手扶压路机设计的压实机理研究毕业论文.doc

手扶压路机毕业设计

2014年5月8日

手扶压路机设计的压实机理研究

摘要：压力原理上，探讨了土中含水量，压路机的震动压实功能与土的级配组成对压实效果的影响。且进一步对振动压实原理做研究，振动压实类型及振动压路机的力学模型进行了研究。分析了振动对压实材料剪应力、抗剪强度的影响，结合各个因素来考虑设计手扶压路机结构，简要提出了对振动压路机参数的选择和提高压实效率的途径。
关键词：手扶压路机 振动压路机
Abstract: On the analysis of soil properties and and soil compaction performance, discusses on the basis of the soil moisture content, roller compaction function and soil graded composition on compaction effect. And further, the vibration compaction mechanism of vibration compaction type and mechanics model of vibratory rollers are studied. Analysis of the vibration compaction material shear stress, shear strength with the influence of the structure of vibratory roller, analyzed its mechanical properties, briefly proposed to the vibratory rollers parameter selection and improve the efficiency of the way compaction.

目录
第一章 概述 1
1.1 选题目的与意义 1
1.2 设计题目及参数要求 1
第二章 压路机工作参数的确定 3
2.1 主机结构方案拟定 3
2.2 基本参数确定计算 3
2.2.1 工作重量m 3
2.2.2 前后轮分配重 3
2.2.3 重心位置的确定 3
2.2.4 压轮直径 4
2.2.5 压轮宽度 4
2.2.6 前后轮静线载荷 4
第三章：振动压实机理 7
3.1土的抗剪强度及特点 7
3.2振动对土的剪切应力和抗剪强度的影响 7
第四章：振动压路机结构 9
4.1振动压实理论的几种学说 9
4.2振动压路机的形式 9
4.3振动压路机的振动轮结构 10
4.4二自由度振动压路机一土壤系统动力学模型 10
4.5振动压路机参数选择简介 11
第五章 油箱的设计 29
5.1 油箱容量的确定 29
5.2 油箱尺寸的确定 29
5.3 油箱的散热验算 29
5.3.1 系统发热量计算 29
5.3.2 液压系统的散热功率计算 30
5.4 油箱附件的选择与结构设计 31
5.5 油液的选择 32
致谢

第一章 概述

1.1 选题目的与意义
手扶振动式压路机是一种用于路面养护和小型路面工程施工的压实机械。适用于城乡道路、停车场沥青路面的修补及市政等小型工程的压实作业。优点是体积小重量轻，使得驾驶、作业灵活机动，更易于在狭窄空间施工。小型手扶振动压路机采用行走、振动和手扶转向系统。手扶传动技术的应用不仅大大减轻了操作人员的工作强度，而且使整机的性能有了很大提高。如果泵和电机容量大、体积小、效率高、电的综合效果，使操作过程和控制系统的振动，以达到一个高水平的automatizacion，发动机很容易实现积极的道路的振动和压力辊装置振动，可以获得不同的振幅，控制电机的转速，可获得不同频率的加速度；扭转和更加强劲。

目前，国外绝大多数均属此结构性能，而国内大多数机属单轮驱动，单轮振动，机械传动。国际上著名的压路机制造商像西德BOMAG公司生产的BWl 00AD(2吨)，BWl20AD(2.5吨)，BWl30AD(3.5吨)双锻轮振动压路机年产量及销售量都在3000台以上：瑞典的DYNAPAC公司的CCl02(2.3吨)，CCl 22(2.6吨)，CCl 42(3.9吨)双钢轮振动压路机年产量及销售量也在l 000台以上。说明国外在高速公路网形成以后主要以路面维修为主，因此，大力开发研制小型振动式压路机是公路发展的必要。

1.2 设计题目及参数要求
技术项目   
手扶压路机
动力配置
GX160汽油机/3.1KW
激振力
10KN
振动频率
4600/min
行走速度
0-27米/分钟
压实宽度
560mm
水箱容量
30L
自          重
180kg
长X宽X高
1200 X 650 X 1020 mm
滚轮尺寸
￠400X560
爬坡能力
30°
1.3 系统配置
振动压路机应有如下三个功能：
(1)振动压实功能 通过机械偏心振动方式，强迫滚轮产生振动来压实土壤。
(2)行驶功能 压路机完成在振动压实过程中的行驶（前进和后退）以及非振动压实工作状态下的快速行驶。
(3)转向功能 实现压路机的左右转向功能。
由于振动式压路机的各个功能是独立的，所以与各功能适应的三个系统均是独立配置系统。各系统由独立的动力元件、控制阀和执行元件构成。分别为行驶系统、振动系统和转向系统。
第二章 压路机工作参数的确定

2.1 主机结构方案拟定
目前，国内大多数小吨位双钢轮同类机型的振动压路机，多为单轮振动单轮驱动，并且多为整体框架式。
本次设计采用单钢轮驱动，单钢轮振动，前轮为振动轮。转向采用铰接转向：转弯半径小，灵活方便，在狭窄地域能灵活应用，在压实弯道时可提高路面的压实均匀度。

2.2 基本参数确定计算
2.2.1 工作重量m
压路机工作重量为
2.2.2 前后轮分配重
根据压路机的工作重量，给前轮分配重，后轮分配重。
根据【3】前后轮分配推荐范围
20合乎要求。
2.2.3 重心位置的确定
前后轮中心轴距离取c=。设重心水平位置为O，前后轮重心分配距如图1所示。

图1 重心O前后分配距求解简图

∵
∴
∴
2.2.4 压轮直径
前轮直径为500 ，后轮直径为100

2.2.5 压轮宽度
压轮的宽度通常参考直径取之。根据【2】式2-1-6，压轮宽度为

式中：——宽度系数，光轮振动压路机取=1.4～1.65。
压轮的宽度为668

2.2.6 前后轮静线载荷
前轮静线载荷
后轮静线载荷
2.3 行走速度
压路机的工作速度应考虑到作业工况的碾压速度和运输工况的行使速度。
压路机的碾压速度是根据滚动压实工艺规范选定的。碾压速度对土壤的压实效果有显著的影响。在铺层厚度一定时，压路机传递给填方内的能量与碾压变数和碾压速度之比值成正比。
较低的碾压速度能使铺层材料在压实力的作用下有足够的时间产生不可逆变形，及更好的改变被压实材料的结构。然而压实速度还与生产率有密切的关系。所以碾压速度应存在一个最佳值，这个最佳值就是在不降低压实质量的前提下，选择尽可能高的碾压速度，以保证压路机有较高的效率。
与静作用压实相比，振动压路机的碾压速度对压实效果的影响更加明显。因为在振动压实时，土壤颗粒由静止的初始状态变化为运动状态要有一个过程。这个过程持续时间的长短与土壤力之间的粘聚力、吸附力的大小有关，也与振动压路机的静线载荷有关。试验表明，为了克服土壤颗粒之间的粘聚力和吸附力，对一般的亚粘土应至少三次有效的强迫振动，才足以使这些土壤颗粒处于振动状态。而振动压路机的线载荷越大，颗粒从静止到运动的转换时间越短。
经验表明，在一个振动周期内振动轮行走的距离在3cm左右，就可以土壤颗粒之间的粘聚力和吸附力，使之由静止进入到运动状态。由此可以导出振动碾压速度cm/s。
由于压路机的振动频率为 Hz，可得其碾压速度应为
考虑到静线载荷大小的影响，推荐5t以上的振动压路机碾压速度取3～6km/h，3～5t振动压路机碾压速度取3～4km/h，2t以下振动压路机碾压速度应低于3km/h。
因此，振动压路机的最高碾压速度取3km/h。
压路机运输工况的行驶速度，应考虑行驶稳定性和机器颠簸的程度选定。对于由刚性车轮驱动的压路机，最高行驶速度推荐为8～10km/h。此处取最高行驶速度为8km/h。

第三章：振动压实机理
3.1土的抗剪强度及特点
实际上，土在压实过程中，无论是静碾压实还是振动压实，只有当土中产生的剪应力大于土的抗剪强度才能使土颗粒重新排列，土体压实变密。所以只要清楚了振动对土剪应力和抗剪强度的影响，也就清楚了振动压实机理。
由土力学的知识可知，土的抗剪强度与法向应力的关系可由库仑定律表示为:
〔4〕
式中：土的抗剪强度；
作用在剪切面上的法相应力；
土的强度指标，内摩擦角；
土的强度指标，黏聚力。
如前所述，一般大致可把土分为粘性土和非粘性土两大类，不同类型的土抗剪强度不同。一般情况下，土的抗剪强度为常数。土体的破坏不是土中颗粒本身的破坏，而是颗粒间联结的破坏。联结强度与作用在剪切面上的法向应力有关。土的密实度、颗粒形状大小以及颗粒的级配都将通过影响内摩擦角而影响土的抗剪强度。含水率对砂性土的抗剪强度影响小，对黏性土的影响大。含水率过高或者过低都会使土的黏聚力降低。这是因为对于砂性土，土的黏聚力c0.
振动机与减速器

3.2振动对土的剪切应力和抗剪强度的影响
实验表明，土的抗剪强度与土的级配粒径，土的含水量，振动的振幅、频率、振动加速度有关。振动使土的内摩擦力迅速降低，使土的颗粒处于运动状态，在运动状态下，颗粒能够找到在土体中尽可能低的位置，使土壤更加密实。当振动频率等于土壤固有频率时，产生共振，土壤颗粒运动加剧，压实效果更好。
3.2.1振动对土的剪应力的影响
如下图1〔5〕是在土层下200一处静、动压力测试结果，土承受的压力P为静压力Pj与动压力Pd之和，即：P＝Pj＋Pd 土体压力p的最大值Pmax和最小值Pmin为Pmax=Pj+kPdmax; Pmin=Pj-kPdmax（k为比例系数）。显然振动压实过程中土体承受的最大压力Pma大于静碾压实过程中土体承受的压力Pj：Pmax>Pj，即振动压实过程中土体承受的最大剪切应力τmax 大于静碾压实过程中土体承受的剪切应力τf，压实效果提高。可见振动压实对土体中剪切应力的影响与被压实土的种类无关。

3.2.2振动对抗剪强度的影响

——振动工况的效率取0.64。
故，系统的发热功率为

5.3.2 液压系统的散热功率计算
液压系统的散热渠道主要是油箱表面，但如果系统的外接管路较长则应该考虑管路表面散热。散热功率为

式中：——油箱散热系数，根据【1】表23.4-12查得，见下表4；
——管路散热系数，根据【1】表23.4-13查得；
——油箱的散热面积（）；
——管路的散热面积（）；
——油温与环境温度之差（℃）。
现忽略管道散热，只考虑油箱散热来验算散热能力。若此情况下算得油箱能满足散热要求，则加上管道系统的散热，油箱定能满足散热要求，油箱尺寸的设计就是合理的。
表4 油箱散热系数
冷却条件

通风条件很差
8～9
通风条件良好
15～17
用风扇冷却
23
循环水强制冷却
110～170
油箱采用风扇冷却，由表4得油箱散热系数为=23。
油箱的散热面积为
若系统散热达到平衡时，，油温不再升高。此时，最大温差
℃
工作的环境温度取，则油温。
如果计算出的油温超过该液压设备允许的最高油温，就要设法增大散热面积，或者增大散热系数。如果油箱的散热面积不能加大，或者采用循环水强制冷却也无济于事，则需要装设冷却器。
根据【1】表23.4-14各种机械允许油温，查得工程机械的正常工作温度为50～80℃，最高允许油温为70～90℃。而计算得最高油温T为76.8℃，小于80℃，因此无需增大油箱尺寸或增设冷却器，油箱采用风扇冷却即可。
综上所述，确定油箱的容量为100L。尺寸为长0.5m，宽0.4m，高0.5m。
5.4 油箱附件的选择与结构设计
油箱设计时还应考虑以下几点：
(1)油箱的主要油口设置
油箱的排油口与回油口之间的距离应尽可能的远些，管口都应插入最低油面之下，以免发生吸空和回油冲溅产生气泡。吸油管离箱底距离H≥2D（D为管径），距箱边不小于3D。回油管离箱底距离h≥3D。
将主回路的吸油口设在隔板一侧，且尽量远离隔板，系统的主回油口以及泄漏油口均设在隔板另一侧，且也尽量远离隔板，以拉开吸油口与回油口的距离。吸油口采用法兰连接，泄漏油口采用螺纹连接。
放油孔要设置在油箱底部最低的位置，使换油时油液和污物能顺利的从放油口流出。在油箱两侧的最低位置各设置一个放油孔，即可保证将油箱中的油放干净，放油孔采用法兰连接。
(2)隔板设置
在油箱中间设置隔板以增长液压油流动循环时间，将吸、回油管隔开，除去沉淀的杂质，分离，清除水和空气，调整温度，吸收液压油压力的波动及防止液面的波动。在
隔板上安装过滤网，使吸油管与回油管隔开，这样液压油可以经过一次过滤。过滤网使用 100 目左右的金属网。
(3)空气滤清器设置
在油箱盖上装有空气滤清器。兼作注油口用。注油和通气一般都由一个空气过滤器来完成。在油箱顶部设一连接法兰以安装空气滤清器，法兰尺寸参照所选空气滤清器的安装尺寸设计。若油箱上方空间不够，也可将空气滤清器设在清洗盖上。
(4)清洗孔设置
在设计油箱时，从结构上应考虑清洗换油的方便，设置清洗孔，以便于油箱内沉积物的定期清理。由于油箱被隔板一分为二，故在油箱顶部隔板两侧各设一个清洗孔。清洗孔的孔口大小应能够使一个人自由出入。
(5)液位计设置
为了能够观察向油箱注入油液的上升情况和在系统过程中看见液位的高度，必须设置液位计。
(6)取样油口设置
为了方便随时了解油箱中油液的污染情况，在油箱一侧的中下方位置设置一取样油口，由于该油口很小，故采用螺纹连接。
(7)吊环
在油箱顶部两侧各设置一个吊环，以便于起重机吊运。
5.5 油液的选择
液压介质应具有适宜的粘度和良好的粘-温特性；油膜强度要求高；具有较好的润滑性能；能抗氧化稳定性好；腐蚀作用小，对涂料、密封材料等有良好的适应性；同时液压介质还应具有一定的消泡能力。
选择液压介质时，出专用液压油外，首先是介质种类的选择。根据液压系统对介质是否有抗燃性的要求，决定选用矿油型液压油还是抗燃性液压液。其次，应根据系统中所用液压泵的类型选用具有合适粘度的介质。最后，还应考虑使用条件等因素，如环境温度、工作压力、执行机构速度等。
(1)压力较高时，宜选用粘度较高的压力油；压力低时，宜选用粘度较低的液压油；高压系统宜选用加有抗磨剂的抗磨液压油
(2)环境温度较高时，宜选用高粘度的液压油；环境温度低时，宜选用低粘度的液压油。
(3)工作部件运动速度较小的往复运动系统，宜选用低粘度的液压油；作旋转运动的系统，宜选用粘度较高的液压油。
(4)此外，还应综合考虑其他因素。
本设计选用本系统采用普通的抗磨型液压油L-HM46。

致 谢
本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。
 在这里首先要感谢我的导师xxx老师。平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但老师是仍然细心地纠正图纸中的错误。除了老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。
五年寒窗，所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。很庆幸这些年来我遇到了许多恩师益友，无论在学习上、生活上还是工作上都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在诸多方面都有所成长。感恩之情难以用语言量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。
感谢我的所有老师。两年来，对我的学习和生活帮助，并给予了悉心的指导，使我受益菲浅。从恩师身上我体味到了丰富的学养、严谨的作风、求实的态度，勤奋的精神，这都成为了我不断前行的动力和标杆。

参考文献
1.李冰，焦生杰.振动压路机与振动压实技术〔M〕.北京:人民交通出版社，2001
2.张永波，基于ADAMS技术的振动压路机动态性能优化与仿真[D].西安:长安大学，2001
3.杨士敏，傅香如.工程机械地面力学与作业理论.北京：人名交通出版社2010
4. 杨小卫，高行方.振荡压实效果的理论分析仁J〕.筑路机械与施工机械化，1998(5)
5. 张泓 闻邦椿.《振动压路机压实机理研究》。
6. 李建华.长安大学 《振动压实机械平顺性研究》
7. T.5.YooandE，T.Selig，DynnajiesofViboratoryRollerCompaetion〔J〕.JournaloftheGeoteehniealEngineeringDivision，1979:105
8. 杨士敏.压路机使用过程中若干问题的探讨[j]。建筑机械，1994（10）.

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