劉占獻(xiàn),孟凡皓,李 雨,張曉波

(長(zhǎng)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，陜西西安 710064)

振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)附著性能研究

劉占獻(xiàn),孟凡皓,李 雨,張曉波

(長(zhǎng)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，陜西西安 710064)

對(duì)單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)在振動(dòng)壓實(shí)時(shí)前輪附著力變化的原因進(jìn)行分析，并據(jù)此設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，低頻高幅振動(dòng)時(shí)總牽引力明顯減小，且在1擋和3擋工況時(shí)鋼輪出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。提出振動(dòng)壓實(shí)時(shí)前輪有效附著系數(shù)的概念，并給出計(jì)算公式，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出在振動(dòng)壓實(shí)時(shí)有效附著系數(shù)約為靜壓時(shí)的46%，并且通過(guò)理論分析得出在2擋時(shí)附著系數(shù)利用率最高。可為振動(dòng)壓路機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供一定的參考和依據(jù)。

附著性能;有效附著系數(shù);振動(dòng)壓實(shí);牽引力

驅(qū)動(dòng)能力是單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)的一項(xiàng)非常重要的性能指標(biāo)，該能力與發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的工作參數(shù)有關(guān)，壓路機(jī)的附著性能影響驅(qū)動(dòng)能力的發(fā)揮[1]。所以研究振動(dòng)壓路機(jī)的附著性能對(duì)于提高其加速性能、爬坡能力、作業(yè)質(zhì)量具有重要意義。

設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)振動(dòng)壓路機(jī)牽引性能時(shí)，通常都是只考慮液壓系統(tǒng)最大驅(qū)動(dòng)性能或采用鋼輪單行走時(shí)的測(cè)試結(jié)果，沒(méi)有采用振動(dòng)壓實(shí)時(shí)牽引性能的測(cè)試結(jié)果。而單鋼輪壓路機(jī)工作時(shí)，鋼輪是振動(dòng)狀態(tài)，其正壓力是一個(gè)呈正弦交變的負(fù)荷，有效附著系數(shù)與平穩(wěn)行走時(shí)差異巨大，所以只根據(jù)平穩(wěn)行走時(shí)的牽引性能來(lái)設(shè)計(jì)壓路機(jī)有一定的不足。平穩(wěn)工作時(shí)有效驅(qū)動(dòng)性能的發(fā)揮，對(duì)壓路機(jī)作業(yè)質(zhì)量和機(jī)器作業(yè)性能影響巨大。因此研究作業(yè)時(shí)的有效附著特性對(duì)壓路機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和整機(jī)性能發(fā)揮意義重大。

1 振動(dòng)壓實(shí)的附著力

為了保證作業(yè)質(zhì)量，壓路機(jī)最大驅(qū)動(dòng)能力往往受液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能力限制。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力大于材料附著極限能夠提供的有效摩擦力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致材料推移，影響壓實(shí)質(zhì)量。所以最大驅(qū)動(dòng)力應(yīng)該小于或等于材料附著系數(shù)極限所提供的最大摩擦力。壓路機(jī)可能達(dá)到的最大牽引力由液壓系統(tǒng)的輸出特性決定，但驅(qū)動(dòng)輪能否產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力或產(chǎn)生多大的驅(qū)動(dòng)力則取決于驅(qū)動(dòng)輪的附著力Pφ，靜壓時(shí)的表達(dá)式[2]為

Pφ=φGφ，

(1)

式中φ為附著系數(shù)，取決于地面的性質(zhì)和驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)特征及其之間的作用；Gφ為驅(qū)動(dòng)輪分配質(zhì)量，取決于整機(jī)的質(zhì)量和重心的幾何位置。

由于牽引力受附著極限的限制，且低頻高幅時(shí)的牽引力相對(duì)于靜壓時(shí)明顯減小，振動(dòng)使附著極限減小，從而使?fàn)恳p小。由式(1)可知， 振動(dòng)通過(guò)影響附著系數(shù)φ和驅(qū)動(dòng)輪實(shí)際分配質(zhì)量Gφ來(lái)影響附著極限。

1.1振動(dòng)壓實(shí)對(duì)鋼輪附著系數(shù)Gφ的影響

根據(jù)振動(dòng)壓實(shí)理論，當(dāng)激振頻率與振壓材料的固有頻率一致時(shí)，振壓材料的內(nèi)摩擦力最小，壓實(shí)效果最好[3]。為了提高作業(yè)效率，壓路機(jī)的設(shè)計(jì)振動(dòng)頻率很接近土體的二階固有頻率25 Hz[4]，振動(dòng)頻率一般設(shè)置在26～33 Hz，即壓路機(jī)在振動(dòng)壓實(shí)時(shí)土體一般很接近共振狀態(tài)。當(dāng)?shù)皖l高幅振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)頻率為26.9 Hz，振壓土體最接近共振狀態(tài)，此時(shí)與鋼輪接觸的土的表面最容易被破壞，使得附著性能減小。

1.2振動(dòng)壓實(shí)對(duì)振壓作用力的影響

在振動(dòng)壓實(shí)的過(guò)程中，壓路機(jī)對(duì)土體的實(shí)際振壓作用力Fs是動(dòng)態(tài)振壓力F與鋼輪分配重力Gφ之和，即Fs=F+Gφ[5]。

根據(jù)壓路機(jī)—土壤動(dòng)力學(xué)模型，動(dòng)態(tài)振壓力F的表達(dá)式為

F=(k2-msω2+ic2ω)x2,

式中ω為激振頻率；x2為鋼輪振幅；ms、k2、c2分別為土體隨動(dòng)質(zhì)量、剛度和阻尼。

則有

Fs=(k2-msω2+ic2ω)x2+Gφ.

壓路機(jī)—土壤動(dòng)力學(xué)模型[6]是線性時(shí)變系統(tǒng)，激勵(lì)是諧振力，所以穩(wěn)態(tài)響應(yīng)也是諧振位移，即鋼輪振幅x2為正弦曲線，因此實(shí)際振壓作用力Fs是繞其平衡位置波動(dòng)的正弦曲線[7]。

在振動(dòng)壓實(shí)的過(guò)程中，由于鋼輪對(duì)土體的作用力不是靜力，所以不能用式(1)計(jì)算附著力。

2 附著性能的試驗(yàn)研究

根據(jù)以上分析可知，在振動(dòng)壓實(shí)時(shí)不僅附著系數(shù)會(huì)產(chǎn)生變化，而且鋼輪與土壤間的作用力也會(huì)產(chǎn)生較大變化。因此，需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步研究。

首先在靜壓條件下測(cè)試振動(dòng)壓路機(jī)的牽引性能，分別測(cè)出在1擋、2擋、3擋、4擋(均為前進(jìn)擋)時(shí)壓路機(jī)的最大牽引力；然后在振動(dòng)條件下測(cè)試振動(dòng)壓路機(jī)的牽引性能，分別測(cè)出在1擋、2擋、3擋、4擋(均為前進(jìn)擋)時(shí)壓路機(jī)低頻高幅和高頻低幅時(shí)的最大牽引力，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 靜壓和振動(dòng)壓實(shí)時(shí)各擋位總牽引力與驅(qū)動(dòng)輪狀態(tài)

由表1可知，靜壓時(shí)的牽引力和振動(dòng)時(shí)的牽引力均隨著擋位的增加而逐漸減小;同一擋位高頻低幅時(shí)的牽引力和靜壓時(shí)的牽引力大致相等;同一擋位低頻高幅振動(dòng)時(shí)的牽引力相對(duì)靜壓時(shí)的牽引力明顯減?。恢挥性诘皖l高幅振動(dòng)壓實(shí)時(shí)1擋、3擋鋼輪出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

3 鋼輪有效附著系數(shù)計(jì)算方法

3.1靜力作用下鋼輪打滑工況的判定

當(dāng)壓路機(jī)在靜壓條件下進(jìn)行牽引力測(cè)試時(shí)，輪胎的附著力Pφ1和鋼輪的附著力Pφ2分別為

Pφ1=Gφ1·φ1=41.8 kN,Pφ2=Gφ2·φ2=51.68 kN，

其中Gφ1、Gφ2分別為輪胎和鋼輪的分配質(zhì)量；φ1、φ2分別為土體對(duì)輪胎和鋼輪的附著系數(shù)。

壓路機(jī)振動(dòng)輪牽引力分配系數(shù)Cm為

式中q1、i1、r1分別為后輪馬達(dá)的排量、總傳動(dòng)比、動(dòng)力半徑；q2、i2、r2分別為前輪馬達(dá)的排量、總傳動(dòng)比、動(dòng)力半徑。

為了確定哪一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪先打滑，有判別式[1]

1)當(dāng)A<1時(shí)，后輪先打滑；2)當(dāng)A>1時(shí)，前輪先打滑；3)當(dāng)A=1時(shí)，壓路機(jī)能夠最大限度地利用前后輪的附著能力。

根據(jù)液壓系統(tǒng)的參數(shù)，計(jì)算出各擋位判別式，如表2所示。

表2 各擋位的判別式

由表2可知，靜壓時(shí)如果打滑，1擋、2擋、4擋只可能后輪打滑，而3擋只可能前輪打滑。但是試驗(yàn)中在振動(dòng)情況下前輪的附著系數(shù)會(huì)減小，使得Pφ2減小，最終使A增大，即1擋和4擋時(shí)A>1，使得工況發(fā)生變化，導(dǎo)致前輪打滑；由于2擋時(shí)A非常小，即使Pφ2減小A也不會(huì)大于1，即振動(dòng)時(shí)2擋的前輪不會(huì)打滑。

圖1～ 4為振動(dòng)情況下測(cè)得的總牽引力和行走馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。

由圖1、3可以得出，振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中1擋、3擋明顯打滑，并能保持穩(wěn)定，說(shuō)明此種情況下鋼輪附著系數(shù)的減小使1擋時(shí)A變大了，并且>1；而由圖2、4可知，鋼輪沒(méi)有打滑，這說(shuō)明鋼輪附著系數(shù)的減小雖然使2擋時(shí)A變大了，但仍然<1，4擋沒(méi)有打滑是因?yàn)闋恳^小，沒(méi)有達(dá)到附著極限。

圖1 1擋總牽引力和鋼輪馬達(dá)轉(zhuǎn)速

圖2 2擋總牽引力和鋼輪馬達(dá)轉(zhuǎn)速

圖3 3擋總牽引力和鋼輪馬達(dá)轉(zhuǎn)速

圖3 3擋總牽引力和鋼輪馬達(dá)轉(zhuǎn)速

3.2有效附著系數(shù)的計(jì)算

由于在振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中的附著系數(shù)和鋼輪對(duì)土體的作用力均發(fā)生了變化，在工程應(yīng)用中如果用2個(gè)變量計(jì)算振動(dòng)過(guò)程中的附著力顯然比較麻煩，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，在此提出一種新的計(jì)算方法，即根據(jù)控制變量法的原理，在振動(dòng)過(guò)程中將鋼輪對(duì)土體的作用力仍看作前輪分配質(zhì)量，將附著力的減小都?xì)w因于附著系數(shù)的減小，此時(shí)的附著系數(shù)稱之為有效附著系數(shù)，記為φ0。

由于低頻高幅振動(dòng)時(shí)只有1擋、3擋鋼輪打滑，即鋼輪的牽引力超過(guò)了附著極限。此種工況下可以通過(guò)振動(dòng)輪牽引力分配系數(shù)Cm計(jì)算出鋼輪的牽引力PK2。 后輪的牽引力PK1的表達(dá)式(不考慮液壓系統(tǒng)的傳動(dòng)效率)為

此時(shí)總牽引力為

有效附著系數(shù)的表達(dá)式為

(2)

根據(jù)式 (2) 計(jì)算出低頻高幅振動(dòng)時(shí)1擋、3擋有效附著系數(shù)，如表3所示。其中i1=67、i2=46、r1=0.7、r2=0.8、Gφ=129.2 kN。

表3 1擋、3擋有效附著系數(shù)

由表3可以看出，有效附著系數(shù)的平均值大約為0.184，可以看成定值，不隨擋位和牽引力的變化而變化，表征的是附著極限性能。在靜壓時(shí)附著系數(shù)一般取0.4，而在振動(dòng)的情況下有效的附著系數(shù)降低到0.184，相對(duì)于靜壓時(shí)附著系數(shù)減小了54%左右。

4 結(jié)語(yǔ)

全液壓?jiǎn)武撦喺駝?dòng)壓路機(jī)的動(dòng)力性能是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，而動(dòng)力性能的發(fā)揮取決于附著性能。本文主要對(duì)壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)時(shí)的附著特性進(jìn)行了研究。為了便于工程分析和計(jì)算，根據(jù)控制變量法的原理，提出了單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)前輪有效附著系數(shù)的概念，并給出其計(jì)算公式。由計(jì)算結(jié)果可以看出，振動(dòng)壓實(shí)時(shí)有效附著系數(shù)明顯減小，只有靜壓時(shí)的46%左右。同時(shí)，從各擋位判別式的值可以看出， 2擋振動(dòng)壓實(shí)時(shí)鋼輪不易打滑，附著系數(shù)利用率最高。

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(責(zé)任編輯：郭守真)

StudyonAdhesionPropertyofVibratoryRollerinProcessofVibratoryCompaction

LIUZhan-xian,MENGFan-hao,LIYu,ZHANGXiao-bo

(KeyLaboratoryforHighwayConstructionTechnologyandEquipmentofMinistryofEducation,Chang′anUniversity,Xi′an710064 ,China)

In order to be convenient for engineering calculations,the relative experiment is designed after analyzing the reasons why the adhesion force on the front wheel of the single vibratory road roller changes in the process of vibratory compaction. According to the result of the experiment, there is a significant decrease in the total traction force when the frequency is relatively low and the amplitude is relatively high and there exists a slipping phenomenon in the first gear and third gear. And then, a concept of effective adhesion coefficient is put forward and its calculation method is provided. The effective adhesion coefficient calculated by experimental data in the process of vibration compaction is about 46 percent of the adhesion coefficient in the process of static compaction. Finally, a conclusion is drawn that the utilization rate of adhesion coefficient is highest in the second gear. It is hoped to provide some reference and basis for the parameter design of vibratory roller and engineering applications.

adhesion property; effective adhesion coefficient; vibration compaction; traction

2013-12-26

劉占獻(xiàn)(1988—)男,河南駐馬店人,長(zhǎng)安大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.01.018

U415.52

A

1672-0032(2014)01-0082-05