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摘要：結合某公路工程，提出輪胎壓路機在碾壓施工過程中因起步加速及制動減速等操作對瀝青混凝土鋪層造成慣性負載影響，進而影響鋪層碾壓施工質量，為此分別結合爬坡加速和下坡制動兩種極端工況，對輪胎壓路機受力過程進行分析，并對兩種極端工況下輪胎壓路機起步加速度和制動減速度最大值進行推算，將實際起步加速度和制動減速度取值控制在最大值范圍內，以此保證瀝青混凝土路面碾壓施工質量。
關鍵詞：輪胎壓路機；慣性負載；制動減速度
0 引言
輪胎壓路機主要借助自重，通過輪胎對瀝青混凝土路面材料施加壓力，其輪胎具有一定彈性，所以碾壓施工過程中會對路面鋪層產生揉搓作用，與鋼輪壓路機相比，鋪層表面更加密實均勻。為保證碾壓層的密實度和均勻性，輪胎壓路機往往會循環反復碾壓鋪層表面，在其機械頻繁起步加速和制動減速的過程中會因機械自身運動狀態的變化而產生慣性負載。這種慣性負載影響程度的大小主要與機械質量及起步加速度和制動減速度有關，進而影響路面壓實度和平整度，降低鋪層材料均勻性，甚至引發鋪層推移和擁包。因此本文對該問題進行深入研究。
1 輪胎壓路機極限受力情況分析
某公路路面寬 7.0m，路基寬 8.5m，為瀝青混凝土面層和水穩碎石基層設計，該公路 YC-JM 方向重載車輛較多且位于下坡，在長時間的行車荷載和重力作用下，路段開始出現不同程度的病害，為此必須盡快采取養護處治措施。輪胎壓路機是該公路病害路面碾壓施工中重要的施工機械，輪胎壓路機行駛系統牽引性能主要受瀝青混凝土力學性能的影響，在施工過程中，輪胎壓路機在瀝青混凝土的反作用力下產生與瀝青混凝土抗剪強度直接相關的推進力。根據破壞試驗結果，瀝青混凝土在輪胎壓路機的碾壓下主要表現為剪切受力破壞形式，且當某一剪切面上剪力作用遠遠超出瀝青混凝土強度時，鋪層材料便會沿剪力方向發生剪切破壞[1]，也就是說，在壓路機切向慣性力增大且瀝青混凝土鋪層抗剪強度不足的情況下，便會引發鋪層擁包、推移等病害。為此，必須通過控制慣性負載，使最大驅動力允許值不超出輪胎壓路機極限驅動力，從而將慣性負載對輪胎壓路機施工質量的不利影響降至最低。
1.1 爬坡加速受力分析
輪胎壓路機爬坡起步加速的過程中，由于鋪層不出現剪切破壞的臨界剪切力比壓路機在平坦路面起步的臨界剪切力小，所以鋪層發生剪切破壞的可能性更大。爬坡起步加速時，輪胎壓路機驅動輪在驅動力矩的作用下會向地面施加較大作用力，但其從動輪只受到地面摩擦力的作用而對地面無較大作用力。也就是說，驅動輪所作用的路面最先發生破壞，為簡化作用過程，僅對輪胎壓路機爬坡起步加速過程中驅動輪受力情況進行分析，具體見圖1圖 1 中 Mϕ 為壓路機驅動部分機械重量；Ff 為輪胎壓路機在行進過程中所承受的滾動阻力；Fs為輪胎壓路機爬坡起步過程中驅動力最大值；as為加速度最大值；v 為輪胎壓路機爬坡行駛速度；θ為其機械爬坡角度。庫倫-摩爾定律認為，混合料顆粒咬合力、黏聚力及表面摩擦力等共同構成瀝青混凝土剪切強度，其中表面摩擦力和顆粒咬合力均屬于內摩擦力，其取值主要與剪切面上正應力成正比例關系，而黏聚力則屬于瀝青混凝土材料的固有屬性。上述計算輪胎壓路機爬坡起步過程中鋪層臨界剪切力的方法同樣適用于鋪層和基層之間的剪切力的確定。此外，在爬坡起步工況下，輪胎壓路機行駛系統驅動力若比附著力大時會導致壓路機出現滑轉，破壞路面質量。因此，應控制其最大驅動力以避免爬坡起步過程中發生滑轉。根據相關作用原理，輪胎壓路機爬坡起步工況下，驅動力最大值應為鋪層臨界剪切力、鋪層和基層間剪切力、坡道附著力三者中最小者。爬坡工況下輪胎壓路機的牽引力既要克服行駛阻力，又要為壓路機起步提供加速度。由于碾壓施工過程中壓路機以低速行駛，所以分析其爬坡工況下行駛系統受力時，不考慮空氣阻力，只考慮沿坡道方向重力分力以及輪胎和路面變形所引發的滾動阻力。輪胎壓路機爬坡時其慣性質量可分解為平移慣性質量和旋轉慣性質量兩部分，為簡化分析，可將其旋轉慣性質量通過當量慣性系數轉化為平移慣性質量，由此可以得出其爬坡時加速度最大值。結合以上分析，可以得出輪胎壓路機爬坡工況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 為爬坡輪胎壓路機地面附著力；Fms 為爬坡過程中鋪層不發生剪切破壞的臨界驅動力；F'ms為爬坡時鋪層與基層間的臨界剪切力；f 為輪胎壓路機爬坡過程中滾動阻力系數；M 為輪胎壓路機質量；g 為重力加速度；δ 為當量慣性系數；其余參數含義同前。
1.2 下坡制動受力分析
輪胎壓路機在下坡過程中必然要減速制動，且當鋪層不出現剪切破壞的剪切力臨界值比平坦路面減速制動剪切力臨界值小時，最有可能發生剪切破壞[2]。為簡化分析，應將減速過程中的輪胎壓路機視為剛性體，且其前后輪所承受的地面摩擦力相同，受力情況詳見圖2。圖2 下坡制動工況驅動輪受力情況圖 2 中，Fb 為輪胎壓路機下坡制動過程中制動力最大值；ab為減速度最大值；其余參數含義同前。在下坡制動工況下，路面鋪層剪切力臨界值的計算過程類似于爬坡加速工況；同樣，可以計算出壓路機下坡制動過程中鋪層和基層間剪切力臨界值；輪胎壓路機下坡制動過程中滑轉制動力臨界值的計算方法與爬坡加速工況相同。下坡制動工況下輪胎壓路機制動力最大值應為鋪層剪切力臨界值、鋪層和基層間剪切力臨界值、滑轉制動力臨界值中最小者。結合以上分析，可以得出輪胎壓路機下坡制動工況下減速度最大值表示公式：as=min(Fϕ,Fmb,F'mb) - f Mgcosθ - MgsinθδM（2）式 （2） 中：Fmb 為下坡制動過程中不會引發鋪層剪切破壞的剪切力臨界值；F'mb為下坡制動過程中不會引發鋪層和基層剪切破壞的剪切力臨界值；其余參數含義同前。
2 參數選取及計算結果
針對本工程所使用的 26t后驅動式全液壓輪胎壓路機輪胎布置形式，應用本文所提出的分析方法進行該機械爬坡起步加速及下坡制動工況下加/減速度最大值的量化分析。該型號輪胎壓路機整機質量 2 600kg，驅動輪分配質量 14 950kg，輪胎接地比壓 0.15～0.35MPa，在施工平均溫度下爬坡最大角度 11°，當量慣性質量系數 1.2，輪胎路面附著系數 0.9～1.0；待施工瀝青混凝土路面鋪層材料內摩擦角 25°，鋪層和基層材料間內摩擦角 30°，滾動系數 0.05，鋪層間黏聚力0.08MPa，鋪層和基層間黏聚力0.05MPa。在選用參數的過程中，為避免瀝青混凝土鋪層受輪胎壓路機剪切破壞，應選擇破壞最容易發生的工況進行分析，為此，所選擇參數值應使剪切力臨界值取最小。因此，輪胎接地比壓取 0.15MPa，輪胎路面附著系數 0.9。根據相關研究，隨溫度升高后不同種類瀝青混凝土材料黏聚力均呈減小趨勢，但當溫度升高至 60℃后，各種類型瀝青混凝土材料的黏聚力趨于一致，而對于瀝青混凝土材料壓實后的工況而言，施工過程中要求其初壓溫度應控制在 130～150℃，且終壓溫度應至少為 90℃，故進行擬合計算后，瀝青混凝土黏聚力應取 0.08MPa，類似研究也表明，較粗級配的瀝青混凝土摩擦角比較細級配瀝青混凝土略大，但黏聚力取值則正好相反，因此，本公路工程中鋪層和基層結合處鋪層材料內摩擦角比鋪層材料間內摩擦角取值略大，且鋪層和基層間黏聚力比鋪層間黏聚力略小。根據本文前述分析，隨著瀝青混凝土摩擦角度的減小，輪胎壓路機對鋪層的破壞程度越大，為此本公路工程鋪層材料內摩擦角取25°、鋪層和基層材料內摩擦角取30°較為合理。將所確定的參數值帶入本文前述輪胎壓路機爬坡加速工況及下坡制動工況下受力過程相關公式，可以求出輪胎壓路機爬坡起步時鋪層不發生剪切破壞的臨界驅動力Fms、爬坡時鋪層與基層間的臨界剪切力 F'ms、爬坡輪胎壓路機地面附著力Fϕ、輪胎壓路機爬坡起步過程中驅動力最大值Fs、加速度最大值as分別為100.863k N、107.277k N、115.008k N、100.863k N、2.9m/s2。同樣道理將相關參數取值帶入本文前述輪胎壓路機下坡制動工況下受力過程相關公式，可以求出輪胎壓路機下坡制動過程中不會引發鋪層剪切破壞的剪切力臨界值Fmb、下坡制動過程中不會引發鋪層和基層剪切破壞的剪切力臨界值F'mb、輪胎壓路機臨界滑轉狀態制動力Fϕ、輪胎壓路機下坡制動過程中制動力最大值 Fb、減速度最大值 ab分別為 175.483k N、181.188k N、115.008k N、115.008k N、2.7m/s2。
3 結語
綜上所述，本文針對具體工程提出的輪胎壓路機爬坡起步加速及下坡制動減速過程中加速度、減速度最大值的計算方法以不對瀝青混凝土鋪層產生剪切破壞為原則，根據鋪層剪切力臨界值進行壓路機爬坡起步加速及下坡制動減速加速度、減速度最大值的計算，計算結果可使輪胎壓路機施工過程中慣性負載對施工質量的影響降至最低，并保證施工工效。本文所選取的工況為公路工程碾壓施工中最惡劣的工況，所以計算結果較為保守，大多數情況下輪胎壓路機施工工況均較為平坦，可在本文計算結果的基礎上適當增大加速度和減速度，此外，本文分析過程及結論也可推廣至鋼輪振動壓路機等其他碾壓施工機型。
參考文獻：
[1] 王欣，仝夢煒，袁蘇哲，等 . 基于路面臨界破壞條件的輪胎壓路機慣性負載控制方法研究[J]. 工程機械，2020（1）：12-17.
[2] 劉青 . 26t 全液壓輪胎壓路機關鍵控制技術研究[D]. 西安：長安大學，2015.
作者：李磊 單位：江西贛粵高速公路工程有限責任公司
