攤鋪機(jī)熨平板振幅橫向均勻性分析與優(yōu)化

趙金鵬，周龍剛，劉東明，薛少青，孫 琪

(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)

攤鋪機(jī)熨平板是對(duì)瀝青混合料進(jìn)行預(yù)壓實(shí)和整平，使攤鋪路面達(dá)到一定的平整度和壓實(shí)度的結(jié)構(gòu)，主要包括振搗器、振動(dòng)器、熨平板箱體、厚度調(diào)節(jié)裝置、拱度調(diào)節(jié)裝置以及加熱系統(tǒng)等。熨平板工作性能的好壞直接影響到路面的攤鋪質(zhì)量。

振動(dòng)器是影響攤鋪機(jī)熨平板工作性能的重要結(jié)構(gòu)，工作時(shí)振動(dòng)器以壓力沖程的形式將振動(dòng)力傳遞給攤鋪混合料，使攤鋪層達(dá)到較理想的壓實(shí)度和平整度要求。

1 攤鋪機(jī)熨平板振動(dòng)器結(jié)構(gòu)

攤鋪機(jī)振動(dòng)器的振動(dòng)軸基本采用振動(dòng)軸加偏心塊或偏心軸的結(jié)構(gòu)形式。由于偏心塊式振動(dòng)軸受結(jié)構(gòu)限制，隨著振動(dòng)軸加工工藝的不斷改進(jìn)，近年來(lái)偏心軸式振動(dòng)軸越來(lái)越常見(jiàn)，如圖1所示。偏心軸是由多段圓柱體布置在2根偏心軸線上的軸類零件，它將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)或?qū)⑴ぞ刈優(yōu)閴毫Γ?－2]，設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)改變振動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)改善熨平板的攤鋪質(zhì)量。

圖1 偏心軸式振動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

2 熨平板的動(dòng)力學(xué)模型分析

在振動(dòng)過(guò)程中，沿橫向熨平板各組成段的振幅應(yīng)該保持一致，即熨平板振幅要沿橫向均勻分布，這樣才能保證攤鋪層密實(shí)度的均勻性［3]。對(duì)于機(jī)械加寬式熨平板，雖然各段之間通過(guò)螺栓剛性聯(lián)結(jié)形成整體，并且集中驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器，但如果熨平板各組成段設(shè)計(jì)振幅不一致，拼裝起來(lái)的熨平板在穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)各段處的振幅難以相同，將造成攤鋪層橫向受力的不均勻和攤鋪路面密實(shí)度的差異。所以，熨平板振幅沿橫向振動(dòng)的均勻性非常重要。

攤鋪機(jī)熨平板在振動(dòng)、壓實(shí)、整平攤鋪層的過(guò)程中，攤鋪層介質(zhì)的剛度、阻尼和隨振質(zhì)量都隨介質(zhì)密實(shí)度的變化而變化，因此熨平板工作時(shí)振幅不斷變化。將攤鋪機(jī)熨平板各段通過(guò)減振塊固定在地面上，建立各段熨平板振動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。圖2中M為熨平板總質(zhì)量，c為減振塊阻尼，k為減振塊剛度，x為熨平板豎向位移，F(xiàn)0為系統(tǒng)激振力，G為熨平板的重力。

當(dāng)系統(tǒng)為單頻激振時(shí)，動(dòng)力學(xué)方程為［4]

式中m為激振軸的偏心質(zhì)量;e為激振軸的偏心距;ω為激振圓頻率，ω=2πf，其中f為振動(dòng)頻率。

由式(1)得到熨平板的豎直方向位移為

式中 φ為熨平板的振動(dòng)相位角;A為熨平板的振幅，A的計(jì)算式為

式中 ζ為阻尼比，ζ=c/(2ωnM)，其中 ωn為系統(tǒng)因有頻率為激振圓頻率和固有頻率之比，η =ω/ωn。

引入影響因子g，令，得

由式(2)可知，熨平板振幅與振動(dòng)器偏心質(zhì)量和偏心距成正比，與熨平板質(zhì)量成反比，與g成正比。

圖2 攤鋪機(jī)熨平板振動(dòng)力學(xué)模型

3 振動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

為了便于設(shè)計(jì)和比較各段熨平板的振幅，借鑒壓路機(jī)名義振幅設(shè)計(jì)的方法，比較各段熨平板獨(dú)立振動(dòng)時(shí)振幅的大小，對(duì)各段攤鋪機(jī)熨平板進(jìn)行等振幅設(shè)計(jì)［5]。

熨平板振動(dòng)器偏心軸的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 偏心軸結(jié)構(gòu)及其截面形狀

各段名義振幅為

由于各段熨平板的Mi和gi都不同，且不宜改變，因此只能通過(guò)設(shè)計(jì)各段的miei來(lái)保證每段熨平板振幅一致。

mi和ei的計(jì)算式為

式中Fi為軸上偏心部分的截面面積為軸上偏心部分的長(zhǎng)度，mm;ρ為偏心軸材料的密度，kg/mm3;Ri為軸上偏心段的圓柱半徑，mm;ri為軸上與偏心段相接圓柱半徑，mm;ai為偏心段軸線與旋轉(zhuǎn)軸線的間距，mm。

將式(3)、(4)帶入式(2)得到

由式(3)、(4)可以看出，mi和ei主要由Li、Ri和ai決定，可以通過(guò)合理選擇這3個(gè)參數(shù)使各段熨平板的名義振幅均勻。

由式(5)可得到Li、Ri和ai的設(shè)計(jì)公式為

參考國(guó)內(nèi)外攤鋪機(jī)的名義振幅，按名義振幅為0.08 mm對(duì)振動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì):1)保持各段熨平板振動(dòng)器的Ri和ai不變，通過(guò)式(6)計(jì)算Li;2)調(diào)整Li，同時(shí)考慮振動(dòng)器的安裝空間及易于加工，調(diào)整ai，通過(guò)式(7)計(jì)算各段熨平板振動(dòng)器的Ri;3)對(duì)Ri進(jìn)行圓整，通過(guò)式(6)重新計(jì)算Li。

表1為各段偏心軸改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)參數(shù)，表2為各段偏心軸改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)參數(shù)。機(jī)械加寬式熨平板由基本段和加長(zhǎng)段組成，表1、2中，用1500段、1000段、500段、250段分別表示熨平板加長(zhǎng)段的長(zhǎng)度為1 500，1 000，500，250 mm。由于改進(jìn)設(shè)計(jì)是基于國(guó)內(nèi)某廠家最大攤鋪寬度為9 m的攤鋪機(jī)熨平板建立的，熨平板加長(zhǎng)段中250段自身沒(méi)有振動(dòng)器，是直接固結(jié)于1000段上的，各結(jié)構(gòu)參數(shù)與1000段相同，故表1中各段偏心軸改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)參數(shù)中沒(méi)有250段，而改進(jìn)后的250加長(zhǎng)段振動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)在表2中用1000+250段表示。

表1 各段偏心軸改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)參數(shù)mm

表2 各段偏心軸改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)參數(shù)mm

4 改進(jìn)前、后熨平板振幅橫向均勻性試驗(yàn)

分別對(duì)改進(jìn)前和改進(jìn)后的熨平板作對(duì)比試驗(yàn)，熨平板箱體支撐在橡膠輪胎上，振動(dòng)器安裝在振動(dòng)軸中心距離箱體后板235 mm處［7－8]。測(cè)試振動(dòng)器獨(dú)立振動(dòng)時(shí)熨平板的振動(dòng)加速度、振動(dòng)頻率、振幅及振動(dòng)波形。讀取各段熨平板振動(dòng)加速度曲線振幅的最大值，并作對(duì)比折線圖如圖4所示。

由圖4可知，改進(jìn)振動(dòng)器結(jié)構(gòu)的參數(shù)后，振幅的橫向不均勻性明顯減小，改進(jìn)前各段熨平板的振幅標(biāo)準(zhǔn)差為0.016 mm，改進(jìn)后各段熨平板振幅標(biāo)準(zhǔn)差為0.009 mm，標(biāo)準(zhǔn)差降低了約42%，優(yōu)化效果較為顯著。

同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，對(duì)于攤鋪寬度較大機(jī)械的加寬式熨平板，由于整體剛度的下降及地面剛度和阻尼的變化，要使熨平板橫向振幅絕對(duì)均勻，幾乎是不可能的，只能通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的方式使振動(dòng)器振幅趨于平穩(wěn)。

5 結(jié)語(yǔ)

振動(dòng)器的工作參數(shù)直接影響熨平板的攤鋪質(zhì)量，建議振動(dòng)器工作時(shí)的名義振幅為0.08 mm。通過(guò)改變振動(dòng)器偏心部分的長(zhǎng)度來(lái)改善熨平板振幅的橫向均勻性的方法效果很明顯，調(diào)節(jié)熨平板振動(dòng)器的橫向均勻性主要有以下3種方式:1)保持各段熨平板振動(dòng)器軸上偏心段的圓柱半徑和偏心段軸線與旋轉(zhuǎn)軸線間距不變，通過(guò)改變軸上偏心部分的長(zhǎng)度進(jìn)行振動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化;2)保持各段熨平板振動(dòng)器軸上偏心段的圓柱半徑和軸上偏心部分的長(zhǎng)度不變，通過(guò)改變偏心段軸線與旋轉(zhuǎn)軸線間距進(jìn)行振動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化;3)保持各段熨平板振動(dòng)器的軸上偏心部分的長(zhǎng)度和偏心段軸線與旋轉(zhuǎn)軸線間距不變，通過(guò)改變軸上偏心段的圓柱半徑進(jìn)行振動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

圖4 改進(jìn)前后各段熨平板振幅最大值對(duì)比

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