YZ20D型振动压路机总体设计

YZ20D型振动压路机总体设计

摘要

振动压路机是一种高效的压实机械，广泛应用于道路建设施工中。目前国产振动压路机以中小吨位和机械传动方式为主，而性能优良的全液压重型振动压路机主要依赖于进口。为彻底改变这种现状，必须研制和生产具有自主知识产权的高性能重型振动压路机。

本文本论文简述了国内外压实设备和压实技术的发展概况、振动压实的原理、振动轮的结构和工作原理、振动压路机的压实特性与压实效果,动力学特性和振动压实机理进行了研究与分析，建立了振动轮的数学模型，明确了振幅、加速度、激振力、对地面作用力与振动频率之间的动态响应关系，以此作为参数的设计依据,计算出了 YZ20D振动压路机的整机工作质量、振动频率、振幅、激振力、发动机功率等压路机压实作业中重要的振动性能参数及振动轮等关键技术结构进行研究及确定，最大功率。

本文在理论分析和计算的基础上，完成了 YZ20D全液振动压路机传动系统设计、振动轮总成等主要部件的设计。

关键词: 振动压路机；总体参数；功率计算；爬坡校核；液压系统

Abstract

Vibratory roller is a kind of highly efficient compaction machine which is widely used in the road construction. Most of domestic vibratory rollers adopting mechanical transmission are light or medium size at present, while full hydraulic and heavy vibratory rollers with high performance are mainly depended on importation. To change the actuality completely, the heavy vibratory rollers with high performance an our own intellectual property rights must be developed and manufactured.

The general development of road rollers is stated in this paper. The theories of vibratory compacting and the configuration and work theory of vibratory wheel and the compact characteristic and effect of vibratory road roller are introduced.In this paper the physical property, dynamic characteristics and vibration compaction mechanism of soil are studied and a mathematical model of vibratory rollers is created. The dynamic responses between the amplitude, acceleration, exciting force, acting force on the ground and vibration frequency are determined, and according to which, frequency, amplitude and mass are designed.Determine the important vibratory performance specifications for the compaction operation of roller，such as the operating mass，vibratory frequency，amplitude，centrifugal force，power of engine and so on.

Based on theoretical analysis and calculation, the overall design of model YZ20D vibratory roller and the main part design of hydraulic system，roller and vibration damping system have been complished.

Key Words: Vibratory roller；the overall parameters；Grade ability check ；shock absorbers；Hydraulic system

目录

摘要............................................................................................................................... II ABSTRACT ................................................................................................................. I II

第1章绪论 (1)

1.1研究的背景 (3)

1.2研究的意义 (1)

1.3国内外相关研究现状 (1)

1.3.1国内研究情况 (1)

1.3.2国外研究情况 (2)

1.4研究的主要内容 (3)

第2章振动压路机设计综述 (5)

2.1振动压路机 (5)

2.1.1振动压路机的种类 (5)

2.1.2振动压路机的基本结构和特点 (6)

2.1.3振动压实的基本原理 (6)

2.1.4振动压实的性能特点 (7)

2.1.5振动压实的结构特点 (7)

2.2振动压路机总体设计 (8)

2.2.1 振动轮 (8)

2.2.2 液压驱动系统 (9)

2.2.3 液压振动系统 (10)

2.2.4 液压制动系统 (10)

2.2.5 电气及操纵系统 (10)

2.2.6 减振系统 (10)

第3章总体参数确定及部件设计计算 (11)

3.1振动压路机总体参数的确定 (11)

3.1.1振动压路机总体参数的选择依据 (11)

3.1.2名义振幅的选择 (11)

3.1.3振动压路机工作频率的选择 (12)

3.1.4振动压路机部分质量的确定 (13)

3.1.5振动压路机振动加速度的校核 (16)

3.1.6振动压路机工作速度的确定 (16)

3.1.7激振力F0和振动压路机对地面的作用力FS (18)

3.1.8振动轮宽度和直径的确定 (18)

3.2振动压路机发动机功率的计算 (20)

3.2.1行驶功率P1 (20)

3.2.2转向功率P2 (20)

3.2.3换向功率P3 (21)

3.2.4振动压路机的爬坡功率P4（KW ） (22)

3.2.5振动压路机的振动功率P5 (23)

3.2.6振动压路机的功率组合 (23)

3.2.7振动功率P5的研究讨论 (24)

第4章 振动压路机爬坡能力校核 (31)

4.1爬坡能力的概述 (31)

4.2由牵引力决定的压路机爬坡能力 (31)

4.3由附着力决定的压路机爬坡能力 (32)

第5章 压路机数学模型和运动方程的建立 (35)

5.1振动压路机数学模型的建立原则 (35)

5.2两个自由度系统振动压路机的运动方程 (35)

5.3运动方程中各个参数的取值 (38)

第6章 振动压路机的动态响应 (41)

6.1位移-频率（x ω-）和加速度-频率（a ω-）曲线 (41)

6.2激振力-频率(0F ω-) 曲线和振动压路机对土的作用力-频率(S F ω-) 曲

线 (42)

6.3下车质量2m 对x ω-曲线、0F ω-曲线和S F ω-曲线的影响 (43)

6.4减振器刚度1K 对x ω-曲线的影响 (44)

6.5土的刚度和阻尼对x ω-曲线的影响 (44)

第7章 振动压路机液压系统 (45)

7.1液压传动性能特点分析 (45)

7.2振动压路机行走液压系统 (46)

7.3振动液压系统 (47)

7.4转向液压系统 (47)

8 结论 (48)

参考文献 (49)

致 谢 .......................................................................................................................... 50 毕业设计（论文）知识产权声明 .................................................................

51 毕业设计（论文）独创性声明 .....................................................................

52

YZ20D型振动压路机总体设计

第1章绪论

1.1 研究的背景

我国公路建设正处于高速发展的阶段，交通建设一直作为我国国民经济建设的重点投资领域，随着公路总里程的增加和出口量增多，需求量将逐年增长。公路建设的投资为开发面向国内中、高档用户的超重型振动压路机提供了极其广阔的市场空间。目前国内年产量6000台压路机中，振动压路机不到总产量的70%，而发达国家为90%以上，并且国内振动压路机产量中14吨以下的中小吨位压路机仍占有相当比例，按国家有关要求规定，高等级公路建设必须采用14吨以上超重型压路机才能获得施工资格。根据近年来高等级公路建设中使用的压路机已向20吨发展的情况，开发20吨超重型压路机市场前景较好阁。

现代公路都是在原始地面基础上，自下而上由自然土石方和各种混合料逐层铺筑起来的各种结构层。这些结构层除了承受上层的重量载荷和车辆的流动变载荷外，还要遭受日晒、雨淋、冰雪、洪水、地震等自然气候灾害的侵蚀与破坏。如果各层材料压实不足，将直接导致道路面层出现沉陷、波浪、裂纹等缺陷。路基和路面的早期破坏，将降低运输效率、提高运输成本、诱发交通事故、危及行车安全、大幅增加道路养护成本。随着交通流量与大吨位车辆的与日俱增，对道路强度、刚度、平整度和气候稳定性要求越来越高。为了适应这些要求，必须对各铺层材料运用重型压实机械进行逐层压实以达到高标准的密实度。经过良好均匀压实的铺层，材料颗粒间摩擦阻力和内聚力增大，道路强度、刚度和承载能力大大提高；材料内部的空隙减少，颗粒之间结合更加紧密，能抵抗水的渗透，改善道路的水稳定性和抗冰冻的能力；路面获得好的平整度，车辆行驶更舒适、平稳。工程实践证明，将筑路料的密实度增加 1%，道路的承载能力会增加 10%～15%。尽管压实所需的费用只占总施工预算的 1%～4%，但压实结果对道路的使用寿命是至关重要的。

我国公路建设正逐步采用高的压实标准，为达到这样的标准，国家建设部门规定，只有装备 16 吨级以上重型振动压路机的施工单位才具备参与高等级公路建设的资质。因此，随着每年大量高速公路的开工建设，市场对于重型振动压路机的需求量不断增加。目前国产振动压路机在压实性能、可靠性、液压传动、电器控制等方面与国外产品相比还存在一定的差距，产品系列以中小吨位机械传动方式为主，而性能优良的全液压重型振动压路机主要依赖于进口。要彻底改变这

YZ20D型振动压路机总体设计

种现状，就必须研制和生产具有自主知识产权的高性能重型振动压路机，既能满足市场需求，又能为我国高等级公路建设提供现代化的高效压实装备，确保公路建设的质量。

1.2研究的意义

振动压路机是施工工程的重要设备之一，用来压实各种土壤，碎石料，各种沥青混凝土等。在公路施工中，多用在路基，路面的压实，是筑路施工中不可缺少的压实设备。根据压路机工作原理，结构特点，操作方法和用途等的不同，有不同的分类方法。振动压路机是利用机械自重和激振器产生的激振力，迫使土壤产生垂直振动，急剧减小土颗粒间的内摩擦力，达到压实土壤的目的。振动压实可以根据不同的铺筑材料和铺层厚度，合理地选则振动频率的振幅，提高压实效果，减少压实遍数。振动压路机的压实深度和压实生产率均高于静力压路机，是一种理想的压实设备。振动压路机最适宜压实各种非粘性土（砂、碎石、碎石混和料）及各种沥青混凝土等。是公路、机场、海港、堤坝、铁道等建筑和筑路工程必备的压实设备。

YZ20D型超重型压路机是长沙中联重工科技发展股份有限公司以建设部长沙建设机械研究院为依托，充分发挥其科技创新优势，瞄准国外压路机先进技术，高起点研制成功最新推出的单钢轮全液压自行式压路机。该机采用现代工业设计方法设计，选用原装进口的优质配置，是一种高品质，高可靠性，环保型的产品。它可广泛用于各种等级的公路，铁路，机场，港口及各种工业场地基础层和中间层的压实施工，特别适宜砾石，碎石，沙石混合料等非粘性土壤的高效压实。YZ20D超重型振动压路机在安装装配式凸块构件后可用于块状和粘土的压实。

1.3国内外相关研究现状

1.3.1国内研究情况

我国工程机械行业起步较晚，振动压路机的发展源于1961年西安公路交通学院与西安筑路机械厂联合开发的3t自行式振动压路机。目前，国内已初步形成以徐州工程机械厂、洛阳建筑机械厂为主的二十余家压路机生产厂家，能够生产数十种型号规格的压路机产品。

国内压路机生产企业应充分认识到自身产品在技术性能上与国外先进产品

存在的差距，找出自己的不足，认真借鉴和学习国外产品的先进技术，并结合国内市场的需要不断创新。只有奋起直追，才能为提高国产振动压路机竞争力。长沙建设机械研究院以及中联重工业科技发展股份有限公司一直致力于振动压路

机的开发与实验工作并取得了显著的成绩。其中，YZ14，YZ20D型压路机已开发成功。1999年，长沙中联重工科技发展股份有限公司以建设部长沙建设机械研究院为依托，充分发挥其科技创新优势，瞄准国外压路机先进技术，高起点研制成功了YZ2OD型全液压双驱动振动压路机，这是长沙中联重工科技发展股份有限公司凭籍建设部长沙建设机械研究院几十年从事压路机研究所取得的科研成果和

丰富的设计经验,在充分吸收借鉴九十年代未国内外最先进的压路机技术的基础上而开发的压路机产品,是目前国内作用力最大,压实效果最佳的超重型振动压

路机。该机采用全液压双驱动，驱动桥内装了防止轮胎打滑的差速锁，无级变速，钢轮振动，双频双幅，三级减震，发动机、液压系统和振动轴承等关键零部件选用世界著名品牌，确保使用可靠。

我国压路机行业生产研制水平与我国经济建设仍不相适应，尤其是重型和超重型振动压路机生产数量和品种依然较少，产品的可靠陛和外观质量等综合技术经济指标和自动控制技术方面仍低于国外先进水平闹。积极引进国外先进技术，加强技术创新，开发出具有自主知识产权和独特技术的产品，缩小与国外先进生产企业的差距，对国内压路机生产厂家来说迫在眉睫。设计技术的整体水平还处于经验设计时期，近十多年的压路机技术发展，大部分是通过技术引进实现的。以技术模仿，降低零部件的成本为主；加强科学实验，进行技术测试，建设高水平的实验室的进程还处于起步阶段；CAD技术，有限元分析，机电液一体化，动态设计，仿真等现代设计技术还处于应用入门或水平较低的普及阶段。这种状况是导致企业自主开发能力不强，技术创新能力不足，难以与世界先进水平的工程机械企业展开强有力竞争的原因之一。

1.3.2国外研究情况

1930年德国人最先使用了振动压实技术，并于1940年成功发明了拖式振动压路机，彻底改变了压实效果简单依靠重量或增大线压力的方式。随着振动压实理论研究的不断深入，振动压路机产品的规格品种也越来越多，尤其是20世纪70年代静液压传动和液压控制技术在振动压路机上得到应用，出现了采用调频调幅机构的振动压路机，为压实工作参数的优化调节奠定了基础，使得振动压路机迅速成为世界压路机市场的主导者。

国外超高级路面的振动压实技术，双钢轮自动控制压实系统，水平振动压实技术，增强了压实效果。为了提高了压实效率，国外一些产品还普遍采用超高频振动技术，振动频率超过4000r/min，使压路机迅速达到所需密实度的高输出力，

可有效提高压实的速度。此外，建立在冲击技术理论上的冲击式压路机由于具有制造简单、成本低廉、作用力均匀、压实效果较好的特点也被国内外越来越多的企业所采用，其压实深度可达2~2.5m。

近来国外振动技术更是向着自动化、智能化的方向发展美国INGERsOURAND 公司的DD一130双钢轮串联式振动压路机，在每个振动轮中都有自动反向的偏向装置，可实现7225一16330吨八种不同的激振力输出，基本上可以满足所有土壤类型路面的碾压需要。

目前在国外全液压传动、全轮驱动振动压路机成为主流，铰接式转向、三级制动、调频调幅、故障自动报警与调控、静液压传动与控制、压实度随机检测，振动压实动态特性仿真与分析等技术被充分运用到压路机上同。除上述技术特点之外，国外压实技术在多频率复合振动或混沌振动、超声波技术促使土壤“液化”原理以及新传动技术上也有新的发展。驾驶室有逐渐向汽车驾驶室标准靠近的趋势,整体布置舒适合理，并根据压路机经常需要前后行驶作业的特点，特别注意追求丰裂野宽阔、1xl的等韧捉巨效果，配备有换气、空调、暖风、电视监测等设施。计算机、智能化技术在整机的设计中也被广泛采用。在德国BOM[AG和HAMM、瑞典DYNAPAC等公司的压路机产品中，微电脑技术已经在各工作系统中被广泛应用，如工作系统的监控、驱动系统的防滑转装置，整机的故障自动检测系统等。

1.4研究的主要内容

根据对压路机的主要参数的确定和发动机功率的计算来确定总体设计的参数，校核其爬坡能力。并建立振动压路机的数学模型和运动方程，对其动态响应进行分析研究。结合其他某型号的振动压路机，对YZ20D型振动压路机的液压系统进行介绍。主要包括：

1.设计概述（设计的目的，内容和方法）；

2.总体设计参数的确定与计算；1）主要技术参数的确定； 2）发动机功率计

算；

3.爬坡能力校核；

4.建立振动压路机的数学模型及运动方程；

5.振动压路机的动态响应；

6.振动压路机液压系统介绍；

7.绘制图纸，其中包括：(1)压路机总体结构图；(2)前车架； (3)后车架；

(4)振动轮及其它结构图纸。其中，至少有一张3号图纸应用AUTOCAD软件绘