振動(dòng)壓路機(jī)的穩(wěn)定性分析

張嘉雯，陶 柳，龔 濤

（1.機(jī)械工業(yè)教育發(fā)展中心技工教育和培訓(xùn)處，北京，100055；2.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程系，四川 德陽(yáng)，618000；3.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭，411105）

振動(dòng)壓路機(jī)能夠顯著地改善基礎(chǔ)填方和路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，增加工作介質(zhì)的密實(shí)度，在現(xiàn)代高速公路、鐵路、大壩、機(jī)場(chǎng)跑道、國(guó)防工業(yè)等大型工程項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用。[1-2]它具有壓實(shí)效果好、生產(chǎn)效率高（壓實(shí)遍數(shù)少）等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在使用中存在滑移和傾翻等不穩(wěn)定因素，降低了壓實(shí)密度和振動(dòng)壓路機(jī)的使用壽命。[3-6]其中傾翻對(duì)振動(dòng)壓路機(jī)的穩(wěn)定性危害最大，因此要保證在各種工況下振動(dòng)壓路機(jī)不傾翻、不滑移，至少滑移先于傾翻。本文從靜態(tài)、行駛兩種狀態(tài)對(duì)振動(dòng)壓路機(jī)的不穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

1 振動(dòng)壓路機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定性

振動(dòng)壓路機(jī)在平地上的靜態(tài)穩(wěn)定性是很容易保證的。本文所討論的靜態(tài)穩(wěn)定性主要是在坡道上的靜態(tài)穩(wěn)定性，并對(duì)其中兩種極限狀態(tài)——縱向靜態(tài)穩(wěn)定性和橫向靜態(tài)穩(wěn)定性加以討論。

1.1 振動(dòng)壓路機(jī)坡道上的縱向靜態(tài)穩(wěn)定性

振動(dòng)壓路機(jī)在坡道上的受力情況如圖1所示。[7]

圖1 振動(dòng)壓路機(jī)坡道靜態(tài)縱向受力圖

圖中，α—坡道角；

G—整機(jī)的重力；

s—振動(dòng)壓路機(jī)兩輪中心距；

L—整機(jī)重心點(diǎn)到驅(qū)動(dòng)輪中心的水平距離；

f1、f2—兩輪所受的靜摩擦力。

O點(diǎn)為振動(dòng)壓路機(jī)的整機(jī)中心點(diǎn)，O1、O2兩點(diǎn)分別為振動(dòng)壓路機(jī)兩輪與坡道的接觸點(diǎn)。由振動(dòng)壓路機(jī)在O1與O2兩點(diǎn)的力矩平衡有：

式中，μ1、μ2分別是振動(dòng)壓路機(jī)前輪和后輪在坡道上的靜摩擦系數(shù)。

開(kāi)始傾翻臨界條件下：N2=0

其中：αm是縱向臨界傾翻角。

1.2 振動(dòng)壓路機(jī)坡道上的橫向靜態(tài)穩(wěn)定性

振動(dòng)壓路機(jī)在橫向的受力情況如圖2所示，同縱向情況下的力矩平衡方程[8]，同樣有

圖2 振動(dòng)壓路機(jī)坡道靜態(tài)橫向受力圖

式中，b—壓路機(jī)輪寬

e—壓路機(jī)重心偏離縱向?qū)ΨQ平面的距離

β—坡道角

開(kāi)始傾翻臨界條件下：N2=0

式中，βm——橫向臨界傾翻角

開(kāi)始滑移臨界條件下：f1+f2=Gsinα

2 行駛穩(wěn)定性

以單輪驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)壓路機(jī)為例，分別討論其在四種極限行駛狀態(tài)下的穩(wěn)定性[9]，如圖3所示：M1、M2、M3、M4分別是這四種狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)力矩。

圖3 狀態(tài)示意圖

2.1 振動(dòng)壓路機(jī)的上坡穩(wěn)定性

（1）驅(qū)動(dòng)輪在下的上坡穩(wěn)定性

如圖3（a）所示，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩為M1，牽引力為T1,f1、f2風(fēng)別為兩輪的滾動(dòng)阻力。

同樣由力矩平衡方程解等式（2）和臨界傾翻條件有：

（2）驅(qū)動(dòng)輪在上的上坡穩(wěn)定性

如圖3（b）所示，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩為M2，同理有：

此時(shí)，S(S-L)＞0時(shí)滑移先于傾翻。

2.2 振動(dòng)壓路機(jī)的下坡穩(wěn)定性

（1）驅(qū)動(dòng)輪在下的下坡穩(wěn)定性

如圖3（c）所示，此時(shí)：

（2）驅(qū)動(dòng)輪在上的下坡穩(wěn)定性

如圖3（d）所示，此時(shí)：

3 穩(wěn)定性分析

靜態(tài)時(shí)，由于振動(dòng)輪與土壤摩擦系數(shù)比較小，振動(dòng)壓路機(jī)靜止在坡道上時(shí)臨界滑移角遠(yuǎn)小于臨界傾翻角，即靜態(tài)時(shí)壓路機(jī)在坡道上理論上不會(huì)發(fā)生傾翻。[9-10]為分析方便討論選取μ1=μ2=0.2，L以0.1 m為步長(zhǎng)，從1.2 m遞增到2.0 m，h為以0.05 m為步長(zhǎng)，從0.8 m遞增到1.0 m。結(jié)果如圖4所示。

圖4 靜態(tài)臨界傾翻角

由圖4可知，靜態(tài)時(shí)當(dāng)L增大時(shí)臨界傾翻角逐漸增大，并且當(dāng)L不變時(shí)隨著h的增加臨界傾翻角反而減小。

行駛狀態(tài)時(shí)，取s=3.4 m,φ1=φ2=0.6。分別以L為橫坐標(biāo)，臨界滑移角為縱坐標(biāo)建立坐標(biāo)系。

驅(qū)動(dòng)輪在下，上坡時(shí)的情況如圖5所示：

圖5 驅(qū)動(dòng)輪在下的上坡

振動(dòng)壓路機(jī)驅(qū)動(dòng)輪在下前進(jìn)上坡時(shí)，臨界滑移角隨L的增大而減小，隨h的增大而增大。

驅(qū)動(dòng)輪在上，上坡時(shí)的情況如圖6所示：

圖6 驅(qū)動(dòng)輪在上的上坡

振動(dòng)壓路機(jī)驅(qū)動(dòng)輪在上倒退上坡時(shí)，臨界滑移角隨L的增大而增大，隨h的增大而減小。

驅(qū)動(dòng)輪在下，下坡時(shí)的情況如圖7所示：

圖7 驅(qū)動(dòng)輪在下的下坡

下坡時(shí)臨界滑移角為負(fù)數(shù)必定會(huì)滑移。

驅(qū)動(dòng)輪在上，上坡時(shí)的情況如圖8所示：

圖8 驅(qū)動(dòng)輪在上的上坡

4 結(jié)論

本文對(duì)單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)在靜態(tài)和行駛狀態(tài)多工況下的臨界滑移角和臨界傾翻角進(jìn)行了計(jì)算與分析,得到如下研究結(jié)果：

（1）振動(dòng)壓路機(jī)的臨界傾翻角的正切值與整機(jī)重心垂直高度成反比，與被邁下游輪子至整機(jī)重心的水平距離成正比，而與其他參數(shù)無(wú)關(guān)；

（2）各種工況下臨界滑移角（滑移穩(wěn)定性）的大小排序?yàn)樯掀卤认缕潞茫?qū)動(dòng)輪在下比在上好；

（3）從理論上講，壓路機(jī)在小于穩(wěn)定度的坡道上不會(huì)發(fā)生傾翻。實(shí)際上彎道上的離心力、制動(dòng)時(shí)的慣性、起步時(shí)的加速阻力等可能使其傾翻。