任 峰，姚運(yùn)仕，趙明明，劉歡建，楊 發(fā)

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710064）

0 引言

瀝青路面在我國各等級公路中占有極其重要的地位，要想實(shí)現(xiàn)瀝青路面安全、舒適、耐久、承載能力各方面性能出色，就得要求高質(zhì)量的路面基層。我國大部分高級公路采用半剛性基層作為基層，則半剛性基層的壓實(shí)質(zhì)量將嚴(yán)重影響瀝青路面的使用性能和使用壽命。足夠的密實(shí)度可以充分發(fā)揮路基的性能，是影響半剛性基層質(zhì)量的重要因素，密實(shí)度是通過壓實(shí)來實(shí)現(xiàn)的。如果半剛性基層壓實(shí)不充分，將導(dǎo)致瀝青路面在使用過程中發(fā)生車轍、裂縫、沉陷和水破壞，甚至導(dǎo)致瀝青路面的剪切破壞。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)半剛性基層的研究，對現(xiàn)場施工情況起著指導(dǎo)性作用。目前，室內(nèi)對半剛性基層成型的方法很多，如揉搓壓實(shí)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)、振動壓實(shí)和靜壓成型，但主流的室內(nèi)成型還是靜壓成型和振動成型。其中，振動壓實(shí)可以很好的模擬半剛性基層現(xiàn)場施工碾壓的情況。研究表明[1]，“振動成型儀—被壓材料”的動態(tài)響應(yīng)與“振動壓路機(jī)—被壓材料”的動態(tài)響應(yīng)基本一致，表明實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的振動壓實(shí)效果與振動壓路機(jī)在施工現(xiàn)場的壓實(shí)效果基本相似，將實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)用于現(xiàn)場施工質(zhì)量的指導(dǎo)、預(yù)測和控制是可行的。而現(xiàn)有室內(nèi)振動壓實(shí)成型機(jī)在整體結(jié)構(gòu)方面有很多缺點(diǎn)，如整機(jī)體積較大，整體笨重，動力源與振動源分開，電機(jī)外置，利用兩個(gè)萬向節(jié)傳輸動力，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低等缺點(diǎn)，本文針對上述缺點(diǎn)，自行設(shè)計(jì)一款符合《垂直振動法水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)范》（DB61/T529-2011）標(biāo)準(zhǔn)的振動壓實(shí)成型機(jī)，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行選型指導(dǎo)及其校核計(jì)算。

1 總體方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)有振動成型機(jī)如圖1所示，體積龐大，外形笨重，采用四立柱框架，更換試件不方便；電機(jī)外置，利用兩個(gè)萬向節(jié)傳輸動力，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低；上下車之間采用剛性連接，減振效果差，噪音大。針對上述現(xiàn)有缺點(diǎn)，本振動成型機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為機(jī)架、提升機(jī)、激振部分、減振裝置以及試模及其夾緊裝置。根據(jù)陜西省相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[2]，振動壓實(shí)成型機(jī)應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)條件見表1。

圖1 現(xiàn)有振動成型機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖

圖2 本機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)要求

本機(jī)工作過程如下：將裝滿物料的試模利用試模夾緊裝置，固定在底座上，以防移動。然后啟動提升機(jī)構(gòu)，將上、下車一同下降，直至壓頭接觸在物料頂部，提升機(jī)構(gòu)停止工作。接下來，同時(shí)啟動兩臺振動電機(jī)，其中兩臺振動電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相反，從而產(chǎn)生垂直方向的激振力，將物料振動壓實(shí)。物料達(dá)到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)以后，振動電機(jī)停止工作，提升機(jī)構(gòu)再次動作，將上下車一同向上移動，直至壓頭完全脫離試模，提升機(jī)構(gòu)停止工作。最后，解除試模夾緊，將已壓實(shí)的物料連同試模一塊取出來，然后脫模。振動壓實(shí)過程中，上、下車之間的橡膠雙夾減振機(jī)構(gòu)盡量減少上車的振動，減少噪音。

2 振動電機(jī)

振動電機(jī)是振動壓實(shí)成型機(jī)最核心的部分，是將振動壓實(shí)成型機(jī)中激振源與動力源合二為一的部件。振動電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸兩端分別安裝有一組偏心塊，利用旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，帶動偏心塊產(chǎn)生激振力。

本機(jī)安裝兩個(gè)同型號振動電機(jī)，轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相反，從而水平分力相抵消，豎直方向力相互疊加，如圖3所示。

圖3 垂直振動原理示意圖

本機(jī)設(shè)計(jì)要求激振力為7.6 kN，下車重量為（1.8±0.01）kN 即（183.7±1）kg，振動頻率為（30±1）Hz。查詢振動電機(jī)，可選用YZO-16-4振動電機(jī)，其激振力為16 kN，可通過調(diào)節(jié)振動電機(jī)偏心塊夾角來調(diào)節(jié)激振力。其轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，即25 r/s，雖不符合30 Hz，但可以接入一臺變壓器，將振動電機(jī)頻率變?yōu)?0 Hz。

3 機(jī)架

機(jī)架是一臺機(jī)器中，用來安裝其他零部件。在機(jī)架設(shè)計(jì)中，在其剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿足條件的前提下，盡量減少機(jī)架體積和重量。選用機(jī)架材料一般取決于使用要求，一般采用鑄造材料。本機(jī)架采用若干梁柱圍成的立體框架結(jié)構(gòu)（四立柱框架），并且采用單立柱框架結(jié)構(gòu)，故選用熱軋槽鋼。其主要的受力部件為立柱和主簡支梁。下面計(jì)算主簡支梁界面，按主簡支梁截面要求選擇機(jī)架所需熱軋槽鋼具體型號。選用Q235材質(zhì)鋼板，已知許用應(yīng)力[σ]=158 MPa，[τ]=98 MPa，彈性模量 E=200 GPa。受力分析如圖4。

圖4 受力分析圖

F總=m1×g+（m上+m下）×g

F=F總/2

其中：m1為電葫蘆的質(zhì)量，取40 kg；

m上為上車系統(tǒng)質(zhì)量，取120 kg；

m下為下車系統(tǒng)質(zhì)量，取180 kg；

g 為加速度 9.8 N/kg。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：F總=3 392 N，F(xiàn)=1 696 N按強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)截面：

σ =Mmax/Wz≤ [σ]

Mmax=F×L

其中：L為受力點(diǎn)到左側(cè)支點(diǎn)的距離，取385 mm。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：Wz＞ 4.13 cm3

查詢型鋼規(guī)格表[3]可知，6.3#熱軋槽鋼的抗彎截面系數(shù) Wz=16.1 cm3，慣性矩 Iz=50.8 cm4。

按剛度條件校核截面：

已知，簡支梁的最大撓度發(fā)生在受力處，則：

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：ωmax=8.13 × 10-5

根據(jù)GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]規(guī)定，[ω]=L總/200

其中 L總=0.63 m

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：[ω]=0.003 15

故[ω]≥ ωmax

所以，6.3#熱軋槽鋼滿足梁的剛度要求。

4 減振裝置

壓路機(jī)工作中的強(qiáng)烈振動和噪聲作為一種環(huán)境污染，逐漸引起了社會各界的普遍關(guān)注[5]。振動對一臺機(jī)器可以產(chǎn)生很多有害的影響，如降低機(jī)器的精度，加劇各零部件的磨損，甚至引起零部件的疲勞破壞，從而降低機(jī)器的使用壽命等等。

本振動壓實(shí)成型機(jī)，振動電機(jī)帶動上、下車上下振動，通過壓頭，用產(chǎn)生的激振力對被壓實(shí)材料進(jìn)行反復(fù)壓實(shí)。因?yàn)榱κ窍嗷サ?，所以被壓材料也會對振動壓頭產(chǎn)生反作用力，再傳遞到機(jī)器的每一個(gè)部分，這會增加整機(jī)零件的磨損，降低整機(jī)的使用壽命，并對周圍環(huán)境造成噪聲污染，對操作人員的身心健康造成損害。所以應(yīng)對減振系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而減少振動對整機(jī)造成的不良影響。橡膠因其是一種高分子聚合材料，內(nèi)部排列結(jié)構(gòu)為鏈狀結(jié)構(gòu)，所以為當(dāng)代主要的減振材料。不用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和外形，就能達(dá)到較好的減振、減噪的性能。而且橡膠材料的阻尼比一般的金屬材料要高很多，所以能吸收更多的振動能量，尤其是高頻的振動運(yùn)動。先也有將橡膠和金屬粘接在一起使用?，F(xiàn)在主要有圓柱形、方形和圓筒形等形狀的橡膠減振塊。本機(jī)器選用橡膠減振塊，并采用雙夾結(jié)構(gòu)安裝橡膠減振塊，如圖5所示。

圖5 上下車結(jié)構(gòu)示意圖

減振系統(tǒng)的總剛度隨著假設(shè)的數(shù)學(xué)模型的不同而不同，本設(shè)計(jì)將其簡化為單自由度系統(tǒng)[6]，如圖6所示。

圖6 單自由度系統(tǒng)示意圖

根據(jù)《橡膠減振器在振動壓路機(jī)上的應(yīng)用》[7]，總動態(tài)剛度：

其中：m1為上車系統(tǒng)質(zhì)量，120 kg；

ω 為振動電機(jī)振動頻率，ω =2πf，f=30 Hz。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：Ki=120 902.654 N/m。

初步設(shè)計(jì)四組雙夾結(jié)構(gòu)、8只橡膠減振器并聯(lián)。即每一個(gè)橡膠減振器的最大動剛度K為：

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：Kdi=15 112.832 N/m。

橡膠減振器除去與鋼板粘接部分，為一個(gè)直徑D=80 mm、高度L=100 mm的圓柱，其截面面積A：

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：A=5 026.548 mm2

橡膠減振器的的剛度是一個(gè)很難測得數(shù)據(jù)，一般與所選材料的硬度、成型機(jī)工作振幅、頻率以及環(huán)境溫度有關(guān)。因此，一般通過靜剛度估算出動剛度。表3為不同材料硬度下的動剛度系數(shù)（d）。表2為一定范圍內(nèi)橡膠硬度HS與彈性模量和剪切模量的對應(yīng)值，其中，動剛度Kd=K×d。

表2 橡膠硬度與彈性模量和剪切模量對應(yīng)值

表3 橡膠硬度與動剛度系數(shù)表

由表3可知，選硬度為HS=40的橡膠作為減震器時(shí)，其動剛度系數(shù)為d=1.1，彈性模量E=1.850 MPa，剪切模量 G=0.460 MPa。本機(jī)器的橡膠減振器為圓形截面，故剪切彈性模量為：

因此，橡膠減振器的動剛度Kd：

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：Kd=15.01 kN/m，

即 15.01 kN/m ＜ [Kdi]=15112.832 N/m。

所以，所選橡膠減振器剛度滿足要求。

5 上下車結(jié)構(gòu)及其質(zhì)量

5.1 上車

上車在上下車結(jié)構(gòu)中，起著連接下車、帶動上下車上下移動以及限制上下車振動中晃動的作用，所以上車結(jié)構(gòu)示意圖7如下。吊板用來連接電葫蘆鋼絲繩和上車車架，體積V1=7.88×105mm3。上車架用來連接下車，并保證上車系統(tǒng)質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，所以上車架上配有一個(gè)配重腔，上車架體積V2=5.066×106mm3。眾所周知，鐵的密度為 ρ鐵=7.8 g/cm3，見圖7所示。

圖7 上車系統(tǒng)示意圖

故上車系統(tǒng)質(zhì)量M上：

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：M上=45.65 kg ＜ 122.5 kg

剩下的質(zhì)量，由螺栓和配重塊補(bǔ)充即可。

5.2 下車

下車在整機(jī)結(jié)構(gòu)中，起著連接上車、承載振動電機(jī)、并將振動能量通過壓頭傳遞給被壓材料的功用，所以下車結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 下車系統(tǒng)示意圖

一臺振動電機(jī)M振=83 kg，兩臺164 kg。下車機(jī)架共分為三個(gè)部分：橡膠減振器架，左右各一個(gè)，單個(gè)體積 V3=6.407 × 105mm3。

支撐振動電機(jī)的搭板前后各一個(gè)，單個(gè)體積V4=1.845×105mm3；中間連接振動電機(jī)與壓頭的部件體積 V5=4.318 × 105mm3；壓頭體積 V6=1.385 ×105mm3。則下車系統(tǒng)質(zhì)量M下：

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：M下=181.3 kg ＜ 183.6 kg

剩余質(zhì)量由螺栓及質(zhì)量塊補(bǔ)齊即可。

6 結(jié)束語

本文提出了一種符合《垂直振動法水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)范》（DB61/T529-2011）的振動壓實(shí)成型機(jī)，對現(xiàn)有振動壓實(shí)成型機(jī)部分確定提出改進(jìn)，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。該成型機(jī)用于實(shí)驗(yàn)室水泥穩(wěn)定土材料試件的振動壓實(shí)成型，結(jié)構(gòu)緊湊，上下車完全模仿振動壓路機(jī)結(jié)構(gòu)，可以很好的模仿現(xiàn)場振動壓路機(jī)壓實(shí)效果，將實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)用于現(xiàn)場施工質(zhì)量的指導(dǎo)、預(yù)測和控制。而且具有減振結(jié)構(gòu)，可以有效減少工作中的噪音，保證工作人員身心健康。該振動壓實(shí)成型機(jī)現(xiàn)已申請了國家發(fā)明專利，專利申請?zhí)枮?201711432267.8。