大型马歇尔电动击实仪机械本体及控制系统设计论文.docx

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大型马歇尔电动击实仪机械本体及控制系统设计论文

毕业设计说明书（论文）

题目：

大型马歇尔电动击实仪

机械本体及控制系统设计

南京工程学院

毕业设计开题报告

课题名称：

大型马歇尔电动击实仪机械本体及控制系统设计

所在院（系）部：

机械工程学院

专业名称：

机械电子工程

毕业设计（论文）开题报告

学生姓名

学号

201110816

专业

机械电子工程

指导教师

职称

副教授

所在院（系）

机械工程学院

课题来源

自拟课题

课题类型

工程技术研究

课题名称

大型马歇尔电动击实仪机械本体及控制系统设计

毕业设计的

内容和意义

毕业设计的

内容和意义

课题背景：

随着我国公路事业的蓬勃发展，公路的建设日新月异，特别是改革开放以来，我国的高等级公路建设像雨后春笋般得到了突飞猛进的发展，沥青路面具有强度高，平整性好、耐久性好等优点，而得到了广泛使用，占据了高等级公路路面的80%以上，由于交通量的增多，车辆吨位的提高，使得沥青路面的抗车辙能力和路面的耐久性变差【1】，公路上出现了大量的车辙和裂缝，极大的影响了共通的安全性和乘客的舒适性【2】，对沥青路面的材料、结构以及各方面性能有了极大的要求。

我国几十年来一直采用标准马歇尔试验进行沥青路面材料的混合料设计和研究。

这种试验方法是采用锤击的方法不断击实试件表面,使试件压实。

近些年来,随着混合料试验研究的不断深入,出现了一些新型的沥青混合料试验方法,如美国的superpave种方法都是模拟压路机碾压过程中混合料的压密过程,应该说比传统的标准马歇尔试验有很大进步,两种方法略有不同，分别是一种全新的沥青混合料试验方法和体系。

目前国内一些单位购买了这些设备进行混合料材料试验研究,但由于该种仪器价格较高,还难以在国内推广。

所以在借鉴国外研究成果的同时,在传统的标准马歇尔试验的基础上进行了适当改进,试制了一台大型马歇尔试验系统,并用于工程设计和研究取得了较好的效果。

课题内容：

本课题所设计的大小两用型马歇尔电动击实仪用于实验室里制作φ150mm的标准沥青圆柱试样。

试样的成型过程采用自由落体的原理，利用重力来冲击沥青混合料。

成型过程中加载标准冲击压力。

整个工作过程由单片机控制系统实现全自动控制并实时显示。

机械本体的设计方案是利用电机带动减速器，减速器直接带动链轮转动，使链轮链条上的吊钩在运动过程中带动冲击锤沿着导杆向上运动，当冲击锤碰到拨叉时，冲击锤与链条上的吊钩脱离，冲击锤沿导杆自由下落击实试件。

控制系统设计是采用AT89C51单片机进行控制。

实现的主要功能是驱动电机工作，同时显示冲击锤击实的次数，达到100次自动清零，并且可以手动重置。

课题意义：

最近二十年，我国公路建设得到了极大的发展，这就需要使用大量的沥青材料，但是一般公路的沥青都是半刚性沥青路面，它的使用寿命非常的短暂，所以很多国内外专家都开始使用大颗粒沥青稳定碎石（直径超过26.5mm），其具有抵抗较大的塑性和剪切变形,承受重载交通的作用,具有良好的抗车辙能力,提高了沥青路面的高温稳定性。

特别对于低速、重车路段,需要的持荷时间较长时,设计良好的LSAM与传统沥青混凝土相比,显示出十分明显的抗永久变形能力。

因此这就需要使用大型马歇尔击实仪，标准的马歇尔击实仪无法击实大颗粒沥青稳定碎石。

大型马歇尔击实试验是一种很有前途的沥青混合料试验方法。

从试验结果可以看出,它是介于标准马歇尔击实试验与旋转击实仪（GTM）试验方法

之间的一种试验方法。

它可提高沥青混凝土的密实度、降低油石比、改善路用性能,可用于高等级、重载交通沥青路面材料设计和研究。

文献综述

国内外研究现状：

我国采用马歇尔设计方法已经有几十年历史了，积累了很多相关的经验，并且现行规范仍然采用该设计方法，在今后很长时间内，马歇尔设计方法仍将在我国沥青混合料的设计方法中占据主导地位。

近几十年来，随着交通运输业的不断发展，道路等级的不断提高，对沥青混合料提出了更高的要求，促使我国沥青混合料的研究工作不断深入开展。

在沥青混合料设计方法上，我国规范仍然规定采用马歇尔击实方法。

2004年，黄晓明，陆长兵对大新马歇尔击实仪的击实次数的研究通过对大型马歇尔不同击实次数击实成型试验各参数的对比分析,从理论和试验上确定了大型马歇尔击实成型试验的击实次数为112次。

经过标准马歇尔击实试验和大型马歇尔击实试验的对比研究,验证了大型马歇尔击实112次成型试件的稳定度和流值分别为标准马歇尔击实75次成型试件的2.25倍和1.50倍,从而确定大型马歇尔试验的技术指标。

在国外，20世纪20年代人们研究出哈费氏法，片状沥青混合料可以100％通过4．75ram的筛子，经过改进后可以进行较粗沥青混合料的设计；20世纪30年代由加州运输部道路材料和设计工程师开发了维姆混合料设计方法现仍在美国加州和西部地区应用；马歇尔混合料设计方法最初由密西西比州公路部工程师开发的，到20世纪40年代由负责设计机场路面沥青混合料的美国陆军工程师团集体完善了此方法。

马歇尔混合料的主要特点是密度、空隙率分析和稳定度、流值试验。

在Superpave出现之前，马歇尔混合料设计方法在美国已有广泛应用，且至今仍在世界范围内普遍采用【3】。

参考文献：

[1]刘中林,田文,史建方,等.高等级公路沥青混凝土路面新技术

[M].北京:

人民交通出版社,2002.

[2]沙庆林．高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M]．人民交通

出版社,2001

[3].贾渝，曹荣吉，李本京编译．高性能沥青路面（Superpave）基础参

考手册[M]，北京人民交通出版社，2005

研究内容

研究内容:

1、击实锤重：

10210g

10g

2、落锤高度：

457.2mm

2.5mm

3、击实速度：

60次/分钟

5次/分钟

4、试模组内径：

150mm

5、电机功率：

370W

6、电机转速：

1400r/min

7、电机电源：

220V

在机械本体方面，仪器主要由电机、减速机、链条传动机构、吊钩、拨叉、滑块、试模筒、试验平台和主控制器等构成。

其原理是电机经过减速机带动链轮转动，再经过链条上的吊钩提升冲击锤，当遇到拨叉时，滑块的作用其实就是起一个辅助的作用，它与击实锤相连，在碰到拨叉底部时，由于拨叉底部是斜坡，滑块通过内部的滚轮在滑块上升的同时开始慢慢的向外滑动，冲击锤自由下落击实试样。

而在控制系统方面，则是采用单片机来作为控制主机，通过驱动电机的运动以达到击实试样的效果。

研究计划

研究计划：

第一周:

熟悉课题的背景，进行国内外现状调查；

第二周:

进行现存本产品各种不同种类的比较；

第三周:

初步方案及结构形式确定；

第四周:

完成开题报告，进行外文翻译；

第五周:

进行机械系统设计计算；

第六周:

进行机械系统设计计算；

第七周:

元器件选择、设计；

第八周:

绘制机械系统装配图；

第九周:

绘制零件图；

第十周:

控制系统方案设计

第十一周:

控制系统硬件电路设计

第十二周:

控制系统软件设计；

第十三周:

软硬件调试；

第十四周:

撰写论文；

第十五周:

答辩,总结。

特色与创新

大型马歇尔击实试验是一种很有前途的沥青混合料试验方法。

从试验结果可以看出,它是介于标准马歇尔击实试验与旋转击实仪（GTM）试验方法之间的一种试验方法。

它可提高沥青混凝土的密实度、降低油石比、改善路用性能,可用于高等级、重载交通沥青路面材料设计和研究。

大型马歇尔电动击实仪是用于沥青混合料马歇尔试验中制作试样的专用仪器。

由于圆柱试件的尺寸比标准的变大了，因此试件内部的大粒径石料在冲击锤击实过程中可以更加充分自由地移动、挤压，使得试件更加的密实。

指导教师

意见

指导教师签名：

年月日

教研室意见

院部意见

主任签名：

年月日

教学院长签名：

年月日

毕业设计说明书（论文）中文摘要

马歇尔击实仪是制作沥青混合料效果非常好的仪器，因为它可以模拟公路上车辆所产生的压力。

随着科技的进步马歇尔击实仪也向着智能化方向发展。

它的性能得到了极大的增强。

相比于标准马歇尔击实仪，大型马歇尔击实仪击打试件可以让试件更加紧实，可以改善试件的高温稳定性。

大型马歇尔击实仪主要由两个部分组成：

机械部分和控制部分。

机械部分的运动过程是：

电机带动减速器运动，减速器上的输出轴带动链条上吊钩做往复运动，吊钩在上升过程中带动大击实锤向上运动，当与击实锤相连的滑块碰到拨叉时，滑块与吊钩分离，大击实锤做自由落体运动，击打压块，从而击打试件。

控制部分主要是通过单片机控制电机的转停和显示击实次数。

关键字击实仪单片机机械部分控制部分

毕业设计说明书（论文）中文摘要

titleLargeElectricMarshallCompactionMeter

AndManipulatorControlSystemDesign

Abstract

Marshallcompactiondeviceistoproduceasphaltisverygoodinstrument,becauseitcansimulatethepressuregeneratedbythevehiclesontheroad.AstechnologyadvancesMarshallCompactoralsotowardtheintelligentdirection.Itsperformancehasbeengreatlyenhanced.ComparedtothestandardMarshallCompactor,CompactorMarshallhitalargespecimencanmakethespecimenfirmer,canimprovethehightemperaturestabilityofthespecimen.Large-scaleMarshallcompactiondeviceconsistsoftwomainparts:

themechanicalpartandthecontrolpart.Movementofthemechanicalpartsare:

motordrivenmotionreducer,theoutputshaftgeardrivechainonthehookreciprocatingmotion,drivenbylargecompactionhammerhookupwardmovementduringascent,whenthesliderisconnectedwiththecompactionhammerwhenconfrontedfork,slideandcompactionhammerseparation,compactionhammerfreefall,hittingthecompact,therebystrikingspecimen.Controlpartistransferredthroughthemicrocontrollercontrollingthemotortostopandshowthenumberofcompaction.

KeywordsCompactorMicrocontrolleMechanicalpartControlsection

前言

我国经过改革开放三十多年的发展，经济取得了非常巨大的进步，综合国力得到了极大的增强，随之而来的就是我国公路方面的飞速发展，我过高速公路经过一段时间的发展从无到有，如雨后春笋般一个个冒了出来，以前有句俗话：

“要想富，先修路”公路和铁路是国民经济发展的动脉。

当今世界，随着全球经济体相互连接的更加紧密，基础建设对于国民经济的增长有着非常重要的作用，基础设施的建设在经济和社会发展中的地位日益显著，带给高速公路的发展的机会越来越多。

以至于近些年来公路交通发展的速度让全世界震惊，在这个关键的机遇前，如何做好公路工程建设就需要我们用很多很好的方法去解决它。

然而公路的增加，交通工具的增多就会出现很多关于路面的问题。

车辆的超载，吨位的增加对公路提出了非常严峻的挑战，公路上面的车辙痕迹，鼓起的小包，裂开的路面，许多公路在通车非常短的时间内就会大面积的裂痕，这样公路的使用寿命是非常短的，而且也容易出现很多的安全隐患。

这些问题都在要求我们要增加公路的使用寿命，要研究出更加先进的仪器去改善道路情况，来保证道路的安全。

这时我们就需要使用大型马歇尔电动击实仪来制作沥青混合料。

与标准马歇尔击实仪相比，大型马歇尔击实仪它的试件尺寸更大，击实锤质量更大。

这样它可以更好地击打试件使得试件更加的紧实，而且它使沥青的高温稳定性等性能得到极大的改善。

随着科技的进步马歇尔击实仪也向着智能化方向发展。

它的性能得到了极大的增强。

国内外的发展都非常惊人。

本次实验中在机械设计部分主要元器件是：

单项异步电机、减速器、链轮组、吊钩、滑块、大击实锤、拨叉、连接套、压块。

减速器上的输出轴带动链条转动，链条上嵌入一个吊钩，吊钩带动大击实锤向上运动，当滑块碰到拨叉时，吊钩与滑块分离做自由落体运动击打连接套上的压块。

控制部分则是：

AT89C51单片机、LED数码管、传感器。

本次设计是一个机电产品，所以它的要求也比较严格。

第一章国内外沥青混合料设计方法现状与前景

1.1国内外研究现状

我国使用马歇尔设计方法也有数十年了，相关的经验非常的丰富，并且该设计方法依然需要被规范使用，在此后很长的一段时间内，该方法仍然是设计沥青混合料的主流，因为此方法已经相当的成熟，设计人员对此运用更是得心应手。

新的设计方法如superpave还不是非常的完备和成熟。

近二十多年来，交通运输业得到了长足的发展，道路的级数在一直提高，对这需要沥青混合料的压实程度和质量能够得到很好的解决，不停的去深入研究沥青混合材料的设计方法。

我国在相当长的试件内仍然会使用马歇尔击实的方法，与标准马歇尔击实仪相比，大型马歇尔击实仪更加具有优势，它可以更好地击打试件使得试件更加的紧实，而且它使沥青的高温稳定性等性能得到极大的改善。

黄晓明，陆长兵在2004年通过对大型马歇尔击实仪的击实次数进行深入系统的研究,通过各项参数和数据的产生，他们从理论和试验上确定了一般情况下112次是大型马歇尔击实仪的标准次数。

112次可以是试件得到更加充分的紧实，使试件的高温稳定性得到了极大的改善。

经过多次的对比与研究,可以证明出大型马歇尔击实112次成型试件的稳定度和流值要高于标准马歇尔，因此我们可以确定大型马歇尔击实最佳次数是112次。

国外的发展是，在1920年有科学家研究出了哈费氏法，研究发现片状沥青混合料可以完全的通过一个4．75ram的筛子，一些比较粗的沥青混合料在次之后就可以被很好的设计制造出来；20世纪30年代在加州运输部道路材料和设计公司工作的一位学着研究出了一种新的设计方法那就是维姆混合料设计方法，该设计方法目前现仍在美国广大的地区进行应用，此种方法影响深远，对后来的设计方法提供了更多的思路；密西西比州的一个公路部工程师他研究并设计了一个新的方法就是马歇尔混合料设计方法，到了20世纪中叶由负责设计机场路面沥青混合料的美国陆军工程师团集体完善了混合料设计放方法。

马歇尔混合料的密度、稳定度、流值试验是其主要的特点。

1.2.课题背景

国民经济的提高，之前狭窄的小路已经不能满足经济发展的步伐，现代社会，时间就是金钱。

贯通南北东西的公路是经济腾飞的动脉。

我国的高等级公路近10年来得到了飞速的发展，沥青则被大规模的使用，一名为沥青路面具有强度高，平整性好、耐久性好等优点，而得到了广泛使用，占据了高等级公路路面的80%以上，由于交通量的增多，车辆吨位的提高，使得沥青路面的抗车辙能力和路面的耐久性变差【1】，公路上出现了大量的车辙和裂缝，极大的影响了共通的安全性和乘客的舒适性【2】，对沥青路面的材料、结构以及各方面性能有了极大的要求。

大型马歇尔击实仪在我国目前使用的十分广泛。

它主要通过击实锤击打沥青混合料来使其紧实。

应该说比传统的标准马歇尔试验有很大进步,它能使沥青混合料的高温稳定性得到极大的增强。

它使试件有有更强的抗变形能力。

所以需要我们来好好研究一下大型马歇尔电动击实仪。

1.3课题内容

本课题所设计的大小两用型马歇尔电动击实仪用于实验室里制作φ150mm的标准沥青圆柱试样。

试样的成型过程采用自由落体的原理，利用重力来冲击沥青混合料。

成型过程中加载标准冲击压力。

整个工作过程由单片机控制系统实现全自动控制并实时显示。

机械本体的设计方案是利用电机带动减速器，减速器直接带动链轮转动，使链轮链条上的吊钩在运动过程中带动冲击锤沿着导杆向上运动，当冲击锤碰到拨叉时，冲击锤与链条上的吊钩脱离，冲击锤沿导杆自由下落击实试件。

控制系统设计是采用AT89C51单片机进行控制。

实现的主要功能是驱动电机工作，同时显示冲击锤击实的次数，达到100次自动清零，并且可以手动重置。

1.4课题意义

最近二十年，我国公路建设得到了极大的发展，这就需要使用大量的沥青材料，但是一般公路的沥青都是半刚性沥青路面，它的使用寿命非常的短暂，所以很多国内外专家都开始使用大颗粒沥青稳定碎石（直径超过26.5mm）。

公路上的沥青容易产生塑性变形和剪性变形,承受重载差,而经大型马歇尔击实仪击实过的沥青的高温稳定性得到了极大的提升。

沥青的抗车辙能力也得到了非常大的提高。

在低速、重车路段,经大型马歇尔击实仪加工过的沥青明显比标准的沥青混合料有更强的抗变形能力。

因此这就需要使用大型马歇尔击实仪，标准的马歇尔击实仪无法击实大颗粒沥青稳定碎石。

大型马歇尔击目前正在朝着智能化方向发展，它的发展前景非常好。

第二章大型马歇尔击实仪机械系统总体方案设计

2.1机械部分的总体思路

要设计击打沥青混合料的过程，首先我们需要使用大击实锤，大击实锤做自由落体运动对试件产生压力，但是大击实锤并不能直接击打在沥青混合料上，这是由击实锤的形状来决定的，所以我们就需要在沥青混合料上放置一个平整的东西，这个东西就是压块，压块与连接套连接在一起，大击实锤可以直接击打连接套。

由于为了让大击实锤下落时不出现唯一上的偏差，我们就需要把它和导杆相连接。

那么怎样让击实锤升起又下落呢，这是就要使用到链条呢，通过链传动来带动击实锤，可是链条并不能与击实锤直接接触在一起，这样会使链条难以运转，所以可以再链条上镶嵌一个吊钩，吊钩带动击实锤向上运动，这是思路就比较清晰了，但还是存在一个问题，就是吊钩与击实锤怎么分离，这是就需要使用拨叉和滑块了。

把滑块与击实锤连接在一起，当滑块碰到拨叉时，滑块与吊钩分离从而使做大击实锤做自由落体。

为了控制下落时力的大小和速度始终不变，我们就需要把拨叉固定在导杆上的一个固定位置。

为了使链条运动我们这里就要选择合适的电机和减速器了，为了记录吊钩经过的次数，那么我就需要在这里使用一个传感器。

2.2.击打方式的选择

本次实验我选择机械传动让击实锤做自由落体运动，因为自由落体运动可以很好的掌握击打击实仪时的速度，而且所产生的压力相比于其他传动要大很多，通过把大击实锤放在一定的高度就可以很好的控制其速度和击实锤的质量，自由落体相比与液压传动，其更加的简单方便，可以减少很多精力。

液压传动先要选择液压缸，然后是液压泵的流量，再是还要选择液压阀，管道尺寸，邮箱体积等等这些都是非常的麻烦，所以相比较来说还是机械传动方式比较简洁明了。

击实锤的击实高度是457.2mm

2.5mm。

2.3大型马歇尔击实仪传动部分的选择与计算

2.3.1大型马歇尔击实仪传动组成

马歇尔击实仪的传动部分为：

电机、蜗轮蜗杆减速器、链轮、吊钩、拨叉、大击实锤、连接套、压块。

电机驱动减速器，减速器上的输出轴带动链条转动，链条上嵌入一个吊钩，吊钩带动大击实锤向上运动，当大击实锤上的滑块碰到拨叉时，吊钩与滑块分离做自由落体运动击打连接套上的压块。

2.3.2传动方式的选择

1.链传动2.带传动3.齿轮传动

带传动：

带传动组成是主动带轮、从动带轮和传动带。

主动带轮通过传动带间的摩擦火啮合带动从动轮。

带传动优点有很多，例如它运行平稳，噪声小；构造简单；维护的成本比较低；过载打滑，这些优点对于这次试验并不是十分必要有用的，而且它的缺点也是非常的明显，例如：

带的寿命比较短；传动的效率比较低。

这些对于这次实验都是不利的，所以不选用带传动。

齿轮传动：

齿轮传动的优点也有很多，例如：

传动效率高，传动比稳定、结构紧凑、使用的功率范围大、工作可靠，寿命长。

但是它的缺点是：

加工的不精细、会产生很大的噪、比较容易损坏。

典型的用途：

玻璃数控切割机和工地上的升降机等。

而且本次实验用到的传动方式不需要这么的复杂，所以齿轮传动不适用。

链传动：

链传动是由平行轴的主动链轮、链条和从动链轮组成。

链传动是靠链轮齿和链条之间的啮合来传递运动与动力。

链传动的优点：

相比与带传动，链传动没有弹性滑动现象；

链传动结构紧凑；

相比齿轮传动链传动易于制造，经济适用；

综上所述，我选择链传动，它对于本次设计更加的实用。

根据机械设计手册

1.齿数z1、z2的选取

如果链速

=0.6m/s～3m/s，根据表格，可选择的齿数

z1=17

z2=iz1=

z1=

z1=17

2.设链传动的中心距为a0它的链节数可计算出为LP

可假设a0=31P，由《机械设计》中式（8-3）得

LP′=

那么链节数可选择LP可选择为80节

3.额定功率的选择

Pca为额定功率，根据公式

Pca=

≤P0

查表可选择KA=1.3。

根据书中的表格可以看出其工作在曲线的左边，出现链板疲劳破的可能性比较大，由书中的公式求可得：

当z1=17时，KZ=0.89；当LP=80时，KL=0.94。

因此我选择单排链，由表8-8取Km=1，所以Pca是：

Pca=

=196W

4.链条型号和节距p的选择

额定功率是196W,链轮转速为280r/min，

根据书中的表格查找得出p=15.875mm。

5.实际中心距a′的计算过程

由式（8-5）得

a=

=

=500.06mm

因为实际中心距可减小2～5mm，而且可以进行调整。

所以选择a′=495mm

6.检验链速

由式（8-1）得

与假设相符，刚好满足条件故z1刚好满足条件

7.润滑方式的确定

润滑方式主要是通过节距和链速，查图8.14得链传动用滴油润滑。

8.载荷FQ的计算

Fe=1000P/

=1000×0.126/1.26=100N

FQ=1.2Fe=1.2×100=120N

9.链条标记

采用单排，链号为08A的套筒滚子链，节距p=15.875mm，链长LP=80节，标记为10A-1×80GB/T1234-2006

10.链轮尺寸

damax=d+1.25p-d1=86.395+1.25×15.875-10.16=9