前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的公路工程轮胎压路机惯性负载控制探讨，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要：结合某公路工程，提出轮胎压路机在碾压施工过程中因起步加速及制动减速等操作对沥青混凝土铺层造成惯性负载影响，进而影响铺层碾压施工质量，为此分别结合爬坡加速和下坡制动两种极端工况，对轮胎压路机受力过程进行分析，并对两种极端工况下轮胎压路机起步加速度和制动减速度最大值进行推算，将实际起步加速度和制动减速度取值控制在最大值范围内，以此保证沥青混凝土路面碾压施工质量。
关键词：轮胎压路机；惯性负载；制动减速度
0 引言
轮胎压路机主要借助自重，通过轮胎对沥青混凝土路面材料施加压力，其轮胎具有一定弹性，所以碾压施工过程中会对路面铺层产生揉搓作用，与钢轮压路机相比，铺层表面更加密实均匀。为保证碾压层的密实度和均匀性，轮胎压路机往往会循环反复碾压铺层表面，在其机械频繁起步加速和制动减速的过程中会因机械自身运动状态的变化而产生惯性负载。这种惯性负载影响程度的大小主要与机械质量及起步加速度和制动减速度有关，进而影响路面压实度和平整度，降低铺层材料均匀性，甚至引发铺层推移和拥包。因此本文对该问题进行深入研究。
1 轮胎压路机极限受力情况分析
某公路路面宽 7.0m，路基宽 8.5m，为沥青混凝土面层和水稳碎石基层设计，该公路 YC-JM 方向重载车辆较多且位于下坡，在长时间的行车荷载和重力作用下，路段开始出现不同程度的病害，为此必须尽快采取养护处治措施。轮胎压路机是该公路病害路面碾压施工中重要的施工机械，轮胎压路机行驶系统牵引性能主要受沥青混凝土力学性能的影响，在施工过程中，轮胎压路机在沥青混凝土的反作用力下产生与沥青混凝土抗剪强度直接相关的推进力。根据破坏试验结果，沥青混凝土在轮胎压路机的碾压下主要表现为剪切受力破坏形式，且当某一剪切面上剪力作用远远超出沥青混凝土强度时，铺层材料便会沿剪力方向发生剪切破坏[1]，也就是说，在压路机切向惯性力增大且沥青混凝土铺层抗剪强度不足的情况下，便会引发铺层拥包、推移等病害。为此，必须通过控制惯性负载，使最大驱动力允许值不超出轮胎压路机极限驱动力，从而将惯性负载对轮胎压路机施工质量的不利影响降至最低。
1.1 爬坡加速受力分析
轮胎压路机爬坡起步加速的过程中，由于铺层不出现剪切破坏的临界剪切力比压路机在平坦路面起步的临界剪切力小，所以铺层发生剪切破坏的可能性更大。爬坡起步加速时，轮胎压路机驱动轮在驱动力矩的作用下会向地面施加较大作用力，但其从动轮只受到地面摩擦力的作用而对地面无较大作用力。也就是说，驱动轮所作用的路面最先发生破坏，为简化作用过程，仅对轮胎压路机爬坡起步加速过程中驱动轮受力情况进行分析，具体见图1图 1 中 Mϕ 为压路机驱动部分机械重量；Ff 为轮胎压路机在行进过程中所承受的滚动阻力；Fs为轮胎压路机爬坡起步过程中驱动力最大值；as为加速度最大值；v 为轮胎压路机爬坡行驶速度；θ为其机械爬坡角度。库伦-摩尔定律认为，混合料颗粒咬合力、黏聚力及表面摩擦力等共同构成沥青混凝土剪切强度，其中表面摩擦力和颗粒咬合力均属于内摩擦力，其取值主要与剪切面上正应力成正比例关系，而黏聚力则属于沥青混凝土材料的固有属性。上述计算轮胎压路机爬坡起步过程中铺层临界剪切力的方法同样适用于铺层和基层之间的剪切力的确定。此外，在爬坡起步工况下，轮胎压路机行驶系统驱动力若比附着力大时会导致压路机出现滑转，破坏路面质量。因此，应控制其最大驱动力以避免爬坡起步过程中发生滑转。根据相关作用原理，轮胎压路机爬坡起步工况下，驱动力最大值应为铺层临界剪切力、铺层和基层间剪切力、坡道附着力三者中最小者。爬坡工况下轮胎压路机的牵引力既要克服行驶阻力，又要为压路机起步提供加速度。由于碾压施工过程中压路机以低速行驶，所以分析其爬坡工况下行驶系统受力时，不考虑空气阻力，只考虑沿坡道方向重力分力以及轮胎和路面变形所引发的滚动阻力。轮胎压路机爬坡时其惯性质量可分解为平移惯性质量和旋转惯性质量两部分，为简化分析，可将其旋转惯性质量通过当量惯性系数转化为平移惯性质量，由此可以得出其爬坡时加速度最大值。结合以上分析，可以得出轮胎压路机爬坡工况下加速度最大值表示公式：as=min(Fϕ,Fms,F'ms) - f Mgcosθ - MgsinθδMϕ（1）式 （1） 中：Fϕ 为爬坡轮胎压路机地面附着力；Fms 为爬坡过程中铺层不发生剪切破坏的临界驱动力；F'ms为爬坡时铺层与基层间的临界剪切力；f 为轮胎压路机爬坡过程中滚动阻力系数；M 为轮胎压路机质量；g 为重力加速度；δ 为当量惯性系数；其余参数含义同前。
1.2 下坡制动受力分析
轮胎压路机在下坡过程中必然要减速制动，且当铺层不出现剪切破坏的剪切力临界值比平坦路面减速制动剪切力临界值小时，最有可能发生剪切破坏[2]。为简化分析，应将减速过程中的轮胎压路机视为刚性体，且其前后轮所承受的地面摩擦力相同，受力情况详见图2。图2 下坡制动工况驱动轮受力情况图 2 中，Fb 为轮胎压路机下坡制动过程中制动力最大值；ab为减速度最大值；其余参数含义同前。在下坡制动工况下，路面铺层剪切力临界值的计算过程类似于爬坡加速工况；同样，可以计算出压路机下坡制动过程中铺层和基层间剪切力临界值；轮胎压路机下坡制动过程中滑转制动力临界值的计算方法与爬坡加速工况相同。下坡制动工况下轮胎压路机制动力最大值应为铺层剪切力临界值、铺层和基层间剪切力临界值、滑转制动力临界值中最小者。结合以上分析，可以得出轮胎压路机下坡制动工况下减速度最大值表示公式：as=min(Fϕ,Fmb,F'mb) - f Mgcosθ - MgsinθδM（2）式 （2） 中：Fmb 为下坡制动过程中不会引发铺层剪切破坏的剪切力临界值；F'mb为下坡制动过程中不会引发铺层和基层剪切破坏的剪切力临界值；其余参数含义同前。
2 参数选取及计算结果
针对本工程所使用的 26t后驱动式全液压轮胎压路机轮胎布置形式，应用本文所提出的分析方法进行该机械爬坡起步加速及下坡制动工况下加/减速度最大值的量化分析。该型号轮胎压路机整机质量 2 600kg，驱动轮分配质量 14 950kg，轮胎接地比压 0.15～0.35MPa，在施工平均温度下爬坡最大角度 11°，当量惯性质量系数 1.2，轮胎路面附着系数 0.9～1.0；待施工沥青混凝土路面铺层材料内摩擦角 25°，铺层和基层材料间内摩擦角 30°，滚动系数 0.05，铺层间黏聚力0.08MPa，铺层和基层间黏聚力0.05MPa。在选用参数的过程中，为避免沥青混凝土铺层受轮胎压路机剪切破坏，应选择破坏最容易发生的工况进行分析，为此，所选择参数值应使剪切力临界值取最小。因此，轮胎接地比压取 0.15MPa，轮胎路面附着系数 0.9。根据相关研究，随温度升高后不同种类沥青混凝土材料黏聚力均呈减小趋势，但当温度升高至 60℃后，各种类型沥青混凝土材料的黏聚力趋于一致，而对于沥青混凝土材料压实后的工况而言，施工过程中要求其初压温度应控制在 130～150℃，且终压温度应至少为 90℃，故进行拟合计算后，沥青混凝土黏聚力应取 0.08MPa，类似研究也表明，较粗级配的沥青混凝土摩擦角比较细级配沥青混凝土略大，但黏聚力取值则正好相反，因此，本公路工程中铺层和基层结合处铺层材料内摩擦角比铺层材料间内摩擦角取值略大，且铺层和基层间黏聚力比铺层间黏聚力略小。根据本文前述分析，随着沥青混凝土摩擦角度的减小，轮胎压路机对铺层的破坏程度越大，为此本公路工程铺层材料内摩擦角取25°、铺层和基层材料内摩擦角取30°较为合理。将所确定的参数值带入本文前述轮胎压路机爬坡加速工况及下坡制动工况下受力过程相关公式，可以求出轮胎压路机爬坡起步时铺层不发生剪切破坏的临界驱动力Fms、爬坡时铺层与基层间的临界剪切力 F'ms、爬坡轮胎压路机地面附着力Fϕ、轮胎压路机爬坡起步过程中驱动力最大值Fs、加速度最大值as分别为100.863k N、107.277k N、115.008k N、100.863k N、2.9m/s2。同样道理将相关参数取值带入本文前述轮胎压路机下坡制动工况下受力过程相关公式，可以求出轮胎压路机下坡制动过程中不会引发铺层剪切破坏的剪切力临界值Fmb、下坡制动过程中不会引发铺层和基层剪切破坏的剪切力临界值F'mb、轮胎压路机临界滑转状态制动力Fϕ、轮胎压路机下坡制动过程中制动力最大值 Fb、减速度最大值 ab分别为 175.483k N、181.188k N、115.008k N、115.008k N、2.7m/s2。
3 结语
综上所述，本文针对具体工程提出的轮胎压路机爬坡起步加速及下坡制动减速过程中加速度、减速度最大值的计算方法以不对沥青混凝土铺层产生剪切破坏为原则，根据铺层剪切力临界值进行压路机爬坡起步加速及下坡制动减速加速度、减速度最大值的计算，计算结果可使轮胎压路机施工过程中惯性负载对施工质量的影响降至最低，并保证施工工效。本文所选取的工况为公路工程碾压施工中最恶劣的工况，所以计算结果较为保守，大多数情况下轮胎压路机施工工况均较为平坦，可在本文计算结果的基础上适当增大加速度和减速度，此外，本文分析过程及结论也可推广至钢轮振动压路机等其他碾压施工机型。
参考文献：
[1] 王欣，仝梦炜，袁苏哲，等 . 基于路面临界破坏条件的轮胎压路机惯性负载控制方法研究[J]. 工程机械，2020（1）：12-17.
[2] 刘青 . 26t 全液压轮胎压路机关键控制技术研究[D]. 西安：长安大学，2015.
作者：李磊 单位：江西赣粤高速公路工程有限责任公司
