銑刨機(jī)可移動配重機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究

吳俊良

摘要：基于配重法的平衡原理，設(shè)計(jì)了一種銑刨機(jī)可移動配重機(jī)構(gòu)；列出了銑刨機(jī)的各種施工工況，詳細(xì)說明在幾種極限工況下調(diào)節(jié)銑刨機(jī)質(zhì)心位置的方法；創(chuàng)建了銑刨機(jī)在坡面上的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出將可移動配重塊向銑刨機(jī)前方移動一定距離后銑刨機(jī)的爬坡角增值。結(jié)果表明：向前移動可移動配重塊能增大銑刨機(jī)的爬坡角，從而拓寬銑刨機(jī)的施工范圍，為銑刨機(jī)可移動配重的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：可移動配重；銑刨機(jī)；質(zhì)心；可行性分析

中圖分類號：U415.52文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： A movable counterweight mechanism was designed for milling machine based on the balancing principle of counterweight. All kinds of construction conditions of milling machine were listed， and method for the adjustment of center of mass in limit conditions was expounded. Numerical model of milling machine on the ramp was built， with which the increment in angle of climb when the counterweight moves forward was calculated. The results show that the angle of climb of milling machine can be increased by moving the counterweight forward， which broadens the working range of the milling machine.

Key words： movable counterweight； milling machine； center of mass； feasibility analysis

0引言

銑刨機(jī)是路面養(yǎng)護(hù)的常用設(shè)備，其機(jī)構(gòu)平衡問題是一個(gè)很重要的課題。在各種平衡方法中，配重法對于震動力的平衡最為簡單、有效。然而有研究表明，采用配重法完全平衡震動力后，會出現(xiàn)震動力矩增加的負(fù)面效應(yīng)。與固定配重法相比，在添加相同質(zhì)量參數(shù)的配重部分平衡震動力時(shí)，可移動配重法能使震動力進(jìn)一步降低，而且還可以使輸入轉(zhuǎn)矩明顯降低[13]。

本文設(shè)計(jì)的銑刨機(jī)可移動配重能實(shí)現(xiàn)銑刨機(jī)質(zhì)心位置的無級調(diào)節(jié)，提高銑刨機(jī)的爬坡角，拓寬其工程使用范圍，為銑刨機(jī)配重設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1移動配重機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及調(diào)節(jié)方法

1.1機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為裝有可移動配重的銑刨機(jī)車架的剖視圖，銑刨機(jī)的配重由固定配重塊和移動配重塊組成。固定配重塊裝于車架的前側(cè)，與車架的前板、底板、左側(cè)板和右側(cè)板焊接成一體；移動配重塊裝于車架上安裝板和下安裝板之間的空腔中。在移動配重塊和機(jī)架的隔板上各焊接2個(gè)鉸耳，并通過第一伸縮油缸和第二伸縮油缸將可移動配重塊與車架的隔板連接起來，如圖2所示。第一伸縮油缸、第二伸縮油缸與移動配重塊和隔板的鉸耳連接處用銷軸固定[4]；

同時(shí)，確保可移動配重塊能在下安裝板上自由移動。安裝在下安裝板上的前輪通過沉頭螺釘連接。

1.2重心調(diào)節(jié)方法

1.2.1銑刨機(jī)的幾種施工工況

設(shè)計(jì)銑刨機(jī)時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足如下幾種工況所需的配重塊質(zhì)量。

（1）工況1：配重塊質(zhì)量滿足銑刨機(jī)位于水平面上、輸料機(jī)張角從0°（輸料機(jī)水平放置）到α1（輸料機(jī)在豎直平面內(nèi)的最大張角）時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖3所示。

1.2.2極限工況下重心調(diào)節(jié)方法

一般情況下，當(dāng)銑刨機(jī)處于極限工況時(shí)，可通過調(diào)節(jié)移動配重塊的位置使銑刨機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)而不翻轉(zhuǎn)。從根本上講，銑刨機(jī)發(fā)生翻轉(zhuǎn)是由于路面的支反力F對支點(diǎn)（支點(diǎn)位置位于車輪與地面接觸的區(qū)域）所產(chǎn)生的力矩M1大于銑刨機(jī)的重力G對支點(diǎn)所產(chǎn)生的力矩M2。因此，調(diào)節(jié)銑刨機(jī)質(zhì)心的目的在于：使銑刨機(jī)的重力G對支點(diǎn)所產(chǎn)生的力矩M2等于支反力F對支點(diǎn)所產(chǎn)生的力矩M1。幾種極限工況及調(diào)節(jié)方法如下。

（1）工況2中銑刨機(jī)水平放置且輸料機(jī)水平向右達(dá)到最大擺角α2。由圖4可知，由于輸料機(jī)向右擺，銑刨機(jī)重心右移，重力G到支點(diǎn)的力臂L1減小，銑刨機(jī)會因?yàn)镸2小于M1而向右翻轉(zhuǎn)。因此，通過調(diào)節(jié)可移動配重塊向左移動可以保證銑刨機(jī)重心位置不發(fā)生改變，進(jìn)而保證重力G到支點(diǎn)的力臂L1不變；當(dāng)M2再次等于M1時(shí)，銑刨機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會向右翻轉(zhuǎn)。由圖2可知，通過液壓控制使第二伸縮油缸伸長，第一伸縮油缸處于自由狀態(tài)，并隨第二伸縮油缸繞鉸點(diǎn)Q旋轉(zhuǎn)。第二伸縮油缸主動控制，第一伸縮油缸隨第二伸縮油缸的伸長而伸長。

（2）工況3中銑刨機(jī)水平放置且輸料機(jī)水平向左達(dá)到最大擺角α3。由圖5可知，由于輸料機(jī)向左擺，銑刨機(jī)重心左移，重力G到支點(diǎn)的力臂L1減小，銑刨機(jī)會因?yàn)镸2小于M1而向左翻轉(zhuǎn)。因此，通過調(diào)節(jié)可移動配重塊向右移動可以保證銑刨機(jī)重心位置不發(fā)生改變，進(jìn)而保證重力G到支點(diǎn)的力臂L1不變；當(dāng)M2再次等于M1時(shí)，銑刨機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會向左翻轉(zhuǎn)。由圖2可知，此時(shí)通過液壓控制使第二伸縮油缸縮短，第一伸縮油缸處于自由狀態(tài)，隨第二伸縮油缸繞鉸點(diǎn)Q旋轉(zhuǎn)。第二伸縮油缸主動控制，第一伸縮油缸隨第二伸縮油缸的縮短而縮短。

（3）工況4中銑刨機(jī)位于最大下坡角為α4的下坡面，且輸料機(jī)張角達(dá)α1，向右達(dá)最大擺角α2（銑刨鼓靠右安裝，此時(shí)輸料機(jī)向右達(dá)最大擺角α2，為極限工況）。由圖6可知，由于輸料機(jī)張角達(dá)α1，向右達(dá)最大擺角α2，銑刨機(jī)重心向右前方移動，重力G到支點(diǎn)的力臂L1減小，導(dǎo)致銑刨機(jī)因M2小于M1而向右或向前翻轉(zhuǎn)。因此，通過調(diào)節(jié)可移動配重塊向左后方移動可以保證重心位置不發(fā)生改變，進(jìn)而保證重力G到支點(diǎn)的力臂L1不變；當(dāng)M2再次等于M1時(shí)，銑刨機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會翻轉(zhuǎn)。由圖2可知，通過液壓控制使第二伸縮油缸伸長，第一伸縮油缸處于自由狀態(tài)，且隨第二伸縮油缸繞鉸點(diǎn)Q旋轉(zhuǎn)。第二伸縮油缸主動控制，第一伸縮油缸隨第二伸縮油缸的伸長而縮短。

（4）工況6中銑刨機(jī)位于最大爬坡角α5的上坡面，輸料機(jī)張角為0°，最大右擺角為α2。由圖8可知，由于輸料機(jī)張角為0°，向右達(dá)最大擺角α2，銑刨機(jī)重心向右后方移動，重力G到支點(diǎn)的力臂L1減小，導(dǎo)致銑刨機(jī)因M2小于M1而向右或向后翻轉(zhuǎn)。因此，通過調(diào)節(jié)可移動配重塊向左前方移動，可以保證銑刨機(jī)重心位置不發(fā)生改變，進(jìn)而保證重力G到支點(diǎn)的力臂L1不變；當(dāng)M2再次等于M1時(shí)，銑刨機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會翻轉(zhuǎn)。由圖2可知，通過液壓控制使第二伸縮油缸伸長并繞P點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，第一伸縮油缸處于自由狀態(tài)，隨第二伸縮油缸繞鉸點(diǎn)Q旋轉(zhuǎn)。第二伸縮油缸主動控制，第一伸縮油缸隨第二伸縮油缸的伸長而伸長。

（5）工況8中銑刨機(jī)位于最大右傾角為α6的坡面上，輸料機(jī)達(dá)最大張角為α1，向右達(dá)最大擺角為α2。由圖10可知，由于輸料機(jī)張角為α1，向右達(dá)最大擺角α2，銑刨機(jī)重心向右前方移動，重力G到支點(diǎn)的力臂L1減小，導(dǎo)致銑刨機(jī)因M2小于M1而向右或向前翻轉(zhuǎn)。因此，通過調(diào)節(jié)可移動配重塊向左后方移動可以保證銑刨機(jī)重心位置不發(fā)生改變，進(jìn)而保證重力G到支點(diǎn)的力臂L1不變；當(dāng)M2再次等于M1時(shí)，銑刨機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會翻轉(zhuǎn)。由圖2可知，通過液壓控制使第二伸縮油缸伸長并繞P點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，第一伸縮油缸處于自由狀態(tài)，隨第二伸縮油缸繞鉸點(diǎn)Q旋轉(zhuǎn)。第二伸縮油缸主動控制，第一伸縮油缸隨第二伸縮油缸的伸長而縮短。

（6）工況10中銑刨機(jī)位于最大左傾角為α7的坡面上，輸料機(jī)達(dá)最大張角為α1，向左達(dá)最大擺角為α3。由圖12可知，由于輸料機(jī)張角為α1，向左達(dá)最大擺角為α3，銑刨機(jī)重心向左前方移動，重力G到支點(diǎn)的力臂L1減小，導(dǎo)致銑刨機(jī)因M2小于M1而向左翻轉(zhuǎn)。因此，通過調(diào)節(jié)可移動配重塊向左后方移動可以保證銑刨機(jī)重心位置不發(fā)生改變，進(jìn)而保證重力G到支點(diǎn)的力臂L1不變；當(dāng)M2再次等于M1時(shí)，銑刨機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會翻轉(zhuǎn)。由圖2可知，通過液壓控制使第二伸縮油缸縮短并繞P點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，第一伸縮油缸處于自由狀態(tài)，隨第二伸縮油缸繞鉸點(diǎn)Q旋轉(zhuǎn)。第二伸縮油缸主動控制，第一伸縮油缸隨第二伸縮油缸的縮短而伸長。

需要說明的是，上述各極限工況下可移動配重塊調(diào)節(jié)的最終位置是經(jīng)過有限元分析后通過控制第二伸縮油缸的伸縮行程進(jìn)行控制，可移動配重塊的位置調(diào)節(jié)完畢后鎖定2個(gè)油缸，固定其位置。

2可行性分析

2.1移動配重?cái)?shù)學(xué)簡化模型

根據(jù)工程機(jī)械穩(wěn)定性，賈會星等通過仿真建立起鉸接式車輛轉(zhuǎn)向側(cè)翻過程的數(shù)學(xué)模型，研究和分析了鉸接車輛側(cè)翻的影響參數(shù)[58]。銑刨機(jī)在具有一定爬坡角的路面上工作時(shí)穩(wěn)定性尤其關(guān)鍵，因此爬坡角是影響銑刨機(jī)側(cè)翻的一個(gè)重要的參數(shù)[912]。

本文就銑刨機(jī)在爬坡角為α的坡面上工作的工況做可行性分析。為了計(jì)算方便，簡化銑刨機(jī)及配重模型，假設(shè)銑刨機(jī)工作時(shí)輸料機(jī)位置保持不變，且銑刨機(jī)兩側(cè)前后輪在同一條直線上[1318]。如圖14所示，假定銑刨機(jī)最大爬坡角為α?xí)r，配重質(zhì)量為m1和m2。設(shè)銑刨機(jī)僅有固定配重m1時(shí)質(zhì)心位置為A1，增加質(zhì)量為m2、質(zhì)心位置在A′的另一固定配重后，銑刨機(jī)的質(zhì)心坐標(biāo)在A1與A′的連線上，質(zhì)心A位于臨界點(diǎn)處，此時(shí)質(zhì)心A過后輪中心O1的連線垂直于水平面。當(dāng)銑刨機(jī)在大于α的爬坡角路面時(shí)，將沿后輪傾翻，爬坡角余量為0。在圖14的二維坐標(biāo)系中，設(shè)O與A的距離為d0，A與A′的距離為d1，當(dāng)銑刨機(jī)質(zhì)心在傾翻極限位置A點(diǎn)時(shí)，A點(diǎn)與兩前輪中心O2和兩后輪中心O1連線所在平面的垂直距離為h。

如圖15所示，如果m2為可移動配重塊，為了增大銑刨機(jī)的爬坡角，將m2沿EF向前移動距離d。當(dāng)質(zhì)心位置移到B′時(shí)，設(shè)此時(shí)銑刨機(jī)的合質(zhì)心從A點(diǎn)移到B點(diǎn)，移動的距離為d2，并令此時(shí)銑刨機(jī)的爬坡角為β，即銑刨機(jī)向逆時(shí)針再旋轉(zhuǎn)β-α后，才達(dá)到傾翻的極限位置。

由式（20）可知，當(dāng)銑刨機(jī)在爬坡角為α的坡面上，如果質(zhì)心位置與兩前輪中心O2和兩后輪中心O1連線所在的平面的垂直距離為h，將移動配重塊向前移動使銑刨機(jī)的合質(zhì)心向前移動距離d后，銑刨機(jī)的爬坡角可增加Δa。

由式（2）可知，當(dāng)銑刨機(jī)的配重m1和m2均為固定配重時(shí)，其最大爬坡角僅與h和d0有關(guān)，然而d0與d1有關(guān)，因此當(dāng)固定配重塊m1和m2的質(zhì)量和位置確定后，決定銑刨機(jī)最大爬坡角的參數(shù)為d0、d1和h。如果將m2設(shè)為可移動配重塊后，由式（18）可知，此時(shí)的最大爬坡角由d、d0、d1、d2和h共同決定。

3結(jié)語

（1）設(shè)計(jì)了一種銑刨機(jī)可移動配重機(jī)構(gòu)，能夠通過調(diào)節(jié)油缸行程改變銑刨機(jī)的質(zhì)心位置。

（2）詳細(xì)說明了銑刨機(jī)在幾種極限工況下通過調(diào)節(jié)可移動配重塊的位置保持銑刨機(jī)平衡的方法。

（3）在銑刨機(jī)2個(gè)配重質(zhì)量和位置已知的情況下，將其中一個(gè)配重設(shè)置為可移動配重后，建立銑刨機(jī)帶固定配重和帶可移動配重在爬坡角為α的坡面上的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出當(dāng)可移動配重塊前移距離d后銑刨機(jī)爬坡角的增值Δα。

（4）銑刨機(jī)的配重全部為固定配重時(shí)，固定配重在銑刨機(jī)前后方向的位置和與銑刨機(jī)車輪中心的距離h決定了銑刨機(jī)爬坡角的大小；當(dāng)銑刨機(jī)安裝移動配重時(shí)，可通過移動配重塊的位置改變銑刨機(jī)的爬坡角。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]