铣刨机可移动配重机构设计及研究

吴俊良

摘要：基于配重法的平衡原理，设计了一种铣刨机可移动配重机构；列出了铣刨机的各种施工工况，详细说明在几种极限工况下调节铣刨机质心位置的方法；創建了铣刨机在坡面上的数学模型，计算出将可移动配重块向铣刨机前方移动一定距离后铣刨机的爬坡角增值。结果表明：向前移动可移动配重块能增大铣刨机的爬坡角，从而拓宽铣刨机的施工范围，为铣刨机可移动配重的设计提供了数据参考，具有一定的实用价值。

关键词：可移动配重；铣刨机；质心；可行性分析

中图分类号：U415.52文献标志码：B

Abstract： A movable counterweight mechanism was designed for milling machine based on the balancing principle of counterweight. All kinds of construction conditions of milling machine were listed， and method for the adjustment of center of mass in limit conditions was expounded. Numerical model of milling machine on the ramp was built， with which the increment in angle of climb when the counterweight moves forward was calculated. The results show that the angle of climb of milling machine can be increased by moving the counterweight forward， which broadens the working range of the milling machine.

Key words： movable counterweight； milling machine； center of mass； feasibility analysis

0引言

铣刨机是路面养护的常用设备，其机构平衡问题是一个很重要的课题。在各种平衡方法中，配重法对于震动力的平衡最为简单、有效。然而有研究表明，采用配重法完全平衡震动力后，会出现震动力矩增加的负面效应。与固定配重法相比，在添加相同质量参数的配重部分平衡震动力时，可移动配重法能使震动力进一步降低，而且还可以使输入转矩明显降低[13]。

本文设计的铣刨机可移动配重能实现铣刨机质心位置的无级调节，提高铣刨机的爬坡角，拓宽其工程使用范围，为铣刨机配重设计提供一定的参考。

1移动配重机构设计及调节方法

1.1机构设计

图1为装有可移动配重的铣刨机车架的剖视图，铣刨机的配重由固定配重块和移动配重块组成。固定配重块装于车架的前侧，与车架的前板、底板、左侧板和右侧板焊接成一体；移动配重块装于车架上安装板和下安装板之间的空腔中。在移动配重块和机架的隔板上各焊接2个铰耳，并通过第一伸缩油缸和第二伸缩油缸将可移动配重块与车架的隔板连接起来，如图2所示。第一伸缩油缸、第二伸缩油缸与移动配重块和隔板的铰耳连接处用销轴固定[4]；

同时，确保可移动配重块能在下安装板上自由移动。安装在下安装板上的前轮通过沉头螺钉连接。

1.2重心调节方法

1.2.1铣刨机的几种施工工况

设计铣刨机时，应同时满足如下几种工况所需的配重块质量。

（1）工况1：配重块质量满足铣刨机位于水平面上、输料机张角从0°（输料机水平放置）到α1（输料机在竖直平面内的最大张角）时处于稳定状态，如图3所示。

1.2.2极限工况下重心调节方法

一般情况下，当铣刨机处于极限工况时，可通过调节移动配重块的位置使铣刨机处于稳定状态而不翻转。从根本上讲，铣刨机发生翻转是由于路面的支反力F对支点（支点位置位于车轮与地面接触的区域）所产生的力矩M1大于铣刨机的重力G对支点所产生的力矩M2。因此，调节铣刨机质心的目的在于：使铣刨机的重力G对支点所产生的力矩M2等于支反力F对支点所产生的力矩M1。几种极限工况及调节方法如下。

（1）工况2中铣刨机水平放置且输料机水平向右达到最大摆角α2。由图4可知，由于输料机向右摆，铣刨机重心右移，重力G到支点的力臂L1减小，铣刨机会因为M2小于M1而向右翻转。因此，通过调节可移动配重块向左移动可以保证铣刨机重心位置不发生改变，进而保证重力G到支点的力臂L1不变；当M2再次等于M1时，铣刨机处于稳定状态，不会向右翻转。由图2可知，通过液压控制使第二伸缩油缸伸长，第一伸缩油缸处于自由状态，并随第二伸缩油缸绕铰点Q旋转。第二伸缩油缸主动控制，第一伸缩油缸随第二伸缩油缸的伸长而伸长。

（2）工况3中铣刨机水平放置且输料机水平向左达到最大摆角α3。由图5可知，由于输料机向左摆，铣刨机重心左移，重力G到支点的力臂L1减小，铣刨机会因为M2小于M1而向左翻转。因此，通过调节可移动配重块向右移动可以保证铣刨机重心位置不发生改变，进而保证重力G到支点的力臂L1不变；当M2再次等于M1时，铣刨机处于稳定状态，不会向左翻转。由图2可知，此时通过液压控制使第二伸缩油缸缩短，第一伸缩油缸处于自由状态，随第二伸缩油缸绕铰点Q旋转。第二伸缩油缸主动控制，第一伸缩油缸随第二伸缩油缸的缩短而缩短。

（3）工况4中铣刨机位于最大下坡角为α4的下坡面，且输料机张角达α1，向右达最大摆角α2（铣刨鼓靠右安装，此时输料机向右达最大摆角α2，为极限工况）。由图6可知，由于输料机张角达α1，向右达最大摆角α2，铣刨机重心向右前方移动，重力G到支点的力臂L1减小，导致铣刨机因M2小于M1而向右或向前翻转。因此，通过调节可移动配重块向左后方移动可以保证重心位置不发生改变，进而保证重力G到支点的力臂L1不变；当M2再次等于M1时，铣刨机处于稳定状态，不会翻转。由图2可知，通过液压控制使第二伸缩油缸伸长，第一伸缩油缸处于自由状态，且随第二伸缩油缸绕铰点Q旋转。第二伸缩油缸主动控制，第一伸缩油缸随第二伸缩油缸的伸长而缩短。

（4）工况6中铣刨机位于最大爬坡角α5的上坡面，输料机张角为0°，最大右摆角为α2。由图8可知，由于输料机张角为0°，向右达最大摆角α2，铣刨机重心向右后方移動，重力G到支点的力臂L1减小，导致铣刨机因M2小于M1而向右或向后翻转。因此，通过调节可移动配重块向左前方移动，可以保证铣刨机重心位置不发生改变，进而保证重力G到支点的力臂L1不变；当M2再次等于M1时，铣刨机处于稳定状态，不会翻转。由图2可知，通过液压控制使第二伸缩油缸伸长并绕P点旋转，第一伸缩油缸处于自由状态，随第二伸缩油缸绕铰点Q旋转。第二伸缩油缸主动控制，第一伸缩油缸随第二伸缩油缸的伸长而伸长。

（5）工况8中铣刨机位于最大右倾角为α6的坡面上，输料机达最大张角为α1，向右达最大摆角为α2。由图10可知，由于输料机张角为α1，向右达最大摆角α2，铣刨机重心向右前方移动，重力G到支点的力臂L1减小，导致铣刨机因M2小于M1而向右或向前翻转。因此，通过调节可移动配重块向左后方移动可以保证铣刨机重心位置不发生改变，进而保证重力G到支点的力臂L1不变；当M2再次等于M1时，铣刨机处于稳定状态，不会翻转。由图2可知，通过液压控制使第二伸缩油缸伸长并绕P点旋转，第一伸缩油缸处于自由状态，随第二伸缩油缸绕铰点Q旋转。第二伸缩油缸主动控制，第一伸缩油缸随第二伸缩油缸的伸长而缩短。

（6）工况10中铣刨机位于最大左倾角为α7的坡面上，输料机达最大张角为α1，向左达最大摆角为α3。由图12可知，由于输料机张角为α1，向左达最大摆角为α3，铣刨机重心向左前方移动，重力G到支点的力臂L1减小，导致铣刨机因M2小于M1而向左翻转。因此，通过调节可移动配重块向左后方移动可以保证铣刨机重心位置不发生改变，进而保证重力G到支点的力臂L1不变；当M2再次等于M1时，铣刨机处于稳定状态，不会翻转。由图2可知，通过液压控制使第二伸缩油缸缩短并绕P点旋转，第一伸缩油缸处于自由状态，随第二伸缩油缸绕铰点Q旋转。第二伸缩油缸主动控制，第一伸缩油缸随第二伸缩油缸的缩短而伸长。

需要说明的是，上述各极限工况下可移动配重块调节的最终位置是经过有限元分析后通过控制第二伸缩油缸的伸缩行程进行控制，可移动配重块的位置调节完毕后锁定2个油缸，固定其位置。

2可行性分析

2.1移动配重数学简化模型

根据工程机械稳定性，贾会星等通过仿真建立起铰接式车辆转向侧翻过程的数学模型，研究和分析了铰接车辆侧翻的影响参数[58]。铣刨机在具有一定爬坡角的路面上工作时稳定性尤其关键，因此爬坡角是影响铣刨机侧翻的一个重要的参数[912]。

本文就铣刨机在爬坡角为α的坡面上工作的工况做可行性分析。为了计算方便，简化铣刨机及配重模型，假设铣刨机工作时输料机位置保持不变，且铣刨机两侧前后轮在同一条直线上[1318]。如图14所示，假定铣刨机最大爬坡角为α时，配重质量为m1和m2。设铣刨机仅有固定配重m1时质心位置为A1，增加质量为m2、质心位置在A′的另一固定配重后，铣刨机的质心坐标在A1与A′的连线上，质心A位于临界点处，此时质心A过后轮中心O1的连线垂直于水平面。当铣刨机在大于α的爬坡角路面时，将沿后轮倾翻，爬坡角余量为0。在图14的二维坐标系中，设O与A的距离为d0，A与A′的距离为d1，当铣刨机质心在倾翻极限位置A点时，A点与两前轮中心O2和两后轮中心O1连线所在平面的垂直距离为h。

如图15所示，如果m2为可移动配重块，为了增大铣刨机的爬坡角，将m2沿EF向前移动距离d。当质心位置移到B′时，设此时铣刨机的合质心从A点移到B点，移动的距离为d2，并令此时铣刨机的爬坡角为β，即铣刨机向逆时针再旋转β-α后，才达到倾翻的极限位置。

由式（20）可知，当铣刨机在爬坡角为α的坡面上，如果质心位置与两前轮中心O2和两后轮中心O1连线所在的平面的垂直距离为h，将移动配重块向前移动使铣刨机的合质心向前移动距离d后，铣刨机的爬坡角可增加Δa。

由式（2）可知，当铣刨机的配重m1和m2均为固定配重时，其最大爬坡角仅与h和d0有关，然而d0与d1有关，因此当固定配重块m1和m2的质量和位置确定后，决定铣刨机最大爬坡角的参数为d0、d1和h。如果将m2设为可移动配重块后，由式（18）可知，此时的最大爬坡角由d、d0、d1、d2和h共同决定。

3结语

（1）设计了一种铣刨机可移动配重机构，能够通过调节油缸行程改变铣刨机的质心位置。

（2）详细说明了铣刨机在几种极限工况下通过调节可移动配重块的位置保持铣刨机平衡的方法。

（3）在铣刨机2个配重质量和位置已知的情况下，将其中一个配重设置为可移动配重后，建立铣刨机带固定配重和带可移动配重在爬坡角为α的坡面上的数学模型，计算出当可移动配重块前移距离d后铣刨机爬坡角的增值Δα。

（4）铣刨机的配重全部为固定配重时，固定配重在铣刨机前后方向的位置和与铣刨机车轮中心的距离h决定了铣刨机爬坡角的大小；当铣刨机安装移动配重时，可通过移动配重块的位置改变铣刨机的爬坡角。

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[责任编辑：王玉玲]