冲击式压路机设计参数选择初探

郭晨涛

【摘要】随着我国经济发展水平的不断提高，各项工程建设项目在逐渐增多，而在各项工程施工中，尤其是道路施工，压路机是不可缺少的机械设备，在确保工程能够更加高效、更加及时的开展过程中起到了重要作用，为此，压路机的质量控制显得非常重要。本文主要基于冲击式压力机的工作原理，对其参数设计与选择进行了深入探析，希望能够为相关部门提供一些借鉴。

【关键词】冲击式 压路机 参数设計选择 工程施工

随着我国高速公路建设的稳定持续开展，大型的堤坝、机场、港口等基础设施建设在日趋完善，同时也使施工质量与施工进度的提升成为了必然，冲击式的压路机正是基于这一背景产生的。冲击式机型压路机冲击轮以凸轮居多，可分为6、7线弧段。重心的上升或者下降借助的是冲击轮的滚动摩擦，在持续不断的滚动下能够产生一定的冲击力，压实就是在这种持续不断的冲击作用下产生的，压路机在运行时将更加有效率、更加稳定。下面就结合冲击式压路机的特征对冲击式压路机设计参数选择进行分析。

一、冲击式压路机概述

冲击式压路机是一种新型拖式压路机，重要组成有牵引车与冲击轮。其工作原理为：冲击轮中的3-5个非圆形的拖轮在不断滚动下完成对路面的压实，但其本身并不具有冲击力，冲击轮需要借助大型的牵引设备才能顺利工作[1]。冲击式压路机能够借助牵引车，将非圆形的冲击轮带动起来，再借助冲击轮自身的缓冲力与冲击力实现迁移或后退，进而实现对水泥路面、路基等压实或振捣。其技术特点有以下几方面：

通过具体工程显示，振动压路机的振动碾压速度是影响压实效果的决定性因素之一，而压实深度与摊铺厚度也成为了压实效果与施工效率的关键指标。一般来说，振动压路机最优的碾压速度为4-8km/h，与之对应的压实厚度为0.4-0.6m。要想使压实效果进一步提高，提升生产效率，则要适当增强土层密实度，减少出现因为土石的自重效应，引发沉降变形问题，为此，对传统的压路机进行改良，不断提高碾压技术、方式，才能使碾压的速度与铺层厚度增加[2]。冲击压实技术就是在此背景下产生的，具有压实频率低、振幅高等优点，在反复压实过程中能够增强土方的压实效果。比如，一个20KJ的三边冲击压实机，冲击功能将比振幅高出8倍以上，压实深度能够达到6m，这种有效的压实厚度由原来的振动压实0.24-0.28m，增加至1.20-1.6m，并且SD冲击压实机碾压速度也比压实机高出3倍以上[3]。

冲击压路机产生能量借助的是三边形或者是五边形的冲击轮，能够将产生的冲击能量集中到一起，进而顺利完成压实与填料。冲击式压路机应用的范围较广，比如，水坝、公路、楼房、工厂、住宅区等，实现对废料、土石、岩土、膨胀土、露天煤层的压实等。

二、冲击轮的工况介绍

（一）几点假设

冲击式的振动压路机实现冲击的方法为：通过其多边形冲击轮在待压路面上不断滚动，滚动到一定程度以后就会引起冲击。本文在压路机原理基础上对拟建的假设做进一步分析。

1、需要压实的路面为平面，表面没有凹凸不平整的地方；

2、冲击轮对地面产生冲击的时间非常短，在完成冲击以后，能够转化为压实动能；

3、牵引时的速度将处于恒定状态下；

4、冲击轮产生的阻力与阻力力矩值也都是处于恒定状态下；

（二）冲击式压路机的具体工作运行原理

冲击式压路机的工作原理如下图1所示，将三边形冲击轮中的某一边作为演示实例，分析冲击的全过程，其中，A、B、C、A"是冲击轮在来回滚动中的不同位置的接地点[4]。冲击轮能够以顺时针方向转动运行，在运行到一定程度以后，A点在经过B点以后顺利着地，并在运行结束以后转动到C点位置处，整个过程演示了冲击轮上升方式，这种重力负载下将使功率增大。而从C点到D点则是冲击轮重心下降的过程，重力在这一过程下做正功，并推动冲击轮的角速度不断增加。OC是距离重心最远的位置，而OE则是距离重心最近的位置，A"点在接触到地面时，则是冲击的起点。对参数进行计算过程中，A"接触点的时间则用 表示，使用冲量定理进而得出最大的冲击力。

图1 冲击轮运动演示

（三）冲击轮的受力过程

为了使计算得到简化，可以将冲击轮B点接地转换为C点运动、重心上升的过程，对静态过程进行分析[5]。具体见下图2所示：

图2 冲击轮受力图

在本图中， 表示的是支反力作用点；

表示的是牵引力；

表示的是冲击轮重力；

表示的是路面支反力；

表示的滚动阻力；

表示的是转动角速度； 是重力力臂； 表示的是重心高度。

冲击轮可以运动到不同的位置处，分为两种不同的牵引力，分别是牵引力臂与重力力臂。在力矩平衡关系下，能够对不同的牵引力进行设置。

三、冲击式压路机存在的参数关系

要想进一步明确冲击式压路机中的各项参数关系，就要首先对符号进行定义， 为冲击轮绕轮轴O的转动惯性量； 是重心速度； 表示的是冲击轮质量；平均冲击力由 表示， 为冲击轮过D点，并且与轮轴轴线转动惯量保持平行。 表示的是冲击地面时瞬间产生的角速度，最后， 表示的为冲击动能[6]。

在明确了上述参数关系以及各部分的组成以后，就能够具体分析冲击能量与冲击轮间的边数关系。

（一）能量与边数参数间的关系

冲击轮的C点位置在接地以后，将使重心出现突然的升高；而A接地以后，则对重心产生作用，使重心出现偏移。如果冲击轮的C点接地以后，将造成重心偏高；而如果A点接地，则使重心降低。将重力零势能面用冲击轮重心最低点所在的平面表示，冲击轮的转动能量可以设为 、将动能的平均值设置为 ，而 则表示重力势能，具体公式如下所示：

以上公式能够得出，压路机的角速度为O时，表示已经完成了冲击运行，冲击能量的公式表示为：

如果冲击轮的边数增加，压路机的总体冲击能量将大大削弱；但如果边数增大，则会观察到，冲击轮的外部轮廓呈现圆形，在充分考虑到这种变化以后，再次变为圆形时，将不再产生冲击能量。在完成以上内容的分析以后，通过下图3能够更为清楚的了解到能量与轮边数间的相互作用关系。

图3 冲击瞬间能量与轮边的关系

（二）牵引速度与冲击力之间的关系

将冲击轮的一个边作为冲击过程的演示实例，我们能够发现，D点在冲击过程中逐渐成为了运动冲击，在这种条件下会出现均衡冲击力，并与线段保持垂直， 能够与线段 保持垂直关系，动能定理下的公式如下所示：

最终能够得出：

因为 与V存在正比关系， 的增大下，V也将增大，由此，在 恒定下，则能够显示出牵引速度与冲击力的关系。具体见下图所示：

图4 牵引速度与冲击力间的关系

（三）冲击轮边数与牵引力上存在的关系

通过图2可以了解到， ， ，如果冲击轮的边数增大，则 将进一步增大， 反而会减少， 是不良量；进而，牵引力在这种关系上也会随之降低。這种变化与人们的直观认识相符合，在冲击轮外表呈圆弧状时，牵引力达到了最小值。

结束语：

通过对以上冲击式压路机各项参数关系的分析，在冲击式压路机参数设计选择的分析基础上，我们能够了解到，因为工程存在多样性以及压路机结构设计上的复杂性，其参数选择与设计比假设下的设计有更大的难度。设计过程中需要考虑的难点有：如果压路机产生了较大的冲击力，则要对相关零部件提出更高的稳定性与强度要求；压路机的冲击轮与压路机身存在一个缓冲的机构；要合理选择牵引机，进而满足运行速度与牵引力间的关系。

参考文献：

[1]管电玲，阎万里.冲击式压路机在湿陷性黄土高填方重载路基上的应用[J].铁道标准设计，2010，21（11）：24-25.

[2]杨杰，程飞，李环环等.浅析水泥路面加铺沥青面层技术——冲击式压路机在水泥路面改造中的应用[J].中华民居，2012（5）：1134-1135.

[3]马君科.浅谈冲击式压路机在路基施工中补强碾压的作用[J].黑龙江交通科技，2011，30（10）：58-59.

[4]马英堂.冲击式压路机补压技术在高等级公路路基工程中的应用[J].西北水力发电，2010，22（4）：90-91.

[5]张新柱，朱丙奇.冲击式压路机在伊嘉公路五汤段路基施工中的应用[J].黑龙江交通科技，2012，29（1）：26-28.

[6]杨文丽.冲击压实技术在石家庄环城公路路基工程中的应用[J].黑龙江交通科技，2011，30（7）：9-10，12.