振动压路机振动压实附着性能研究

刘占献,孟凡皓,李 雨,张晓波

(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)

振动压路机振动压实附着性能研究

刘占献,孟凡皓,李 雨,张晓波

(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)

对单钢轮振动压路机在振动压实时前轮附着力变化的原因进行分析，并据此设计相应的试验。试验结果表明，低频高幅振动时总牵引力明显减小，且在1挡和3挡工况时钢轮出现打滑现象。提出振动压实时前轮有效附着系数的概念，并给出计算公式，根据试验数据计算出在振动压实时有效附着系数约为静压时的46%，并且通过理论分析得出在2挡时附着系数利用率最高。可为振动压路机参数设计和工程应用提供一定的参考和依据。

附着性能;有效附着系数;振动压实;牵引力

驱动能力是单钢轮振动压路机的一项非常重要的性能指标，该能力与发动机和传动系统的工作参数有关，压路机的附着性能影响驱动能力的发挥[1]。所以研究振动压路机的附着性能对于提高其加速性能、爬坡能力、作业质量具有重要意义。

设计和评价振动压路机牵引性能时，通常都是只考虑液压系统最大驱动性能或采用钢轮单行走时的测试结果，没有采用振动压实时牵引性能的测试结果。而单钢轮压路机工作时，钢轮是振动状态，其正压力是一个呈正弦交变的负荷，有效附着系数与平稳行走时差异巨大，所以只根据平稳行走时的牵引性能来设计压路机有一定的不足。平稳工作时有效驱动性能的发挥，对压路机作业质量和机器作业性能影响巨大。因此研究作业时的有效附着特性对压路机驱动系统设计和整机性能发挥意义重大。

1 振动压实的附着力

为了保证作业质量，压路机最大驱动能力往往受液压系统驱动能力限制。当驱动力大于材料附着极限能够提供的有效摩擦力时，会导致材料推移，影响压实质量。所以最大驱动力应该小于或等于材料附着系数极限所提供的最大摩擦力。压路机可能达到的最大牵引力由液压系统的输出特性决定，但驱动轮能否产生驱动力或产生多大的驱动力则取决于驱动轮的附着力Pφ，静压时的表达式[2]为

Pφ=φGφ，

(1)

式中φ为附着系数，取决于地面的性质和驱动轮的结构特征及其之间的作用；Gφ为驱动轮分配质量，取决于整机的质量和重心的几何位置。

由于牵引力受附着极限的限制，且低频高幅时的牵引力相对于静压时明显减小，振动使附着极限减小，从而使牵引力减小。由式(1)可知， 振动通过影响附着系数φ和驱动轮实际分配质量Gφ来影响附着极限。

1.1振动压实对钢轮附着系数Gφ的影响

根据振动压实理论，当激振频率与振压材料的固有频率一致时，振压材料的内摩擦力最小，压实效果最好[3]。为了提高作业效率，压路机的设计振动频率很接近土体的二阶固有频率25 Hz[4]，振动频率一般设置在26～33 Hz，即压路机在振动压实时土体一般很接近共振状态。当低频高幅振动时，振动频率为26.9 Hz，振压土体最接近共振状态，此时与钢轮接触的土的表面最容易被破坏，使得附着性能减小。

1.2振动压实对振压作用力的影响

在振动压实的过程中，压路机对土体的实际振压作用力Fs是动态振压力F与钢轮分配重力Gφ之和，即Fs=F+Gφ[5]。

根据压路机—土壤动力学模型，动态振压力F的表达式为

F=(k2-msω2+ic2ω)x2,

式中ω为激振频率；x2为钢轮振幅；ms、k2、c2分别为土体随动质量、刚度和阻尼。

则有

Fs=(k2-msω2+ic2ω)x2+Gφ.

压路机—土壤动力学模型[6]是线性时变系统，激励是谐振力，所以稳态响应也是谐振位移，即钢轮振幅x2为正弦曲线，因此实际振压作用力Fs是绕其平衡位置波动的正弦曲线[7]。

在振动压实的过程中，由于钢轮对土体的作用力不是静力，所以不能用式(1)计算附着力。

2 附着性能的试验研究

根据以上分析可知，在振动压实时不仅附着系数会产生变化，而且钢轮与土壤间的作用力也会产生较大变化。因此，需要通过试验进一步研究。

首先在静压条件下测试振动压路机的牵引性能，分别测出在1挡、2挡、3挡、4挡(均为前进挡)时压路机的最大牵引力；然后在振动条件下测试振动压路机的牵引性能，分别测出在1挡、2挡、3挡、4挡(均为前进挡)时压路机低频高幅和高频低幅时的最大牵引力，测试结果如表1所示。

表1 静压和振动压实时各挡位总牵引力与驱动轮状态

由表1可知，静压时的牵引力和振动时的牵引力均随着挡位的增加而逐渐减小;同一挡位高频低幅时的牵引力和静压时的牵引力大致相等;同一挡位低频高幅振动时的牵引力相对静压时的牵引力明显减小；只有在低频高幅振动压实时1挡、3挡钢轮出现打滑现象。

3 钢轮有效附着系数计算方法

3.1静力作用下钢轮打滑工况的判定

当压路机在静压条件下进行牵引力测试时，轮胎的附着力Pφ1和钢轮的附着力Pφ2分别为

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

其中Gφ1、Gφ2分别为轮胎和钢轮的分配质量；φ1、φ2分别为土体对轮胎和钢轮的附着系数。

压路机振动轮牵引力分配系数Cm为

式中q1、i1、r1分别为后轮马达的排量、总传动比、动力半径；q2、i2、r2分别为前轮马达的排量、总传动比、动力半径。

为了确定哪一个驱动轮先打滑，有判别式[1]

1)当A<1时，后轮先打滑；2)当A>1时，前轮先打滑；3)当A=1时，压路机能够最大限度地利用前后轮的附着能力。

根据液压系统的参数，计算出各挡位判别式，如表2所示。

表2 各挡位的判别式

由表2可知，静压时如果打滑，1挡、2挡、4挡只可能后轮打滑，而3挡只可能前轮打滑。但是试验中在振动情况下前轮的附着系数会减小，使得Pφ2减小，最终使A增大，即1挡和4挡时A>1，使得工况发生变化，导致前轮打滑；由于2挡时A非常小，即使Pφ2减小A也不会大于1，即振动时2挡的前轮不会打滑。

图1～ 4为振动情况下测得的总牵引力和行走马达的转速。

由图1、3可以得出，振动压实过程中1挡、3挡明显打滑，并能保持稳定，说明此种情况下钢轮附着系数的减小使1挡时A变大了，并且>1；而由图2、4可知，钢轮没有打滑，这说明钢轮附着系数的减小虽然使2挡时A变大了，但仍然<1，4挡没有打滑是因为牵引力较小，没有达到附着极限。

图1 1挡总牵引力和钢轮马达转速

图2 2挡总牵引力和钢轮马达转速

图3 3挡总牵引力和钢轮马达转速

图3 3挡总牵引力和钢轮马达转速

3.2有效附着系数的计算

由于在振动压实过程中的附着系数和钢轮对土体的作用力均发生了变化，在工程应用中如果用2个变量计算振动过程中的附着力显然比较麻烦，为了简化计算过程，在此提出一种新的计算方法，即根据控制变量法的原理，在振动过程中将钢轮对土体的作用力仍看作前轮分配质量，将附着力的减小都归因于附着系数的减小，此时的附着系数称之为有效附着系数，记为φ0。

由于低频高幅振动时只有1挡、3挡钢轮打滑，即钢轮的牵引力超过了附着极限。此种工况下可以通过振动轮牵引力分配系数Cm计算出钢轮的牵引力PK2。 后轮的牵引力PK1的表达式(不考虑液压系统的传动效率)为

此时总牵引力为

有效附着系数的表达式为

(2)

根据式 (2) 计算出低频高幅振动时1挡、3挡有效附着系数，如表3所示。其中i1=67、i2=46、r1=0.7、r2=0.8、Gφ=129.2 kN。

表3 1挡、3挡有效附着系数

由表3可以看出，有效附着系数的平均值大约为0.184，可以看成定值，不随挡位和牵引力的变化而变化，表征的是附着极限性能。在静压时附着系数一般取0.4，而在振动的情况下有效的附着系数降低到0.184，相对于静压时附着系数减小了54%左右。

4 结语

全液压单钢轮振动压路机的动力性能是一项非常重要的指标，而动力性能的发挥取决于附着性能。本文主要对压路机振动压实时的附着特性进行了研究。为了便于工程分析和计算，根据控制变量法的原理，提出了单钢轮振动压路机前轮有效附着系数的概念，并给出其计算公式。由计算结果可以看出，振动压实时有效附着系数明显减小，只有静压时的46%左右。同时，从各挡位判别式的值可以看出， 2挡振动压实时钢轮不易打滑，附着系数利用率最高。

[1]尹继瑶.全液压振动压路机行驶的动力性能与防滑转[J].建设机械技术与管理,2010(1):99-102.

[2]孙江生，张维良，周殿春.轮式车辆地面附着系数的表达式分析[J].水利电力机械，2002,24(4):46-47.

[3]张光裕.工程机械底盘构造与设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1980:132-136.

[4]汤振周.振动压路机技术参数对压实效果的影响分析[J].机电技术，2007，30(1):30-31.

[5]万世宏.振动压实系统的动力学理论分析[J].武汉工学院学报,1987，9(1):102-112.

[6]郑书河，林述温.智能振动压路机动力学特性建模分析[J].中国工程机械学报，2011,9(4):398-403.

[7]杨士敏，傅香如.工程机械地面力学与作业理论[M].北京：人民交通出版社，2010:179-180.

(责任编辑：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

刘占献(1988—)男,河南驻马店人,长安大学硕士研究生，主要研究方向为机械设计及理论.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.01.018

U415.52

A

1672-0032(2014)01-0082-05