沖擊式壓路機設(shè)計參數(shù)選擇初探

郭晨濤

【摘要】隨著我國經(jīng)濟發(fā)展水平的不斷提高，各項工程建設(shè)項目在逐漸增多，而在各項工程施工中，尤其是道路施工，壓路機是不可缺少的機械設(shè)備，在確保工程能夠更加高效、更加及時的開展過程中起到了重要作用，為此，壓路機的質(zhì)量控制顯得非常重要。本文主要基于沖擊式壓力機的工作原理，對其參數(shù)設(shè)計與選擇進行了深入探析，希望能夠為相關(guān)部門提供一些借鑒。

【關(guān)鍵詞】沖擊式 壓路機 參數(shù)設(shè)計選擇 工程施工

隨著我國高速公路建設(shè)的穩(wěn)定持續(xù)開展，大型的堤壩、機場、港口等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在日趨完善，同時也使施工質(zhì)量與施工進度的提升成為了必然，沖擊式的壓路機正是基于這一背景產(chǎn)生的。沖擊式機型壓路機沖擊輪以凸輪居多，可分為6、7線弧段。重心的上升或者下降借助的是沖擊輪的滾動摩擦，在持續(xù)不斷的滾動下能夠產(chǎn)生一定的沖擊力，壓實就是在這種持續(xù)不斷的沖擊作用下產(chǎn)生的，壓路機在運行時將更加有效率、更加穩(wěn)定。下面就結(jié)合沖擊式壓路機的特征對沖擊式壓路機設(shè)計參數(shù)選擇進行分析。

一、沖擊式壓路機概述

沖擊式壓路機是一種新型拖式壓路機，重要組成有牽引車與沖擊輪。其工作原理為：沖擊輪中的3-5個非圓形的拖輪在不斷滾動下完成對路面的壓實，但其本身并不具有沖擊力，沖擊輪需要借助大型的牽引設(shè)備才能順利工作[1]。沖擊式壓路機能夠借助牽引車，將非圓形的沖擊輪帶動起來，再借助沖擊輪自身的緩沖力與沖擊力實現(xiàn)遷移或后退，進而實現(xiàn)對水泥路面、路基等壓實或振搗。其技術(shù)特點有以下幾方面：

通過具體工程顯示，振動壓路機的振動碾壓速度是影響壓實效果的決定性因素之一，而壓實深度與攤鋪厚度也成為了壓實效果與施工效率的關(guān)鍵指標。一般來說，振動壓路機最優(yōu)的碾壓速度為4-8km/h，與之對應(yīng)的壓實厚度為0.4-0.6m。要想使壓實效果進一步提高，提升生產(chǎn)效率，則要適當增強土層密實度，減少出現(xiàn)因為土石的自重效應(yīng)，引發(fā)沉降變形問題，為此，對傳統(tǒng)的壓路機進行改良，不斷提高碾壓技術(shù)、方式，才能使碾壓的速度與鋪層厚度增加[2]。沖擊壓實技術(shù)就是在此背景下產(chǎn)生的，具有壓實頻率低、振幅高等優(yōu)點，在反復(fù)壓實過程中能夠增強土方的壓實效果。比如，一個20KJ的三邊沖擊壓實機，沖擊功能將比振幅高出8倍以上，壓實深度能夠達到6m，這種有效的壓實厚度由原來的振動壓實0.24-0.28m，增加至1.20-1.6m，并且SD沖擊壓實機碾壓速度也比壓實機高出3倍以上[3]。

沖擊壓路機產(chǎn)生能量借助的是三邊形或者是五邊形的沖擊輪，能夠?qū)a(chǎn)生的沖擊能量集中到一起，進而順利完成壓實與填料。沖擊式壓路機應(yīng)用的范圍較廣，比如，水壩、公路、樓房、工廠、住宅區(qū)等，實現(xiàn)對廢料、土石、巖土、膨脹土、露天煤層的壓實等。

二、沖擊輪的工況介紹

（一）幾點假設(shè)

沖擊式的振動壓路機實現(xiàn)沖擊的方法為：通過其多邊形沖擊輪在待壓路面上不斷滾動，滾動到一定程度以后就會引起沖擊。本文在壓路機原理基礎(chǔ)上對擬建的假設(shè)做進一步分析。

1、需要壓實的路面為平面，表面沒有凹凸不平整的地方；

2、沖擊輪對地面產(chǎn)生沖擊的時間非常短，在完成沖擊以后，能夠轉(zhuǎn)化為壓實動能；

3、牽引時的速度將處于恒定狀態(tài)下；

4、沖擊輪產(chǎn)生的阻力與阻力力矩值也都是處于恒定狀態(tài)下；

（二）沖擊式壓路機的具體工作運行原理

沖擊式壓路機的工作原理如下圖1所示，將三邊形沖擊輪中的某一邊作為演示實例，分析沖擊的全過程，其中，A、B、C、A"是沖擊輪在來回滾動中的不同位置的接地點[4]。沖擊輪能夠以順時針方向轉(zhuǎn)動運行，在運行到一定程度以后，A點在經(jīng)過B點以后順利著地，并在運行結(jié)束以后轉(zhuǎn)動到C點位置處，整個過程演示了沖擊輪上升方式，這種重力負載下將使功率增大。而從C點到D點則是沖擊輪重心下降的過程，重力在這一過程下做正功，并推動沖擊輪的角速度不斷增加。OC是距離重心最遠的位置，而OE則是距離重心最近的位置，A"點在接觸到地面時，則是沖擊的起點。對參數(shù)進行計算過程中，A"接觸點的時間則用 表示，使用沖量定理進而得出最大的沖擊力。

圖1 沖擊輪運動演示

（三）沖擊輪的受力過程

為了使計算得到簡化，可以將沖擊輪B點接地轉(zhuǎn)換為C點運動、重心上升的過程，對靜態(tài)過程進行分析[5]。具體見下圖2所示：

圖2 沖擊輪受力圖

在本圖中， 表示的是支反力作用點；

表示的是牽引力；

表示的是沖擊輪重力；

表示的是路面支反力；

表示的滾動阻力；

表示的是轉(zhuǎn)動角速度； 是重力力臂； 表示的是重心高度。

沖擊輪可以運動到不同的位置處，分為兩種不同的牽引力，分別是牽引力臂與重力力臂。在力矩平衡關(guān)系下，能夠?qū)Σ煌臓恳M行設(shè)置。

三、沖擊式壓路機存在的參數(shù)關(guān)系

要想進一步明確沖擊式壓路機中的各項參數(shù)關(guān)系，就要首先對符號進行定義， 為沖擊輪繞輪軸O的轉(zhuǎn)動慣性量； 是重心速度； 表示的是沖擊輪質(zhì)量；平均沖擊力由 表示， 為沖擊輪過D點，并且與輪軸軸線轉(zhuǎn)動慣量保持平行。 表示的是沖擊地面時瞬間產(chǎn)生的角速度，最后， 表示的為沖擊動能[6]。

在明確了上述參數(shù)關(guān)系以及各部分的組成以后，就能夠具體分析沖擊能量與沖擊輪間的邊數(shù)關(guān)系。

（一）能量與邊數(shù)參數(shù)間的關(guān)系

沖擊輪的C點位置在接地以后，將使重心出現(xiàn)突然的升高；而A接地以后，則對重心產(chǎn)生作用，使重心出現(xiàn)偏移。如果沖擊輪的C點接地以后，將造成重心偏高；而如果A點接地，則使重心降低。將重力零勢能面用沖擊輪重心最低點所在的平面表示，沖擊輪的轉(zhuǎn)動能量可以設(shè)為 、將動能的平均值設(shè)置為 ，而 則表示重力勢能，具體公式如下所示：

以上公式能夠得出，壓路機的角速度為O時，表示已經(jīng)完成了沖擊運行，沖擊能量的公式表示為：

如果沖擊輪的邊數(shù)增加，壓路機的總體沖擊能量將大大削弱；但如果邊數(shù)增大，則會觀察到，沖擊輪的外部輪廓呈現(xiàn)圓形，在充分考慮到這種變化以后，再次變?yōu)閳A形時，將不再產(chǎn)生沖擊能量。在完成以上內(nèi)容的分析以后，通過下圖3能夠更為清楚的了解到能量與輪邊數(shù)間的相互作用關(guān)系。

圖3 沖擊瞬間能量與輪邊的關(guān)系

（二）牽引速度與沖擊力之間的關(guān)系

將沖擊輪的一個邊作為沖擊過程的演示實例，我們能夠發(fā)現(xiàn)，D點在沖擊過程中逐漸成為了運動沖擊，在這種條件下會出現(xiàn)均衡沖擊力，并與線段保持垂直， 能夠與線段 保持垂直關(guān)系，動能定理下的公式如下所示：

最終能夠得出：

因為 與V存在正比關(guān)系， 的增大下，V也將增大，由此，在 恒定下，則能夠顯示出牽引速度與沖擊力的關(guān)系。具體見下圖所示：

圖4 牽引速度與沖擊力間的關(guān)系

（三）沖擊輪邊數(shù)與牽引力上存在的關(guān)系

通過圖2可以了解到， ， ，如果沖擊輪的邊數(shù)增大，則 將進一步增大， 反而會減少， 是不良量；進而，牽引力在這種關(guān)系上也會隨之降低。這種變化與人們的直觀認識相符合，在沖擊輪外表呈圓弧狀時，牽引力達到了最小值。

結(jié)束語：

通過對以上沖擊式壓路機各項參數(shù)關(guān)系的分析，在沖擊式壓路機參數(shù)設(shè)計選擇的分析基礎(chǔ)上，我們能夠了解到，因為工程存在多樣性以及壓路機結(jié)構(gòu)設(shè)計上的復(fù)雜性，其參數(shù)選擇與設(shè)計比假設(shè)下的設(shè)計有更大的難度。設(shè)計過程中需要考慮的難點有：如果壓路機產(chǎn)生了較大的沖擊力，則要對相關(guān)零部件提出更高的穩(wěn)定性與強度要求；壓路機的沖擊輪與壓路機身存在一個緩沖的機構(gòu)；要合理選擇牽引機，進而滿足運行速度與牽引力間的關(guān)系。

參考文獻：

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