夏磐夫，林棟冰，姚運(yùn)仕，沈建軍

（1.徐工集團(tuán)道路機(jī)械事業(yè)部，江蘇 徐州 221004；2.長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引 言

近年來，國內(nèi)大噸位振動(dòng)壓路機(jī)的使用工況發(fā)生了巨大的變化，其施工條件傾向于非常惡劣，如單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)用于壓實(shí)厚度超過0.5m的穩(wěn)定土鋪層和最大粒徑接近1m的填石鋪層，高振幅連續(xù)碾壓，平均每天工作16h以上等，這些變化使得按常規(guī)工況設(shè)計(jì)的壓路機(jī)長期工作于極限負(fù)荷或超負(fù)荷下，導(dǎo)致核心工作裝置——振動(dòng)輪故障頻頻［1］。為此，本文分析振動(dòng)輪長壽命設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

1 典型振動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)形式

振動(dòng)輪是振動(dòng)壓路機(jī)的重要組成部件，其作用是通過偏心軸高速旋轉(zhuǎn)的離心力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生持續(xù)的受迫機(jī)械振動(dòng)，從而施力于地面材料使其密實(shí)。根據(jù)振動(dòng)施力形式不同，壓路機(jī)可以被劃分圓周振動(dòng)壓路機(jī)、振蕩壓路機(jī)、定向振動(dòng)壓路機(jī)等多種，振動(dòng)輪也因此具有圓周振動(dòng)輪、振蕩輪、定向振動(dòng)輪等多種不同結(jié)構(gòu)［2－5］。

圓周振動(dòng)輪通過驅(qū)動(dòng)布置在振動(dòng)輪軸線上的偏心軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，使振動(dòng)輪沿著圓周各方向產(chǎn)生振動(dòng)，對阻力最大方向——地面法向上的土壤進(jìn)行上下振動(dòng)壓實(shí)；振蕩輪通過驅(qū)動(dòng)2根相位相差180°的偏心軸同步同向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生按正弦曲線變化的交變力矩，施加于滾輪上，產(chǎn)生一種繞軸心的振蕩運(yùn)動(dòng)，對阻力最大方向——地面切向上的土壤進(jìn)行水平揉搓壓實(shí)；定向振動(dòng)輪通過驅(qū)動(dòng)對稱布置在某一方向（如水平方向）的2根偏心軸同步反向旋轉(zhuǎn)，使得該方向上的力相互抵消、該方向法向方向上的力疊加，形成定向振動(dòng)力，對阻力最大方向——地面法向上的土壤進(jìn)行上下振動(dòng)壓實(shí)［6－8］。

圓周振動(dòng)輪、振蕩輪的典型結(jié)構(gòu)形式和定向振動(dòng)輪的一種結(jié)構(gòu)形式如圖1～3所示。3種結(jié)構(gòu)的振動(dòng)輪均采用泵-馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)中均包含行走和支撐的輪子、振動(dòng)馬達(dá)、產(chǎn)生激振力的偏心軸及其支撐軸承，以及傳遞動(dòng)力的組件和其他輔助元件等。

圖1 圓周振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)

圖2 振蕩輪結(jié)構(gòu)

2 振動(dòng)輪長壽命設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)

2.1 振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)的選擇

到目前為止，主導(dǎo)市場的仍然是圓周振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)，占據(jù)了95%以上的市場份額。

圖3 定向振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)

從振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)形式可以看到，圓周振動(dòng)輪采用單激振器即可實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)最為簡單；振蕩輪需要形成振蕩力矩，至少需要雙激振器才能實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜；定向振動(dòng)輪需要抵消某一方向的力，需要雙激振器和相對車架固定的內(nèi)筒，結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜。

按可靠性理論，系統(tǒng)可靠性在很大程度上取決于組成單元的可靠度、系統(tǒng)的可靠性結(jié)構(gòu)模式和組成單元的數(shù)量。相對而言，振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)模型類似于串聯(lián)系統(tǒng)，組成單元的數(shù)量越少越可靠。假設(shè)每一單元的可靠度相同，則圓周振動(dòng)輪會因組成單元的數(shù)量最少具有最高的可靠性，定向振動(dòng)輪會因組成單元的數(shù)量最多具有最低的可靠性。

顯然，僅從組成單元的數(shù)量考慮，振動(dòng)輪進(jìn)行長壽命設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)選圓周振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)會更容易達(dá)成目標(biāo)，選用其他結(jié)構(gòu)則必須通過提高系統(tǒng)中組成單元的可靠度來彌補(bǔ)單元數(shù)量增加帶來的可靠度損失。

2.2 振動(dòng)軸承的選型及潤滑設(shè)計(jì)

振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)中，支撐偏心軸的軸承位于內(nèi)部，損壞后更換需要拆卸非常多的零部件且維修困難，同時(shí)軸承的損壞可能會造成偏心軸、軸承座及價(jià)值最高的馬達(dá)等連鎖損壞，導(dǎo)致更大經(jīng)濟(jì)損失［9］，所以振動(dòng)輪內(nèi)部軸承的壽命設(shè)計(jì)是振動(dòng)輪設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分。

按軸承壽命計(jì)算公式L＝106（C／P）p／（60n）可知，軸承基本額定壽命L取決于負(fù)荷P、軸承額定動(dòng)負(fù)荷C、軸承轉(zhuǎn)速n以及軸承形式?jīng)Q定的壽命指數(shù)p。假設(shè)壓路機(jī)采用滾子軸承（滾子軸承壽命指數(shù)p為定值10／3），運(yùn)行于設(shè)定負(fù)荷和設(shè)定轉(zhuǎn)速之下，則軸承的基本額定壽命L僅與軸承額定動(dòng)載荷C有關(guān)。圓柱滾子軸承工作于82.5kN、振動(dòng)頻率28Hz（即軸承轉(zhuǎn)速1 680r·min－1）下，基本額定壽命L隨軸承額定動(dòng)載荷C的變動(dòng)情況見表1。

表1 壽命計(jì)算

通常壓路機(jī)振動(dòng)軸承的動(dòng)負(fù)荷已由壓路機(jī)性能參數(shù)確定，按壽命計(jì)算公式，由軸承規(guī)格決定的軸承額定動(dòng)載荷C及其衍生參數(shù)載荷比P／C，對軸承的基本額定壽命有很大影響。通過增大軸承規(guī)格提升軸承額定動(dòng)載荷C以減小載荷比，能有效延長軸承壽命，通常在振動(dòng)輪進(jìn)行長壽命設(shè)計(jì)時(shí)保證載荷比接近且小于0.1較好，此時(shí)軸承基本額定壽命超過18 000h。

顯然，軸承壽命計(jì)算的前提是潤滑散熱良好，如果軸承工作時(shí)潤滑散熱條件差，潤滑膜破裂、溫度持續(xù)升高使軸承燒結(jié)、破壞，其疲勞壽命也就無從談起。通常，軸承潤滑散熱需要考慮其安裝座和補(bǔ)油結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安裝座應(yīng)利于油進(jìn)入軸承兩側(cè)，必要的時(shí)候采用補(bǔ)油勺使油在壓路機(jī)起步后快速導(dǎo)入軸承內(nèi)部，形成穩(wěn)定的循環(huán)油潤滑和散熱，最大程度地保證軸承工作在預(yù)期的良好的工作模式下。行業(yè)內(nèi)已有多種成熟的軸承潤滑散熱方式，如徐工的油勺式潤滑結(jié)構(gòu)和三一的袋鼠式潤滑結(jié)構(gòu)。

2.3 振動(dòng)輪傳動(dòng)件設(shè)計(jì)

傳動(dòng)件設(shè)計(jì)不良會導(dǎo)致偏心軸、馬達(dá)等高價(jià)值部件損壞，造成較大經(jīng)濟(jì)損失，需要重點(diǎn)關(guān)注。從振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)來看，偏心軸和花鍵套是關(guān)鍵部件，偏心軸起停振沖擊造成傳動(dòng)系的額外承載和花鍵套軸向竄動(dòng)造成的花鍵副額外磨損，是傳動(dòng)件壽命設(shè)計(jì)的重要影響因素。

偏心軸設(shè)計(jì)時(shí)，以靜偏心矩為目標(biāo)，優(yōu)化偏心塊結(jié)構(gòu)，減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以減小起停振時(shí)的沖擊負(fù)載。專利《一種固定偏心塊》（CN203487439U）提供了一種減小偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的結(jié)構(gòu)布置方式，通過去除傳統(tǒng)半圓形結(jié)構(gòu)中對靜偏心矩貢獻(xiàn)小但轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的部分，減小了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)使用突出凸臺上的擋銷安裝，可用于逆轉(zhuǎn)偏心塊激振器形成雙幅，同時(shí)回轉(zhuǎn)直徑小，適用于超大噸位壓路機(jī)。行業(yè)內(nèi)也提出了一種葫蘆狀偏心塊［10］，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)量均最小，可用于單幅式激振器，適用于小噸位壓路機(jī)。

圖4 小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量固定偏心塊

花鍵套設(shè)計(jì)時(shí)，須預(yù)留較大軸向竄動(dòng)量以消除偏心軸熱脹冷縮產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和補(bǔ)償各相關(guān)零部件制造誤差，但該軸向竄動(dòng)量會使動(dòng)力傳遞過程中的花鍵聯(lián)接成為動(dòng)聯(lián)接，降低花鍵副壽命。

解決辦法之一是增強(qiáng)花鍵耐磨能力，通過提高花鍵齒面加工精度、減小跳動(dòng)改善花鍵齒面受力，或者提高花鍵齒淬火硬度，使花鍵鍵齒更加耐磨，即使花鍵套竄動(dòng)仍具有較長壽命。該方法對設(shè)備加工能力有非常高的要求。

解決辦法之二是利用空間分離原則消除馬達(dá)側(cè)花鍵副（馬達(dá)的花鍵軸頭已標(biāo)準(zhǔn)化，無法更改）的竄動(dòng)，將該側(cè)的動(dòng)聯(lián)接變?yōu)殪o聯(lián)接，同時(shí)加大偏心軸側(cè)的花鍵（自行設(shè)計(jì)，可以更改）規(guī)格，減小偏心軸側(cè)花鍵齒的受力，最終提升2處花鍵副的壽命。

綜合2種方法的特點(diǎn)，徐工壓路機(jī)振動(dòng)輪內(nèi)使用的一種花鍵套自定位專利結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，利用彈簧的伸縮特性解決了該問題，成功避免了馬達(dá)軸頭磨損問題，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。由圖5可知，偏心軸與軸承之間可以按軸系設(shè)計(jì)要求預(yù)留間隙，如偏心軸向左側(cè)竄動(dòng)，則彈簧自動(dòng)伸長，如偏心軸向右側(cè)竄動(dòng)，則擠壓彈簧，利用彈簧伸縮使花鍵套右側(cè)始終緊貼振動(dòng)馬達(dá)花鍵，花鍵套與馬達(dá)軸頭間的花鍵聯(lián)接，由動(dòng)聯(lián)接轉(zhuǎn)化為近似靜聯(lián)接，不能竄動(dòng)，從而緩和馬達(dá)軸頭花鍵的磨損。

需要注意的是，上述結(jié)構(gòu)中花鍵套與馬達(dá)軸頭之間的花鍵宜采用高精度、緊配合，減小花鍵副的側(cè)隙，使載荷能均勻分布在鍵齒上，花鍵套與偏心軸之間的花鍵需要采用比馬達(dá)軸頭處花鍵更大的模數(shù)或齒數(shù)，通過減小花鍵齒面壓應(yīng)力來減小該處的磨損。

圖5 自定位花鍵套專利結(jié)構(gòu)

2.4 振動(dòng)輪密封設(shè)計(jì)

振動(dòng)輪內(nèi)的靜密封通常采用“O”形圈，動(dòng)密封通常采用骨架油封，設(shè)計(jì)時(shí)需要按國標(biāo)要求設(shè)計(jì)溝槽和孔軸配合，還需考慮骨架油封安裝時(shí)的導(dǎo)入倒角、唇口過盈量、相關(guān)件圓跳動(dòng)及同軸度等［11］。另外，為了進(jìn)一步增強(qiáng)密封可靠性，振動(dòng)輪內(nèi)兩處重要的密封——行走軸承處的骨架密封和左右激振室之間的骨架密封在設(shè)計(jì)時(shí)可以采用一些特別的結(jié)構(gòu)。

行走軸承處的密封，行業(yè)內(nèi)普遍采用或試圖采用冗余設(shè)計(jì)，在振動(dòng)室和外部大氣之間設(shè)置兩道骨架油封，即雙骨架密封結(jié)構(gòu)，將漏油的概率由A%降低到A%×A%，減小1個(gè)數(shù)量級，相關(guān)結(jié)構(gòu)已有很多申請了專利。

左右激振器之間的密封設(shè)計(jì)，目前行業(yè)內(nèi)有2種處理方式，如圖6、7所示。

圖6 獨(dú)立激振室圓周振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)

圖7 筒式四支撐圓周振動(dòng)輪

圖6 所示的圓周振動(dòng)輪是一種獨(dú)立激振室圓周振動(dòng)輪，兩側(cè)激振室的潤滑油室不聯(lián)通，靠近振動(dòng)輪最中心部位的2個(gè)偏心軸之間設(shè)有骨架油封，阻止?jié)櫥屯ㄟ^油封處進(jìn)入激振室之間的區(qū)域，但損壞后難以更換。限于磨損老化，用于動(dòng)密封的骨架油封壽命很難超過4 000h，若振動(dòng)輪的設(shè)計(jì)壽命按5 000h以上設(shè)計(jì)，需考慮更好的密封方式，如將振動(dòng)室之間的密封由動(dòng)密封改為靜密封，更換更好的、更光滑的密封材料等。

圖7所示的圓周振動(dòng)輪給出了另一種圓周振動(dòng)輪即筒式四支撐圓周振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過將兩側(cè)激振室的潤滑油直接聯(lián)通，使兩側(cè)激振室內(nèi)的潤滑油互通有無，從而不再需要兩側(cè)激振室之間的油封，徹底避免了油封漏油問題，同時(shí)振動(dòng)輪油室能存儲更多油量，間接地提升了潤滑油老化周期。

振動(dòng)輪進(jìn)行長壽命設(shè)計(jì)時(shí)，選擇筒式四支撐振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)為佳。

2.5 減振設(shè)計(jì)

橡膠材料具有天然的內(nèi)阻尼并能進(jìn)行可逆的大變形，在發(fā)揮良好彈性作用的同時(shí)，又是很好的阻尼材料，用于壓路機(jī)隔離振動(dòng)、吸收地面沖擊都具有良好效果［12］。橡膠材料用于壓路機(jī)振動(dòng)輪減振且已經(jīng)形成了一些固化的設(shè)計(jì)規(guī)范，如壓路機(jī)靜止時(shí)減振器靜撓度約為10～15mm，振動(dòng)系統(tǒng)的頻率比λ＞6（λ為振動(dòng)頻率與上車固有頻率的比值），作用在減振器的最大剪切應(yīng)力不超過0.4MPa等。這些設(shè)計(jì)要求能使壓路機(jī)在運(yùn)行時(shí)和進(jìn)行壓實(shí)工作時(shí)具有很好的減振性能和較長的使用壽命。

2.6 結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)件如輪子焊接等通常按無限壽命設(shè)計(jì)，按最惡劣工況（跳振，最大激振力）校核。設(shè)計(jì)時(shí)對相關(guān)焊道處的處理需要注意，部分焊道處由于有局部應(yīng)力集中并難以焊接，要特別設(shè)計(jì)筋板進(jìn)行加強(qiáng)［13－14］。

3 結(jié) 語

通過對振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，提出振動(dòng)輪進(jìn)行長壽命設(shè)計(jì)需要采取的措施有：優(yōu)選筒式四支撐圓周振動(dòng)輪；保證振動(dòng)軸承載荷比接近且小于0.1；減小激振器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，采用自定位花鍵套，從而提升傳動(dòng)件的可靠性；對框架軸承處的油封進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，提升密封可靠性；減振系統(tǒng)按固化的設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)件按無限壽命設(shè)計(jì)。