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基于TRIZ的振动压路机驾驶室减振技术研究

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  摘 要:全液压铰接式双钢轮压路机工作装置的激振机构产生圆周方向的激振力,激振力越大,压实沥青层厚度越大。但是工作装置的振动加速度越大,驾驶室的振动烈度也越大,驾驶室舒适性就越差。这是振动压路机行业内普遍存在一个问题。针对该问题,通过TRIZ创新理论建立分析模型,使用相应的创新技法,最终获得理想的工程解。使驾驶室振动烈度从可容忍级提升至良好级,达到行业先进水平,并批量应用于双钢轮压路机产品。
中国论文网 http://www.egsf.org/8/view-6985931.htm
  关键词:双钢轮压路机;TRIZ;振动烈度
  1 技术背景
  目前,国内市场的全液压双钢轮振动压路机大部分配置驾驶室,起到冬暖夏凉的作用。一般采用三级减振设计:第一级减振来自于钢轮和前后车架的减振器,第二级减振来自于车架和驾驶室之间的减振器,第三级减振来自于机械悬浮式驾驶座椅。
  根据2014年华北、华南、华中三个大区的所有品牌双钢轮压路机的客户使用调研报告,操作手普遍反映驾驶室内振动较大,连续施工一天感觉很疲惫。众所周知,双钢轮压路机最主要工作装置是振动轮,振动轮的激振装置产生圆周方向的a激振力,促使振动轮振动。振幅越大,压实沥青层厚度越大。在振动轮、驾驶室、座椅等三级隔振装置保持不变的情况下,振动轮的振动加速度越大,驾驶室的振动也越大,驾驶室舒适性就越差。这就是振动压路机行业内普遍存在一个问题盾,同时两个钢轮存在频率差,双钢轮振动压路机或大或小存在拍振现象,这也会影响驾驶室舒适性。
  2 问题分析
  既要钢轮振动较大,又要驾驶室内振动尽量小,这就是本技术问题的矛盾所在。目前解决振动压路机这个主要矛盾的措施就是增加隔振装置。理论计算并选型的钢轮隔振装置和驾驶室隔振装置的传递率均≤10%,但是由于钢轮激振力心的偏差、每个减振器的个体差异、车架和驾驶室的制造误差以及焊接变形、车架和驾驶室重心偏差、装配误差等因素的影响,实际测试的传递率很多位置均大于10%,如表1所示。
  表1 样机改进前驾驶室减振器振动传递率
  根据对4X4组安装了不同个体的同型号减振器的驾驶室减振效果进行测试,并得出结论:驾驶室底部四个减振器的压缩量不一致是导致减振效果差的主要原因之一。
  目前采用的工艺方法是将车架四个安装平板铣加工保证平面度在0.6mm以内,同时采用三坐标测量仪测量驾驶室底部安装面高度差用于增减调整垫。车架宽度1950mm,前后1140mm,需要用大型镗铣中心加工。单台铣加工成本约450元(包括工人工时和设备工时),见图1和图2。加工成本较高。
  装配班在装配驾驶室之前,需用三坐标测量机测量每台前车架减振器安装面的高度差,见图3,需要2个工时,生产效率低下。
  图1 车架铣加工
  图2 加工后的减振器安装平面
  图3 三坐标测量仪测量安装面高度差
  3 TRIZ模型建立和求解过程
  根据TRIZ理论,解决发明问题的核心是克服冲突。TRIZ中冲突解决原理是在分析全世界大量专利的基础上提出的。通过多年的研究、分析、比较,G.S.Altshuller提出了冲突矩阵,该矩阵将描述技术冲突的39个工程参数与40条发明原理建立了对应关系,很好地解决了设计过程中选择发明原理的难题。
  参考39个工程参数,可将目前振动压路机驾驶室减振问题的工艺方法归纳为三组技术冲突,并查阅冲突矩阵获得对应的发明原理,如表2所示。
  将抽象的发明原理具体为工程解:
  1)利用分割原理:将原驾驶室底部安装四个减振器的底板与驾驶室分离,变成装配结构。同时将车架上安装四个减振器的车架板形成一个整体并与车架分离,变成一个装配结构。单独加工这两个上下安装板,形成备选方案一。
  2)更进一步地利用分割原理,将功能与结构分割。车架只保留安装减振器的功能,采用专用的等高装配工装实现压缩量一致的功能。形成备选方案二。
  3)利用机械系统的替代原理:橡胶减振器制造一致性较差,根据本原理,选用液压减振器,完成对原减振系统的替代。形成备选方案三。
  4)利用预操作原理:为消除驾驶室底部安装面和车架安装面的焊接变形产生的误差,在装配之间就在压缩量小的减振器处增加调整垫片。同时应用分割原理,将原不同厚度的调整垫分割成同一厚度0.5mm,形成备选方案四。
  5)根据TRIZ资源分析理论:利用场资源中的超系统资源―驾驶座椅,保持现有驾驶室减振系统不变,驾驶室减振器和车架上减振器安装面不予加工。在驾驶室座椅机械结构下方增加一级减振,或者选用带阻尼减振的座椅。形成备选方案5。
  4 最终解决方案
  结合工程机械行业设计、制造、工艺能力与现状,对备选方案形成解的评价,如表3所示。
  表3 备选方案评价表
  图4 装配工装
  综合评价,最终解决方案采用方案一和方案四的组合,采用专利设计的减振器等高装配工装,见图4。装配前在驾驶室4个减振器安装位置各放置一个工装,三点共面,那么在第4个工装处增加相应的调整垫片。调整垫片分为0.1mm、0.2mm、0.5mm和1mm四种,这样既可保证4个减振器压缩量的最大误差为0.1mm。
  5 实施效果
  将以上最终解决方案应用于STR130双钢轮压路机,并在东常高速公路路面3标现场进行对比工地测试,该样机驾驶室减振效果达到良好级,振动烈度从9.08mm/s提升至1.04mm/s,行业领先,超过国际知名压路机品牌。如表4和表5所示。
  单台双钢轮压路机节约制造成本500元,按年产量300台计算,为公司节省成本15万元/年。同时节省了一台车架加工专用机床,成本约50万。
  表4 STR130双钢轮压路机驾驶室振动烈度测试(单位:mm/s)
  表5 某国外品牌双钢轮压路机驾驶室振动烈度测试(单位:mm/s)(单位:mm/s)
  参考文献
  [1] 檀润华. TRIZ及应用技术创新过程与方法 第1版 北京:高等教育出版社 2010
  [2] 丁文镜. 减振理论 第2版 北京:清华大学出版社 2014
  作者简介:何海涛(1982--),男,中级工程师,研究方向:工程机械设计与研究。

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