田 嬌，張 洪，胡 亮，唐必亮，趙 繼

(太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院，太原030024)

沖擊振動壓實機，是一種既能直接拍擊地面產(chǎn)生沖擊力，同時又能產(chǎn)生振動力的新型壓實機械。它是把壓路機沖擊軸和振動軸分離，沖擊軸上帶有沖擊塊，在牽引機的牽引下，在振動輪振動的同時會向前滾動壓實，相應(yīng)的沖擊塊會對被壓材料產(chǎn)生沖擊作用，以達到復(fù)合壓實(振動、滾壓、沖擊相結(jié)合)的目的。該種沖擊輪采用分體組合式機構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)比整體式結(jié)構(gòu)作業(yè)滾動阻力小得多，克服了水平?jīng)_擊力，可以減小機械振動和故障，改善工人作業(yè)環(huán)境。因此使機器的減振緩沖裝置結(jié)構(gòu)簡單;可以采用較小的牽引動力，降低使用成本和節(jié)約能源;沖擊振動工作輪可以同時產(chǎn)生沖擊力和振動力，在實施土壤壓實時比只有沖擊力壓實效果好。

1 分體式?jīng)_擊輪的結(jié)構(gòu)

如圖1所示非等半徑截面沖擊輪是由若干個不等半徑弧面的沖擊塊1通過支承軸4組裝在輪架的幅輪6上。當(dāng)工作輪向前滾動，沖擊塊會依次繞其支承軸旋轉(zhuǎn)拍擊地面產(chǎn)生沖擊力，實施沖擊壓實;同時激振器產(chǎn)生確定頻率的振動，通過幅輪和沖擊塊對土壤實施振動壓實。沖擊和振動同時作用地面，大大提高壓實效率。當(dāng)沖擊輪完成拍擊地面后，隨著幅輪的滾動支承軸向上提起，帶動沖擊塊邊沿地面滾動同時收回到輪架內(nèi)。

當(dāng)轉(zhuǎn)場或不需要工作輪做沖擊動作時，可以將止動銷5插入沖擊塊1上的銷孔內(nèi)，沖擊塊和鋼輪鎖為一體。

圖1 分體式?jīng)_擊輪的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Illustration of the split-type impact wheel

2 沖擊塊的工作過程分析

沖擊塊所做的運動為復(fù)合運動，即繞著支承軸的轉(zhuǎn)動和隨著鋼輪平動的運動的合成。圖2描述了沖擊塊從開始離開幅板到?jīng)_擊地面的四個工作受力狀態(tài)。中心線代表沖擊輪的質(zhì)心所在的位置，沖擊軸的軸心到它的距離恒定的。圖2(a)中肋板作用沖擊塊的支撐力N4水平向左;圖2(b)中離心力和支撐軸的支撐力處于豎直方向，沖擊塊處于脫離幅輪的臨界狀態(tài)，沖擊塊質(zhì)心速度水平向左，做類似平拋運動;圖2(c)中是拍擊地面前的一任意時刻;圖2(d)中沖擊塊開始沖擊地面，沖擊塊的速度向下，速度由最大變?yōu)?，地面的反力即沖擊力的大小。

圖2 沖擊塊的工作受力示意圖Fig.2 Illustration of working force of impact mass

3 振動部分的設(shè)計計算

分體式?jīng)_擊輪的振動部分采用單軸旋轉(zhuǎn)慣性激振器，產(chǎn)生的離心力使沖擊輪做圓周運動。

3.1 工作振幅和名義振幅

工作振幅A是隨機參數(shù)，而名義振幅

式中m0—激振器的質(zhì)量(331 kg);e—偏心軸的偏心距離(20 mm);m—振動質(zhì)量(9 200 kg).

3.2 振動加速度

式中ω—激振器的角頻率(306 rad/s).振動加速度用重力加速度g(9.81 m/s2)的倍數(shù)表示，它反映了振動壓路機對地面動態(tài)沖擊力的大小，其值控制在4～10個g.過小的振動加速度，產(chǎn)生的動態(tài)沖擊力很小，體現(xiàn)不出振動壓實的優(yōu)越性;過大的振動加速度，將導(dǎo)致被壓實材料出現(xiàn)離析現(xiàn)象，即大質(zhì)量的骨料顆粒在振動狀態(tài)下產(chǎn)生較大垂直于地面的慣性力，使之沉降在鋪層材料的底部，而小質(zhì)量的顆粒將“浮”在面層，這種大小分層離析破壞了筑路材料的級配狀態(tài)。

3.3 激振力

激振力F0是由偏心振子激振器高速旋轉(zhuǎn)式的離心力形成的，它只和振子的靜偏心距Me(Me=m0e)及角頻率ω有關(guān)。

3.4 沖擊輪的振動功率

(1)沖擊輪的振動所需的功率

振動輪在激振力F0的激勵下產(chǎn)生振動，該激勵在垂直方向的分力為F0sinωt，并且在垂直方向移動dx距離所作的微功為dW=F0sinωt，因為 dx=，將其代入上式可得:

由此可得克服振動阻力所需的功率:

(2)振動軸承的摩擦功率損失

振動軸承受到徑向壓力P的作用于是產(chǎn)生摩擦功率損失為:

式中μ—軸承的摩擦系數(shù)，單排滾子軸承取μ=0.005，雙滾子軸承取μ=0.007;P—軸承徑向壓力，N;d—軸承平均直徑，m;ω—軸承旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s.

(3)總功率

根據(jù)功率消耗選取激振器的驅(qū)動馬達，其額定功率為22 kW.

3.5 線載荷

線載荷是沿壓輪軸向單位長度上土壤所施加的靜壓力，也稱線壓力。

式中G—壓輪上的分配載荷，112 kN;

b—壓輪寬度，280 cm.

4 沖擊部分的設(shè)計計算

4.1 沖擊能量

設(shè)輪心的速度為vc，牽引車帶動沖擊輪以7 km/h的速度工作。

沖擊塊轉(zhuǎn)動的動能:

沖擊塊平動的的動能:

沖擊塊重力勢能:

根據(jù)能量守恒定律，在沖擊塊的下落過程中，其動能和勢能以大部分的形式轉(zhuǎn)化成對地面的沖擊能量，其他一小部分能量被鋼輪和其他機構(gòu)所消耗，所以沖擊能量:

4.2 沖擊速度

沖擊塊在沖擊地面時豎直方向上的速度為:

水平方向上的速度為:

合速度為:

方向與水平方向成53°.

4.3 沖擊力

設(shè)沖擊塊與地面的接觸時間為0.02 s，根據(jù)動量定理:

5 結(jié)語

從沖擊路塊運動狀態(tài)的受力分析得到，沖擊塊周期性的做著拍擊地面的運動，它是以支撐軸為中心的轉(zhuǎn)動和隨著鋼輪的平動合成的平面運動。分體式?jīng)_擊輪具有振動和沖擊兩部分工作機構(gòu)，本文從定性到定量對分體式?jīng)_擊輪的各項參數(shù)進行設(shè)計計算，最后得出分體式?jīng)_擊輪的部分技術(shù)參數(shù)如下表1所示，這些參數(shù)為進一步的沖擊振動壓實機的動力學(xué)模型仿真以及沖擊輪工作時地面的壓實效果分析提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

表1 分體式?jīng)_擊輪的技術(shù)規(guī)格Tab.1 Technical specifications to the split-type wheel

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