摊铺机熨平板装置的运动学分析与优化

论文总字数：49097字

摘 要

我国对高等级公路的需求不断加大，沥青层摊铺过程是完成路面建设施工必不可少也是极其重要的一部分。熨平板作为沥青摊铺机重要装置之一，其工作能力的好坏直接决定了摊铺质量。本研究针对合作单位某型号的沥青混凝土摊铺机，其熨平板装置包含双振捣机构和振动箱体两大部分，将分料后的沥青料经过振捣—压实—熨平，形成平整的沥青摊铺层。然而，熨平板是一个较大规模的机械系统，且在高速轴驱动的条件下，会出现振动响应过大、箱体热形变等问题，熨平板运动均匀性和稳定性不理想，降低了摊铺沥青层的密实度和平整度，影响路面质量。

本文以机械结构动态分析方法，基于熨平板运动学和动力学角度，研究熨平板装置中振捣机构，振动箱体等关键部件的运动协调关系，道路熨平过程的几何成型以及关键部件的运动与结构的优化设计，完成熨平板装置的设计。首先从理论上建立熨平板动力学模型，而后将既有三维模型进行简化，施加刚柔耦合，完善熨平板虚拟样机。再此基础上，设定不同的目标函数，调整虚拟样机模型中的振捣振动频率和相位等参数，进行仿真计算，探究各作业参数对其振动稳定性的影响规律。为了进一步获得熨平板动态响应特性，对实体机械做振动与压力分布实验测试，对试验数据整合变换，得到更精准的结论。最后从振动、振捣频率，以及相位角三方面的参数对熨平板运动和动力特性进行了优化，以振动惯性力均值为约束条件、波动幅度最小为优化目标，总结了合适的工作参数范围，并且对熨平板机械结构进行初步优化建议。

研究表明，熨平板工作参数优化后在摊铺性能上能有所改进，提高了振动响应的稳定性和横向分布的均匀性。其对摊铺机实体机械的设计和使用具有实际意义。

关键词：摊铺机，熨平板，动力学仿真，振动实验，分析优化

Abstract

With the increasing demand of highway in our country, the asphalt layer paving process is one of the most important sections of highway construction. The screed is the main device of asphalt paver, which determines the quality of paving. This thesis focus on a type of asphalt concrete paver in cooperative company, its screed includes double tamper mechanism and vibrator box. The asphalt mixture goes through progresses of vibration, compaction, paving, then it was finally formed into flat asphalt layer by the screed. However, the screed is a mechanical system with larger scale, and drived with high speed, there will be problems like strong vibration response and thermal deformation. Then the uniformity and stability of screed is not ideal, and the influence of paving asphalt layer smoothness and compaction leads to reduction of the pavement quality.

This thesis researches on the movement coordination among key components of screed such as double tamper mechanism and vibrator box, geometric molding of highway ironed, and optimization of motion and structure of some key components, from the mechanical structure kinematics and dynamic analysis method. Firstly, it establishes the screed dynamic model theoretically. Then, it simplifies 3D model applying rigid-flexible coupling and improved screed virtual prototype. Based on the model, it sets different objective function, and adjust the vibration frequency and phase parameters of virtual prototype model. According to the results of simulation calculation, it explores the operation parameters on vibration stability. In order to obtain more characteristics of screed dynamic response, it takes experiments on vibration and pressure distribution of the machinery, and processes the test data, to get more accurate conclusions. Finally, from tamper frequency, vibrating frequency, phase angle, effects of these 3 parameters on screed kinematic and dynamic characteristics have are optimized. Under the mean amplitude of vibration inertial force conditions, and the minimum inertial force amplitude difference as the optimization goal, it sums up the suitable range of the parameters. The mechanical structure of the screed is also primarily optimized.

It shows that, the screed optimized by operation parameters can achieve better results in paving performance. It improves the uniformity and stability of vibration response and transverse distribution, which will be practical significance of designing paver mechanical into use.

Keywords: asphalt paver, screed, dynamic simulation, vibration experiment, analysis and optimization

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外摊铺机熨平板装置研究与技术发展现状 2

1.2.2 国内摊铺机熨平板装置研究与技术发展现状 3

1.3 论文研究内容及方法 4

1.3.1 论文研究内容与工作 4

1.3.2 研究方法与技术路线 4

1.4 论文组织结构 5

第二章 摊铺机及熨平板工作原理 7

2.1 整机工作概况 7

2.2 熨平板工作原理 9

2.2.1 熨平板组成 9

2.2.2 双振捣机构 9

2.3 沥青层压实机理 10

2.4 本章小结 11

第三章 熨平板装置动力学理论分析与建模 12

3.1 熨平板基础段与加长段划分 12

3.2 熨平板动力学分析 12

3.2.1 拉格朗日方程 12

3.2.2 含柔性连接的熨平板刚体动力学分析 13

3.2.3 振动微分方程 15

3.3 虚拟样机模型建立 15

3.3.1 ADAMS工作环境与求解原理 15

3.3.2 熨平板多体动力学建模 16

3.4 本章小结 19

第四章 基于多刚体动力学熨平板仿真研究 20

4.1 熨平板运动学特性仿真分析 20

4.2 熨平板动力学仿真分析 21

4.2.1 相位差Φ和振捣频率对熨平板动力学的影响 21

4.2.2 振动器频率对熨平板振动响应的影响 27

4.3 本章小结 30

第五章 熨平板装置实验测试研究 31

5.1 熨平板振动分布测试 31

5.1.1 实验内容与方法 31

5.1.2 实验结果与分析 31

5.2 熨平板压力分布测试 39

5.2.1 熨平板箱体静态测试 40

5.2.2 熨平板箱体各工况下动态测试 41

5.2.3 振捣机构压力测试 45

5.3 本章小结 47

第六章 总结与展望 48

6.1 优化结论 48

6.2 工作总结 48

6.3 关键创新点 49

6.4 展望 49

致 谢 50

参考文献 51

绪 论

研究背景与意义

我国正处于工业发展的迅猛期，其中基础产业和基础设施的建设取得了长足的发展。在经济是第一生产力的指导背景下，“要致富，先修路”必然成为优先发展的途径。2012年底，全国公路里程总数为423.7万公里，公路的迅速建设也提出了越来越高的要求，就急需发展路面施工机械，特别是路面施工摊铺机械。摊铺机是一种用于公路上基层、面层沥青或混凝土材料摊铺作业的工程机械，由多种的装置相互配合完成作业的。它按照沥青混料按照路面形状要求按照既定的厚度均匀摊铺在修筑好的路基上，通过振捣、熨平、压实后保持较高的平整度和密实度。我国以徐工集团、中联重工等集团为首制造的摊铺机，大多是模仿国外机型而来。多年以来，国产摊铺机因为缺乏核心技术和创新，只能顺着德国、美国等国的样机仿造，零部件制造技术也不够精细，暴露出了许多问题，到了实际工作中不能体现应有的工作性能，与国外摊铺机有很大的差距^[1]。

图1-1 摊铺机施工实况

其中，熨平板装置是摊铺机关键技术环节之一，因为施工过程中受到加热和高速振动的影响，熨平板不可避免的出现了形变、弯扭、共振等问题，这些现象直接降低了沥青层的摊铺质量。在以前国产摊铺机的熨平板通常只有6米宽，而随着高等级公路要求的提升，如今对于十几米宽的路面已不适合采用横向多次摊铺方案，因为衔接处无法达到验收标准，只能加宽熨平板尺寸，来进行一次性摊铺工作，一步即可均匀到位，现在徐工集团等国产机型的摊铺宽度可以达到12米。而随之而来的是熨平板结构的稳定性更加突出，因为12米宽的熨平板是在6米宽的基础上两边各接上加长段，用杆件悬吊使其外端保持平衡，外形如同斜拉索桥梁。一旦到工作状态下，沥青摊铺质量必然在横向分布上有着很大的差异，因为加宽的熨平板并非各处振动压力均匀分布，而且熨平板前端的螺旋粉料系统对沥青分料后也是中间多两边少的情况，使得12米宽的路面最后出现中间突出两边下降的情况，并不理想。徐工集团等国内领衔企业也一直尝试解决这些问题，但是一直没有实质性的进展。

图1-2 熨平板装置（12米宽）

所以在这样的背景下，需要对熨平板装置进行一系列的研究。前人对其有着多领域的探索，包括沥青材料的微观特性、路面施工技术规范等，而本文以机械工程学科背景，从机械结构动态特性与振动分析的角度进行相关的研究与实验。国内设计摊铺机在模仿过程中，在关键参数选取的问题上，一般都是依据经验甚至直接取等国外机型，并没有形成完整的系统设计与研究方法。除了稳定性、静强度、静刚度要求之外，应将动力学设计方法参数化，方可确保摊铺机工作状态下性能指标。因此，对熨平装置的分析，有利于提升国产摊铺机质量，有着重要理论实践作用和工程价值^[2]。

国内外研究现状

国外摊铺机熨平板装置研究与技术发展现状

国外最早的路面机械始于20世纪30年代，当时也是为了路面能有一定的平整效果而设计的一种具有压路作用的工程机械^[2][3][4]，其以轨道作为基准^[5]；而后出现了具有熨平装置，能根据路面起伏相应浮动的设备，这也就是现代摊铺机的雏形，但是原始的浮动技术并没有多少精度，平整效果粗糙^[6]。到上世纪60年代，随着电机和液压控制技术的发展，熨平装置有了很大的提升，尤其是浮动找平原理上有改进。不久出现了单振捣机构和振动器结合的现代熨平板模式，结构还相对简单，虽然压实度可以有80%，但是其反复摊铺熨平的过程会适得其反，导致路面压实变形量增大，路面平整度仍不足以高标准^[7]。

此后，国外机型为解决路面摊铺料密实度和平整度问题，采取了一系列措施，分别有所进展。例如：做成强夯型熨平板，做成双夯锤，加装压力梁等。这些方法提高了月6%的预压实度，提高了生产效率和摊铺平整度^[8][9]。

图1-3 强夯型熨平板^[2]

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：49097字

相关图片展示：