一种多频率叠加振动钢轮及振动压路机

技术领域

本发明涉及一种振动压路机的钢轮及振动压路机，具体是一种多频率叠加振动钢轮及振动压路机，属于振动压路机技术领域。

背景技术

振动压路机是利用其自身的重力和振动压实各种建筑和筑路材料的工程机械，振动压路机发出的振动载荷可使被压实土壤（如土石填方及路面铺层混合物料等）颗粒处于高频振动状态而丧失颗粒间的内摩擦力，进而可迫使这些颗粒重新密实排列，从而可获得更高的压实效率和更好压实效果，广泛应用于压实各种非粘性土壤、碎石、碎石混合料以及各种沥青混凝土。

振动轮是振动压路机的关键部件之一，它既是振动压路机的工作装置，也是振动压路机的行走装置。振动轮通常通过振动轮内轮圈总成绕其轴线旋转、实现振动压路机的行走功能的同时，通常通过装配在振动轮内部的激振器的高速旋转而产生周期性的激振力，进而使振动轮减振器以内的部分产生持续的机械振动，从而实现迫使被压实土壤颗粒的振动和压实。

通常土壤颗粒由静止初始状态变化为运动状态需要有一个过程，试验表明，为了克服颗粒之间的黏聚力和吸附力，对一般的亚粘土应至少进行三次强迫振动才足以使这些土壤颗粒处于振动状态，因此，振动钢轮曲率半径（即影响振动钢轮接地面积的参数）为一定值的条件下，振动频率确定后，振动压路机最大碾压速度也就相应确定。另一方面，为保证土壤被均匀压实，需要保证单位长度被压实土壤获得的压实功相等，这就要求压路机以稳定的碾压速度行驶（以保证单位时间压路机行走的长度相等）并以稳定的振动频率振动（以保证单位时间内压路机输出的功相等）。

行业内现有的圆周振动、垂直振动等振动方式均采用的是与被压实土壤颗粒固有频率具有一定比例关系的单一频率激振，因此完成起振后的正常压实工况（非跳振工况）下，压路机振动轮也通常只能以与激振频率相同的单一频率振动，此时，振动压路机最大碾压速度就受限于与固有频率具有一定比例关系的激振频率。例如单钢轮压路机通常以33Hz激振，正常压实（非跳振）时振动轮输出频率33Hz的振动，振动压路机碾压速度通常不建议超过6km/h。

行业内也提出了非线性振动的混沌振动概念，确定性输入下输出不规则的振动，可以输出多种振动频率，频带更宽，理论上可以使用选择其中的某一振动频率来匹配提高压实速度，然而混沌振动方式的输出不可控，可能导致土壤压实不均匀。

因此，如何实现振动压路机的振动轮以多个振动频率振动、并根据其中最高的振动频率确定和提高碾压速度以提高压实效率问题，同时如何实现振动轮在确定性输入下输出稳定规则的周期性振动以保证压实后土壤的均匀性问题，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种多频率叠加振动钢轮及振动压路机，能够实现输出规则的多频率周期性振动，并能够在保证压实后土壤均匀性的前提下实现提高碾压速度，进而实现提高压实效率。

为实现上述目的，本多频率叠加振动钢轮包括轮体、主激振装置和副激振装置；

轮体包括筒型结构的轮圈以及同轴固定设置在轮圈内部、且沿轴向方向相对于轮圈左右对称设置的多层辐板，轮体最外层的辐板通过减振器将钢轮与振动压路机的机架或驱动板连接；

主激振装置通过振动轴承和辐板设置在轮体内部的几何中心位置，主激振装置包括与轮体同轴设置的主激振振动轴以及固定设置在主激振振动轴上、且沿主激振振动轴径向方向伸出设置的主激振偏心块，主激振振动轴上设有主激振驱动机构；

副激振装置相对于主激振装置左右对称设置，副激振装置包括与轮体同轴设置的副激振振动轴以及固定设置在副激振振动轴上、且沿副激振振动轴径向方向伸出设置的副激振偏心块，副激振振动轴上设有副激振驱动机构、且所有副激振偏心块的合成偏心距为主激振偏心块偏心距的15%～40%；

工作状态时，副激振振动轴与主激振振动轴同向旋转，所有副激振振动轴的转速相同、且副激振振动轴的转速是主激振振动轴转速的2倍或3倍或4倍。

作为本发明的一种实施方式，副激振偏心块与主激振偏心块的初始相位差为0°。

作为本发明的另一种实施方式，副激振偏心块与主激振偏心块的初始相位差为90°。

作为本发明的进一步改进方案，主激振驱动机构和副激振驱动机构共用同一个激振驱动机构，且副激振振动轴与主激振振动轴传动连接。

作为本发明的优选方案，主激振驱动机构和副激振驱动机构共用同一个主激振驱动机构。

作为本发明的一种实施方式，副激振振动轴与主激振振动轴通过齿轮传动连接。

一种振动压路机，包括多频率叠加振动钢轮。

与现有技术相比，采用本多频率叠加振动钢轮通过频率、振幅、相位组合，能够叠加输出特殊规则的双频率振动，通过其中与被压实土壤颗粒固有频率具有一定比例关系的基频可驱使土壤颗粒运动、可保证压实过程的稳定性和压实后土壤的均匀性，通过其中与基频呈倍数关系的高频可驱使土壤颗粒更快实现多次强迫振动而处于振动状态、可实现提高碾压速度和压实效率，且采用特殊的、稳定的、规则的多频率叠加输出，在副激振偏心块和主激振偏心块的初始相位差为0°时可以有效地加大向下振地的幅度，进而实现增大钢轮对地作用力、提高压实效率，在副激振偏心块和主激振偏心块的初始相位差为90°时可以有效地降低钢轮向上的幅度，进而实现降低钢轮脱离地面的几率、避免跳振，保证压实后土壤的均匀性。

附图说明

图1是本发明多频率叠加振动钢轮的结构示意图；

图2是本发明实施例轮体在主激振装置的激励下以振幅1.0mm、频率33Hz、初始相位0°进行圆周振动的波形图；

图3是本发明实施例1轮体在副激振装置的激励下以振幅0.2mm、频率99Hz、初始相位0°进行圆周振动的波形图；

图4是本发明实施例1轮体在主激振装置和副激振装置同时激励下的叠加波形图；

图5是本发明实施例2轮体在副激振装置的激励下以振幅0.15mm、频率99Hz、初始相位0°进行圆周振动的波形图；

图6是本发明实施例2轮体在主激振装置和副激振装置同时激励下的叠加波形图；

图7是本发明实施例3轮体在副激振装置的激励下以振幅0.4mm、频率66Hz、初始相位0°进行圆周振动的波形图；

图8是本发明实施例3轮体在主激振装置和副激振装置同时激励下的叠加波形图；

图9是本发明实施例4轮体在副激振装置的激励下以振幅0.4mm、频率66Hz、初始相位90°进行圆周振动的波形图；

图10是本发明实施例4轮体在主激振装置和副激振装置同时激励下的叠加波形图；

图11是本发明实施例5轮体在副激振装置的激励下以振幅0.2mm、频率132Hz、初始相位0°进行圆周振动的波形图；

图12是本发明实施例5轮体在主激振装置和副激振装置同时激励下的叠加波形图。

图中：1、轮体；11、减振器；2、主激振装置；21、主激振偏心块；3、副激振装置；31、副激振偏心块。

实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明（以下以轮体1的轴向方向为左右方向进行描述）。

如图1所示，本多频率叠加振动钢轮包括轮体1、主激振装置2和副激振装置3；轮体1包括筒型结构的轮圈以及同轴固定设置在轮圈内部、且沿轴向方向相对于轮圈左右对称设置的多层辐板，轮体1最外层的辐板通过减振器11将钢轮与振动压路机的机架或驱动板连接；主激振装置2通过振动轴承和辐板设置在轮体1内部的几何中心位置，主激振装置2包括与轮体1同轴设置的主激振振动轴以及固定设置在主激振振动轴上、且沿主激振振动轴径向方向伸出设置的主激振偏心块21，主激振振动轴上设有主激振驱动机构，通过控制主激振驱动机构动作可以实现控制主激振振动轴带动主激振偏心块21高速旋转输出主激振力；副激振装置3相对于主激振装置2左右对称设置，即，位于主激振装置2左侧或右侧的副激振装置3可设置为一件或多件，副激振装置3包括与轮体1同轴设置的副激振振动轴以及固定设置在副激振振动轴上、且沿副激振振动轴径向方向伸出设置的副激振偏心块31，副激振振动轴上设有副激振驱动机构，通过控制副激振驱动机构动作可以实现控制副激振振动轴带动副激振偏心块31高速旋转输出副激振力，基于振动压路机的实际应用考虑，避免过大的偏心矩比例因偏心块旋转导致过大的离心力而在结构上不易实现、或者过小的偏心矩比因振动幅度小导致高频的作用效果不明显，因此将所有副激振偏心块31的合成偏心距限定为主激振偏心块21偏心距的15%～40%；工作状态时，副激振振动轴与主激振振动轴同向旋转，为保证叠加输出的稳定性，所有副激振振动轴的转速相同设置，基于振动压路机的实际应用考虑，为保证叠加输出的稳定性、且避免因过大的转速倍差而造成高速轴承的选型困难无法实现的问题，副激振振动轴的转速限定为主激振振动轴转速的2倍或3倍或4倍（即2至4中的整数倍）。

为了减少机构设置、且更便于保证同步性，作为本发明的进一步改进方案，主激振驱动机构和副激振驱动机构共用同一个激振驱动机构，为保证激振的均衡性，主激振驱动机构和副激振驱动机构优选共用同一个主激振驱动机构，且副激振振动轴与主激振振动轴通过齿轮传动连接，通过共用的位于轮体1内部几何中心位置的同一个主激振驱动机构可同步驱动主激振振动轴和副激振振动轴的同向旋转。

以下以副激振装置3相对于主激振装置2左右对称设置为两件为例，对本发明做进一步说明。

实施例

两件副激振偏心块31的合成偏心矩为主激振偏心块21偏心距的20%，副激振振动轴的转速是主激振振动轴转速的3倍，主激振偏心块21初始相位为0，两件副激振偏心块31和主激振偏心块21的初始相位差为0，即两件副激振偏心块31的初始相位也为0，此时的初始状态下，主激振偏心块21和副激振偏心块31的质心均位于经过轮体1的中轴线且垂直于地面的立面内，主激振偏心块21和副激振偏心块31的重力方向均指向且垂直于地面；若主激振装置2主激振振动轴的转速为1980r/min，单独激励时造成的轮体1振幅为1.0mm，则在上述条件下，如图2所示，轮体1在主激振装置2的激励下以振幅1.0mm、频率33Hz、初始相位0的圆周振动，同时如图3所示，轮体1在副激振装置3的激励下以振幅0.2mm、频率99Hz、初始相位0的圆周振动，二者叠加可形成如图4所示的特殊规则的双频振动，轮体1以基频33Hz和基频的3倍频振动，通过与被压实土壤颗粒固有频率具有一定比例关系的基频33Hz可驱使土壤颗粒运动，通过基频的3倍频可驱使土壤颗粒更快实现多次强迫振动而处于振动状态，以实现在保证压实后土壤均匀性的前提下提高碾压速度和压实效率。

实施例

两件副激振偏心块31的合成偏心矩为主激振偏心块21偏心距的15%，副激振振动轴的转速是主激振振动轴转速的3倍，主激振偏心块21初始相位为0，两件副激振偏心块31和主激振偏心块21的初始相位差为0，即两件副激振偏心块31的初始相位也为0，此时的初始状态下，主激振偏心块21和副激振偏心块31的质心均位于经过轮体1的中轴线且垂直于地面的立面内，主激振偏心块21和副激振偏心块31的重力方向均指向且垂直于地面；若主激振装置2主激振振动轴的转速为1980r/min，单独激励时造成的轮体1振幅为1.0mm，则在上述条件下，如图2所示，轮体1在主激振装置2的激励下以振幅1.0mm、频率33Hz、初始相位0的圆周振动，同时如图5所示，轮体1在副激振装置3的激励下以振幅0.15mm、频率99Hz、初始相位0的圆周振动，二者叠加可形成如图6所示的特殊规则的双频振动，轮体1以基频33Hz和基频的3倍频振动，通过与被压实土壤颗粒固有频率具有一定比例关系的基频33Hz可驱使土壤颗粒运动，通过基频的3倍频可驱使土壤颗粒更快实现多次强迫振动而处于振动状态，以实现在保证压实后土壤均匀性的前提下提高碾压速度和压实效率，另外，通过上述设置，可以有效削平并减小最大振幅，避免跳振。

实施例

两件副激振偏心块31的合成偏心矩为主激振偏心块21偏心距的40%，副激振振动轴的转速是主激振振动轴转速的2倍，主激振偏心块21初始相位为0，两件副激振偏心块31和主激振偏心块21的初始相位差为0，即两件副激振偏心块31的初始相位也为0，此时的初始状态下，主激振偏心块21和副激振偏心块31的质心均位于经过轮体1的中轴线且垂直于地面的立面内，主激振偏心块21和副激振偏心块31的重力方向均指向且垂直于地面；若主激振装置2主激振振动轴的转速为1980r/min，单独激励时造成的轮体1振幅为1.0mm，则在上述条件下，如图2所示，轮体1在主激振装置2的激励下以振幅1.0mm、频率33Hz、初始相位0的圆周振动，同时如图7所示，轮体1在副激振装置3的激励下以振幅0.4mm、频率66Hz、初始相位0的圆周振动，二者叠加可形成如图8所示的特殊规则的双频振动，轮体1以基频33Hz和基频的2倍频振动，通过与被压实土壤颗粒固有频率具有一定比例关系的基频33Hz可驱使土壤颗粒运动，通过基频的2倍频可驱使土壤颗粒更快实现多次强迫振动而处于振动状态，以实现在保证压实后土壤均匀性的前提下提高碾压速度和压实效率，另外，通过上述设置，叠加后的最大振幅大于仅主激振装置2单独激振时的振幅，能够实现增大对地作用力、提高压实效率。

实施例

两件副激振偏心块31的合成偏心矩为主激振偏心块21偏心距的40%，副激振振动轴的转速是主激振振动轴转速的2倍，主激振偏心块21初始相位为0，两件副激振偏心块31和主激振偏心块21的初始相位差为90°，即两件副激振偏心块31的初始相位为90°，此时的初始状态下，主激振偏心块21的质心位于经过轮体1的中轴线且垂直于地面的立面内，其重力方向指向且垂直于地面，副激振偏心块31的质心均位于经过轮体1的中轴线且与地面平行的水平面内；若主激振装置2主激振振动轴的转速为1980r/min，单独激励时造成的轮体1振幅为1.0mm，则在上述条件下，如图2所示，轮体1在主激振装置2的激励下以振幅1.0mm、频率33Hz、初始相位0的圆周振动，同时如图9所示，轮体1在副激振装置3的激励下以振幅0.4mm、频率66Hz、初始相位90°的圆周振动，二者叠加可形成如图10所示的特殊规则的双频振动，轮体1以基频33Hz和基频的2倍频振动，通过与被压实土壤颗粒固有频率具有一定比例关系的基频33Hz可驱使土壤颗粒运动，通过基频的2倍频可驱使土壤颗粒更快实现多次强迫振动而处于振动状态，以实现在保证压实后土壤均匀性的前提下提高碾压速度和压实效率，另外，通过上述相位差90°设置，振动叠加后，轮体向上和向下的振动幅度不同，由本实施例图10可以看到，向下的振幅约为1.4mm，向上的振幅约为0.7mm，可以相对于仅主激振装置2单独激振实现有效地加大向下振地的幅度，以实现增大对地作用力、提高压实效率，同时，可以实现降低钢轮向上的幅度，以实现降低钢轮脱离地面的几率、避免跳振，保证压实后土壤的均匀性。

实施例

两件副激振偏心块31的合成偏心矩为主激振偏心块21偏心距的20%，副激振振动轴的转速是主激振振动轴转速的4倍，主激振偏心块21初始相位为0，两件副激振偏心块31和主激振偏心块21的初始相位差为0，即两件副激振偏心块31的初始相位也为0，此时的初始状态下，主激振偏心块21和副激振偏心块31的质心均位于经过轮体1的中轴线且垂直于地面的立面内，主激振偏心块21和副激振偏心块31的重力方向均指向且垂直于地面；若主激振装置2主激振振动轴的转速为1980r/min，单独激励时造成的轮体1振幅为1.0mm，则在上述条件下，如图2所示，轮体1在主激振装置2的激励下以振幅1.0mm、频率33Hz、初始相位0的圆周振动，同时如图11所示，轮体1在副激振装置3的激励下以振幅0.2mm、频率132Hz、初始相位0的圆周振动，二者叠加可形成如图12所示的特殊规则的双频振动，轮体1以基频33Hz和基频的4倍频振动，通过与被压实土壤颗粒固有频率具有一定比例关系的基频33Hz可驱使土壤颗粒运动，通过基频的4倍频可驱使土壤颗粒更快实现多次强迫振动而处于振动状态，以实现在保证压实后土壤均匀性的前提下提高碾压速度和压实效率。

本多频率叠加振动钢轮通过频率、振幅、相位组合，能同时输出特殊规则的双频率振动，利用其中的高频可实现提高碾压速度和压实效率，并可保证压实过程的稳定性和压实后土壤的均匀性，且采用特殊的、稳定的、规则的多频率叠加输出，在副激振偏心块31和主激振偏心块21的初始相位差为0°时可以有效地加大向下振地的幅度，进而实现增大钢轮对地作用力、提高压实效率，在副激振偏心块31和主激振偏心块21的初始相位差为90°时可以有效地降低钢轮向上的幅度，进而实现降低钢轮脱离地面的几率、避免跳振，保证压实后土壤的均匀性。