摊铺机熨平板振幅横向均匀性分析与优化

赵金鹏，周龙刚，刘东明，薛少青，孙 琪

(长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

摊铺机熨平板是对沥青混合料进行预压实和整平，使摊铺路面达到一定的平整度和压实度的结构，主要包括振捣器、振动器、熨平板箱体、厚度调节装置、拱度调节装置以及加热系统等。熨平板工作性能的好坏直接影响到路面的摊铺质量。

振动器是影响摊铺机熨平板工作性能的重要结构，工作时振动器以压力冲程的形式将振动力传递给摊铺混合料，使摊铺层达到较理想的压实度和平整度要求。

1 摊铺机熨平板振动器结构

摊铺机振动器的振动轴基本采用振动轴加偏心块或偏心轴的结构形式。由于偏心块式振动轴受结构限制，随着振动轴加工工艺的不断改进，近年来偏心轴式振动轴越来越常见，如图1所示。偏心轴是由多段圆柱体布置在2根偏心轴线上的轴类零件，它将旋转运动变为直线往复运动或将扭矩变为压力［1－2]，设计时，可通过改变振动轴的结构尺寸来改善熨平板的摊铺质量。

图1 偏心轴式振动器结构图

2 熨平板的动力学模型分析

在振动过程中，沿横向熨平板各组成段的振幅应该保持一致，即熨平板振幅要沿横向均匀分布，这样才能保证摊铺层密实度的均匀性［3]。对于机械加宽式熨平板，虽然各段之间通过螺栓刚性联结形成整体，并且集中驱动振动器，但如果熨平板各组成段设计振幅不一致，拼装起来的熨平板在稳态振动时各段处的振幅难以相同，将造成摊铺层横向受力的不均匀和摊铺路面密实度的差异。所以，熨平板振幅沿横向振动的均匀性非常重要。

摊铺机熨平板在振动、压实、整平摊铺层的过程中，摊铺层介质的刚度、阻尼和随振质量都随介质密实度的变化而变化，因此熨平板工作时振幅不断变化。将摊铺机熨平板各段通过减振块固定在地面上，建立各段熨平板振动时的动力学模型如图2所示。图2中M为熨平板总质量，c为减振块阻尼，k为减振块刚度，x为熨平板竖向位移，F0为系统激振力，G为熨平板的重力。

当系统为单频激振时，动力学方程为［4]

式中m为激振轴的偏心质量;e为激振轴的偏心距;ω为激振圆频率，ω=2πf，其中f为振动频率。

由式(1)得到熨平板的竖直方向位移为

式中 φ为熨平板的振动相位角;A为熨平板的振幅，A的计算式为

式中 ζ为阻尼比，ζ=c/(2ωnM)，其中 ωn为系统因有频率为激振圆频率和固有频率之比，η =ω/ωn。

引入影响因子g，令，得

由式(2)可知，熨平板振幅与振动器偏心质量和偏心距成正比，与熨平板质量成反比，与g成正比。

图2 摊铺机熨平板振动力学模型

3 振动器结构参数设计优化

为了便于设计和比较各段熨平板的振幅，借鉴压路机名义振幅设计的方法，比较各段熨平板独立振动时振幅的大小，对各段摊铺机熨平板进行等振幅设计［5]。

熨平板振动器偏心轴的结构如图3所示。

图3 偏心轴结构及其截面形状

各段名义振幅为

由于各段熨平板的Mi和gi都不同，且不宜改变，因此只能通过设计各段的miei来保证每段熨平板振幅一致。

mi和ei的计算式为

式中Fi为轴上偏心部分的截面面积为轴上偏心部分的长度，mm;ρ为偏心轴材料的密度，kg/mm3;Ri为轴上偏心段的圆柱半径，mm;ri为轴上与偏心段相接圆柱半径，mm;ai为偏心段轴线与旋转轴线的间距，mm。

将式(3)、(4)带入式(2)得到

由式(3)、(4)可以看出，mi和ei主要由Li、Ri和ai决定，可以通过合理选择这3个参数使各段熨平板的名义振幅均匀。

由式(5)可得到Li、Ri和ai的设计公式为

参考国内外摊铺机的名义振幅，按名义振幅为0.08 mm对振动器结构参数进行优化设计:1)保持各段熨平板振动器的Ri和ai不变，通过式(6)计算Li;2)调整Li，同时考虑振动器的安装空间及易于加工，调整ai，通过式(7)计算各段熨平板振动器的Ri;3)对Ri进行圆整，通过式(6)重新计算Li。

表1为各段偏心轴改进前的结构参数，表2为各段偏心轴改进后的结构参数。机械加宽式熨平板由基本段和加长段组成，表1、2中，用1500段、1000段、500段、250段分别表示熨平板加长段的长度为1 500，1 000，500，250 mm。由于改进设计是基于国内某厂家最大摊铺宽度为9 m的摊铺机熨平板建立的，熨平板加长段中250段自身没有振动器，是直接固结于1000段上的，各结构参数与1000段相同，故表1中各段偏心轴改进前的结构参数中没有250段，而改进后的250加长段振动结构参数在表2中用1000+250段表示。

表1 各段偏心轴改进前的结构参数mm

表2 各段偏心轴改进后的结构参数mm

4 改进前、后熨平板振幅横向均匀性试验

分别对改进前和改进后的熨平板作对比试验，熨平板箱体支撑在橡胶轮胎上，振动器安装在振动轴中心距离箱体后板235 mm处［7－8]。测试振动器独立振动时熨平板的振动加速度、振动频率、振幅及振动波形。读取各段熨平板振动加速度曲线振幅的最大值，并作对比折线图如图4所示。

由图4可知，改进振动器结构的参数后，振幅的横向不均匀性明显减小，改进前各段熨平板的振幅标准差为0.016 mm，改进后各段熨平板振幅标准差为0.009 mm，标准差降低了约42%，优化效果较为显著。

同时也发现，对于摊铺宽度较大机械的加宽式熨平板，由于整体刚度的下降及地面刚度和阻尼的变化，要使熨平板横向振幅绝对均匀，几乎是不可能的，只能通过改进结构参数的方式使振动器振幅趋于平稳。

5 结语

振动器的工作参数直接影响熨平板的摊铺质量，建议振动器工作时的名义振幅为0.08 mm。通过改变振动器偏心部分的长度来改善熨平板振幅的横向均匀性的方法效果很明显，调节熨平板振动器的横向均匀性主要有以下3种方式:1)保持各段熨平板振动器轴上偏心段的圆柱半径和偏心段轴线与旋转轴线间距不变，通过改变轴上偏心部分的长度进行振动器结构参数优化;2)保持各段熨平板振动器轴上偏心段的圆柱半径和轴上偏心部分的长度不变，通过改变偏心段轴线与旋转轴线间距进行振动器结构参数优化;3)保持各段熨平板振动器的轴上偏心部分的长度和偏心段轴线与旋转轴线间距不变，通过改变轴上偏心段的圆柱半径进行振动器结构参数优化。

图4 改进前后各段熨平板振幅最大值对比

［1]朱林波，刘龙.沥青摊铺机的技术性能评价［J].建设机械技术与管理，2009，22(04):77－80.

［2]张新荣.沥青混合料与熨平板作用的研究［D].西安:西安公路交通大学，2001.

［3]赵志杰.基于虚拟样机技术的振动机械动态仿真研究［D].西安:西安建筑科技大学，2005.

［4]诸德超，邢誉峰.工程振动基础［M].北京:北京航空航天大学出版社，2004.

［5]赵紫苓.摊铺机振动器结构与参数的研究［D].西安:长安大学，2008.

［6]冯忠绪，朱林波，王宪雪，等.摊铺机振捣机构的动力学仿真与参数选择［J].中国工程机械学报，2009，7(1):26－30.

［7]赵紫苓，赵悟.熨平板振动器安装位置的探讨［J].建设机械技术与管理，2007，20(6):92－93.

［8]陕西建设机械有限责任公司，徐州工程机械科技有限公司.GB/T16277—2008 沥青混凝土摊铺机［S].北京:中国标准出版社，2008.