垂直振动压路机的结构形式和经典设计

摘要：本文介绍垂直振动压路机的结构形式，分析典型垂直振动压路机的振动参数设计，最后分析垂直振动压路机的设计要点。

关键词：压路机；振动；设计；筑路机械

前言

近年来，垂直振动压路机以及能实现垂直振动的振动轮受到了越来越多的关注。垂直振动技术主要应用在单钢轮振动压路机和双钢轮振动压路机上。单钢轮垂直振动压路机主要应用于高填方基础层和次基础层的压实，具有作用深度大、压实效率高的显著特点。双钢轮垂直振动压路机主要用于水电大坝厚铺层和平整度要求高的碾压混凝土（RCC）、高填方基础层及次基础层的压实，具有作用深度大、表面平整度好和压实效率高的明显优势。鉴于垂直振动压路机和普通振动压路机的主要区别在于振动轮的结构形式，本文在此仅对垂直振动压路机振动轮的一种典型设计作以简要介绍。

1垂直振动压路机的结构形式

垂直振动压路机与其他类型振动压路机的主要区别在于振动轮的结构，其他方面，如动力系统、传动系统、电器系统、液压系统则基本相似。这种压路机之所以被命名为垂直振动压路机，是因为该类型压路机的振动轮对地面施加的压力始终垂直于地面方向，被压实材料

主要也是作垂直方向的振动。目前垂直振动压路机振动轮主要有两种结构形式，即平行双轴式结构（图1）和同心双轴式结构（图2），这两种结构形式的实现原理是相同的，不论采用哪种结构方式，目的都是抵消振动轮在水平方向的分力，而仅保留垂直方向的力。

本文将以徐工集团研发的双钢轮垂直振动压路机YCC 12为例进行介绍。YCC I Z双钢轮垂直振动压路机基于《ZL， 99227286. 6振动压路机垂直振动轮》专利技术开发，是适用于干硬性混凝土（RCC材料）、各种回填方、基础层及次基础层材料的厚铺层及超厚铺层的压实机械。该压路机振动轮采用的是典型的平行双轴式振动轮结构，下面以此为例对垂直振动压路机的振动结构和设计参数进行介绍。

图1平行双轴式结构

图2同心双轴式结构

2典型垂直振动压路机的振动

YCC 12垂直振动压路机振动轮的结构如图3所示。振动轮主要由驱动装置、马区动侧减振器、行走轴承、振动轴承、振动室、偏心轴、压轮、同步齿轮、输入齿轮轴、支撑轴承、花键套、振动侧减振器、振动马达等部分组成。

驱动装置左右侧可相对回转，回转的动力通常由液压驱动系统提供（驱动装置上装有驱动马达，该马达与驱动泵组成液压驱动系统）。驱动装置左侧通过驱动侧安装座连接在车架左侧上，固定不动；右侧通过驱动板、减振器与压轮连接，使压轮可相对车架转动，从而实现振动轮行走功能。振动室右侧通过马达连接盘、连接板、减振器、振动侧安装座与车架右侧连接，使其相对车架始终固定不动。在压轮与振动室之间装有行走轴承，在压轮与振动室之间建立起回转副，保证压轮与固定不动的振动室之间可相对转动。

实现垂直振动的关键在振动室，从图3可以看到，振动室内有两根平行且与轮子轴线对称的偏心轴。振动马达通过花键套与输入齿轮轴相连，通过中间齿轮、同步齿轮将转速和扭矩同时传递给两根偏心轴。中间齿轮与同步齿轮构成的齿轮副齿数相同，保证两根偏心轴转速相同，旋向相反。设计时保证偏心轴静偏心距相等，此时两根偏心轴旋转产生的激振力大小相等；装配保证两根偏心轴初始相位相同，两根偏心轴轴线确定的平面与地面平行，此时两偏心轴产生的激振力水平分量方向相反且互相抵消，竖直分量方向相同互相叠加，最终只保留垂直方向的作用力，从而完成振动轮的垂直振动功能。

图3平行双轴式振动轮结构

3典型垂直振动压路机的振动参数设计

垂直振动压路机的主要作业对象为超厚铺层的干硬性混凝土（RCC材料），为了能影响到路面深层并尽可能多地将压实能量传递至被压实材料，通常要求压路机的振幅大、激振力大、行走速度低，以使单位长度上振动轮所做功尽可能增加。因此，在设计时，频率、振幅、激振力将成为垂直振动压路机的关键振动参数。

被压实材料的固有频率决定了振动压路机的激振频率。根据物理学原理，如果被压实土壤的固有频率与激振频率一致，则振动压实能得到最好的效果。频率的选择需要考虑两方面：一方面，目前压路机的压实对象相对固定，如单钢轮碾压基础，双钢轮碾压面层，压路机的振动频率也被要求基本固定：另一方面，由于压实程度的不同，土壤固有频率会稍有变化因此压路机的振动频率可变比较好。

目前的压路机一般只有一两种压实频率，只要其频率设置在土壤固有频率范围附近即可以认为其压实能力近似相同。因此，笔者认为，双钢轮垂直振动压路机用于压实水电大坝时，主要作业对象是干硬性混凝土，激振频率设定在38-45 Hz为佳。

振幅的大小决定了压路机对路面材料的最大动量大小，同时也决定了压实深度。要利用振动在土壤上所产生的周期性压缩运动作用使土壤压实，就必须增大机械在与压实材料接触前一瞬间的动量，即机械应具有大的振幅和足够大的振动部分质量。双钢轮垂直振动压路机的最大名义振幅通常设置在1.6 mm左右，约为普通双钢轮振动压路机振幅的2倍，其作业影响深度相应有了很大提升。显然，采用单一振幅时，整机质量过轻、地面反力过大（即振幅过大或地面刚度过大，因地面反力等于振幅乘以地面刚度）时会产生跳振。此时一方面土壤不能吸收全部的激振能量，从而导致能量损失；另一方面振动轮跳振使连续压实变成了冲击式压实，导致地面表面质量变差，所以振动轮使用范围会受到限制。为满足超厚铺层的后期压实和普通铺层的压实，垂直振动压路机可设定高、低两个振幅。高振幅对应于超厚铺层压实过程的初期施工，低振幅对应超厚铺层的末期或普通铺层施工，以防止骨料振碎或跳振。

激振力大小决定了压路机平均输出能量的大小。通过计算可知，维持垂直振动的功率与静偏心距和频率成正比，然而一般压路机不标示静偏心距参数，故将其换算为激振力。在频率固定时，激振力与静偏心距成正比，此时可以认为激振力与压路机的输出能量成正比，即

激振力越大，输出能量越大。

为了实现垂直振动压路机对超厚铺层的压实，可将对应于大振幅的激振力调整到240 kN左右。这里需要说明的是激振力不等于振动轮给地面的作用力，压路机的输出能量也不等于被压实材料实际吸收的能量，过大的激振力也不可取。要取得最佳的压实效果，研究振动轮输出能量与被压实材料吸收能量之间的关系十分重要。

振动参数的选择与振动轮本身上下车分配比、参振质量以及使用条件、施工工艺等多方面因素有关。以上仅是徐工双钢轮垂直振动压路机设计的一个范例，要想达到最好的效果，在实际的产品设计工作中，振动参数需要根据具体的使用工况选择制定。

4垂直振动压路机的设计要点

事实上，垂直振动压路机振动轮的设计水平依次可用实现垂直振动功能、达到使用要求的可靠性以及具有最佳的压实能力三个层次来衡量，即最佳的设计需要同时达到三个层次的要求。

垂直振动功能的实现依赖于振动轮结构，如何保证振动轮对地面的作用力，垂直方向的力是重点，简单的实现方式之一是图3所示的平行双轴式振动轮结构。垂直振动功能的实现需要设计、制造、装配各环节相互配合来达成，缺一不可。显然，两根偏心轴静偏心距相

等需依靠设计和制造精度保证；转速相同、旋向相反需通过同步齿轮或齿形带结构来保证；而保证初始相位差为零，则需要设计时预留明确的相位位置标记，且装配要确保设计的正确实施；要使两根偏心轴轴线确定的平面与地面平行，必须调整振动室的相位位置，并在装配中精确实施。

垂直振动轮实现高可靠性依赖于振动轮内部的细节设计。图3中振动轴承、行走轴承、支撑轴承的选择直接关系到轴承的理论使用寿命，需要慎重对待。齿轮、轴承的润滑设计则是垂直振动轮细节设计中最核心的部分。举例来说，图3中振动室相对于车架是不动的，轴

承、齿轮位于中心部位，润滑将会非常困难。显然，从提高可靠性来讲，采用强制润滑方式润滑轴承是目前较好的一个选择：随着轴承设计和制造水平的提高，采用自润滑轴承是则是另一个选择。

最佳的压实能力决定于振动参数的确定，而振动参数的确定取决于压路机本身与使用要求、施工工艺之间的关系，取决于振动轮与被压实材料之间的关系。被压实材料吸收能量的多少以及吸收能量与激振能量的比值，是评价压实能力的重要指标。显然，被压实材料吸收

的能量越多，材料会越密实；激振能量浪费的越多则压实效率越低，同时过多未被吸收的激振能量还会反向传递给车架及驾驶室，使驾驶室振动，造成不良影响。

5结语

综上所述，垂直振动压路机振动轮的设计并不仅仅是一种结构的设计，它实际上包含结构设计、参数设计、振动轮与被压实材料之间关系的研究三个方面。由于振动压路机的碾压过程是一种开环式的能量交换体系（压实过程中会不断遇到新的土壤成分），这就决定了压路机设计理论研究必须建立在大量的试验工作和试验数据之上，要设计出具有最佳压实能力的垂直振动压路机，同样需要大量的施工实践数据来支撑。

参考文献：

[1]焦生杰，董强柱。振动压路机及压实技术的发展田。筑路机械与施工机械化，2009，26（12）：

[2]姚运仕肖刚，董秀辉。双频合成振动试验研究田。中国公路学报，，2006，19（1）