振动压路机激振机构偏心块的设计优化

摘要：为了提高振动压路机的作业性能和操作舒适性，对压路机激振机构内偏心块的转动惯量与静偏心矩的关系进行了研究，从理论上得出在静偏心矩一定的情况下，葫芦状的偏心块转动惯量最小，并利用软件仿真和试验验证了该结果。应用该种偏心块，能使压路机在不降低激振力和振动频率的情况下，提高起停振灵活性，从而提高压实路面的平整度。

关键词：振动压路机；偏心块；转动惯量；静偏心矩

中图分类号：U415.521文献标志码：B

Abstract： By researching the relationship between moment of inertia and eccentricity， it was found that the cucurbit shape of the eccentric block has the smallest moment of inertia when the eccentricity is fixed， and the result was validated by simulation and test. Application of this kind of eccentric block can improve the flexibility of vibration in the condition of not reducing the exciting force and vibration frequency of the roller， and as a result improve the smoothness of pavement.

Key words： roller； eccentric block； moment of inertia； eccentricity

0引言

振动压路机的工作原理是利用激振机构中偏心块旋转产生的离心力作用于钢轮上使钢轮振动，钢轮的振动能量传入被压实的路面上，从而实现路面的压实[12]。

在实际施工过程中，振动压路机是前进、后退交替压实，且在压实过程中，振动轮需要经历一次起停振阶段。振动轮的起振、停振时间对被压实路面及设备均有较大影响，如在起振和停振过程中，振动频率不断变化，激振力也不断变化，而在该过程中压路机的行走速度基本不变，如果起振、停振时间过长，会导致路面承受不稳定的激振力，从而影响路面的平整度和压实度；又如，由于压路机稳定工作时振动频率比整车固有频率高，因而起振、停振时间越长，振动频率超过压路机固有频率的时间就越长，会导致压路机的共振时间增长，从而影响路面的平整度，并且影响压路机的可靠性和操作舒适性。

因此在进行压路机的设计时，应保证在不降低压路机激振力和频率的前提下，尽量降低振动轮的起振、停振时间。

1设计需求分析

由于压路机工作时振动频率的选择与施工路面结构有关，本文不作相关论述，主要考虑在某一固定振动频率下，激振机构如何在不降低压路机激振力的前提下，尽量降低振动轮起振和停振的时间。

1.1振动轮起振、停振时间分析

全液压振动压路机工作时，激振机构受力如图1所示。

图中，T1为激振机构工作过程中的阻力矩；T2为振动马达提供的输出力矩；N为激振机构所受振动轴承的支撑力；F3为由于激振机构旋转而产生的离心力。由于激振机构重力相对于F3很小，本文忽略了激振机构重力的影响。

因此压路机起振时间为

式中： f为压路机的振动频率；β为激振机构的转动加速度；I为激振机构转动惯量。

由式1可知，起振时间t与f、 I成正比，与（T2-T1）成反比。在一般的设计过程中，振动频率f为选定值；T2与马达排量及振动系统压力有关；T1与压实对象、振动轴承、振动频率、激振力及润滑状况有关；I与激振机构的结构有关。因此，有效降低激振机构的转动惯量I对于降低压路机的起振时间，提高振动灵活性有直接的作用[3]。

1.2压路机激振力分析

压路机理论激振力为（即激振机构旋转产生的离心力）

F3=me（2πf）2（2）

式中：m为激振机构重量；e为激振机构重心距旋转中心的距离。

1.3设计需求简化

由式（2）可知，如果振动频率f不变，为了获得一定的激振力F3，激振机构的静偏心矩me必须相同。因此设计需求转化为如何满足在激振机构静偏心矩me一定的条件下，使其转动惯量I最小。

一般压路机激振机构由固定偏心块及活动偏心块组成，通过改变活动偏心块与固定偏心块的相位差可以获得不同的静偏心矩，从而获得不同的激振力。当活动偏心块及固定偏心块均满足me一定，I最小的条件时，激振机构整体达到设计要求。

假设活动偏心块及固定偏心块均采用钢板加工，因此偏心块厚度h与me及I均成正比，当单位厚度的偏心块达到设计要求后，具有一定厚度h的偏心块也达到设计要求，即：实际静偏心矩me×h不变的情况下，实际转动惯量I×h为最小。因此本文只需考虑对单位厚度偏心块的形状进行优化，获得的最优偏心块形状即可推广到具有一定厚度的偏心块。

2偏心块形状曲线优化

2.1提出目标函数

传统压路机激振机构中偏心块的形式主要为半圆形或扇形[3]，如图2所示。

由于振动压路机偏心块均绕中心振动轴旋转，且实际偏心块的设计一般都采用对称结构，设旋转中心为原点，对称中心为x轴，因此可以先考虑位于第1、2象限的偏心块部分，静偏心矩及转动惯量的计算均相对于原点。

基于以上条件，设一任意偏心块处于第1、2象限内，与x轴相交的外轮廓曲线方程为

该曲线如图3所示。该曲线与x轴所围成的区域即所要求的偏心块形状的一半，由于实际偏心块相对于x轴对称，因此偏心块相对于原点的静偏心矩me0=2mex，且 图3任意偏心块位于第一、二象限内外轮廓曲线

式中：mex为所求区域相对于原点的静偏心矩在x轴上的分量；ρ为偏心块单位面积的质量。

该区域相对于原点的转动惯量为

因此所求的目标函数可以表示为

当满足mex=K时，使I0 最小的函数：r=f（θ），（0≤θ