2第二章压实机械设计

第二章压实机械设计§2.1压实的基本知识与理论一、概述1.压实机械的功能：（1）向被压实材料施加作用力使其颗粒相互靠近，排除空气和水，提高密度，获得高的承载能力，高的水稳定性，及高的环境变化稳定性；（2）获得平整的表面。2.压实机械的压实方法（1）静力压实；（2）振动压实；（3）夯实；（4）其它压实：如冲击压实、振荡压实等。压实过程中需克服的阻力有：土颗粒间磨擦阻力（随密实度上升而上升）；土颗粒间粘聚力（视颗粒尺寸而不同）；颗粒间的吸附力（颗粒间由于水份表面张力引起的阻力）。§2.1压实的基本知识与理论3.压实机械的类型（1）静力压路机静力钢轮压路机：二轮二轴式、三轮二轴式等；静力轮胎压路机：拖式、半拖式、自行式；静力钢轮胎组合式、特殊形状轮式。§2.1压实的基本知识与理论（2）振动压路机双钢轮串联式、单钢轮式、拖式、羊足式（凸块式）。§2.1压实的基本知识与理论（3）夯实机械打夯机、振动平板夯、蛙式夯实机等。§2.1压实的基本知识与理论（4）其它型式压路机振荡压路机、冲击式压路机等。§2.1压实的基本知识与理论二、静力钢轮滚压理论1.光面轮在被压实材料上滚压过程分析（1）在垂直方向：滚压重量（2）在水平方向：牵引力5.005.03131hhDCbDhhCbG111011hhCbhCbF二、静力钢轮滚压理论（3）滚动阻力系数：式中：C—下陷系数，相对于滚压下陷1cm时的单位压力（注：铺筑材料不是线性变形体，其变形与应力之间关系，为指数函数关系：σ=Cyμ，σ为应力，y为变形）μ—材料状况系数；（对湿度大呈流体状态土：μ=0；对塑态粘土和干砂土：μ=0.5；对干粘土和已压实路面：μ=1）b—压轮宽度；D—压轮直径；h—垂直变形深度；h0—弹性变形。5.005.01013113111hhDhhDhGFf二、静力钢轮滚压理论（4）由上式推出被压实材料变形压陷深度：其中：称为压实能力系数（5）从公式中分析可得结论：①压路机质量G越大，压轮直径D越小，则压陷深度越大，因此若要加大压实能力可增大G或减少D；②在线载荷不变的情况下，滚动阻力系数f随D减少而增大，因此若要减少D会造成滚动阻力过大。5.05.03131DcqDcbGhDqDbG二、静力钢轮滚压理论2.当压路机压轮在同一轮迹往复运行时，压实深度h、牵引力F、滚动阻力系数f与滚压遍数n间关系：经验公式：其中：h1、F1、f1—第一遍时的下陷深度、牵引力、滚动阻力系数；α、α0、β—比例常数；n—滚压遍数。由此可见，随着滚压遍数n的增加，被压实材料的压实度有所增加，永久变形减少，经过一定遍数后，被压材料的不可逆变形下陷量h、牵引力F和滚动阻力f实际趋于稳定基本不变（当n足够大时，lgn→常数，基本不变）。此意味着压实结束，当要增加压实度时应增大压实重量，但受被材料强度所限。nhhlg1nFFlg01nfflg1二、静力钢轮滚压理论3.按圆柱面与平面挤压理论分析按圆柱面与平面挤压理论，圆柱体与平面挤压所产生的最大接触应力为：其中，q—线载荷；R—圆柱体半径；θ1、θ2—圆柱体与平面的弹性系数。经分析计算及试验验证可得，对于滚动压轮：其中，q—线载荷；E0—土壤变形模量；R—压轮半经212maxRqRqE0max二、静力钢轮滚压理论压实过程中，其最大接触应力应小于材料的强度极限即：其中：σP—被压实材料强度极限，见表7—3、7—4。增大压轮半径R可降低最大接触应力。表7—3PRqE0max土壤种类最佳含水量下强度极限σp/MPa滚压夯实夯板直径70~100cm光面钢轮轮胎低粘性土（粉土、沙、亚沙土）0.3~0.60.3~0.40.3~0.7中等粘土（亚粘土）0.6~1.00.4~0.60.7~1.2高粘土（重粘土）1.0~1.50.6~0.81.2~2.0极粘性土（粘土）1.5~1.80.8~1.02.0~2.3二、静力钢轮滚压理论其它材料许用接触应力（MPa）表7-4被压实材料种类压实开始时压实终了时碎石路基0.6~0.73.0~4.5砾石路基0.4~0.62.5~3.0热沥青混凝土0.4~0.53.0~3.5水泥稳定土0.3~0.44.0~5.0沥青稳定土0.3~0.41.0~1.5二、静力钢轮滚压理论4.从滚压轮垂直有效作用压实深度（土壤均匀变形深度）看，滚压时的有效压实深度近似地等于两倍的压轮与土接触表面最小横向尺寸。即：有效压实深度对粘性土：对非粘性土：其中：W—土的实际含水量；W0—土的最佳含水量。分析：从上式可见，增大q和R可增大作用深度。qRWWh001.0qRWWh0013.0二、静力钢轮滚压理论5.综合分析(1)若要取得较大压实能力（使被压材料产生尽可能大变形），则应使线载荷q上升D下降；(2)若要取得较大压实作用深度，则应使q上升D上升；(3)一般处理原则：增大压实能力依靠增大压路机重量，提高q实现；为提高压实深度取尽可能大的压轮直径D，它不仅有利于提高压实影响深度，还有利于提高平整度，降低滚动阻力。三、振动压实理论1.内部摩擦阻力减少学说由于振动作用，使铺筑材料的内部摩擦阻力急剧减少，剪切强度降低，抗压阻力变得很小，因而在重力作用下易于压实。实验表明：（1）粗砂在振动状态下其抗剪阻力会减到原来的几十分之一；（2）粘性土壤在很大振动加速度下，其内摩擦阻力会显著减少；（3）沥青混合料在振动状态下其内摩擦阻力会下降至原来的五分之一以下。三、振动压实理论2.共振学说当激振频率与被压实材料的固有频率一致时，被压实材料颗粒会在共振状态下移至最稳定位而更易压实，实验也验证了在共振条件下最易压实。问题是材料固有频率随密实度变化而变化，且共振易引起材料分层离折，应在共振时间上控制，使离折未发生时完成。一般此时间对水泥砼：30s，对沥青砼：1～1.5min；粘土：1.5min。3.反复载荷学说在低频时,由于振动引起的反复载荷作用,使被压实材料,被反复压缩,从而密实。反复载荷作用学说在压实终了时,较符合实际情况,此时压轮有跳离地面的情况。§2.2静力光轮压路机设计§2.2.1主要参数选择与设计计算一、压轮直径的选择（1）按许用载荷及下陷深度确定若考虑：①滚压轮在滚压松散材料时不陷下去，即给出允许下陷深度h；②碾压时不产生波浪，给出被压材料的许用单位面积载荷[p]；则前轮直径：其中:G1—前轮分配载荷；[p]—被压材料许用单位面积载荷；b—滚轮宽度，可按b≥(1～1.2)D取值。hbpGD22211一、压轮直径的选择（2)按单位线载荷q计算确定则:其中q—单位线载荷（N/cm）表7-1各种石料在滚压时的压缩强度与许用线载荷qD43.5石料性质石料名称压缩强度极限（MPa）许用线载荷（N/cm）软石料石灰石、沙岩石30~60600~700中硬石料石灰石、沙岩石、粗粒花岗岩60~100700~800坚硬石料细粒花岗岩、闪长岩石100~200800~1000极坚硬石料辉绿岩、玄武岩、闪长岩＞2001000~1250一、压轮直径的选择（3)驱动轮直径确定①若为串联式压路机，则驱动轮与从动轮直径应相同或略大；②若为三轮压路机，则驱动轮直径在结构允许条件下应尽可能取大值，但一般≯1800mm。（4）载荷分配G1一般驱动轮分配重量：①对三轮压路机，一般驱动轮分配重量≮2/3；②对串联双轮压路机，一般驱动轮分配重量≮50%。二、压路机转弯半径计算（1）三轮压路机一般采用整体车架，最小转弯半径按下式计算:其中：L：轴距，取决于结构布置；β：转向前轮转向角，最大转向角一般为30～45°LctgRCPRCPLβ二、压路机转弯半径计算(2)二轮二轴式一般为铰接转向，其转弯半径可如下计算：前轮转弯半径：后轮转弯半径：当时，此时转弯半径最小，且前后相等，前后轮轨迹重叠。其中轴距L主要取决于结构布置，一般为(2.2～2.5)Dsincos1rLrRCPsincos2rLrRCP2LctgLRRCPCPsin1221三、压路机工作速度选择（1）压路机转移行驶速度,与压实质量关系不大,一般取8～10km/h；（2）最低速度:一般为第一遍碾压速度,可取2～2.5km/h；（3）一般工作速度:压实土壤：1.3～4km/h；压沥青路面:2～4km/h或第一遍3.5～5km/h，其后4.9～6.4km/h或前二后二遍：2～2.5km/h，其余8～10km/h。（4）碾压速度对压实质量的影响。例如：由2.5km/h增大到6.5km/h，压实度会下降2％；由1.5km/h增大到8km/h，则土壤变形模量下降15～25％。三、压路机工作速度选择（5）压路机各档工作时间分配（对机械传动）二档变速器三档变速器四档变速器Ⅰ:80％60％25％Ⅱ:20％30％55％Ⅲ:10％15％Ⅳ:5％（6）对于滚压碎石路面和沥青混凝土路面的压路机,若采用三档变速器,则各档之间关系为:其中:v1、v2、v3—变速箱Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ档时压路机速度；i1、i2、i3—变速箱Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ档时传动系传动比。67.0~46.01221iivv67.2~39.13223iivv§2.2.2发动机功率计算计算工况:①最大坡度路基上压实松散碎石；②以运输速度在最大上坡的好路上行驶。（1）发动机功率计算公式:其中:F:压路机驱动轮上驱动力(kN)；ν：压路机行驶速度（km/h）；η：传动系传动率；∑NY:所有辅助装置所消耗功率(kw)（例液压泵）。（2）牵引力计算公式其中：GC：附着重量；φC：附着系数；w1:滚动阻力；w2:坡道阻力；w3:惯性阻力；w4:弯道阻力。YNFN277.04321wwwwwFGCC§2.2.2发动机功率计算（3）滚动阻力w1其中：G：压路机整机重力kN；f：滚动阻力系数，P162表8-5，fmax=0.2；α:坡度角（应不小于20°），道路坡度见P162表8-6。表8-6道路极限坡度角cos1fGw坡度iα值注0.116°20′未注明何种路面时的极限坡度0.063°20′碎石路面0.052°50′沥青混凝土路面§2.2.2发动机功率计算表8-5压路机滚压作业时的滚动阻力系数材料名称压实程度滚动阻力系数f材料名称压实程度滚动阻力系数f沥青混凝土压第一遍0.12~0.15砾石路压实1/30.09~0.1压实终了0.05~0.06压实2/3（无石屑）0.075~0.08旧沥青路面0.045压实2/3（有石屑）0.05~0.055碎石压第一遍0.15~0.20压实终了0.05~0.055压实终了0.06~0.08卵石块路0.07砾石已压实0.097~0.1沥青混凝土底层0.03~0.04好砾石路0.097土0.2黑色路0.03§2.2.2发动机功率计算（4）上坡行驶坡道阻力w2其中：i为道路最大坡度，i=sinα。（5）起步惯性阻力w3其中：w3ˊ为平动惯性阻力；w3〞为转动惯性阻力；iGGwsin2Ptvmwww3'33Ptvmdtdvmw'3Ptvmw'3§2.2.2发动机功率计算其中：m:压路机质量（t）；v:压路机行驶速度（m/s）；tP:平均加速时间（2～2.5s）；δ：转换系数，一般取1.1～1.15。(6)弯道运行附加阻力w4其中，K1:附加阻力系数，松散碎石：K1=0.3；压实表面：K1=0.2。114GKw§2.2.2发动机功率计算(7)附着