比为 l 的要求并不很容易。但至少应在下述公式范围内取值。 (3.7)12/0.59m: 由类比数据选取振动压路机上车质量为 7500Kg,下车质量为 12500Kg,此 时上下车的比值为 0.6 在公式范围内,虽然上下车比值不是最佳比值 1,但由 于采用了全轮驱动的液压传动,增加了压路机的驱动能力,因此可以允许振动 轮有较大的分配重量,同时振动压路机的压实能力和铺筑表层的压实质量也有 所提高,驱动桥的工作也更加可靠。 3.1.5 振动压路机振动加速度的校核 当振幅和频率选定后,校核振动加速度 a 振动加速度(g)的校核: (2.7)20/98aA 式中 为振动压路机的名义振幅(mm)0 为振动压路机的工作频率(1/s) g 为重力加速度,g=9800(m/s 2) 当高频率、低振幅时 =4.93g20/98aA 当低频率、高振幅时 =5.68g 振动压路机的振动加速度 a 过小,说明工作频率过低或名义振幅过小,对 土的动态冲击力过小,使土的颗粒在振动压实过程中几乎呈现静止状态。因此, 这种振动压路机与静作用压路机相差无几。反之,振动加速度 a 过大,说明其 工作频率或名义振幅取值过高,这是被压实的材料将出现离析现象。大质量的 材料颗粒在振动状态下产生的垂直于地面的惯性力远大于小的、轻的材料颗粒, 导致大质量的土颗粒在惯性力的作用下沉降在被压实基础的底层,而小质量的 颗粒将“浮”在面层,产生土的分层现象。筑路材料的级配比例失调,使被压 实的基础表面疏松,耐磨性差。 振动加速度的校核值是: 压实路面 47g 压实基面 510g 可以看出,无论实高频率、低振幅时还是低频率、高振幅时振动加速度均 在给定的校核值范围内。因此,振动压路机加速度工作正常。 3.1.6 振动压路机工作速度的确定 工作速度是指振动压路机在进行压实作业时的行走速度。与静作用压路机 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 16 相比,振动压路机的工作速度对压实效果的影响特别明显。因为,在振动压实 过程中,土的颗粒由静止的初始状态变化为运动状态要有一个过渡过程。过渡 过程持续的时间长短与土的颗粒之间粘聚力、吸附力的大小有关;也与振动压 路机的振动轮的线裁荷有关。线载荷越大,过渡过程所需的时间越短。试验表 明,为了克服土颗粒之间的粘聚力、吸附力,对于一般的亚粘土应至少三次有 效的强迫振动,才足以使土颗粒处于振动状态。 根据上述原则,可以估算出振动压路机的工作速度(图 33) 。 图 3.3 振动轮接地面示意图 图中振动轮与地面的接触面为弧形,即 。那么,振动轮通过 弦长所:AB AB 需的时间内,振动轮应至少对同一点施加不少于 3 次的有效振动,否则就不足 以使土的颗粒由静止的初始状态进入运动状态。当然也就不会很好地克服土颗 粒之间的粘聚力、吸附力。振动压路机的工作速度应附合下列关系。 振动压路机接地弦长 22()()ABhR (3.8) 振动压路机每振动一次所需的时间 T T=60n 如果振动压路机满足通过 弦长的时间内振动轮至少对同一点施加不少AB 与三次的有效振动,振动压路机的公作速度应满足下式: (2)/(3VhRT (3.9) 式中 R 为振动轮半径 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 17 H 为土的沉陷 T 为振动周期 n 为振动轴转速 公式中的 h 值是一个随机变量,很难给出一个确切的 h 值代入到公式中来 求得振动压路机的工作速度 v。经验表明,当振动压路机在每一振动周期 T 内, 振动轮行驶的距离在 3cm 左右就可以满足克服土颗粒之间的粘聚力和吸附力, 从而使土颗粒由静止的初始状态进入运动状态。根据这一要求,可以导出以下 工作速度 v(cms)公式: (3)VT (3.10) 振动压路机的工作速度是生产率的重要标志。所以,在满足上式的前提下, 振动压路机的工作速度尽可能选择高一些。特别是在压实初始阶段,振动对压 实效果的影响不明显时,工作速度可以高一些。压实终了时,工作速度对压实 效果有着十分明显的影响。因此,建议在压实终了时,工作速度应偏低一些。 近年来,很多振动压路机具有无级变速的行走功能,具有这种功能的压路机可 使压实效果和生产率两个因素兼顾,振动压路机基本保持在最有效的良好状态 下工作。 综上所述,进过计算可得压路机工作速度为 013km/h。 3.1.7 激振力 F0 和振动压路机对地面的作用力 FS 振动压路机对土的作用力和它的激振力是两个完全不同的力。激振力 的0F 大小,仅与振动压路机本身的参数有关,是可以计算的, 与工作频率 的平0F 方成正比。因此,提高振动压路机的工作频率,可以十分明显地增大激振力 。0 振动压路机的激振力 ;振动压路机的名义振幅 。可20FMe0/edAMW 见,激振力 和名义振幅 都与振动压路机振动器的偏心块的静偏心矩成正0A 比。所以,具有大静偏心矩的振动压路机,其压实效果或者压实时的影响深度 都优于具有较小静偏心矩的振动压路机。 为了获得良好的压实效果,又能有效利用振动压路机的压实能力,在设计 时希望 和 之比应接近等于 1。由于土的物理特性的随机性,使 也具有Fs0 Fs 随机性。一般情况下,当工作频率处在 区间时,可以认为 与22 的比值为 1 是合理的。0 通过类比可知: 当高频率、低振幅时压路机的静偏心距为 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 18 Me=Fo/(2f ) =6.14Nmm 又因激振力 20FMe (3.11) 将静偏心距带入式(3.11)可得高频低幅时的激振力为 296KN 当低频率、高振幅时压路机的静偏心距为 Me=Fo/(2f ) =12.66Nmm 带入式(3.11)可得低频率时的激振力为 392KN 因此 的取值范围为 296392KN0F 3.1.8 振动轮宽度和直径的确定 当振动压路机振动轮的分配质量(振动轮质量和振动压路机上车作用在振动 轮上的部分质量之和)保持一定时,振动轮越宽,其线载荷越低,压实影响深度 越小。反之,振动轮的宽度越窄,压实影响深度越大。 图 3.4 振动轮的质量对压实路面质量的影响 当振动轮分配质量相同时,轮径越大,压实影响深度越小反之,压实影响 深度越大。 但是,在设计振动压路机时,振动轮的宽度不可取得过小。同样,振动轮 的直径也不可取得过小。轮径过小,进行压实作业时,压轮前方就会出现“波 纹”(如图 34)。如轮宽过窄,在压实路面时,会使路面产生裂纹。所以,振 动压路机振动轮的宽度和直径,应根据压实对象和压实要求合理选取。如压实 路面,应采用振动轮宽度和直径都较大的振动压路机;压实基础的振动压路机, 振动轮的直径和轮宽应选取较小的数值。用于压实沥青混合料时,除应满足上 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 19 述一般要求以外,还应满足如下要求: 压实细沙沥青混凝土: 1/()0.5NWLD 压实碎石沥青混凝土: 2 式中 是振动轮的分配质量,N 是牛鲍系数,L 是振动轮宽度,D 是振动1W 轮直径 为保证震动了的宽度和直径比例合适,推荐振动轮直径 D 与振动轮宽度 L 之比 。因此,选取振动轮直径 D 为 160cm 振动轮宽度 L 为0.62dR 212cm。 3.2 振动压路机发动机功率的计算 3.2.1 行驶功率 P1 振动压路机的行驶功率 P1 是指振动压路机在压实作业行驶时或在运输状态 行驶时克服地面的滚动阻力所消耗的功率。在进行压实作业时,随着压实遍数 的增加,土的滚动阻力将随之下降。土处于压实的第 12 遍时,其滚动阻力最 大,称这种状态为压实初始状态。 a. 压实初始状态,振动压路机的行驶阻力最大,设这时的行驶功率为 1P = 98.641/10Pv:=Wgcos 式中 为压实 12 遍时,振动压路机的行驶功率(KW) W 为振动压路机的工作质量(kg) g 为重力加速度,g=9.81(m/s 2) 为土的滚动阻力系数, 0.130.15 a 为爬坡角度 v 为行驶速度(m/s) b. 振动压路机压实到第 38 遍时,土的滚动阻力随着压实遍数的增加而较稳定 地下降此时的行驶功率为 1P =65.761/10Pv:=Wgcos 式中 为在压实 38 遍时的土的滚动阻力系数, 0.1 (1) 振动压实第 8 遍以后直至压实作业完成,行驶功率为 1P =46.031/v 式中 为在压实第 8 遍以后,土的滚动阻力系数, 0.07 (2) 振动压路机在运输状态行驶时的行驶功率为 (KW)1运 =32.88 1/10Pv:运 运=gcos 式中 为滚动阻力系数运 的数值随着道路情况变化较大,可取 =0.05 运 运 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 20 3.2.2 转向功率 P2 振动压路机的转向功率有两种计算方法,一种方法使用于整体转向轮,另 一种使用于剖分转向轮。在理论上前者的转向阻力比后者大一倍。对于整体转 向功率为 =5.782.1/04sP=Wg 式中 为转向阻力系数, 与土的物理特性有关,对松软土的 较大,对坚 硬平整地面的 较小,通常去 =0.5; 为转向轮分配质量(kg)1 为转向角速度s g 为重力加速度 对于剖分式转向轮的振动压路机的转向功率为 P2.2=1/8(W1gs/1000)=2.28 对于铰接转向振动压路机,转向时消耗的功率比较复杂。因为在转向过程 中,前后轮都可能发生转向阻力。如是串联式振动压路机,有时其转向功率可 为 2 。而对于轮胎驱动式振动压路机,如 CA25 型振动压路机,其轮胎的转.1 向角度、转向阻力,与轮胎的结构、花纹及气压有关,所以很难计算,也无现 成公式可寻。由于振动压路机在转向时,转向轮在地面产生滑动,滑动越大, 所消耗的功率也越大。同时,由于转向轮的滑动,也在路面产生了滑痕,因而 降低了路面施工质量。为了减轻振动压路机在转向时对地面造成的滑痕,国外 一些公司正在研制剖分式转向振动轮。瑞典戴纳帕克公司将 CC21 型串联式振动 压路机的振动轮改为剖分式。改进后的振动轮,转向时,在路面上产生的滑痕 明显减少,施工质量得到很大改善。但是,剖分式振动轮的结构很复杂,限制 了它的推广使用。 3.2.3 换向功率 P3 振动压路机在进行压实作业时,不断的进行往复穿梭式运动,换向极为频 繁。换向时,工作速度的变化是+v0-v。由于工作速度的方向在较短的时间 内由正变为负,因而产生的加速度。换向功率是指振动压路机的发动机克服换 向加速度所产生的惯性力所消耗的功率。换向功率 (KW)用下式计算:3P P3=2W(v/t)/1000=13.88 式中 W 是振动压路机的工作质量(Kg) v 是振动压路机的工作速度(m/s) t 是换向所需的时间(s) 振动压路机的换向时间,与操作条件、传动方式、司机的操作水平有关。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 21 当压实的路面不平坦,而且有大块回填石时,换向时间长一些;液压传动振动 压路机换向比机械传动换向柔和,可以缩短换向时间;采用牙嵌式换向机构的 振动压路机,由于司机操作水平不同,换向时间长短的差异很大。在计算换向 功率时,通常 t=4s 计算。 3.2.4 振动压路机的爬坡功率 P4(KW) 爬坡功率是指振动压路机在坡道上行驶或作业时,发动机克服振动压路机 的自重沿坡道方向的分量而消耗的功率。 (如图 3.5) 图 3.5 振动压路机的功率消耗 a. 压实初始状态,振动压路机的行驶阻
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