大型马歇尔电动击实仪机械本体及控制系统研究与设计开发.docx

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大型马歇尔电动击实仪机械本体及控制系统研究与设计开发

南京工程学院

毕业设计说明书（论文）

作者：

刘震学号：

201110816

系部：

机械工程学院

专业：

机械电子工程

题目：

大型马歇尔电动击实仪

机械本体及控制系统设计

指导者：

邵秋萍副教授

评阅者：

2015年05月南京

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，他们从理论和实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、流值实验是其主要的特点。

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实验有很大进步,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，这些优点对于这次实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=96.079mm

damin=d+（1-1.6/z1）p-d1=86.395+（1-1.6/17）×15.875-10.16

=90.616mm

取两者的中心值，所以为da=93mm

d为小链轮分度圆直径

da为小链轮齿顶圆直径

链轮齿根圆直径

df=d-d1=86.395-10.16=76.235mm

链轮的量柱测量距

MR=dcos（90°/z）+d1=86.395×cos（90°/17）+10.16

=96.1mm

2.3.3.选择电机

1.单项异步电机2.直流电机3.步进电机

单项直流电机：

单项直流电机一般用于大型机床、大型轧钢设备。

相对于这种需要小功率的电机单项直流电机显然是不合适的，而且直流电机电流也不可以换向。

步进电机：

由于本次实验不需要改变速度，所以步进电机也是不合适的。

单项异步电机：

单项异步电机是大型马歇尔电动击实仪的首选。

因为在我国实验室一般使用220V的交流电，单项异步电机一般都使用220V电，而且市场上单项异步电机是主要产品，本实验所需电机的功率不是太大，且速度恒定。

所以单项异步电机刚好合适，另外，单项电机比较便宜。

单项异步电机采用单片机控制的话将会更加的方便实用。

通过计算来选择电机的型号。

大击实锤质量是10210g电机要抬起它需要10210*10=102.1N

链条上升的速度大概是1.26m/s

P=F*V=102.1*1.26=128.65w

由于受到传动效率等一系列因素的影响，最后我选择YZD-7134-370W，电机的功率为370w。

2.3.4选择减速器

减速器的组成部分是：

箱体、轴系零件、附件。

本次实验减速器与单项异步电机通过联轴器相连接，来传递转矩和匹配转速。

减速器非常的精密。

减速机应用十分广泛，许多行业涉及的产品都需要用到减速机，减速机主要有圆柱齿轮减速机、涡轮蜗杆减速器、谐波减速器他设计的领域广泛，产品服务领域涉及冶金、有色、煤炭、等行业。

我国减速机行业发展历史虽然不是特别的长，但其在很多领域都有非常广泛的运用。

选择减速器时我有三种案：

1.蜗轮蜗杆减速器2.谐波减速器3.圆柱齿轮减速器

1.谐波减速器：

谐波减速器是谐波传动装置的一种。

谐波减速器的优点是传动速比大、承载力高、传动精度高、传动效率高、结构简单、较轻。

缺点是转动惯量大，不适合小功率的电机、不能很好的散热、容易疲劳破坏。

谐波减速器一般用于航空，航天等领域，所以谐波减速器不能在此使用。

2.圆柱齿轮减速器：

可以传递动力，该减速机比较精密，它可以降低转速，增加转矩。

　圆柱齿轮减速器的齿轮加工方式比较多样，一般情况下会在带传动中使用，也不是很绝对，有时也可以用在其他传动方式中。

它的优点是承受重量大、可以使用的时间长、体积相对来说比较小、效率高。

圆柱齿轮减速器运用十分的广泛，如：

冶金、矿山、印染等。

但它的缺点是占用的空间比较大，所以这里我们不宜选择。

3.蜗轮蜗杆减速器：

优点：

运行平稳、噪音小、结构轻巧、散热快、安全性比较高。

另外蜗轮蜗杆减速器具有自锁功能且减速比又非常的大，所以蜗轮蜗杆减速器非常的适合。

电机的转速：

1400r/min

链轮的转速：

280r/min

减速比为i=1400/280=5

电机的额定转矩2.4N·m

通过查阅资料对比参数我选择的减速器为FCWZ-60-1/5-A。

2.3.5选择联轴器

联轴器顾名思义也知道它是用来连接两根轴的，两根分别是主动轴和从动轴。

当电机运动时，两轴是不能分离的，除了机器停止运转，才能进行拆装。

联轴器有刚性联轴器、挠性联轴器。

（1）：

凸缘联轴器

（2）：

滚子链联轴器

（3）：

夹壳联轴器

套筒联轴器：

该器件是需要公用套筒，并通过键等刚性联接件，来让两轴连接在一起。

它的结构简单，制造快速，价格低廉，但它的缺点是也是比较明显的，就是想要装和拆都是比较困难的，需要让轴作轴向移动。

该器件适用于速度慢、装载轻、没有冲击载荷，工作平衡和上尺寸轴的联接。

综合考虑其并不合适。

滚子链联轴器：

该联轴器通过双排链条，相同齿数的链轮来使联轴器连接起来。

它的优点是：

轻巧、紧凑的尺寸、经济性好、容易进行维修、容易装拆。

但是它的缺点是：

由于链条套筒与链轮有间隙，不利于频繁的传动。

所以我不选择这种联轴器。

凸缘联轴器：

该器件拥有非常多的优点其一经济性好，其二能很好的传递扭矩，其三拥有比较好的刚性，适合载荷平稳的传动。

选择联轴器的型号时，要对比很多参数，首先是电机和减速器的两根轴是否能安装进联轴器里面，并且通过配合使它牢固，还有就是看联轴器传递的转矩是否符合要求。

转矩：

Tca=KAT=9550KAP/n=9550*1.5*0.38/1400=3.786N.m

额定转矩为25N·m

KA=1.5

转速为10000r/min，

选择的型号是YLD3

第三章大型马歇尔击实仪的各个零件设计与使用

3.1大型马歇尔电动击实仪的各个零件

3.1.1制作试模组

试模组里面需要放置试件，压块，连接套。

考虑到要装卸沥青试模比较方便，我们需要设计一个手柄，通过螺栓来固定住它，扳动手柄时可以将卡盖提升，把试模放置在工作台上，运行结束后扳起手柄抬起卡盖，这样就会非常的方便。

内径为：

150mm

高度：

183mm

厚度：

6.35mm

试模组的结构如图3.1所示：

图3.1试模组结构示意图

3.1.2制作工作平台

工作平台的长宽尺寸显然要比试模组的底部长宽要大，因为工作平台主要是放置试模组上的，试模组通过螺栓和工作平台连接在一起，材料选用A3钢。

工作台要固定在比较合适的位置，一般在立柱的中下方，因为这样工作人员取放试模时会比较轻松方便。

它的各项参数为：

长度：

305mm

宽为：

305mm

高为：

25mm

3.1.3制作防震方木

防震方木主要放置在工作台的下方，它的功能是防止大击实锤击打试件时所造成的冲击力损害元器件，使击实仪使用比较稳定。

它的各项参数为：

长度为：

200mm

宽度为：

200mm

高度为：

470mm

3.1.4制作连接套

图3.2连接套零件图

大击实锤真正击打到的其实是连接套，连接套通过螺栓和压块连接在一起。

连接套也与导杆连成一体，因为大击实锤是沿着导杆方向做自由落体的，击实锤落下时刚好就可以击打连接套，由于试模组内径为150mm，所以我把连接套外径设置为70mm。

3.1.5制作大击实锤

图3.3击实锤结构图

大击实锤是马歇尔击实仪中比较关键的部件，它的质量，体积对实验有很大的影响，吊钩不能直接带动大击实锤运动，因为当击实锤碰到拨叉时它只能卡在那边而不能分离，所以大击实锤上一般会固定一个滑块，有了滑块上面提到的问题就可以迎刃而解，滑块碰到拨叉后会与吊钩分离，从而使大击实锤做自由落体运动。

击实锤的材料和工作平台的材料不一样，且它也是套在导杆上的。

质量：

10210g

10g

击实锤总长：

254mm

外径：

95mm。

材料：

45钢

3.1.6制作滑块

上面已经提到了滑块的作用，由于滑块内部有小滚珠所以当我把拨叉设计成一个有斜坡的结构时，滑块在上升的时候就可以顺着斜坡与击实锤分离，从而是击实锤自由下落。

滑块与弹簧片相连，当它与吊钩分离后此时弹簧由要恢复原来的形状就会给滑块一个向左的力，这时滑块会恢复到原来的位置，以便下次吊钩继续将其提起来。

它的结构如图3.4所示。

图3.4滑块零件图

3.1.7制作吊钩

吊钩固定在链轮之上，吊钩在跟随着链轮做匀速运动，吊钩向上运动时会带动滑块向上运动而滑块又与击实锤相连，就可以带着击实锤一起向上运动，当滑块碰到拨叉时，与吊钩分离，这时吊钩就接着跟着链条运动到一定位置的时候又会勾住滑块时期这样往复的运动。

上底：

51.6mm

下底长为：

43.5mm

高为：

29.5mm，

图3.5吊钩零件图

3.1.8制作拨叉

拨叉通