CN102518026B - 一种具有均匀振幅的熨平板的摊铺机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熨平板振幅均匀的摊铺机，主要通过计算熨平板上各点的振幅值，从而对熨平板振幅均匀性进行分析；可以对摊铺机压实系统振动器、振捣梁的设计参数进行优化，在保证熨平板振幅均值的前提下有效降低熨平板上最大振幅和最小振幅差值，从而达到保证路面的横向平整度和压实度的目的。

Description

一种具有均匀振幅的熨平板的摊铺机

技术领域

本发明涉及一种具有均匀振幅的熨平板的摊铺机，属于公路建筑机械技术领域。

背景技术

沥青混凝土摊铺机是铺筑沥青路面的专用施工机械，其作用是将拌制好的沥青混凝土均匀地摊铺在路面底基层上，并保证摊铺层厚度、宽度、路面拱度、平整度、密实度等达到施工要求。压实系统是沥青混凝土摊铺机的核心工作装置，主要由振捣机构、熨平板、振动器组成，位于摊铺机的最后端，是直接完成沥青混合料的摊铺、初步压实和整平的装置，其技术性能直接影响着摊铺质量。

熨平板的振动使铺层振实、熨平，提高摊铺层密实度，减少压路机的压实遍数，对提高路面的表面质量有重要作用。随着摊铺机的最大摊铺宽度越来越大，熨平板的长度相应加长，目前熨平板的最大长度达到了16米。提高摊铺宽度，可减少摊铺次数，也可减少路面纵向接缝，有利于提高路面质量和施工效率。但是当熨平板长度增大时，其弹性变形则不能忽略。熨平板自身弹性变形和激振力引起的振动作用相耦合，造成作业过程中沿摊铺宽度方向熨平板上各点振幅不一致，引起铺层材料横向振实程度不一致，将影响路面的横向密实度和平整度。

现有技术中仅冯忠绪发明了满足横向振动均匀性的熨平板(公开号：CN101649596A，公告号：CN201581337U)，通过调整各段熨平板上振动器偏心轴的长度或偏心距尺寸参数，使各段熨平板名义振幅相等，以改善熨平板横向振动振幅的均匀性。该方法主要不足在于：所计算的名义振幅是将各段熨平板作为独立振动体，以其上安装的振动器偏心激振力作为外部激励，采用单自由度弹簧质量系统受迫振动的振幅计算方法获得。而实际摊铺机中的熨平板是由各段熨平板通过螺栓连接成的一个整体，相邻熨平板存在力的相互作用，而且安装于熨平板上的振捣装置也将对熨平板产生激振力。因此以上的分析计算方法过于简化，不符合熨平板的实际使用情况。针对目前沥青摊铺机摊铺宽度越来越大的发展趋势，该设计方法不能满足熨平板横向振幅均匀性要求。

因此，针对摊铺宽度较大的沥青摊铺机，必须分析其熨平板的振幅均匀性，并以熨平板上各点振幅差值最小为准则来设计压实系统的各设计参数，确保路面横向平整度。

发明内容

本发明主要通过计算摊铺机熨平板上各点振动振幅值，分析熨平板的振幅均匀性，并优化配置压实系统的各设计参数，设计出满足熨平板上各点振幅差值最小要求和振幅均值要求的摊铺机，保证铺层材料具有预期的预压实度和平整度。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：

摊铺机包括由振捣机构、熨平板、振动器组成的压实系统，位于摊铺机的最后端，振捣机构包括振捣梁、振捣器驱动偏心轴、轴承及振捣器轴承座，振捣梁包括主振捣梁和副振捣梁，主振捣梁和副振捣梁通过轴承安装在振捣器驱动偏心轴上，振捣器驱动偏心轴由固定在熨平板箱体上的振捣器轴承座支承，振捣器马达驱动振捣器驱动偏心轴转动，带动主振捣梁和副振捣梁做上下往复运动，沿摊铺宽度方向布置有若干段振捣梁，各振捣梁的振捣器驱动偏心轴通过振捣器联轴器相连，熨平板为箱形结构，箱体上方装有振动器偏心轴和振动器轴承座组成的振动器，振动器马达驱动振动器偏心轴转动，整个熨平板由基本段熨平板和加长段熨平板用螺栓连接而成，各段熨平板的振动器偏心轴通过振动器联轴器相连，其特征在于，压实系统的主要设计参数采用如下步骤得到：

步骤(1)：将熨平板、振动器、振捣梁作为刚柔耦合系统，熨平板为柔性体，列出熨平板上点的运动方程；振捣梁为刚体，列出振捣器轴承座与熨平板连接处的约束方程、振捣梁运动方程；

步骤(2)：根据步骤(1)中熨平板和振捣梁的运动方程，计算刚柔耦合系统的总动能；计算熨平板弹性变形引起的广义力；计算铺层材料的弹性力、阻尼力以及振动器激振力引起的广义力，根据拉格朗日定理列出动力学控制方程；

步骤(3)：采用数值解法求解步骤(2)的动力学控制方程，计算出熨平板上各点的振幅；

步骤(4)：将步骤(2)动力学控制方程中涉及的设计参数作为设计变量，动力学控制方程对设计变量求导数，列出动态响应对该设计变量的灵敏度方程；采用数值解法求解灵敏度方程，得到熨平板上关键点位移响应灵敏度，根据灵敏度值选定对节点振幅有较大影响的多个设计变量作为优化变量；

步骤(5)：步骤(4)中的每个优化变量取3个水平，通过正交设计获得N组数值模拟试验方案，即每一组试验方案为优化变量取不同水平组合而成。将每组试验方案中优化变量的值代入步骤(2)动力学方程，求解后得到该组试验方案下熨平板上各点振幅最大值与最小值之差和振幅平均值；

步骤(6)：N组数值模拟试验完成后，采用最小二乘法进行二次多项式拟合，得到关于振幅平均值和振幅差的响应面函数；

步骤(7)：以熨平板上各点振幅差最小为优化目标，以满足平均振幅值为约束条件，对响应面函数进行优化设计，获得关于优化变量的最优值，以对摊铺机压实系统的各设计参数进行优化，从而得到具有均匀振幅的熨平板的摊铺机。

本发明具有如下的有益效果：

通过本发明的方法，可以计算熨平板上各点的振幅值，从而对熨平板振幅均匀性进行分析；可以对摊铺机压实系统的设计参数进行优化，在保证熨平板振幅均值的前提下有效降低熨平板上最大振幅和最小振幅差值，从而达到保证路面的横向平整度和压实度的目的。

附图说明

图1为摊铺机压实系统装配图的主视图；

图2为摊铺机压实系统装配图的侧视图。

附图标记说明：

1-主振捣梁；     2-副振捣梁；      3-振捣器驱动偏心轴；

4-振捣器轴承座； 5-振捣器马达；    6-振捣器联轴器；

7-振动器偏心轴； 8-振动器轴承座；  9-振动器马达；

10本段熨平板；   11-加长段熨平板； 12-振动器联轴器。

具体实施方式

摊铺机包括由振捣机构、熨平板、振动器组成的压实系统，位于摊铺机的最后端，振捣机构包括振捣梁、振捣器驱动偏心轴3、轴承及轴承座4，振捣梁包括主振捣梁1和副振捣梁2，主振捣梁1和副振捣梁2通过轴承安装在所述振捣器偏心轴3上，所述振捣器偏心轴3由固定在熨平板箱体上的所述振捣器轴承座4支承，振捣器马达5驱动所述振捣器偏心轴3转动，带动主振捣梁1和副振捣梁2做上下往复运动，沿摊铺宽度方向布置有若干段振捣梁，各振捣梁的所述振捣器偏心轴3通过振捣器联轴器6相连，熨平板为箱形结构，箱体上方装有振动器偏心轴7和振动器轴承座8组成的振动器，振动器马达9驱动振动器偏心轴7转动，整个熨平板由基本段熨平板10和加长段熨平板11用螺栓连接而成，各段熨平板的振动器偏心轴7通过振动器联轴器12相连，压实系统的主要设计参数具体采用如下步骤得到：

步骤(1)：将熨平板、振动器、振捣梁作为刚柔耦合系统，熨平板为柔性体，采用有限元法对熨平板进行离散，沿熨平板长度方向，每隔一定距离取一个节点，同时熨平板与振动器轴承座连接处、熨平板与与振捣器轴承座连接处、熨平板各段连接处也设为一个节点，相邻节点间的熨平板单元作为一个梁单元进行处理，惯性坐标系选为地面，原点为熨平板的质心位置在地面的投影点，动坐标系建立在熨平板上，动坐标原点选在熨平板的质心位置，熨平板第i个单元上任一点p的运动方程为：

${r_p}^i=r_o+u_o^i+u_f^i=r_o+u_o^i+N^i{q}_f---\left(1\right)$

式中：r_p ⁱ为熨平板第i个单元上任一点p的位置矢量；r₀为动坐标系原点在惯性坐标系中的位置矢量；为p点在动坐标系中的初始位置矢量；为P点在动坐标系中的相对变形量；N_i为动坐标系下第i个单元的形函数矩阵；q_f为熨平板的节点位移向量。

振捣梁为刚体，列出振捣器轴承座与熨平板连接处的约束方程：

C(q，t)＝0    (2)

式中：C为约束方程写成的矩阵；q为系统的广义坐标，q＝[r_o q_f q_r]^T，其中q_r为振捣梁位移向量。由于存在约束，广义坐标不是全部独立，将不独立部分的广义坐标q_r用独立部分的广义坐标q_i表示，q_i＝[r_o q_f]^T。

对公式(2)的变分得到变分形式的约束方程：C_qδq＝0，其中C_q为约束的雅可比矩阵，其元素 $C_{\mathrm{ij}}=\frac{\∂C_i}{\∂q_j}.$

振捣梁运动方程：

$q_{\mathrm{rk}}=(r_{\mathrm{pk}}^1+r_{\mathrm{pk}}^2)/2+e\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_k)---\left(3\right)$

式中：q_rk为第k个振捣梁单元的位移矢量；为第k个振捣梁的振捣器驱动偏心轴与安装在左侧的振捣器轴承座里的轴承的连接处的位移矢量；为第k个振捣梁的振捣器驱动偏心轴与右侧的振捣器轴承座里的轴承的连接处的位移矢量；e为主、副振捣梁的振捣器驱动偏心轴和位于轴承内圈和振捣器驱动偏心轴之间的偏心套所形成的总偏心距；ω为振捣梁驱动偏心轴的角速度；φ_k为第k个振捣梁的初相位角。

步骤(2)：根据步骤(1)中熨平板和振捣梁的运动方程，计算刚柔耦合系统的总动能：

$T=\frac{1}{2}{{\stackrel{\·}{q}}_i}^T{M}_f{\stackrel{\·}{q}}_t+\frac{1}{2}{{\stackrel{\·}{q}}_r}^T{M}_r{\stackrel{\·}{q}}_r---\left(4\right)$

式中M_f为熨平板的质量矩阵， $M_f=\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}\left[\begin{array}{cc}{m}_i& {\∫}_{V^i}{\mathrm{\ρ}}^i{N}^i{\mathrm{dV}}^i\\ {\∫}_{V^i}{\mathrm{\ρ}}^i{N}^i{\mathrm{dV}}^i& {\∫}_{V^i}{\mathrm{\ρ}}^i{\left(N^i\right)}^T{N}^i{\mathrm{dV}}^i\end{array}\right],$ 其中S为熨平板单元总数，m_i为熨平板第i个单元的质量；ρⁱ和Vⁱ分别为熨平板第i个单元的密度和体积；M_r为由所有振捣梁质量组成的对角阵， $M_r=\left[\begin{array}{cccccc}{m}_{r1}& & & & & \\ & m_{r2}& & & & \\ & & .& & & \\ & & & .& & \\ & & & & .& \\ & & & & & m_{\mathrm{rR}}\end{array}\right],$ 其中m_rj为第j个振捣梁的质量，j＝1，2，…，R，R为振捣梁总数量。

计算的弹性变形引起的广义力：

$Q_e=-\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{cc}{r}_0& q_f^T\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& K_{\mathrm{ff}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

式中：K_ff为熨平板的刚度矩阵，其中Lⁱ为第i个单元的布尔指示矩阵，Dⁱ是与应变和位移有关的偏微分算子，E为熨平板材料的弹性模量，I为熨平板横截面的截面惯性矩，l_i为熨平板第i个有限单元的长度。

计算铺层材料的弹性力、阻尼力引起的广义力：

$Q_{\mathrm{Fq}}=k_l\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\begin{array}{cc}{r}_0& q_f\end{array}\right]}^T\left[\begin{array}{cc}{\∫}_0^{l_i}\mathrm{Idx}& {\∫}_0^{l_i}{N}^i\mathrm{dx}\\ {\∫}_0^{l_i}{\left(N^i\right)}^T\mathrm{dx}& {\∫}_0^{l_i}{\left(N^i\right)}^T{N}^i\mathrm{dx}\end{array}\right]---\left(6\right)$

式中：Q_Fq为作用于熨平板上的沥青混合料的弹性力引起的广义弹性力；k_l为作用于熨平板单位长度上的热沥青混合料的刚度。

$Q_{\mathrm{Fs}}=c\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\·}{r}}_0& {\stackrel{\·}{q}}_f\end{array}\right]}^T\left[\begin{array}{cc}{\∫}_0^{l_i}\mathrm{Idx}& {\∫}_0^{l_i}{N}^i\mathrm{dx}\\ {\∫}_0^{l_i}{\left(N^i\right)}^T\mathrm{dx}& {\∫}_0^{l_i}{\left(N^i\right)}^T{N}^i\mathrm{dx}\end{array}\right]---\left(7\right)$

式中：Q_Fs为作用于熨平板上的沥青混合料阻尼力引起的广义阻尼力；c为作用于熨平板单位长度上热沥青混合料的阻尼系数。

振动器激振力引起的广义力：

$Q_{\mathrm{Fj}}=\underset{h=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{jh}}\left[\begin{array}{cc}I& N^{\mathrm{ih}}\end{array}\right]---\left(8\right)$

式中：Q_Fj为振动器激振力引起的总的广义力；F_jh为第h个作用于熨平板的激振力，其中n表示该激振力由第n个振动器产生，m_n为第n个振动器的振动器偏心轴的偏心质量，e_n为第n个振动器的振动器偏心轴的偏心距；N^ih为F_jh作用点所在熨平板有限元单元的形函数矩阵；R为作用于熨平板的激振力总数。

根据拉格朗日定理列出动力学控制方程：

$M{\stackrel{\·\·}{q}}_i+P{\stackrel{\·}{q}}_i+K{q}_i=F---\left(9\right)$

式中：M为系统总的质量矩阵，M＝M_f+C_di ^TM_rC_di，其中C_di＝-C_qr ^-1C_qi。C_qr为约束的雅可比矩阵中通过约束矩阵C对不独立广义坐标q_r变分所得到的那部分元素所构成的矩阵；C_qi为约束的雅可比矩阵中通过约束矩阵C对独立广义坐标q_i变分所得元素所构成的矩阵。

P为系统阻尼矩阵， $P=c\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}\left[\begin{array}{cc}{\∫}_0^{l_i}\mathrm{Idx}& {\∫}_0^{l_i}{N}^i\mathrm{dx}\\ {\∫}_0^{l_i}{\left(N^i\right)}^T\mathrm{dx}& {\∫}_0^{l_i}{\left(N^i\right)}^T{N}^i\mathrm{dx}\end{array}\right];$

K为系统总的刚度矩阵， $K=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& K_{\mathrm{ff}}\end{array}\right]+k_l\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}\left[\begin{array}{cc}{\∫}_0^{l_i}\mathrm{Idx}& {\∫}_0^{l_i}{N}^i\mathrm{dx}\\ {\∫}_0^{l_i}{\left(N^i\right)}^T\mathrm{dx}& {\∫}_0^{l_i}{\left(N^i\right)}^T{N}^i\mathrm{dx}\end{array}\right];$

F为外力列向量， $F=\frac{d}{\mathrm{dt}}\left({C_{\mathrm{di}}}^T{M}_r\left({C_{\mathrm{qr}}}^{-1}{C}_t\right)\right)+Q_{\mathrm{Fj}},$ 其中 $C_t=\frac{\∂C}{\∂t}.$

步骤(3)：采用数值解法求解步骤(2)的动力学控制方程，计算出熨平板上各点的振幅；

步骤(4)：将步骤(2)动力学控制方程中涉及的设计参数作为设计变量，包括各段振捣梁质量m_rj、各段熨平板上振动器驱动偏心轴的偏心质量m_n和偏心距e_n的乘积、熨平板截面惯性矩I、振捣梁运动的初相位角φ_k。将步骤(2)动力学控制方程对设计变量求导数，得到动态响应对该变量的灵敏度方程：

$\frac{\∂M}{\∂b}{\stackrel{\·\·}{q}}_i+M\frac{\∂{\stackrel{\·\·}{q}}_i}{\∂b}+\frac{\∂P}{\∂b}{\stackrel{\·}{q}}_i+P\frac{\∂{\stackrel{\·}{q}}_i}{\∂b}+\frac{\∂K}{\∂b}{q}_i+K\frac{\∂P_i}{\∂b}=\frac{\∂F}{\∂b}---\left(10\right)$

式中b为某一设计变量；分别为加速度、速度、位移对变量b的一阶灵敏度；

$\frac{\∂M}{\∂b}=\frac{\∂M_f}{\∂b}+{C_{\mathrm{di}}}^T\frac{\∂M_r}{\∂b}{C}_{\mathrm{di}};$ $\frac{\∂P}{\∂b}=0;$

$\frac{\∂K}{\∂b}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& \underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{L}^{\mathrm{iT}}\frac{\∂k_f}{\∂b}{L}^i\end{array}\right]+k_l\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\∂}{\∂b}\left[\begin{array}{cc}{\∫}_0^{l_i}\mathrm{Idx}& {\∫}_0^{l_i}{N}^i\mathrm{dx}\\ {\∫}_0^{l_i}{\left(N^i\right)}^T\mathrm{dx}& {\∫}_0^{l_i}{\left(N^i\right)}^T{N}^i\mathrm{dx}\end{array}\right].$

采用数值解法求解灵敏度方程，得到熨平板上关键点位移响应灵敏度，根据灵敏度值选定对节点振幅有较大影响的多个设计变量作为优化变量；

步骤(5)：步骤(4)中的每个优化变量取3个水平，通过正交设计获得N组数值模拟试验方案，即每一组试验方案为优化变量取不同水平组合而成，将每组试验方案中优化变量的值代入步骤(2)动力学方程，求解后得到该组试验方案下熨平板上各点振幅最大值与最小值之差和振幅平均值；

步骤(6)：N组数值模拟试验完成后，采用最小二乘法进行二次多项式拟合，得到关于振幅平均值和振幅差的响应面函数；

步骤(7)：以熨平板上各点振幅差最小为优化目标，以满足平均振幅值为约束条件，对响应面函数进行优化设计，获得关于优化变量的最优值，以对摊铺机压实系统的设计参数进行优化，从而得到具有均匀振幅的熨平板的摊铺机。

Claims (2)

1.一种具有均匀振幅的熨平板的摊铺机，所述摊铺机包括由振捣机构、熨平板、振动器组成的压实系统，所述压实系统位于摊铺机的最后端，所述振捣机构包括振捣梁、振捣器驱动偏心轴(3)、轴承及振捣器轴承座(4)，振捣梁包括主振捣梁(1)和副振捣梁(2)，主振捣梁(1)和副振捣梁(2)通过轴承安装在所述振捣器驱动偏心轴(3)上，所述振捣器驱动偏心轴(3)由固定在熨平板箱体上的所述振捣器轴承座(4)支承，振捣器马达(5)驱动所述振捣器驱动偏心轴(3)转动，带动主振捣梁(1)和副振捣梁(2)做上下往复运动，沿摊铺宽度方向布置有若干段振捣梁，各振捣梁的所述振捣器驱动偏心轴(3)通过振捣器联轴器(6)相连，熨平板为箱形结构，箱体上方装有振动器偏心轴(7)和振动器轴承座(8)组成的振动器，振动器马达(9)驱动振动器偏心轴(7)转动，整个熨平板由基本段熨平板(10)和加长段熨平板(11)用螺栓连接而成，各段熨平板的振动器偏心轴(7)通过振动器联轴器(12)相连，

其特征在于，所述压实系统的主要设计参数具体采用如下步骤得到：

步骤(1)：将熨平板、振动器、振捣梁作为刚柔耦合系统，熨平板为柔性体，列出熨平板上点的运动方程；振捣梁为刚体，列出振捣器轴承座与熨平板连接处的约束方程、振捣梁运动方程；

步骤(2)：根据步骤(1)中熨平板和振捣梁的运动方程，计算刚柔耦合系统的总动能；计算熨平板弹性变形引起的广义力；计算铺层材料的弹性力、阻尼力以及振动器激振力引起的广义力，根据拉格朗日定理列出动力学控制方程；

步骤(3)：采用数值解法求解步骤(2)的动力学控制方程，计算出熨平板上各点的振幅；

步骤(4)：将步骤(2)动力学控制方程中涉及的设计参数作为设计变量，动力学控制方程对所述设计变量求导数，列出动态响应对该设计变量的灵敏度方程；采用数值解法求解灵敏度方程，得到熨平板上关键点位移响应灵敏度，根据灵敏度值选定对节点振幅有较大影响的多个设计变量作为优化变量；

步骤(5)：步骤(4)中的每个优化变量取3个水平，通过正交设计获得N组数值模拟试验方案，即每一组试验方案为优化变量取不同水平组合而成，将每组试验方案中优化变量的值代入步骤(2)中的动力学方程，求解后得到该组试验方案下熨平板上各点振幅最大值与最小值之差和振幅平均值；

步骤(6)：N组数值模拟试验完成后，采用最小二乘法进行二次多项式拟合，得到关于振幅平均值和振幅差的响应面函数；

步骤(7)：以熨平板上各点振幅差最小为优化目标，以满足平均振幅值为约束条件，对响应面函数进行优化设计，获得关于优化变量的最优值，以对摊铺机压实系统的各设计参数进行优化，从而提高沿摊铺宽度方向上熨平板上各点振幅的均匀性。

2.如权利要求1所述的具有均匀振幅的熨平板的摊铺机，其特征在于，所述设计参数包括：包括各段振捣梁质量、各段熨平板上振动器偏心轴的偏心质量和偏心距的乘积、熨平板截面惯性矩、振捣梁运动的初相位角。