振动压路机剖分式钢轮结构设计浅析

摘要：为了提高高等级公路的压实质量，我国不断进口振动压路机。因此，借鉴国外振动压路机技术，提高我国压路机的设计水平迫在眉睫。目前，我国振动压路机产品的种类较少，在智能压实技术与自动控制技术的理论研究层面和工程应用层面都较为落后。本设计借鉴国外压路机的设计，基于理论分析和数据计算对振动压路机剖分式钢轮进行设计，简述了振动压路机的工作原理，完成了压路机剖分式钢轮的总体设计、转向力矩的计算及回转支承的选型。仿真结果表明，剖分式钢轮的转向阻力远小于传统钢轮的转向阻力，在工程应用中，可以有效避免振动压路机对于路面的破坏，仅供参考。

关键词：振动压路机；剖分式钢轮；总体设计；回转支承

压路机又名压土机，是压实机械的一种，是以钢轮或无花纹的充气轮胎对水泥稳定土或沥青混合料进行压实的路面机械，主要用来提高路面和路基的密实度和稳定性，提高被压实材料承受载荷的能力，是公路修建与养护过程中必不可少的机械[1]。压路机的工作过程如下：通过压路机的钢轮利用压路机自重或机械结构所产生的不同方向的力向被压实材料加载，克服被压实材料颗粒间的摩擦力及黏滞力，减小被压实材料颗粒之间的间隙，压缩被压实材料颗粒间的空气和密实颗粒之间的水分，使不同粒径的被压实材料颗粒相互接近，提高被压实材料的干密度[2]；通过压路机对被压实材料的碾压，减少被压实材料的空隙率，提高被压实材料的干密度，提高被压实材料的承载刚度和结构强度，提高被压实材料的抗渗性和水温稳定性，提高被压实材料的承载能力，延长相应公路的使用寿命，降低公路养护费用[3]。压路机广泛应用于道路施工中，减少了施工成本，提高了工作效率和施工质量。

1压路机的用途及分类

由于被压实材料种类、被压实材料湿度、压实温度、施工地区地形以及施工工艺的差别，全球各压路机厂家生产了门类繁复、规格各异的压路机[3]。我国压路机行业的权威组织统计了道路施工工程中压路机压实的常用方案，考察了我国压路机产品的发展现状，并以此为依据，结合压实作业的不同机理，对我国压路机产品进行分类，其中常用压路机有冲击压路机、静压压路机、振动压路机、光面充气轮胎压路机[4]。静压钢轮压路机依靠机械自身重量对土方进行压实作业，进行一遍压实后，对土壤干密度的提升作用较小，压实效率较低，单位体积或单位质量能提供的压实功较小，通常情况下用作薄压实层的预压。由于振动钢轮压路机可以关闭振动功能，所以在高等级路面修建中，静压钢轮压路机的工作通常由振动钢轮压路机关闭振动功能后完成。钢轮压路机压实路面后，会留下一些车辙。光面轮胎压路机因自重较轻，在利用自重对路面进行压实作业时不会因压实作用破坏路面材料颗粒，所以经常用于路面终压，以消除压实痕迹，提高路面整体的平整度，几乎不会对提高压实度起到作用。振动钢轮压路机依靠振动钢轮内激振器的作用带动振动钢轮高频振动，使土方颗粒处于高频振动状态，减小土方颗粒间的黏滞力，同时振动钢轮所产生的巨大激振力作用于土壤，使土壤颗粒改变其排列顺序，从而减小颗粒之间的孔隙，提高土壤干密度[5]。振动压路机的出现，是压实技术的一次飞跃，标志着压路机发展史上一个新的时代的来临。自此，提升压路机压实能力，不仅仅有提高压路机质量从而增大压路机静线压力这一个方法。由于振动压路机单位体积或单位质量所产生的压实功远高于传统压路机，适用范围也较传统压路机更广泛，所以振动压路机在业内广受欢迎，成为压路机市场的主流。振动压路机根据所装配钢轮数目可以分为两类，一类是单钢轮振动压路机，另一类是双钢轮振动压路机，双钢轮振动压路机主要用于对沥青混凝土摊铺层或路面的压实[6]。

2振动压路机剖分式钢轮总体方案设计

2.1振动轮工作原理

振动压路机依靠自重和振动系统所产生的激振力共同作用，对被压实材料进行压实作业。在压路机钢轮开启振动模式时，振动系统中的偏心机构开始旋转。通过调整偏心机构运动的相位和偏心矩，可以实现振动轮振幅的改变[7]。本文所设计的钢轮采用剖分式结构，左右两部分通过回转支承连接，两部分可以发生一定的相对角位移，减少转弯时行驶阻力的影响。

2.2振动轮总体结构

对于双钢轮振动压路机来说，振动钢轮既是压路机的工作装置，也是其行走装置，犹如双钢轮振动压路机的“手足”，是振动压路机的重要部件之一。振动钢轮的主要组成部分有钢轮轮体、振动机构、行走机构、减振系统、附属机构这五部分[8]。传统振动钢轮轮体由一块钢板卷制而成，钢轮宽度较长，在转向过程中会存在较大的转向阻力，导致混合料的推移以及路面的破坏。本文设计的是一种8吨振动压路机的剖分式钢轮。剖分式钢轮在左右两部分的连接处采用特制的回转支承进行连接，减少了左右两部分在发生相对转动时的转动阻力，提高了钢轮左右两部分在装配时的对心性，减少了因装配而导致振动轴承、行走轴承寿命缩短的问题，提高了转弯时的压实质量。在转弯时，外钢轮的旋转速度比内钢轮快，消除了标准振动钢轮设计中路面出现撕裂的可能性。剖分式钢轮结构如图1所示，其由钢轮轮圈、辐板等焊接而成，在振动钢轮总成中起到支撑其他零件的作用。传统振动钢轮需要设置单独的润滑油腔对钢轮内部元件进行润滑，剖分式钢轮可以利用钢轮轮体自身结构焊接筋板形成润滑油腔，方便对内部结构进行润滑，也可以对钢轮结构进行简化。在进行压实工作时，钢轮轮体与被压实土方直接接触，以完成压实工作。因此，要求在加工时保证钢轮轮体外表面的粗糙度，还要求钢轮轮体抗变形能力高，硬度好，耐磨性好，强度、刚度都达到一定要求。剖分式钢轮由左右两部分装配组成，左右两部分通过回转支承连接成为整体，共同完成压实作业。

2.3转向阻力计算

单个驱动轮在驱动力矩的作用下，地面对车轮产生沿车轮切线方向的反作用驱动力。当驱动轮偏转某一角度时，驱动力的方向也随之改变，从而推动车轮沿着新的方向滚动。无论是直线还是弯道行驶，车轮与地面之间都必须有足够的附着力，以传递驱动力并克服阻力。每个车轮都具有一定的宽度，压路机的车轮更是一个很宽的滚轮。当车轮以半径R绕转向中心点O沿弯道行驶时，压轮上各接地点运行的路程是不相等的，外侧的运行路程肯定大于内侧。若车轮中心平面是作纯滚动的，车轮的外侧就必然有向前的滑移速度（bw/2），内侧有向后的滑移速度（-bw/2），如图2所示[9]。因为摩擦阻力的方向总是与车轮滑动方向相反，所以地面给车轮外侧的滑动摩擦阻力向后，地面给车轮内侧的滑动摩擦阻力向前，即地面给了车轮一个与其偏转方向相反的摩擦阻力矩，这个阻力矩企图使车轮恢复到直线行驶状态。剖分式钢轮的转向阻力矩应按照式（1）进行计算：式中，Mf表示钢轮受到的滚动阻力矩，N·m；μ表示滚动阻力系数，取0.4；Ga表示前钢轮分配的使用重量，2400kg；b表示压路机前钢轮宽度，1500mm。压路机转向时的受力情况如图3所示，分析可得，回转支承受到的径向力为4234N，压路机钢轮的直径为1108mm，算得转向阻力矩为3175.5N·m。

2.4回转支承选型

回转支承又称转盘轴承，是新出现的大型机械零部件，在工程机械领域，多用于挖掘机回转齿圈部位及其他重型机械的回转部位。回转支承按照其滚子可分为单排球式回转支承、双排球式回转支承、交叉滚柱式回转支承、三排滚柱式回转支承。其中，单排四点接触球式回转支承可以承受轴向载荷、径向载荷以及倾覆力矩。在剖分式钢轮中，回转支承的作用是保证剖分式钢轮在转向时左右两个钢轮可以发生相对转动。压路机的最大行驶速度为3.33m/s，钢轮的宽度为1500mm，所以左右半钢轮的极限转速差为42.4r/min[10]。根据以上条件，在表1中选择合适的回转支承。根据条件，选取型号为010.30.500的回转支承。

3结论

本文主要对剖分式钢轮进行结构设计，并通过计算得到剖分式钢轮的转向阻力远小于传统钢轮的转向阻力，在工程应用中，可以有效避免振动压路机对于路面的破坏，并且以8吨振动压路机为例，进行转向力矩的计算和回转支承的选型，为剖分式钢轮的设计提供参考。

作者:裴志明 单位:长安大学工程机械学院