_第三篇工程机械整机设计第一章振动压路机

第一章振动压路机主要讲授内容1.2压实机械的工作原理1.3振动压路机结构与工作原理1.4振动压路机总体设计1.1压实机械概述1.5主要工作参数的确定1.7减振机构设计1.6振动机构设计1.8液压系统设计第一节压实机械概述分为压路机（以滚轮压实）和夯实机（以平板压实）两大类。按施力工作原理的不同，压路机现已形成静作用压路机、轮胎压路机、振动压路机和冲击式压路机四大系列。早期都是静作用式的，依靠增加压路机重量来增加压实效果。振动压实技术和机械的出现，是压实机械发展过程的一个划时代革命。第一台出现在20世纪40年代，50年代大量投放市场。70年代以来，迅速而普遍推广静液传动和液压控制技术。80年代出现振荡压实，首先在瑞典。1940年我国仿制出第一台以蒸汽机为动力的自行式压路机。1961年公路学院与西筑联合开发的3t自行式压路机，是我国自行开发设计振动压实机械的起点。一种振动与揉搓相结合的压实方法，振动能量是沿着水平方向在某一层面内传播。压实效果好，且压实过程进展平缓而无冲击，揉搓作用可使表面光滑平整无裂痕。振荡压实历经近50年的创业和发展，我国形成了以徐州、洛阳等产地为主的50多家压实机械制造企业和多家科研机构。已形成4-25t静碾压路机、16～30t轮胎压路机、0.5～26t振动压路机三大系列及年产10000余台的批量生产能力。徐工集团占行业总销量的40％以上，一拖集团占27％,厦工三明占11％，其他企业占30％左右。世界压路机制造业主要集中在欧洲、北美和东亚地区的几家大公司，包括宝马、戴纳派克、英格索兰、卡特彼勒和酒井重工，其中宝马公司在世界压实机械市场占有率高达24％；戴纳派克约为18％；英格索兰约10％；卡特彼勒约为10％；酒井重工约为4％。总体技术性能（评价压路机技术水平和制造质量的主要依据）总体技术性能作业性能技术经济性能一般技术性能压实性能压实质量特性牵引性能机动性能越野性能压实生产效率燃料经济性可维修性能运营经济性制动性能坡道稳定性能工作可靠性驾驶舒适性防公害性能第二节压实机械的工作原理一、土壤压实方法压实机械对土壤施加能量的方法及施加能量的大小，使压实效果有很大的差异。压路机对土壤的施力方法可简化为四种压实原理。静压冲击振动揉搓铺层压实力分布图冲击压路机二、滚动压实力学分析静止状态滚压状态沿变形表面滚压时的作用力静止时，滚轮上作用有垂直载荷，压应力对称分布；滚动时，又作用有水平推力，压应力呈非对称分布。滚轮压陷深度，在不考虑土壤弹性变形情况下，就是滚压的下沉量。水平推力表现为压路机滚轮对土壤的剪切力。滚轮压陷深度和剪切力大小，很大程度上反映了压路机对土壤的施力情况。压陷深度越大，压实效果越好；剪切力越大，拥土现象越严重。1．土壤性质的影响土壤结构性质、初始状态及含水量对压陷深度和剪切力有重要影响。土壤越松软，则压陷深度越大，剪切力也越大。2．滚轮载荷的影响当滚轮载荷增大时，压陷深度和剪切力都增大。对于松软土壤铺层，初次压实时使用较小吨位的压路机预压，然后用重型压路机压实。3．滚轮尺寸的影响减小滚轮的直径和宽度都能减小其支承面积，增大滚轮对地面的接触压应力，从而增大了压陷深度和剪切力。4．轮缘变形的影响在使用充气轮胎作压实轮时，轮缘的变形能增加滚轮支承面积，使压陷深度和剪切力减小。增加充气压力使轮缘变形减少，压陷深度和剪切力增加。5．滚轮主从动关系的影响压路机驱动轮和从动轮对铺层材料的压实作用不同，产生这种不同的关键在于它们所给予铺层水平力方向不同。三、影响滚动压实力的因素四、振动压实及其动力学内力：材料颗粒之间的粘聚力和摩擦力，以及颗粒自身的重力。外力：压路机给与的静压力，由于振动作用使被压材料颗粒产生的惯性力，以及上层材料对下层材料的重力。材料颗粒的惯性力是克服其内部运动阻力的条件。qKGFbBp0振动压路机的当量线载荷FMe0200rmMe振动压实要达到理想的压实效果，主要取决于两个条件：一个是振动加速度使材料的内摩擦力被消除或减小，土颗粒处于运动状态，为有效压实创造条件。另一个是压路机要有一定的静作用力和冲击压力波，以对土壤产生足够的压应力和剪切应力。振动压路机的压实能力与其滚轮的线载荷、振幅、频率及碾压速度有关，但在其量值计算上有许多不确定的因素。压路机的振动压实是一个复杂的随机过程。为了研究的需要，把被压铺层的土视为与压路机下车(振动轮)和上车(车架)组成一个共同的有效振动系统，从而建立一个振动压路机系统模型。振动压路机对地面的作用力Fs并不同于其激振力F0。振动压路机对地面作用力的大小与土壤的物理特性有密切关系。由于土壤物理特性的随机性，Fs也同样具有随机性。0sin21211111110111122122122xKxCxKxCxmtFxKxCxKKxCCxm第三节振动压路机系统与结构一、振动压路机传动系统传动系统用来实现压路机的行走、振动、转向等功能。二、液压系统驱动与振动液压马达的布置三、振动轮与减振器四、转向机构与制动系统行车制动是由其闭式液压驱动系统的中位自锁实现的。紧急制动由蹄式制动器、制动分泵、制动总泵及脚踏板等组成。停车制动采用钳盘式制动器，装置在变速箱的动力输出轴上。五、人机系统第四节振动压路机的总体设计压路机被用来压实土石填方及路面铺层混合物料，被压实材料物理力学性能的多变，决定了压路机的技术参数要有较大的选择范围。作业效果不仅反映在生产率方面，而更重要的是压实质量。工作任务是在无路的填土层上压成路，要有足够的驱动行走能力。作业方式是往复运动行走，滚轮既是行走机构又是工作装置。一、压路机的工况特点二、压路机技术参数的确定压路机主要技术参数是决定压路机基本技术特性的整机参数；在实际设计工作中通常应用类比法寻求这些参数的变化规律；压路机的主要工作参数大致可分为四类。主要技术参数主参数（工作重量）工作极限参数工作速度设计参数压路机的线载荷q（N/cm）由压轮的分配重量除以压轮宽度而得，在初步设计时也可按以下的相似公式进行估算：串联振动压路机单轮振动压路机85300q43300qW1.01.压路机的工作重量、重量分布及线载荷工作重量是压路机的主参数，我国压路机的重量规格以吨为单位。压轮在压路机总重量中占有很大比例，这也是其不同于其它工程车辆的重要特点。串联振动压路机的压轮占35～42%，轮胎驱动单轮振动压路机的压轮占40～50%。另外，在轮胎单轮驱动的振动压路机上，驱动轮的分配重量约为45～50%；全轮驱动串联振动压路机的前后轮分配重量取得相等或相近；全轮驱动单轮振动压路机振动轮的分配重量取整机的60～65%。其中2.压路机的工作极限参数(1)压路机的最小转弯半径与最小离地间隙(2)压路机的爬坡能力(3)压路机的制动距离(4)压路机的操纵力压路机工作速度（km/h）机型碾压速度行驶速度串联振动压路机W5t0～40～8W5t0～60～12轮胎驱动振动压路机W5t0～40～8全驱动W5t0～60～13单驱动W5t0～60～223.压路机的工作速度（1）压路机的主要尺寸主要是压实宽度、压轮尺寸和轴距。（2）压路机的振动参数振动压路机的参振质量：串联双轮振动压路机的参振质量占整机重量的35～42%，单轮振动压路机的参振质量占整机重量的32～40%。双轮振动压路机（不含18t）的振动频率40～55HZ，名义振幅为0.43～0.8mm；单轮振动压路机(不含≤2t）的振动频率30～35HZ，名义振幅为1.2～1.8mm。激振力可以这样估计：串联双轮振动压路机每吨工作重量的单轮激振力为7～11kN，单轮振动压路机每吨工作重量的激振力为16～21kN。（3）压路机的发动机功率初步设计时，除了理论计算之外，还往往采用统计分析的方法按压路机的工作重量确定发动机的额定功率，振动压路机取6.5～8kW/t。对于液压传动的压路机，因传动效率低，应选取较大值。4.压路机的设计参数压路机上所使用的动力装置是柴油发动机。在选择发动机的型号时，应从基本型式和主要工作性能等多方面去考虑。三、压路机用发动机的选择发动机基本型式的选择发动机的最大功率及其相应转速发动机的最大扭矩及其相应转速主要内容1.发动机基本型式的选择水冷柴油机风冷柴油机优点冷却和散热均匀可靠，工作可靠性好；平均有效压力高，比油耗量较低；冷却系统加大灵活；冷却水套起着隔音作用，噪声较低；制造技术简单，成本低。冷却系统简单，使用维修方便；无冷却水箱，抗振性能好；环境适应性好；气缸热惯性小，机器进入正常运转状态快，机械磨损和腐蚀性磨损慢；冷却系统与柴油机一体化，方便压路机总体布置；废气排放物少，有利于环境保护。缺点使用和维护不方便；环境适应性较差；燃烧产物中硫化物多，气缸磨损强烈，排烟度高；外形尺寸大，压路机总体设计难布置。制造技术复杂，价格相当于同功率水冷柴油机的三倍以上目前国内比较普遍的情况是，液压驱动的振动压路机使用风冷柴油机，机械驱动的振动压路机使用水冷柴油机。（1）发动机的最大功率及其相应转速发动机的功率越大，则压路机的动力性能越好。但若功率过大，发动机的功率利用率就降低，燃料经济性下降。额定转速不仅影响发动机的技术性能、联接尺寸和使用寿命，而且影响压路机传动系的传动比、传动件尺寸和工作寿命。额定转速高一些比较有利。（2）发动机的最大扭矩及其相应转速发动机的最大扭矩Memax及其相应转速nM对压路机的低速压实和爬坡工况影响很大。扭矩适应性系数Km，标志着压路机工作阻力增大时能自动增加扭矩的能力，压路机所使用的柴油机要求Km=1.1～1.2。速度适应性系数Kn，压路机用的柴油机一般应使Kn=1.2～1.3。2.主要性能指标的确定四、压路机传动系统的选择对压路机来说，液压传动是最佳的能量传递方式。对压路机的压实质量和工作可靠性具有特殊的优点：1.传动型式的选择2.传动元件的数量和最终传动方式能保持压路机匀速行走以保证各处的压实度均匀；实现全轮驱动而不会造成压轮滑移搓动铺筑材料；压路机的振动轴受纯扭矩传动而提高了振动轴承的工作寿命；振动马达与动力元件经软管柔性连接而便于主车架减振；为压路机工作速度和振动参数的优化和自动调控创造了条件。在液压传动系中，要决定所选油泵和油马达的数量；在机械传动系中，变速器与驱动桥有分开安装和组合安装。压路机的最终传动有开式传动和闭式传动。五、压路机的总体布置1．总布置草图的基准（1）以压路所处水平地面为各部件高低位置基准面；（2）以通过主驱动轮中心线的垂直平面为前后布置基准面；（3）以压路机的纵向对称平面为左右布置基准面。2．各总成部件的布置（1）压路机车轮的布置（2）发动机与传动系的布置（3）铰接车架转向系的布置（5）摆动桥的布置（6）驾驶室的布置（7）介质箱、蓄电池和进排气管的布置（8）辅助工作系统的布置（9）质量分配与重心位置的计算各总成部件的布置第五节振动压路机主要工作参数的确定主要工作参数工作质量振动参数工作速度发动机功率转弯半径压轮尺寸①被压实材料的物理力学性能和工艺要求；②提高压实作业效率和节省能源的需要；③考虑到机器零件的使用寿命和驾驶人员的安全舒适；④综合试验研究和类比所给定的取值范围。选择和确定压路机主要工作参数的依据是：一、压路机的工作重量及其分配工作质量概念：工作质量是压路机的主参数，它是按规定加入油、水、压重物、随机工具，并包括一名司机（65kg）在内的压路机总质量。试验表明，振动压路机的影响深度大致上与振动轮的重量成正比。因此，无论是静碾压路机还是振动压路机，静线载荷都是极为重要的技术参数。压路机的重量分布主要是前、后轮以及上、下车之间的重量分配比例。花纹轮胎单驱动压路机的驱动轮分配重量虽然可以小到40%以下，但考虑到不致使从动轮产生过多的拥土现象，所以应控制在45～50%为宜。对于全轮驱动的压路机，双钢轮串联振动压路机前后轮等同的分配重量。轮胎驱动单轮振动压路机的振动轮分配重量可取整机的60～65%，以增大其压实能力。经验表明，振动压路机