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后桥双轮驱动摊铺机附着性能分析 |
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作者：交通部西安筑路机械厂 于槐三 |
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摘要：以LTY8型摊铺机为例，介绍了一种典型的摊铺机后桥双轮驱动方式，并分析了其良好的附着性能及避免产生寄生功率的问题。
关键词：摊铺机 后桥双轮驱动 附着性能 寄生功率
摊铺机的附着性能好，作业时摊铺速度稳定，摊铺路面的平整度高，操纵性和通过性也好。对于大、中型轮胎式摊铺机，提高其附着性能尤为重要。采用后桥双轮驱动，是提高附着性能行之有效的方法之一。
1 后桥双轮驱动
西安筑路机械厂采用引进技术生产的LTY8型摊铺机，驱动方式是后桥双轮驱动。该机前轮是双转向轮，实心轮胎，通过摆动梁铰接在车架上；后轮是双驱动轮，充气轮胎，通过各自的驱动轮轴联接在车架上；前驱动轮的中心比后驱动轮的中心高15mm，前、后驱动轮由变速差速箱经两根链条等角速度驱动(图1)。
图1 后桥双轮驱动摊铺机主机简图
2 附着性能
该机转向轮轴、前驱动轮轴及后驱动轮轴均刚性安装在车架上，转向轮是刚性轮，前、后驱动轮是弹性轮，型号相同。前驱动轮安装位置高，充气压力低，后驱动轮安装位置低，充气压力高，整机重心位置(摊铺状态时为主机重心位置)在前、后驱动轮之间，且靠近后驱动轮。在作业时，前、后驱动轮受到不同程度的压缩，前驱动轮安装位置高，受力小，压缩量小，动力半径大；后驱动轮安装位置低，受力大，压缩量大，动力半径小。对于车架来说，受力简图如图2。车架受到摊铺机重力G、前驱动轮轴负荷反力N1、后驱动轮轴负荷反力N2及转向轮轴负荷反力N3的作用，属于超静定受力系统。
对图2中A点取力矩，得
(L-b)N1＋LN2＝aG；
等式两边相加bN1，化简后得
N1＋N2＝aG/L+bN1／L (1)
附着重量 Gφ＝N1＋N2；
附着力 Fφ＝φGφ，
即 Fφ=aφG/L+bφN1／L 
图2 车架受力简图
如果N1＝0，就变成后桥单轮驱动，在结构尺寸不变的情况下，地面对驱动轮轴的负荷反力N′2为
N′2=aG/L (3)
附着重量 G′φ=N′2；
附着力 F′φ＝φG′φ，
即 F′φ=aφG/L (4)
比较式(2)与式(4)可知，后桥双轮驱动比单轮驱动附着力增加。设增加量为ΔFφ，则
ΔFφ=Fφ－F′φ，
即 ΔFφ＝aφN1／L (5)
式中： G—整机重力；
N1、N2—双轮驱动情况下，前、后驱动轮轴负荷反力；
N′2—单轮驱动情况下，驱动轮轴负荷反力；
φ—附着系数；
Fφ—双轮驱动情况下的附着力；
F′φ—单轮驱动情况下的附着力；
ΔFφ—双轮驱动比单轮驱动附着力的增量；
L—后驱动轮与转向轮的轴距；
a—整机重心到转向轮的距离；
b—前、后驱动轮的轴距。
对于后桥双轮驱动的摊铺机，如果前驱动轮胎不充气，就变成了单轮驱动，整机重力分配给后驱动轮和转向轮，附着重量等于后驱动轮轴的负荷反力。如果给前驱动轮胎充气，轮胎具有一定的刚度，此时整机重力重新分配，后驱动轮与转向轮的轴负荷减小，减少的轴负荷全部加给前驱动轮，附着重量等于前、后驱动轮轴的负荷反力之和，大于原单轮驱动的附着重量。附着重量增加，附着力就增加，附着性能就提高。如果继续增加前驱动轮胎的充气压力，轮胎的刚度进一步提高，这时前驱动轮的轴负荷再增加，前、后驱动轮轴的负荷反力之和再增加，附着力就进一步增大。因此，后桥双轮驱动不但能增加附着力，而且附着力受前驱动轮胎充气压力调节，当后驱动轮胎的充气压力一定时，前驱动轮胎的充气压力升高，附着力增大。
前、后驱动轮轴负荷反力难以计算，附着力也就难以确定。设计时可以首先按照由地面附着条件决定切线牵引力的原则反算出附着力(即附着力Fφ=切线牵引力FK=工作阻力FX)，再减去按单轮驱动(前轮驱动轮胎充气压力为零)计算的附着力，得到附着力的增量ΔFφ，然后按公式(5)计算前驱动轮轴负荷反力N1。N1的值就是在后驱动轮胎一定的充气压力(如0.7MPa）下，前驱动轮胎充气压力升到某一数值(如0.5MPa)时，对前驱动轮胎产生的负荷反力。达到N1值后，附着力方能满足设计要求。N1值可用试验的方法按计算值标定。
双轮驱动时，对图2C点取力矩，得
N1＝(L-a)G/b-LN3／b (6)
单轮驱动(N1＝0）时，
N′3＝(L-a)G/L (7)
将式(7)代入式(6)得
N1＝（N′3－N3）L／b (8)
式中：N3—双轮驱动情况下，转向轮轴负荷反力；
N′3—单轮驱动情况下，转向轮轴负荷反力。
试验时，称量转向轮轴负荷，称得N3及N′3，按公式(8)计算N1的试验值，与其计算值相比较。两值相等时，附着性能就达到了设计要求。这时前、后驱动轮胎的压力差，就成了反映附着性能好坏的参考值。压力差调小，附着力增大；压力差调大，附着力减小。
3 寄生功率
后桥双轮驱动与双(全)桥驱动方式相同，前、后驱动轮(桥)间传动系均为刚性闭锁式联接。由于前、后驱动轮的滑转率不同，可能会引起寄生功率。后桥双轮驱动示意图如图3。
图3 后桥双轮驱动示意简图
由于前、后驱动轮皆安装在同一个车架上，其实际速度必须相等，即
V1＝V2＝V，
式中：V1、V2—前、后驱动轮的实际速度；
V—摊铺机行驶的实际速度。
V1＝VT1（1－δ1），
V2＝VT2（1－δ2），
VT1=2πnK1rK1，
VT2=2πnK2rK2；
式中：VT1、VT2—前、后驱动轮的理论速度；
δ1、δ2—前、后驱动轮的滑转率；
nK1、nK2—前、后驱动轮的转速；
rK1、rK2—前、后驱动轮的动力半径。
由于前、后驱动轮的转速相等(nK1=nK2)，合并上列等式，可以得出
1-δ1＝（1－δ2）rK2/rK1 (9)
式(9)称为后桥双轮驱动的运动学方程式。
当工作阻力(顶推料车的工作阻力，拖挂熨平装置的工作阻力，坡度阻力及整机滚动阻力之和)为FX时，前、后驱动轮切线牵引力之和应与之平衡，即
FX=FK1+FK2 (10)
式中：FK1—前驱动轮切线牵引力；
FK2—后驱动轮切线牵引力。
式(10)称为后桥双轮驱动的动力学方程式。
设计时，不必分别确定前、后驱动轮的切线牵引力，只需计算出工作阻力FX，把FX作为总的切线牵引力FK，再把后驱动轮的动力半径rK2作为驱动轮的动力半径rK，用公式MK=FKrK计算驱动轮总的驱动力矩MK。这样，计算会简化，也有足够的准确性。
根据前、后驱动轮的滑转率与切线牵引力之间的关系，即
δ1＝δ1（FK1)，
δ2＝δ2（FK2)，
能方便地分析出摊铺机作业过程中可能出现的一些情况。
由于前驱动轮高，后驱动轮低，必然rK1>rK2，根据运动学方程式，可知δ1>δ2。在前、后驱动轮胎充气压力一定的情况下，该机超前率达到δ1－δ2＝0.04。根据动力学方程式及本文第二节的分析，FK1与FK2一定不相等，且保持一定比例。下面按照负荷FX的变化情况进行分析。
3.1 负荷FX很大且地面较松软
这时Vδ2>0，前、后驱动轮都滑转，都是驱动轮，FX=FK1+FK2。
当负荷达到δ1>δ2>δH(δH为额定滑转率)时，前、后驱动轮都能发挥较大牵引力，附着力能得到较充分发挥，但牵引效率低，前、后驱动轮滑转损失过大。超负荷摊铺作业时出现这种情况。
当负荷减小到δ1>δ2=δH时，后驱动轮能发挥较大牵引力，附着力能得到较充分发挥，牵引效率高，前驱动轮滑转损失大。这是理想的设计工况(额定负荷)，满负荷摊铺作业时出现这种情况。
当负荷再减小，达到δ1=δH>δ2时，前驱动轮能发挥较大牵引力，附着力能得到较充分发挥，牵引效率较高，后驱动轮附着力得不到充分发挥，滑转损失较小。大负荷摊铺作业时出现这种情况。
当负荷继续减小到δH>δ1>δ2时，前、后驱动轮都不能发挥较大牵引力，附着力得不到充分发挥，滑转损失较小，牵引效率较小。中小负荷摊铺作业时出现这种情况。
3.2 负荷FX逐渐减小且在较密实的地面上作业
这时前、后驱动轮的滑转率都将减小，当达到V=VT20，后驱动轮纯滚动，FK2=0，仅前驱动轮驱动，FX=FK1。根据运动学方程式，此时δ1＝1－rK2/rK1，小负荷摊铺作业有时会出现这种情况。
3.3 负荷FX进一步减小且在坚实地面上作业
这时前、后驱动轮的滑转率进一步减小，当达到VT1>V>VT2时，δ2<0，δ1>0，前驱动轮滑转，后驱动轮滑移。根据运动学方程式，此时δ1<1-rK2/rK1。
在这种情况下，FK1>0,FK2<0，即后驱动轮在车架的拖动下，一边向前滚动，一边向前滑移，并且起到制动作用，仅前驱动轮驱动，FX=FK1-FK2。由于后驱动轮上作用着与摊铺机行驶方向相反的制动力FK2，由该制动力所形成的功率必将在下列封闭回路中循环：由后驱动轮经后链传动到变速差速箱输出轴，再经前链传动到前驱动轮，然后经车架到后驱动轮。这种现象称为功率循环，被循环的那部分功率称为寄生功率。
寄生功率是有害的，它不能改善摊铺机的牵引性能，反而在循环功率通过处增加传动零件的载荷并产生附加功率损失，降低牵引效率。另外，前驱动轮要克服增大的阻力(FK2)而增加了滑转率，后驱动轮还由于滑移而加速轮胎的磨损。
事实上，后桥双轮驱动的摊铺机，寄生功率并不一定会产生。这是因为：
(1) 如果后驱动轮作纯滚动(N2=0)，前驱动轮的轴负荷N1=aG/(L-b)将大于整机重力，这不是设计所需的工况。设计所需的理想工况是N2>N1，N1＋N2能够满足附着力要求即可。所以，只要优化设计整机的重心位置及前、后驱动轮胎的充气压力差，就能使前、后驱动轮在摊铺机作业工况均处于滑转状态，不可能产生寄生功率。
(2) 摊铺机设计的额定负荷工况应δ1>δ2＝δH，实际摊铺作业时的负荷不会偏离额定负荷过远，即使摊铺厚度很薄时负荷也比较大。所以摊铺作业的负荷变化，不会减小到出现寄生功率的程度。
(3) 充气轮胎的动力半径是变化的，随负荷的减小而增大。如果控制前、后驱动轮胎的充气压力及压力差在一定的范围内，就能在负荷FX减小的时候，使前、后驱动轮动力半径的增量对两轮胎滑转率之差进行平衡，这样前、后驱动轮都处于滚动状态。中低压充气轮胎的刚度较小，容易克服产生寄生功率。综上所述，后桥双轮驱动的摊铺机不需要设置复杂的“脱桥”机构。但在路面不平或转向行驶等情况下，也难免出现瞬时的寄生功率。
4 结语
(1) 后桥双轮驱动能使摊铺机附着性能得到显著改善，该驱动方式结构简单，易被大、中型摊铺机采用。
(2) 合理设计整机重心位置，轮胎高低位置，前后驱动轮充气压力及压力差，使前、后驱动轮得到合理的桥荷，就能避免产生寄生功率。
(3)整机重心位置、超前率、充气压力、充气压力差、桥荷的优化数值还需进一步研究确定。
(end)
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(7/14/2004) |
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