振動壓實成型機結構設計

任 峰，姚運仕，趙明明，劉歡建，楊 發

（長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，西安710064）

0 引言

瀝青路面在我國各等級公路中占有極其重要的地位，要想實現瀝青路面安全、舒適、耐久、承載能力各方面性能出色，就得要求高質量的路面基層。我國大部分高級公路采用半剛性基層作為基層，則半剛性基層的壓實質量將嚴重影響瀝青路面的使用性能和使用壽命。足夠的密實度可以充分發揮路基的性能，是影響半剛性基層質量的重要因素，密實度是通過壓實來實現的。如果半剛性基層壓實不充分，將導致瀝青路面在使用過程中發生車轍、裂縫、沉陷和水破壞，甚至導致瀝青路面的剪切破壞。實驗室內半剛性基層的研究，對現場施工情況起著指導性作用。目前，室內對半剛性基層成型的方法很多，如揉搓壓實、旋轉壓實、振動壓實和靜壓成型，但主流的室內成型還是靜壓成型和振動成型。其中，振動壓實可以很好的模擬半剛性基層現場施工碾壓的情況。研究表明[1]，“振動成型儀—被壓材料”的動態響應與“振動壓路機—被壓材料”的動態響應基本一致，表明實驗室內的振動壓實效果與振動壓路機在施工現場的壓實效果基本相似，將實驗室數據用于現場施工質量的指導、預測和控制是可行的。而現有室內振動壓實成型機在整體結構方面有很多缺點，如整機體積較大，整體笨重，動力源與振動源分開，電機外置，利用兩個萬向節傳輸動力，結構復雜，可靠性低等缺點，本文針對上述缺點，自行設計一款符合《垂直振動法水泥穩定碎石設計施工技術規范》（DB61/T529-2011）標準的振動壓實成型機，并對關鍵部件進行選型指導及其校核計算。

1 總體方案設計

現有振動成型機如圖1所示，體積龐大，外形笨重，采用四立柱框架，更換試件不方便；電機外置，利用兩個萬向節傳輸動力，結構復雜，可靠性低；上下車之間采用剛性連接，減振效果差，噪音大。針對上述現有缺點，本振動成型機結構如圖2所示，分為機架、提升機、激振部分、減振裝置以及試模及其夾緊裝置。根據陜西省相關地方標準規定[2]，振動壓實成型機應滿足以下設計條件見表1。

圖1 現有振動成型機機構示意圖

圖2 本機結構示意圖

表1 設計參數要求

本機工作過程如下：將裝滿物料的試模利用試模夾緊裝置，固定在底座上，以防移動。然后啟動提升機構，將上、下車一同下降，直至壓頭接觸在物料頂部，提升機構停止工作。接下來，同時啟動兩臺振動電機，其中兩臺振動電機轉速相同，轉向相反，從而產生垂直方向的激振力，將物料振動壓實。物料達到壓實標準以后，振動電機停止工作，提升機構再次動作，將上下車一同向上移動，直至壓頭完全脫離試模，提升機構停止工作。最后，解除試模夾緊，將已壓實的物料連同試模一塊取出來，然后脫模。振動壓實過程中，上、下車之間的橡膠雙夾減振機構盡量減少上車的振動，減少噪音。

2 振動電機

振動電機是振動壓實成型機最核心的部分，是將振動壓實成型機中激振源與動力源合二為一的部件。振動電機的轉子軸兩端分別安裝有一組偏心塊，利用旋轉軸轉動，帶動偏心塊產生激振力。

本機安裝兩個同型號振動電機，轉速相同，轉向相反，從而水平分力相抵消，豎直方向力相互疊加，如圖3所示。

圖3 垂直振動原理示意圖

本機設計要求激振力為7.6 kN，下車重量為（1.8±0.01）kN 即（183.7±1）kg，振動頻率為（30±1）Hz。查詢振動電機，可選用YZO-16-4振動電機，其激振力為16 kN，可通過調節振動電機偏心塊夾角來調節激振力。其轉速為1 500 r/min，即25 r/s，雖不符合30 Hz，但可以接入一臺變壓器，將振動電機頻率變為30 Hz。

3 機架

機架是一臺機器中，用來安裝其他零部件。在機架設計中，在其剛度、強度和穩定性滿足條件的前提下，盡量減少機架體積和重量。選用機架材料一般取決于使用要求，一般采用鑄造材料。本機架采用若干梁柱圍成的立體框架結構（四立柱框架），并且采用單立柱框架結構，故選用熱軋槽鋼。其主要的受力部件為立柱和主簡支梁。下面計算主簡支梁界面，按主簡支梁截面要求選擇機架所需熱軋槽鋼具體型號。選用Q235材質鋼板，已知許用應力[σ]=158 MPa，[τ]=98 MPa，彈性模量 E=200 GPa。受力分析如圖4。

圖4 受力分析圖

F總=m1×g+（m上+m下）×g

F=F總/2

其中：m1為電葫蘆的質量，取40 kg；

m上為上車系統質量，取120 kg；

m下為下車系統質量，取180 kg；

g 為加速度 9.8 N/kg。

代入數據計算可得：F總=3 392 N，F=1 696 N按強度條件設計截面：

σ =Mmax/Wz≤ [σ]

Mmax=F×L

其中：L為受力點到左側支點的距離，取385 mm。

代入數據計算可得：Wz＞ 4.13 cm3

查詢型鋼規格表[3]可知，6.3#熱軋槽鋼的抗彎截面系數 Wz=16.1 cm3，慣性矩 Iz=50.8 cm4。

按剛度條件校核截面：

已知，簡支梁的最大撓度發生在受力處，則：

代入數據計算可得：ωmax=8.13 × 10-5

根據GB50017-2003《鋼結構設計規范》[4]規定，[ω]=L總/200

其中 L總=0.63 m

代入數據計算可得：[ω]=0.003 15

故[ω]≥ ωmax

所以，6.3#熱軋槽鋼滿足梁的剛度要求。

4 減振裝置

壓路機工作中的強烈振動和噪聲作為一種環境污染，逐漸引起了社會各界的普遍關注[5]。振動對一臺機器可以產生很多有害的影響，如降低機器的精度，加劇各零部件的磨損，甚至引起零部件的疲勞破壞，從而降低機器的使用壽命等等。

本振動壓實成型機，振動電機帶動上、下車上下振動，通過壓頭，用產生的激振力對被壓實材料進行反復壓實。因為力是相互的，所以被壓材料也會對振動壓頭產生反作用力，再傳遞到機器的每一個部分，這會增加整機零件的磨損，降低整機的使用壽命，并對周圍環境造成噪聲污染，對操作人員的身心健康造成損害。所以應對減振系統進行設計，從而減少振動對整機造成的不良影響。橡膠因其是一種高分子聚合材料，內部排列結構為鏈狀結構，所以為當代主要的減振材料。不用復雜的結構和外形，就能達到較好的減振、減噪的性能。而且橡膠材料的阻尼比一般的金屬材料要高很多，所以能吸收更多的振動能量，尤其是高頻的振動運動。先也有將橡膠和金屬粘接在一起使用。現在主要有圓柱形、方形和圓筒形等形狀的橡膠減振塊。本機器選用橡膠減振塊，并采用雙夾結構安裝橡膠減振塊，如圖5所示。

圖5 上下車結構示意圖

減振系統的總剛度隨著假設的數學模型的不同而不同，本設計將其簡化為單自由度系統[6]，如圖6所示。

圖6 單自由度系統示意圖

根據《橡膠減振器在振動壓路機上的應用》[7]，總動態剛度：

其中：m1為上車系統質量，120 kg；

ω 為振動電機振動頻率，ω =2πf，f=30 Hz。

代入數據計算可得：Ki=120 902.654 N/m。

初步設計四組雙夾結構、8只橡膠減振器并聯。即每一個橡膠減振器的最大動剛度K為：

代入數據計算可得：Kdi=15 112.832 N/m。

橡膠減振器除去與鋼板粘接部分，為一個直徑D=80 mm、高度L=100 mm的圓柱，其截面面積A：

代入數據計算可得：A=5 026.548 mm2

橡膠減振器的的剛度是一個很難測得數據，一般與所選材料的硬度、成型機工作振幅、頻率以及環境溫度有關。因此，一般通過靜剛度估算出動剛度。表3為不同材料硬度下的動剛度系數（d）。表2為一定范圍內橡膠硬度HS與彈性模量和剪切模量的對應值，其中，動剛度Kd=K×d。

表2 橡膠硬度與彈性模量和剪切模量對應值

表3 橡膠硬度與動剛度系數表

由表3可知，選硬度為HS=40的橡膠作為減震器時，其動剛度系數為d=1.1，彈性模量E=1.850 MPa，剪切模量 G=0.460 MPa。本機器的橡膠減振器為圓形截面，故剪切彈性模量為：

因此，橡膠減振器的動剛度Kd：

代入數據計算可得：Kd=15.01 kN/m，

即 15.01 kN/m ＜ [Kdi]=15112.832 N/m。

所以，所選橡膠減振器剛度滿足要求。

5 上下車結構及其質量

5.1 上車

上車在上下車結構中，起著連接下車、帶動上下車上下移動以及限制上下車振動中晃動的作用，所以上車結構示意圖7如下。吊板用來連接電葫蘆鋼絲繩和上車車架，體積V1=7.88×105mm3。上車架用來連接下車，并保證上車系統質量符合標準，所以上車架上配有一個配重腔，上車架體積V2=5.066×106mm3。眾所周知，鐵的密度為 ρ鐵=7.8 g/cm3，見圖7所示。

圖7 上車系統示意圖

故上車系統質量M上：

代入數據計算可得：M上=45.65 kg ＜ 122.5 kg

剩下的質量，由螺栓和配重塊補充即可。

5.2 下車

下車在整機結構中，起著連接上車、承載振動電機、并將振動能量通過壓頭傳遞給被壓材料的功用，所以下車結構示意圖如圖8所示。

圖8 下車系統示意圖

一臺振動電機M振=83 kg，兩臺164 kg。下車機架共分為三個部分：橡膠減振器架，左右各一個，單個體積 V3=6.407 × 105mm3。

支撐振動電機的搭板前后各一個，單個體積V4=1.845×105mm3；中間連接振動電機與壓頭的部件體積 V5=4.318 × 105mm3；壓頭體積 V6=1.385 ×105mm3。則下車系統質量M下：

代入數據計算可得：M下=181.3 kg ＜ 183.6 kg

剩余質量由螺栓及質量塊補齊即可。

6 結束語

本文提出了一種符合《垂直振動法水泥穩定碎石設計施工技術規范》（DB61/T529-2011）的振動壓實成型機，對現有振動壓實成型機部分確定提出改進，并進行了結構設計計算。該成型機用于實驗室水泥穩定土材料試件的振動壓實成型，結構緊湊，上下車完全模仿振動壓路機結構，可以很好的模仿現場振動壓路機壓實效果，將實驗室數據用于現場施工質量的指導、預測和控制。而且具有減振結構，可以有效減少工作中的噪音，保證工作人員身心健康。該振動壓實成型機現已申請了國家發明專利，專利申請號為 201711432267.8。