轮胎压路机在面层上的碾压机理

2014-07-01马串蒙巧利朱毅

机械工程师 2014年4期

关键词：压路机面层轮胎

马串，蒙巧利，朱毅

（陕西建设机械股份有限公司，西安710032）

轮胎压路机在面层上的碾压机理

马串，蒙巧利，朱毅

（陕西建设机械股份有限公司，西安710032）

轮胎压实机械在路面碾压过程中，尤其在高等级沥青路面上是不可缺少的。文中从轮胎运动学滑转理论角度来揭示轮胎碾压机理，可使得路面质量最优化。

轮胎压路机；轮胎滑转；碾压机理

0 引言

轮胎压路机碾压作业是运用一定的质量和车速对压实材料进行合理的碾压，其轮胎与路面之间本身就存在复杂的运动，即轮胎在实际碾压的运动过程中存在弹性滑动和接触面之间的滚动与滑动，从轮胎与滚动表面的关系角度入手，可进一步分析轮胎的滑转因素对轮胎碾压的影响及作用。

1 影响轮胎滑转因素

1）轮胎的周向变形与滚动表面间的弹性滑动

图1 轮胎压路机起动和制动滑转趋向

如图1所示，轮胎的周向变形使得轮胎与地面的接触面由椭圆变成阴影所示的形状（即压路机的主动轮与地面的作用和被动轮与地面的作用正好相反），这也是轮胎动力学中论述的滚动阻力产生的原因，它揭示了轮胎气压越低、径向刚度越小、滚动阻力就越大的原因，相对地滑转或滑移由此产生。

2）轮胎与滚动表面的关系。

根据轮胎和滚动表面的机械特性，一般有3种情况：（1）轮胎与滚动表面同时发生变形，即轮胎在松软路面上滚动；（2）仅轮胎发生变形，即轮胎在硬路面上滚动；（3）仅滚动面发生变形。从以上3种情况看，第一种情形最为复杂，这是与轮胎压路机最吻合的碾压工况，也是我们重点研究的工况。

2 速度对滑转的影响

轮胎径向变形引起的接触面间的滑动，在第一种工况中则轮胎压实设备在工作碾压时最常用，轮胎在松软路面上的运动如图2。

图2 轮胎在松软路面运动示意图

在图2中λ为轮胎最大径向变形量，hn为土的最大垂直压缩量，h0为土的残余变形量；hy为土的弹性变形量；ro为轮胎自由半径。

2.1 工况

根据图2，我们近似的认为轮胎与路面的接触区域在mn线上，轮胎的变形为nO与mO两个部分，前者是加载区，后者是卸载区。这是轮胎压路机特有的轮胎变形引起的效果，轮胎受力运动变形后产生以下工况：

轮胎滑转如图3所示；滑转关系如图4所示。

图4中：V为实际速度；ΔV为相对滑移速度；VT为理论速度。

图3 轮胎滑转示意图

图4 滑转关系图

2.2 轮胎滑转的三种情形

1）在轮胎滚动时接触点的ΔV＞0，则轮胎表面沿滚动表面的滑动方向与轮轴的运动方向相反，这时就出现了滑转；ΔV=0时，表明轮胎表面相对滚动表面既无滑转也无滑移；ΔV＜0轮胎表面沿滚动表面轮轴前进方向相同，这时出现滑移。但是在轮胎压路机碾压过程中理论上最佳碾压速度趋向于既无滑转也无滑移，这样既提高了面层的压实效果，也改善了碾压质量。

2）通过对轮胎压路机控制上采用软启动软停车等一系列操作，可减少轮胎对压实路面的剪切力，提高路面的压实质量。在性能方面，它采用充气轮胎对铺层进行压实，对压实材料无破损作用，可以通过增减配重和改变充气轮胎的充气压力来提高压实性能。由于轮胎的弹性所产生的揉压作用，使铺层材料在各方向产生转移，形成均匀、密实、无裂纹的表面，可延长路面使用寿命。

3 土结构性能与轮胎碾压的关系

轮胎压路机的碾压与压实材料关系密切，土是压实材料中一个广义概念，土的物理性质差异很大，按照目的的不同，压实机械作业对象的土是按照颗粒进行分类的，包括颗粒很大的岩石及颗粒极小的粘土。土由矿物质颗粒、空隙和充满部分空隙的水组成（按照一定的级配）。以相同的压实方法压实不同含水量的同类土，会得到不同的压实效果，而含水量则是影响土压实效果的重要因素。

土的压实过程和材料含水量有很大关系，实际上压实就是将颗粒重新排布得到较高的密实度，水分被挤出（达到最佳含水量或空隙水饱和），矿物质颗粒实现重新密实排列的一个过程。从以上对土力学的性能分析以及轮胎变形滑转而产生的搓揉碾压过程可知，这正是轮胎压路机应用于面层碾压效果的具体体现，也是本文研究的核心所在。

轮胎压路机在进行面层碾压时通常有速度要求，我国标准规定，轮胎压路机的工作速度一般在2～10 km/h，但是不同的碾压材料有不同的碾压速度，当碾压材料处于高应力状态下，在相同的碾压速度下，其碾压时间相对较长；反之，碾压时间较短，碾压速度较低。一般都是利用轮胎的周向变形和径向变形对压实材料进行有效地碾压。