李驍斐　　劉學　　談鴻雁　　王乙惠

(寶馬格亞太工程中心，江蘇  常州 213125）

 

摘  要：針對單鋼壓路機壓實度的計算與提升，分析定義了影響壓路機壓實度的主要參數，并在此基礎上歸納總結出影響壓實度的兩個重要關鍵參數，即靜線載荷和振幅，并在此基礎上給出了壓實度的經驗計算評估公式，實踐表明此公式對壓路機壓實度的評估和設計有很好的指導意義。

 

關鍵詞：單鋼輪壓路機；靜線載荷；振幅；振動頻率；參振質量

中圖分類號：TU663       文獻標識碼：A

 

　　單鋼輪壓路機的壓實能力主要由壓路機的靜載荷（靜線載荷）和振動前輪的偏心振動-動態載荷（振幅、振動頻率、參振質量）組成（如圖1所示）在壓路機設計時，選擇合理的上述參數對于提高壓路機的壓實能力非常重要。

圖1 靜載荷和動態載荷

 

1 靜線載荷

　　壓路機的重量決定了機械對土壤鋪層施加靜壓力的大小，為了比較不同壓路機的壓實能力，引入了壓輪線載荷的概念，線載荷是沿壓輪軸向單位長度上對土壤所施加的靜壓力也稱線壓力，靜線載荷公式：

        　　　　　　　　 (1)    

　　式中：G — 壓路機前軸載荷/ kg； 

　　B — 壓路機鋼輪寬度/ cm 。

　　在其它工作參數（如動態載荷）不變的的條件下，施加于地面上的靜態和動態壓力幾乎與壓路機的重量成正比，無論是靜碾壓路機還是振動壓路機，靜線載荷都是極為重要的技術參數。

 

2 動態載荷及其參數定義

　　振動壓路機的振動參數主要是振幅和頻率，兩者對壓實效果的影響自振動壓路機問世以來就一直是研究和爭論的中心課題，此外，還有激振力與振動輪對地面作用力二者之間關系的討論，以及它們是如何影響壓實效果的，接下來我們將詳細分析。 

　　壓路機振動輪是在激振力的作用下產生受迫振動，其振動頻率f (Hz) 角頻率ω(rad/s) 和振動周期T(s)分別按以下公式計算：

　　　　　　　　　　  (2)

　　式中，n — 激振器的轉速/(r/min)。

　　振動壓路機的振幅分為實際振幅和空載振幅，所謂空載振幅是指把振動壓路機用支撐物架起來，振動輪懸空時測得的振幅，其大小只與振動輪本身的參振質量及激振器的靜偏心矩有關，而振動輪的實際振幅是指壓路機工作時的工作振幅。

　　振幅公式：

　　

　　式中：A₀ — 空載振幅/mm; 

　　A — 實際振幅/mm；

　　M_e — 激振器的靜偏心矩(kg·mm) M_e=m₀r₀ ；

　　m₀ — 為偏心質量，r₀為偏心距離；

　　m_d — 振動質量/kg 。

　　此處的振動質量指參與振動壓實工作的所有零件質量的總和，包括振動輪本身，激振器，液壓馬達，安裝板等，甚至還應計入減振器質量的一半。

　　通常是，振動壓路機的工作振幅一般比空載振幅大，如果用一個系統表示它們之間的關系則：

　　A = ε·A₀                     (3)

　　ε為考慮地面剛度影響的振幅修正系數，其取值范圍為ε=0.96～1.923, 按正態分布統計的平均值為1.154。

 

3 動態參數的合理選擇

　　激振力F₀ 是由偏心振子激振器高速旋轉時的離心力產生的，是壓路機振動的源動力，它僅與振子的偏心矩和角速度有關，計算計算公式如下：

　　F₀ = M_e ? ω²                  (4)

　　根據單鋼輪振動壓路機的“機—土”振動系統的運動方程：振動輪實際對地面作用力的大小可以表示為

　　F_x = [(K_x)²+(C_x)² ]^0.5            　　  (5)

　　從式中可見，振動壓路機對地面的作用力Fx 是土壤彈性變形抗力K_x 和阻尼力C_x 的矢量和，可見在特定工況下，前者與振動壓路機的瞬時振幅、靜線壓力有關，后者與振動速度有關。

　　由于振動會引起土壤粒子振動，需要克服粒子內部摩擦力，故有：

　　　　　　　　　　 (6)

　　設計振動壓路機時，總希望壓路機對地面的作用力F_x 越大越好，而提高的關鍵在于合理的選擇壓路機的振動頻率ω和振幅A。

　　為了提高振動壓路機的動作用力F_x，一個非常重要的辦法就是加大工作振幅，因為激振力F₀ 和名義振幅A都與激振器的靜偏心矩M_e 成正比，所以具有大偏心力矩激振器的振動壓路機，其壓實效果及壓力波，影響深度都優于較小偏心矩激振器的振動壓路機。

　　為了避免引起壓實材料共振，提高壓實率，單鋼輪的振動頻率f (Hz) 一般選在25～35(Hz) ，根據實驗，除細砂外，90%的土壤的固有頻率遠離此頻率段；見圖 2 所示：

圖2 頻率-壓實度關系圖

　　如圖2所示，在此頻率段內的壓實效果最好，而且壓實曲線的變化比較平緩，這說明，在這一區段內振動頻率變化對壓實效果的影響不大，固幾乎所有的單鋼輪壓路機振動頻率都選在25～35Hz。

　　而在同一頻率區段，若將工作振幅增加一倍，其壓實效果和影響深度會發生跳躍式變化，所以在頻率固定的情況下工作振幅是影響壓實度的主要原因。

 

4 壓實度經驗公式

　　綜上所述，在確定了工作頻率的情況下，決定壓路機壓實度的主要參數是壓路機的靜線載荷和振幅，但不能像有人理解的那樣，將振動器壓路機的激振力和靜壓力簡單疊加而稱為總壓實度，因為它們的作用原理從根本上講來是不相同的，但是，從壓實效果的角度，振動壓路機的靜壓實效果和振動壓實效果是可以疊加的，寶馬格通過長期的實驗總結，得出以下壓實度經驗公式：

　　　　　　　　　(7)

　　A₀ — 空載振幅/mm;

　　Q — 靜線壓力/(kg/cm)。

　　根據此公式，我們可以得到以下單鋼輪壓實度等級圖，根據圖3，我們可以區分不同單鋼輪壓實度的壓實等級。

圖3 壓實等級圖

　　那么提高壓實度有什么好處呢，我們可以通過比較寶馬格兩種機型的施工效果得出圖4，所示結論。

圖4 施工效果圖

　　顯而易見，提高單鋼輪壓路機的壓實度可以增加壓路機的壓實厚度，可以提高壓路機的工作效率，可以降低壓路機的施工成本。

 

5 壓實度的提高

　　壓實度對單鋼輪壓路機如此重要，那我們在設計中，如何提高壓路機的壓實度呢，根據上述論，我們可以提高壓路機的靜線性載荷和鋼輪的空載振幅來增加單鋼輪的壓實度，但是對于大多數單鋼輪壓路機來說，鋼輪的大小和內部空間是確定的，增加激振器偏心矩的量已經很難實現，所以在設計一定噸位的單鋼輪壓路機時，在滿足壓路機行駛和爬坡的條件下要盡量增加單鋼輪的前軸載荷，如圖5所示：

圖5 軸載荷圖

　　如壓路機采用前后輪雙驅的配制，可以在滿足行駛和爬坡的條件下，前軸載荷能達到壓路機總噸位的2/3 ,而采用后輪驅動（單驅）的情況下，在滿足行駛和爬坡的條件下，前軸載荷只能達到壓路機總噸位的1/2；故在同等噸位和相同激振機構的條件下，根據公式（7）雙驅單鋼輪壓路機的壓實度是單驅單鋼輪壓路機的1.3倍；所以在振幅相同的情況下，18噸雙驅壓路機的壓實度要好于22噸單驅壓路機的壓實效果。

 

6 結 語

　　分析了影響單鋼輪壓路機壓實能力的主要參數，確定了靜線載荷和振幅是影響壓實度的主要原因，總結出了評估壓實度的經驗公式和提高壓路機壓實度的方法。

 

作者簡介：李驍斐,男，碩士，工程師，主要從事路面機械產品研發工作。

（責任編輯：休魚）