基于極限受力的輪胎壓路機(jī)慣性負(fù)載控制研究

基于極限受力的輪胎壓路機(jī)慣性負(fù)載控制研究

1慣性負(fù)載的影響車輪壓力機(jī)是依靠自動壓力的計算，最終壓縮并接收路面涂層材料，并接收到空間。由于充氣輪胎具有彈性，輪胎壓路機(jī)在碾壓過程中會對被壓實材料產(chǎn)生揉搓作用。相較于鋼輪壓路機(jī)，經(jīng)輪胎壓路機(jī)壓實后的鋪層表面密實均勻，裂紋少，使用壽命長。為使被壓實層均勻密實，輪胎壓路機(jī)須反復(fù)碾壓鋪層材料，其工作模式為循環(huán)往復(fù)作業(yè)，因此在頻繁起步加速和減速制動過程中必然存在慣性負(fù)載的影響。慣性負(fù)載是指機(jī)械由于運動狀態(tài)改變而產(chǎn)生的負(fù)載，整機(jī)質(zhì)量和加/減速度決定了慣性負(fù)載的大小和特征。作為壓實機(jī)械，輪胎壓路機(jī)通常具有較大的作業(yè)質(zhì)量，因此，如果起步與制動過程中出現(xiàn)較大的加/減速度，則由此產(chǎn)生的慣性負(fù)載就會較大，將影響路面的壓實質(zhì)量，使鋪層壓實度不均勻，嚴(yán)重時甚至引起鋪層推移或擁包。此外，過大的慣性負(fù)載也會給液壓系統(tǒng)帶來沖擊，降低液壓元件的使用壽命。目前，隨著產(chǎn)品技術(shù)水平的進(jìn)步和人們對道路施工質(zhì)量要求的提高，慣性負(fù)載對機(jī)械作業(yè)質(zhì)量的影響，以及相關(guān)的控制技術(shù)逐漸受到重視。文獻(xiàn)目前，對輪胎壓路機(jī)慣性負(fù)載的控制尚缺乏理論研究，而在實際產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中，對加/減速度控制參數(shù)的選取也常常采用經(jīng)驗或試驗值，合理性和最優(yōu)性缺乏保證，同時也可能會帶來設(shè)計的保守性。對輪胎壓路機(jī)而言，瀝青混凝土鋪層的剪切破壞是衡量慣性負(fù)載是否過大的主要標(biāo)志之一。因此，本文從避免輪胎壓路機(jī)起步與制動過程中瀝青混凝土鋪層發(fā)生剪切破壞的臨界條件出發(fā)，提出一種通過控制最大加/減速度和平均加/減速度對慣性負(fù)載進(jìn)行控制的方法。2輪胎壓路機(jī)臨界剪切破壞特性分析瀝青混凝土的力學(xué)性質(zhì)對輪胎壓路機(jī)行駛系統(tǒng)的牽引性能有著重要的影響。輪胎壓路機(jī)在作業(yè)時，充氣輪胎承受來自瀝青混凝土的反作用力而產(chǎn)生推進(jìn)力，其大小取決于瀝青混凝土的抗剪強(qiáng)度。從大量破壞實例及試驗得出，瀝青混凝土的受力破壞主要是剪切破壞，即瀝青混凝土的強(qiáng)度不足以抵抗某一剪切面上的剪力作用時，鋪層材料沿剪力方向發(fā)生剪切變形而造成的破壞。因此，當(dāng)機(jī)器切向慣性力過大而瀝青混凝土鋪層的抗剪強(qiáng)度不足時，就會造成鋪層的推移和擁包等作業(yè)質(zhì)量問題，故需對輪胎壓路機(jī)作業(yè)時，瀝青混凝土鋪層的剪切強(qiáng)度進(jìn)行分析。此外，如果壓路機(jī)因驅(qū)動力大于附著力而出現(xiàn)完全滑轉(zhuǎn)，也同樣會帶來路面質(zhì)量的破壞。因此，為保證作業(yè)質(zhì)量，輪胎壓路機(jī)在起步和制動過程中不允許有以下3種情況發(fā)生：(1）瀝青混凝土鋪層出現(xiàn)剪切破壞。(2）瀝青混凝土鋪層與基層之間出現(xiàn)剪切破壞。(3）輪胎壓路機(jī)出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)。這3種極限工況分別對應(yīng)壓路機(jī)的3個極限驅(qū)動力（制動力），即：在輪胎壓路機(jī)上坡起步和下坡制動過程中，瀝青混凝土鋪層臨界剪切破壞時，輪胎壓路機(jī)的極限驅(qū)動力（制動力）；瀝青混凝土鋪層與基層之間臨界剪切破壞時，輪胎壓路機(jī)的極限驅(qū)動力（制動力）；輪胎壓路機(jī)臨界滑轉(zhuǎn)時壓路機(jī)的極限驅(qū)動力（制動力）。對慣性負(fù)載進(jìn)行控制時，最大允許驅(qū)動力應(yīng)當(dāng)不超過3個力當(dāng)中的最小值，而最大允許加速度也應(yīng)當(dāng)根據(jù)最大允許驅(qū)動力計算得出。下面將分別針對輪胎壓路機(jī)上坡起步和下坡制動兩種工況，對各極限受力情況進(jìn)行分析，并依此計算出壓路機(jī)起步/制動過程中加/減速度的最大允許值，通過一定的策略對其進(jìn)行控制，將慣性負(fù)載對作業(yè)質(zhì)量的影響降至最低，同時盡可能避免作業(yè)效率的損失。3坡起步工況受力分析壓路機(jī)在上坡起步時，瀝青混凝土鋪層不發(fā)生剪切破壞的臨界剪切力小于在平坦路面起步或制動時的臨界剪切力，因此上坡起步工況更易發(fā)生鋪層剪切破壞。上坡起步加速過程中，壓路機(jī)驅(qū)動輪受到驅(qū)動力矩的作用，對地面會產(chǎn)生較大的作用力，而從動輪僅受地面摩擦力作用，對地面作用力較小。因此，與驅(qū)動輪接觸的路面將首先發(fā)生破壞，故上坡起步加速過程只對驅(qū)動輪進(jìn)行受力分析，其受力如圖1所示。圖中：M3.1瀝青混凝土鋪層間黏聚力根據(jù)庫倫-摩爾定律式中：[τ]為瀝青混凝土剪切強(qiáng)度；C為瀝青混凝土鋪層間黏聚力；φ為瀝青混凝土鋪層材料的內(nèi)摩擦角，與溫度無直接關(guān)系；σ為剪切面法向應(yīng)力，即輪胎接地比壓。輪胎壓路機(jī)在上坡起步工況，瀝青混凝土鋪層恰好不發(fā)生剪切時有：式中：F將式（1）～式（3）聯(lián)立可得：3.2在傾斜階段，鋪設(shè)層和基層層之間的邊界切削力在壓路機(jī)上坡起步工況，瀝青混凝土鋪層與基層之間的剪切力與鋪層剪切力的計算方法類似，即有：式中：F′3.3最大風(fēng)力不應(yīng)超過固定滑轉(zhuǎn)當(dāng)輪胎壓路機(jī)行駛系統(tǒng)驅(qū)動力超過最大附著力時會出現(xiàn)壓路機(jī)完全滑轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，滑轉(zhuǎn)同樣會帶來路面質(zhì)量的破壞。為保證作業(yè)質(zhì)量，輪胎壓路機(jī)作業(yè)時須避免完全滑轉(zhuǎn)，因此，其最大驅(qū)動力不應(yīng)超過附著力。輪胎壓路機(jī)在坡道上的附著力為：式中：F3.4啟動時噪聲最大允許的力輪胎壓路機(jī)上坡起步時，最大允許驅(qū)動力應(yīng)為上述3個力中的最小值，即：式中：F3.5邊坡起步工況分析輪胎壓路機(jī)的牽引力，一部分用來克服行駛阻力，一部分用來提供壓路機(jī)起步時所需的加速度?？紤]到碾壓作業(yè)時的行駛速度較低，因此在對輪胎壓路機(jī)行駛系統(tǒng)進(jìn)行受力分析時，忽略空氣阻力的作用，僅考慮重力沿坡道方向的分力及由輪胎變形和土壤變形引起的滾動阻力。此外，由于輪胎壓路機(jī)在行駛時，慣性質(zhì)量由平移慣性質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)慣性質(zhì)量組成，為了便于計算，給予當(dāng)量慣性質(zhì)量系數(shù)，將旋轉(zhuǎn)慣性質(zhì)量轉(zhuǎn)化為平移慣性質(zhì)量。因此，根據(jù)牛頓第二定律可計算出輪胎壓路機(jī)上坡起步工況的最大允許加速度為：式中：M為輪胎壓路機(jī)的整機(jī)質(zhì)量；a式中：f為滾動阻力系數(shù)。因此，結(jié)合式（7）～式（9），可得上坡起步工況的最大允許加速度為：4臨界剪切力輪胎壓路機(jī)在下坡減速制動時，瀝青混凝土鋪層不發(fā)生剪切破壞的臨界剪切力小于平坦路面制動時的臨界剪切力，此時最易發(fā)生剪切破壞。減速制動過程中近似將機(jī)體看作剛體，可認(rèn)為前后輪所受的地面摩擦力相等，因此選取整機(jī)為研究對象，受力簡圖如圖2所示。圖中F4.1下蹲性能：采用瀝青路堤邊坡切割法輪胎壓路機(jī)在下坡減速制動過程中，瀝青混凝土鋪層間臨界剪切力的計算與上坡起步工況類似，即瀝青混凝土鋪層恰好不發(fā)生剪切時有：式中：F4.2低效層和基礎(chǔ)間邊界剪切力同理可得在輪胎壓路機(jī)下坡制動工況，瀝青混凝土鋪層與基層間的臨界剪切力為：式中：F′4.3滑動軸滑動動力輪胎壓路機(jī)在下坡制動工況臨界滑轉(zhuǎn)制動力F4.4下降階段的最大允許制動力綜上，輪胎壓路機(jī)在減速制動工況的最大允許制動力應(yīng)為上述3個力中的最小值，即：式中：F4.5下降安裝階段的最大允許速度減少輪胎壓路機(jī)減速制動時，根據(jù)牛頓第二定律，最大允許減速度為：式中：a將式（9）、式（13）和式（14）聯(lián)立，可得：5起落架加速、制動減速速度由于輪胎壓路機(jī)在工作時為往復(fù)作業(yè)，因此，在確保其作業(yè)時不會因慣性負(fù)載過大而對瀝青混凝土鋪層造成破壞的同時，還應(yīng)盡量縮短其起步加速與制動減速占整個工作循環(huán)的時間比，增加勻速作業(yè)的時間比，以提高作業(yè)效率。因此，輪胎壓路機(jī)的起步加速度與制動減速度一方面受到其允許最大值的限制，另一方面也必須盡可能提高其作業(yè)過程中的平均加/減速度。因此只需控制壓路機(jī)在起步與制動過程中任意時刻加/減速度等于經(jīng)計算后得出的最大允許加/減速度，并根據(jù)工程實際需求給予一定的安全系數(shù)即可。6全液壓輪胎壓路機(jī)在大鼠輪胎中的實現(xiàn)輪胎壓路機(jī)的輪胎布置形式多樣，以下針對一種輪胎布置形式為前5后6的26t后驅(qū)式全液壓輪胎壓路機(jī)，采用本文提出的方法對起步和制動過程中的最大允許加/減速度進(jìn)行計算。6.1壓路機(jī)不對鋪層進(jìn)行剪切本文所選取的輪胎壓路機(jī)及路面參數(shù)如表1所示。參數(shù)選擇時，為確保壓路機(jī)不對瀝青混凝土鋪層造成剪切破壞，應(yīng)選擇最容易發(fā)生破壞的工況，所選參數(shù)值應(yīng)盡量使臨界剪切力取較小值。因此，根據(jù)式（4）與式（11），選取輪胎接地比壓為0.34，路面附著系數(shù)為0.8。文獻(xiàn)6.2害相臨界剪切力將上述數(shù)據(jù)代入式（4)～(6），可求得輪胎壓路機(jī)上坡起步加速時，瀝青混凝土鋪層不發(fā)生剪切破壞的臨界剪切力F同理，將各參數(shù)代入式（6）、（11）和（12），可以求得下坡減速制動時，瀝青混凝土鋪層不發(fā)生剪切破壞的臨界剪切力F7雙加速度/減速度計算本文提出了一種輪胎壓路機(jī)起步與制動過程中最大允許加/減速度的確定方法，該方法以不對瀝青混凝土鋪層造成剪切破壞為目標(biāo)，通過鋪層的臨界剪切力反推出壓路機(jī)起步與制動的最大加速度