壓路機振動輪長壽命設(shè)計

夏磐夫，林棟冰，姚運仕，沈建軍

（1.徐工集團道路機械事業(yè)部，江蘇 徐州 221004；2.長安大學(xué) 工程機械學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引 言

近年來，國內(nèi)大噸位振動壓路機的使用工況發(fā)生了巨大的變化，其施工條件傾向于非常惡劣，如單鋼輪振動壓路機用于壓實厚度超過0.5m的穩(wěn)定土鋪層和最大粒徑接近1m的填石鋪層，高振幅連續(xù)碾壓，平均每天工作16h以上等，這些變化使得按常規(guī)工況設(shè)計的壓路機長期工作于極限負荷或超負荷下，導(dǎo)致核心工作裝置——振動輪故障頻頻［1］。為此，本文分析振動輪長壽命設(shè)計的要點。

1 典型振動輪的結(jié)構(gòu)形式

振動輪是振動壓路機的重要組成部件，其作用是通過偏心軸高速旋轉(zhuǎn)的離心力驅(qū)動產(chǎn)生持續(xù)的受迫機械振動，從而施力于地面材料使其密實。根據(jù)振動施力形式不同，壓路機可以被劃分圓周振動壓路機、振蕩壓路機、定向振動壓路機等多種，振動輪也因此具有圓周振動輪、振蕩輪、定向振動輪等多種不同結(jié)構(gòu)［2－5］。

圓周振動輪通過驅(qū)動布置在振動輪軸線上的偏心軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，使振動輪沿著圓周各方向產(chǎn)生振動，對阻力最大方向——地面法向上的土壤進行上下振動壓實；振蕩輪通過驅(qū)動2根相位相差180°的偏心軸同步同向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生按正弦曲線變化的交變力矩，施加于滾輪上，產(chǎn)生一種繞軸心的振蕩運動，對阻力最大方向——地面切向上的土壤進行水平揉搓壓實；定向振動輪通過驅(qū)動對稱布置在某一方向（如水平方向）的2根偏心軸同步反向旋轉(zhuǎn)，使得該方向上的力相互抵消、該方向法向方向上的力疊加，形成定向振動力，對阻力最大方向——地面法向上的土壤進行上下振動壓實［6－8］。

圓周振動輪、振蕩輪的典型結(jié)構(gòu)形式和定向振動輪的一種結(jié)構(gòu)形式如圖1～3所示。3種結(jié)構(gòu)的振動輪均采用泵-馬達驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)中均包含行走和支撐的輪子、振動馬達、產(chǎn)生激振力的偏心軸及其支撐軸承，以及傳遞動力的組件和其他輔助元件等。

圖1 圓周振動輪結(jié)構(gòu)

圖2 振蕩輪結(jié)構(gòu)

2 振動輪長壽命設(shè)計關(guān)注點

2.1 振動輪結(jié)構(gòu)的選擇

到目前為止，主導(dǎo)市場的仍然是圓周振動輪結(jié)構(gòu)，占據(jù)了95%以上的市場份額。

圖3 定向振動輪結(jié)構(gòu)

從振動輪結(jié)構(gòu)形式可以看到，圓周振動輪采用單激振器即可實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)最為簡單；振蕩輪需要形成振蕩力矩，至少需要雙激振器才能實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜；定向振動輪需要抵消某一方向的力，需要雙激振器和相對車架固定的內(nèi)筒，結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜。

按可靠性理論，系統(tǒng)可靠性在很大程度上取決于組成單元的可靠度、系統(tǒng)的可靠性結(jié)構(gòu)模式和組成單元的數(shù)量。相對而言，振動輪結(jié)構(gòu)模型類似于串聯(lián)系統(tǒng)，組成單元的數(shù)量越少越可靠。假設(shè)每一單元的可靠度相同，則圓周振動輪會因組成單元的數(shù)量最少具有最高的可靠性，定向振動輪會因組成單元的數(shù)量最多具有最低的可靠性。

顯然，僅從組成單元的數(shù)量考慮，振動輪進行長壽命設(shè)計時優(yōu)選圓周振動輪結(jié)構(gòu)會更容易達成目標(biāo)，選用其他結(jié)構(gòu)則必須通過提高系統(tǒng)中組成單元的可靠度來彌補單元數(shù)量增加帶來的可靠度損失。

2.2 振動軸承的選型及潤滑設(shè)計

振動輪結(jié)構(gòu)中，支撐偏心軸的軸承位于內(nèi)部，損壞后更換需要拆卸非常多的零部件且維修困難，同時軸承的損壞可能會造成偏心軸、軸承座及價值最高的馬達等連鎖損壞，導(dǎo)致更大經(jīng)濟損失［9］，所以振動輪內(nèi)部軸承的壽命設(shè)計是振動輪設(shè)計中最關(guān)鍵的部分。

按軸承壽命計算公式L＝106（C／P）p／（60n）可知，軸承基本額定壽命L取決于負荷P、軸承額定動負荷C、軸承轉(zhuǎn)速n以及軸承形式?jīng)Q定的壽命指數(shù)p。假設(shè)壓路機采用滾子軸承（滾子軸承壽命指數(shù)p為定值10／3），運行于設(shè)定負荷和設(shè)定轉(zhuǎn)速之下，則軸承的基本額定壽命L僅與軸承額定動載荷C有關(guān)。圓柱滾子軸承工作于82.5kN、振動頻率28Hz（即軸承轉(zhuǎn)速1 680r·min－1）下，基本額定壽命L隨軸承額定動載荷C的變動情況見表1。

表1 壽命計算

通常壓路機振動軸承的動負荷已由壓路機性能參數(shù)確定，按壽命計算公式，由軸承規(guī)格決定的軸承額定動載荷C及其衍生參數(shù)載荷比P／C，對軸承的基本額定壽命有很大影響。通過增大軸承規(guī)格提升軸承額定動載荷C以減小載荷比，能有效延長軸承壽命，通常在振動輪進行長壽命設(shè)計時保證載荷比接近且小于0.1較好，此時軸承基本額定壽命超過18 000h。

顯然，軸承壽命計算的前提是潤滑散熱良好，如果軸承工作時潤滑散熱條件差，潤滑膜破裂、溫度持續(xù)升高使軸承燒結(jié)、破壞，其疲勞壽命也就無從談起。通常，軸承潤滑散熱需要考慮其安裝座和補油結(jié)構(gòu)設(shè)計，安裝座應(yīng)利于油進入軸承兩側(cè)，必要的時候采用補油勺使油在壓路機起步后快速導(dǎo)入軸承內(nèi)部，形成穩(wěn)定的循環(huán)油潤滑和散熱，最大程度地保證軸承工作在預(yù)期的良好的工作模式下。行業(yè)內(nèi)已有多種成熟的軸承潤滑散熱方式，如徐工的油勺式潤滑結(jié)構(gòu)和三一的袋鼠式潤滑結(jié)構(gòu)。

2.3 振動輪傳動件設(shè)計

傳動件設(shè)計不良會導(dǎo)致偏心軸、馬達等高價值部件損壞，造成較大經(jīng)濟損失，需要重點關(guān)注。從振動輪結(jié)構(gòu)來看，偏心軸和花鍵套是關(guān)鍵部件，偏心軸起停振沖擊造成傳動系的額外承載和花鍵套軸向竄動造成的花鍵副額外磨損，是傳動件壽命設(shè)計的重要影響因素。

偏心軸設(shè)計時，以靜偏心矩為目標(biāo)，優(yōu)化偏心塊結(jié)構(gòu)，減小轉(zhuǎn)動慣量，可以減小起停振時的沖擊負載。專利《一種固定偏心塊》（CN203487439U）提供了一種減小偏心軸轉(zhuǎn)動慣量的結(jié)構(gòu)布置方式，通過去除傳統(tǒng)半圓形結(jié)構(gòu)中對靜偏心矩貢獻小但轉(zhuǎn)動慣量大的部分，減小了轉(zhuǎn)動慣量，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)使用突出凸臺上的擋銷安裝，可用于逆轉(zhuǎn)偏心塊激振器形成雙幅，同時回轉(zhuǎn)直徑小，適用于超大噸位壓路機。行業(yè)內(nèi)也提出了一種葫蘆狀偏心塊［10］，其轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)量均最小，可用于單幅式激振器，適用于小噸位壓路機。

圖4 小轉(zhuǎn)動慣量固定偏心塊

花鍵套設(shè)計時，須預(yù)留較大軸向竄動量以消除偏心軸熱脹冷縮產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和補償各相關(guān)零部件制造誤差，但該軸向竄動量會使動力傳遞過程中的花鍵聯(lián)接成為動聯(lián)接，降低花鍵副壽命。

解決辦法之一是增強花鍵耐磨能力，通過提高花鍵齒面加工精度、減小跳動改善花鍵齒面受力，或者提高花鍵齒淬火硬度，使花鍵鍵齒更加耐磨，即使花鍵套竄動仍具有較長壽命。該方法對設(shè)備加工能力有非常高的要求。

解決辦法之二是利用空間分離原則消除馬達側(cè)花鍵副（馬達的花鍵軸頭已標(biāo)準(zhǔn)化，無法更改）的竄動，將該側(cè)的動聯(lián)接變?yōu)殪o聯(lián)接，同時加大偏心軸側(cè)的花鍵（自行設(shè)計，可以更改）規(guī)格，減小偏心軸側(cè)花鍵齒的受力，最終提升2處花鍵副的壽命。

綜合2種方法的特點，徐工壓路機振動輪內(nèi)使用的一種花鍵套自定位專利結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，利用彈簧的伸縮特性解決了該問題，成功避免了馬達軸頭磨損問題，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。由圖5可知，偏心軸與軸承之間可以按軸系設(shè)計要求預(yù)留間隙，如偏心軸向左側(cè)竄動，則彈簧自動伸長，如偏心軸向右側(cè)竄動，則擠壓彈簧，利用彈簧伸縮使花鍵套右側(cè)始終緊貼振動馬達花鍵，花鍵套與馬達軸頭間的花鍵聯(lián)接，由動聯(lián)接轉(zhuǎn)化為近似靜聯(lián)接，不能竄動，從而緩和馬達軸頭花鍵的磨損。

需要注意的是，上述結(jié)構(gòu)中花鍵套與馬達軸頭之間的花鍵宜采用高精度、緊配合，減小花鍵副的側(cè)隙，使載荷能均勻分布在鍵齒上，花鍵套與偏心軸之間的花鍵需要采用比馬達軸頭處花鍵更大的模數(shù)或齒數(shù)，通過減小花鍵齒面壓應(yīng)力來減小該處的磨損。

圖5 自定位花鍵套專利結(jié)構(gòu)

2.4 振動輪密封設(shè)計

振動輪內(nèi)的靜密封通常采用“O”形圈，動密封通常采用骨架油封，設(shè)計時需要按國標(biāo)要求設(shè)計溝槽和孔軸配合，還需考慮骨架油封安裝時的導(dǎo)入倒角、唇口過盈量、相關(guān)件圓跳動及同軸度等［11］。另外，為了進一步增強密封可靠性，振動輪內(nèi)兩處重要的密封——行走軸承處的骨架密封和左右激振室之間的骨架密封在設(shè)計時可以采用一些特別的結(jié)構(gòu)。

行走軸承處的密封，行業(yè)內(nèi)普遍采用或試圖采用冗余設(shè)計，在振動室和外部大氣之間設(shè)置兩道骨架油封，即雙骨架密封結(jié)構(gòu)，將漏油的概率由A%降低到A%×A%，減小1個數(shù)量級，相關(guān)結(jié)構(gòu)已有很多申請了專利。

左右激振器之間的密封設(shè)計，目前行業(yè)內(nèi)有2種處理方式，如圖6、7所示。

圖6 獨立激振室圓周振動輪結(jié)構(gòu)

圖7 筒式四支撐圓周振動輪

圖6 所示的圓周振動輪是一種獨立激振室圓周振動輪，兩側(cè)激振室的潤滑油室不聯(lián)通，靠近振動輪最中心部位的2個偏心軸之間設(shè)有骨架油封，阻止?jié)櫥屯ㄟ^油封處進入激振室之間的區(qū)域，但損壞后難以更換。限于磨損老化，用于動密封的骨架油封壽命很難超過4 000h，若振動輪的設(shè)計壽命按5 000h以上設(shè)計，需考慮更好的密封方式，如將振動室之間的密封由動密封改為靜密封，更換更好的、更光滑的密封材料等。

圖7所示的圓周振動輪給出了另一種圓周振動輪即筒式四支撐圓周振動輪結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過將兩側(cè)激振室的潤滑油直接聯(lián)通，使兩側(cè)激振室內(nèi)的潤滑油互通有無，從而不再需要兩側(cè)激振室之間的油封，徹底避免了油封漏油問題，同時振動輪油室能存儲更多油量，間接地提升了潤滑油老化周期。

振動輪進行長壽命設(shè)計時，選擇筒式四支撐振動輪結(jié)構(gòu)為佳。

2.5 減振設(shè)計

橡膠材料具有天然的內(nèi)阻尼并能進行可逆的大變形，在發(fā)揮良好彈性作用的同時，又是很好的阻尼材料，用于壓路機隔離振動、吸收地面沖擊都具有良好效果［12］。橡膠材料用于壓路機振動輪減振且已經(jīng)形成了一些固化的設(shè)計規(guī)范，如壓路機靜止時減振器靜撓度約為10～15mm，振動系統(tǒng)的頻率比λ＞6（λ為振動頻率與上車固有頻率的比值），作用在減振器的最大剪切應(yīng)力不超過0.4MPa等。這些設(shè)計要求能使壓路機在運行時和進行壓實工作時具有很好的減振性能和較長的使用壽命。

2.6 結(jié)構(gòu)件設(shè)計

振動輪結(jié)構(gòu)件如輪子焊接等通常按無限壽命設(shè)計，按最惡劣工況（跳振，最大激振力）校核。設(shè)計時對相關(guān)焊道處的處理需要注意，部分焊道處由于有局部應(yīng)力集中并難以焊接，要特別設(shè)計筋板進行加強［13－14］。

3 結(jié) 語

通過對振動輪結(jié)構(gòu)形式進行分析，提出振動輪進行長壽命設(shè)計需要采取的措施有：優(yōu)選筒式四支撐圓周振動輪；保證振動軸承載荷比接近且小于0.1；減小激振器轉(zhuǎn)動慣量，采用自定位花鍵套，從而提升傳動件的可靠性；對框架軸承處的油封進行冗余設(shè)計，提升密封可靠性；減振系統(tǒng)按固化的設(shè)計規(guī)范設(shè)計；結(jié)構(gòu)件按無限壽命設(shè)計。