（机械工程专业论文）冲击压实机结构尺寸优化及减振特性研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的提出与来源 1 绪言 本课题来源于郑州工程机械制造厂的科研攻关项目。 我国正处于改革开放的重要时期，经济要发展，交通运输需先行，国民经济 的增长在很大程度上取决于道路网的发展速度及与其相关的筑路机械设备的设计 生产技术的提高。近一段时期，国内冲击压实机的需求市场十分巨大，因此，在 吸收、消化国际先进技术的同时，研发适应我国国情的高技术产品就显得尤为重 要。 冲击压实机是一种将冲击和揉搓作用相结合的压实装备，与振动、振荡压路机相 比，具有明显的高压实度、大影响深度、高工作效率等优点【1 - 3 。但是由于冲击压实机 本身很重，在使用过程中会存在很多问题，并且，目前国内关于这方面的技术还不够 成熟j 。现在虽然国内有几家工程机械厂正在研制该机型，但由于没有相应的设计理 论作指导，在产品的试制过程中经常出现如副车上架主轴断裂、主车行驶的平顺性差 及连接主副车的减振弹簧失效等问题。使该机型虽具备巨大的潜在市场，但由于基础 理论欠缺和存在的技术问题，因而该机型在国内还不能进行大批量生产。 目前，尽管对有关冲击压实机在不同状态下系统的运行规律的研究工作已经有了 很多扣1 ，其研究的内容也各不相同。但是，针对冲击压实机冲击轮的扳动及优化的研 究工作则较少。由于冲击轮在垂直方向及水平方向的加速度对机架产生冲击作用，并 通过机架传至牵引主机造成主机的水平振动，这不但影响到主机的动力输出及传动系 统的寿命，而且严重影响牵引主机的驾驶舒适性，为此冲击式压实机在水平及垂直方 向上的减振设计就显得尤为重要。另外，冲击轮是非圆柱形的滚动体结构，它在工作 行程中要求垂直方向上有足够的速度和加速度，以满足工作要求，同时要求减小副车 在冲击轮下落过程中对主车产生的冲击、振动。要达到最佳目标，对冲击轮结构优化 也是一项十分有价值的工作。 该课题的目的在于研究冲击压实机的工作机理，探索并建立相关的设计理论，为 冲击压实机械的设计提供理论和技术保障。通过对关键性技术问题的研究，可以快速 推进该机型的产品化进程，早日为我国的公路建设起到积极的推动作用。 基于此，本文将“冲击压实机运动分析、结构优化及减振特性研究”作为研究课 题，同时此课题也是河南省2 0 0 3 年的科技攻关项目( 0 6 2 0 1 0 1 ) 。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外发展概况和发展预测 1 2 1 国内外发展概况 压实机作为压实机械中最主要的机种经历了漫长的发展时期，最早出现的压实机 是光轮碾和羊足碾压路机。这可以追溯到1 8 世纪制造的畜力牵引式光轮碾和羊足碾。 至于用圆石制成的石碾则可以追溯到更古老的年代。第一台用蒸汽驱动的压路机出现 在1 9 世纪中叶，第一台用内燃机驱动的压路机则诞生在2 0 世纪初期，随后出现的就 是轮胎压路机 3 - 4 】。但是这些压路机都是静作用式的，所以为了增加压实效果，在相当 长的时间内主要依靠增加压路机的重量来实现。最大的轮胎压路机曾经重达2 0 0 t 。在 2 0 世纪4 0 年代，5 0 7 0 t 的轮胎压路机曾广泛应用在飞机场、道路和堤坝的建筑中【3 】。 振动压实技术和振动压实机械的出现是压实机械发展过程中的一个划时代的革 命。从此，压实效果的增长不再仅仅简单地依靠重量或线压力的增大。第一台自行式 和拖拉机牵引的振动压路机出现在2 0 世纪的4 0 年代，但真正大量投放市场则是2 0 世纪5 0 年代初期的事。刚开始发展的振动压路机吨位较小，品种也较少。随着避振 材料和结构的日趋完善，振动压路机在2 0 世纪6 0 年代迅速地占有了世界的压实机械 市场，其机型也从小型向中、大型的方向发展，同时在品种上出现了拖式振动压路机、 轮胎驱动的自行式振动压路机、双轮驱动的串联式压路机、振动轮和轮胎压实联合作 用的组合式压路机、手扶式单轮和双轮振动压路机以及羊角式和凸快式的振动压路机 等许多不同的品种【5 j 。2 0 世纪6 0 年代末至7 0 年代初，振动压路机在世界压路机市场 的销售总量已占有6 0 以上的份额，成为生产压实机械厂商的主要产品。 在2 0 世纪7 0 年代，压路机发展史上的一项重大变革是迅速而普遍地推广了静液 传动和液压控制技术。至于2 0 世纪7 0 年代末，机械传动的压路机，特别是在振动压 路机上，绝大多数已经被静液传动所取代。随着液压控制技术在振动压路机上的应用， 使振动参数的调节成为可能，在2 0 世纪7 0 年代术期出现了调频、调幅式的振动压路 机，为压实工作参数的优化调节奠定了基础。 2 0 世纪8 0 9 0 年代是压实技术和压实机械蓬勃发展的时期，这一时期科技进步 的主要特点可归纳为对新的压实方法和技术的探索。 随着对新的压实方法和技术的探索，出现了许多新的构想( 如非圆滚轮压路机、 振荡压路机、冀板式压路机等) 。其中振荡压实技术与振荡压路机己经由2 0 世纪8 0 年代前后的设想，经过2 0 世纪8 0 年代中期的模型和原型试验，发展到现在已经可以 向市场提供系列产品了。 振荡压实是2 0 世纪8 0 年代出现的一种新的压实方法和技术。首先提出这概念 华中科技大学硕士学位论文 = 日= = = = = = i = = ；= = = = = j 口= = 自2 i 的是瑞典的h t h u m e r 博士【3 】。与传统的振动压路机利用垂直振动的原理不同，振荡 压实是利用土力学中交变剪应变的原理，使土壤等基础材料重新排列而变得更加密 实，从而达到压实之目的。振荡压实实际上是一种振动和揉搓相结合的压实方法。振 荡压实中振动能量是沿着水平方向在某一层内传播的，因而它在深度方面的压实效果 显然不如垂直方向的振动压实。但是在表面层某深度范围内的压实效果将明显优于 振动压实。此外，振荡压实能减少机架和邻近地面的振动、节省压实能量，从而在改 善驾驶员工作条件和环境条件、延长机器使用寿命和降低使用成本方面所具有的一系 列优越性则是不言而喻的。由于振荡压实的上述特点，振荡压实技术和振荡压路机在 路面压实领域内的应用和发展有着特殊的优势和良好的前景。通过振动和振荡两种压 实方法对沥青路面压实效果的对比实验，得出一台6 吨的振荡压路机的压实效果相当 于一台9 吨的振动压路机，与同等机的振动压路机相比，压实效率可提高2 5 3 0 。 虽然关于非圆滚轮压实的设想在2 0 世纪3 0 年代就已经有了，但其发展成为一种 比较成熟的冲击压实技术和可供使用的非圆滚轮压实机则是南非国家运输和道路研 究所( n i r r ) 历经2 0 世纪7 0 至8 0 年代整整十多年的深入研究后才发展起来的。到 2 0 世纪9 0 年代形成系列产品。该产品的大量实验证实了冲击压实可以应用于范围很 广的各种土壤，从含水量1 - - 2 的单一颗粒尺寸的沙漠砂到塑性指数达2 5 和含水量 达1 7 的饱和粘土都取得了良好的压实效果。新型的冲击压实技术在原地基的压实、 填方土和干砂的压实中应该有很好的发展和应用前景。由于压实深度大( 原地基的压 实深度达4 5 m ，填方一次达o 5 l m ) ，冲击速度高( 1 2 1 5 k i n h ) 垆j ，此类压实 机的生产能力将大大超过通常的重型振动压路机。 1 2 2 发展预测 在步入2 1 世纪的发展中，压实技术和压实机械的技术进步将带有以下一些特点 和趋势：新的压实技术和压实机械的发展将越来越多地依靠压实理论研究上的新突 破a 压实理论的研究将更加带有综合研究的特点，邱从工作介质的材料性能、力学基 出、施工工艺以及机械设备的机构设计、运动学、动力学参数的综合多角度来研究压 实机械的作业过程。压实技术的发展褥更加带有多种压实方法综合作用的特点，即通 过静力、揉搓、振动、捣实、冲击等多种作用方法的联合来强化压实过程。冲击压路 机将进一步定位自己的应用领域，从而在某特定领域成为主要的机种。在压实理论 和压实技术的研究中，实验研究与计算机仿真技术的结合将成为更加重要的研究手 段e 计算机辅助设计、辅助试验、辅助管理、以及辅助工程将使压实机械的研究过程 从构想、设计、试验、使用、维修、管理的全过程成为高度自动化和现代化的过程。 技术革命和现代科技的发展将继续推动压实机械向自动化、智能化、无人化和机器 华中科技大学硕士学位论文 人化的方向发展。由于压实过程的影响因素较少，所以在这一发展方向上智能压实机 很可能成为工程机械智能化进程中最早推出的机种。在压实过程和机器工作状态实时 监测的基础上，压实机械将进一步向自动化的过程发展，这一进程将从局部自动化过 渡到全面自动化，并向远距离和无人化的方向发展。现在国外无人操纵的振动压实机 械已经应用在某些特殊的环境，例如危险地带、水下压实作业中。另一可以预期的目 标是将自适应和自学习技术引入到压实控制中，并在此基础上实现压实作业的最优控 制，此时机器具有一定的智能。当对某一材料进行压实时，通过一定时间的实践，机 器会自动对压实作业的各项参数( 频率、振幅、碾压速度和遍数等) 进行不同组合， 并判断其压实效果，从而达到最优控制方案。电脑将被普遍地应用在压实机械上，用 来进行工作过程的监测、机器技术状态的诊断、报警和故障分析【4 l 。人工智能的介入 将大大改善机器的维修保养工作。压实机械将逐步向完全智能化的作业机器人的目标 靠近。 1 3 冲击压实技术的优越性及应用前景 连续式冲击压实技术的优越性主要表现为：( 1 ) 高深度地压实原地基；对破损公 路的修复改建亦可通过该机直接将原路面破碎并压实，然后铺设新路面。( 2 ) 进行石 方压实。冲击式压实机的巨大冲击力作用于石方填层，极强的冲击波能大大提高石方 颗粒之间的嵌锁紧密程度，减少路堤沉降变形和沉降差；( 3 ) 实现离效填方压实。如 今修建的高速公路和机场场道常常会遇到几十米至上百米的高填方，使用这种连续冲 击式压实机，每层填方厚度可达1 1 5 m ，每小时填方1 0 0 0 m 3 以上。( 4 ) 可适当放 宽对含水量的要求。由于冲击式压路机所具有的巨大冲击能量，对于不同上质最佳含 水量的要求可在上下两个方向放宽1 3 w s ( 5 ) 具有自检性m j 。冲击式压实机通过 低频率、大振幅、高能量冲击土体，在路基下形成个2 m 左右厚的连续稳定的加强 层，而这对提高公路、铁路和机场场道寿命极为重要。表面凭借所获得的沉降量直观 地检测路基的压实质量，并在这种检测中使其得到补压，这被筑路行业称之为“检测 性增强补压”，这种大面积的1 0 0 的检测是其他任何路基检测手段力所不及的。冲击 式压实机是种冲击和揉搓作用相结合的压实机械。可代替强夯、振动和振荡压实， 广泛用于铁路、公路、机场、水坝等场地原土、补强、检测压实。尤其对湿陷性粘土 有独特的压实效果。由于该机型的高效性和很好的压实效果，冲击式压实机在全世界 范围内被大量应用。南非共和国蓝派公司于1 9 9 5 年初首次在亚洲把这一技术应用于 香港新机场场道地基压实并获得成功之后，于1 9 9 9 年1 月在北京经济技术开发区建 立了蓝派冲击压实技术开发( 北京) 有限公司。近五年来在河北、湖南、福建、广东、 华中科技大学硕士学位论文 人化的方向发展。由于压实过程的影响因素较少，所以在这一发展方向上智能压实机 很可能成为工程机械智能化进程中最早推出的机种。在压实过程和机器工作状态实时 监测的基础上，压实机械将进一步向自动化的过程发展，这一进程将从局部自动化过 渡到全面自动化，并向远距离和无人化的方向发展。现在国外无人操纵的振动压实机 械已经应用在某些特殊的环境，例如危险地带、水下压实作业中。另一可以预期的目 标是将自适应和自学习技术引入到压实控制中，并在此基础上实现压实作业的最优控 制，此时机器具有一定的智能。当对某一材料进行压实时，通过一定时间的实践，机 器会自动对压实作业的各项参数( 频率、振幅、碾压速度和遍数等) 进行不同组合， 并判断其压实效果，从而达到最优控制方案。电脑将被普遍地应用在压实机械上，用 来进行工作过程的监测、机器技术状态的诊断、报警和故障分析【4 l 。人工智能的介入 将大大改善机器的维修保养工作。压实机械将逐步向完全智能化的作业机器人的目标 靠近。 1 3 冲击压实技术的优越性及应用前景 连续式冲击压实技术的优越性主要表现为：( 1 ) 高深度地压实原地基；对破损公 路的修复改建亦可通过该机直接将原路面破碎并压实，然后铺设新路面。( 2 ) 进行石 方压实。冲击式压实机的巨大冲击力作用于石方填层，极强的冲击波能大大提高石方 颗粒之间的嵌锁紧密程度，减少路堤沉降变形和沉降差；( 3 ) 实现离效填方压实。如 今修建的高速公路和机场场道常常会遇到几十米至上百米的高填方，使用这种连续冲 击式压实机，每层填方厚度可达1 1 5 m ，每小时填方1 0 0 0 m 3 以上。( 4 ) 可适当放 宽对含水量的要求。由于冲击式压路机所具有的巨大冲击能量，对于不同上质最佳含 水量的要求可在上下两个方向放宽1 3 w s ( 5 ) 具有自检性m j 。冲击式压实机通过 低频率、大振幅、高能量冲击土体，在路基下形成个2 m 左右厚的连续稳定的加强 层，而这对提高公路、铁路和机场场道寿命极为重要。表面凭借所获得的沉降量直观 地检测路基的压实质量，并在这种检测中使其得到补压，这被筑路行业称之为“检测 性增强补压”，这种大面积的1 0 0 的检测是其他任何路基检测手段力所不及的。冲击 式压实机是种冲击和揉搓作用相结合的压实机械。可代替强夯、振动和振荡压实， 广泛用于铁路、公路、机场、水坝等场地原土、补强、检测压实。尤其对湿陷性粘土 有独特的压实效果。由于该机型的高效性和很好的压实效果，冲击式压实机在全世界 范围内被大量应用。南非共和国蓝派公司于1 9 9 5 年初首次在亚洲把这一技术应用于 香港新机场场道地基压实并获得成功之后，于1 9 9 9 年1 月在北京经济技术开发区建 立了蓝派冲击压实技术开发( 北京) 有限公司。近五年来在河北、湖南、福建、广东、 华中科技大学硕士学位论文 四川、陕西、内蒙古、云南等多个省交通主管部门的大力支持下，冲击压实技术得到 了同益广泛的推广应用，给南非蓝派公司带来了巨大的经济效益。随着我国经济建设 的飞速发展，公路建设事业的蒸蒸曰上，国内市场对高填方、高压实和高生产率的新 型冲击式压实机的需求量骤增，冲击压实机的应用前景看好。 1 4 本文的主要工作 本文对冲击压实机的结构及原理进行了系统的研究和分析，找出了冲击压实机的 主要设计参数，并建立了冲击压实机在起步和平稳工作状态下的运动及动力学模型， 以及在水平及垂直方向的减震系统力学模型。为解决整机参数设计优化问题，本文还 运用多目标优化技术，求得了以垂直加速度最大和水平加速度最小为目标的最优结构 设计参数，使冲击压实机的工作性能有了较大改善。 本文研究工作共分六章进行详细介绍。 第1 章，详细论述了本课题的重要性及其相关领域国内外研究的概况，并介绍了 全文的主要工作。 第2 章，对滚动冲击压实技术和该机型的机械系统设计进行研究，讨论滚动冲击 压实作用的基本机理，确定该类型压实机的主要设计参数。 第3 章，对具有代表性的三边形冲击压实机工作机构进行运动学及动力学分析。 建立工作装置一冲击轮的力学模型，并分加速起步阶段和运动平稳阶段分别进行运动 学及动力学分析，求解冲击式压实机的运动规律及动力特性。以便为系统的减振设计、 工作装置的廓形优化奠定理论基础。 第4 章，冲击式压实机减振特性的研究。在垂直和水平方向上分别建立整机的力 学模型，给出动力学方程，该动力方程的求解是系统进行垂直、水平两方向减振缓冲 设计的关键性理论基础。 第5 章，轮廓廓形的优化。以影响工作装置动力特性的关键参数为变量，以垂直 方向上对被压实材料冲击能量最大、水平方向上实现工作装置与牵引车的最佳速度匹 配为优化目标，建立轮廓廓形的多目标优化模型，实现轮廓廓形的优化设计。 第6 章，对全文的工作总结，指出了文中的不足，并对下一步的工作进行展望。 华中科技大学硕士学位论文 四川、陕西、内蒙古、云南等多个省交通主管部门的大力支持下，冲击压实技术得到 了同益广泛的推广应用，给南非蓝派公司带来了巨大的经济效益。随着我国经济建设 的飞速发展，公路建设事业的蒸蒸曰上，国内市场对高填方、高压实和高生产率的新 型冲击式压实机的需求量骤增，冲击压实机的应用前景看好。 1 4 本文的主要工作 本文对冲击压实机的结构及原理进行了系统的研究和分析，找出了冲击压实机的 主要设计参数，并建立了冲击压实机在起步和平稳工作状态下的运动及动力学模型， 以及在水平及垂直方向的减震系统力学模型。为解决整机参数设计优化问题，本文还 运用多目标优化技术，求得了以垂直加速度最大和水平加速度最小为目标的最优结构 设计参数，使冲击压实机的工作性能有了较大改善。 本文研究工作共分六章进行详细介绍。 第1 章，详细论述了本课题的重要性及其相关领域国内外研究的概况，并介绍了 全文的主要工作。 第2 章，对滚动冲击压实技术和该机型的机械系统设计进行研究，讨论滚动冲击 压实作用的基本机理，确定该类型压实机的主要设计参数。 第3 章，对具有代表性的三边形冲击压实机工作机构进行运动学及动力学分析。 建立工作装置一冲击轮的力学模型，并分加速起步阶段和运动平稳阶段分别进行运动 学及动力学分析，求解冲击式压实机的运动规律及动力特性。以便为系统的减振设计、 工作装置的廓形优化奠定理论基础。 第4 章，冲击式压实机减振特性的研究。在垂直和水平方向上分别建立整机的力 学模型，给出动力学方程，该动力方程的求解是系统进行垂直、水平两方向减振缓冲 设计的关键性理论基础。 第5 章，轮廓廓形的优化。以影响工作装置动力特性的关键参数为变量，以垂直 方向上对被压实材料冲击能量最大、水平方向上实现工作装置与牵引车的最佳速度匹 配为优化目标，建立轮廓廓形的多目标优化模型，实现轮廓廓形的优化设计。 第6 章，对全文的工作总结，指出了文中的不足，并对下一步的工作进行展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 滚动冲击压实技术及系统设计 滚动冲击压实新技术，突破传统压实方式，将往复冲击压实与滚动揉搓压实技术 相结合，既发挥了冲击压实打击能量大、影响力深、效果好的优势，又具有滚动揉搓 压实连续作业率高、便于土壤重新排列、机动性好的特点。研究该技术并开发相应的 机械，对提高压实质量和生产效率有着十分重要和现实的意义。滚动冲击压实机的工 作装置采用了非圆截面形状，外形为多边形，如三边形、四边形或五边形等。作业时 工作轮的体位不断升高和降低，不等径的碾边周期性地拍打冲击地面，追使被压实材 料结构发生改变。同时，工作轮在再次翻起的过程中伴随有重力碾压作用，使被压实 材料产生永久性残余变形。该作业方式在较短的时间内对被压实材料施加一个较大的 冲击载荷，加载时间短，释放能量大，被压实材料发生的应力变化速度很大，作业产 生强烈的冲击波能传到很深的层次。现市场上使用较普遍的机型为三边形冲击压实 机，外形圈可参见图2 1 。 图2 1 冲击压实机外形圈 2 1 滚动压实理论及压实机械 2 1 1 滚动压实理论 滚压是用具有一定重量的滚轮慢速滚过铺层，用静压力使铺层材料获得永久残余 变形。随着滚压次数的增加，材料的压实度增加，而永久残余变形减小，最后实际变 形等于零。为了进一步提高被压材料的压实度，必须用较重的滚轮来滚压。但是依靠 6 华中科技大学硕士学位论文 2 滚动冲击压实技术及系统设计 滚动冲击压实新技术，突破传统压实方式，将往复冲击压实与滚动揉搓压实技术 相结合，既发挥了冲击压实打击能量大、影响力深、效果好的优势，又具有滚动揉搓 压实连续作业率高、便于土壤重新排列、机动性好的特点。研究该技术并开发相应的 机械，对提高压实质量和生产效率有着十分重要和现实的意义。滚动冲击压实机的工 作装置采用了非圆截面形状，外形为多边形，如三边形、四边形或五边形等。作业时 工作轮的体位不断升高和降低，不等径的碾边周期性地拍打冲击地面，追使被压实材 料结构发生改变。同时，工作轮在再次翻起的过程中伴随有重力碾压作用，使被压实 材料产生永久性残余变形。该作业方式在较短的时间内对被压实材料施加一个较大的 冲击载荷，加载时间短，释放能量大，被压实材料发生的应力变化速度很大，作业产 生强烈的冲击波能传到很深的层次。现市场上使用较普遍的机型为三边形冲击压实 机，外形圈可参见图2 1 。 图2 1 冲击压实机外形圈 2 1 滚动压实理论及压实机械 2 1 1 滚动压实理论 滚压是用具有一定重量的滚轮慢速滚过铺层，用静压力使铺层材料获得永久残余 变形。随着滚压次数的增加，材料的压实度增加，而永久残余变形减小，最后实际变 形等于零。为了进一步提高被压材料的压实度，必须用较重的滚轮来滚压。但是依靠 6 华中科技大学硕士学位论文 静载荷( 自重) 压实，材料颗粒之间的摩擦力阻止颗粒进行大范围运动，随着静载荷 的增加，颗粒间的摩擦力也增加f 5 1 。因此，静作用压实，有一个极限的压实效果。无 限的增加静载荷，有时不但不能得到所要求的压实效果，反而还会破坏被压实材料的 结构。滚压的特点是，循环延续时间长，材料应力状态的变化速度不大，但应力较大。 2 1 2 滚动压实机械及使用范围 利用滚动压实理论的压实机械主要有：光轮压实机。在筑路工程中主要用于压 实路基和路面( 除水泥混凝土料以外) ：在建筑工程中，用于大面积回填土的压实工 作。充气轮胎压实机、分拖式、半拖式和自行式三种。前两种机型主要用于大型水 电工程的基础压实和压实作业条件比较恶劣的情况下；自行式机动性能好，广泛用于 高级沥青混凝土路面的压实。羊足压路机，该机型主要用于压实粘性土壤 3 1 。 滚动压实理论及压实机械的发展己经比较完备，其相关理论可参看资料【2 j 。 2 2 冲击压实理论 加大填料每铺层厚度，提高压实质量和生产率是土石方施工追求的目标。振动式 压实机因受小振幅振动原理的限制，施工中必须严格控制每铺层厚和作业速度，否则 将影响生产率的提高。采用压实新技术和机械是达到我们追求目标的最直接手段。 冲击压实是工作机构从一定的高度落在被压材料的表面上，使其受冲击后产生很 大的应力，达到压实的目的。由于在冲击时应力作用时间很短，工作装置会对被压实 材料产生比振动压实大得多的冲击压实力和强大的冲击能量。 有资料【3 1 表明：冲击压实材料表面上所产生的最大应力、冲击持续时间和冲击效 率等对压实具有决定性的意义。下面对上述的三个关键性因素及相关参数进行理论分 析。 2 。2 1 确定被压实材料表面所产生的量大应力 冲击压实时，被压材料表面的最大应力的计算应建立在以下几点假设上： ( 1 ) 冲击为非弹性的； ( 2 ) 被压实材料为非变形体，用变形模量e 表示； ( 3 ) 在材料变形的过程中不考虑其表层的硬化； ( 4 ) 压实过程为一立柱体的变形过程，立柱体的表面积等于夯板的底面积，高度 等于被压层的厚度； ( 5 ) 应力沿被压层深度的分布，近似地按线性规律变化； 华中科技大学硕士学位论文 静载荷( 自重) 压实，材料颗粒之间的摩擦力阻止颗粒进行大范围运动，随着静载荷 的增加，颗粒间的摩擦力也增加f 5 1 。因此，静作用压实，有一个极限的压实效果。无 限的增加静载荷，有时不但不能得到所要求的压实效果，反而还会破坏被压实材料的 结构。滚压的特点是，循环延续时间长，材料应力状态的变化速度不大，但应力较大。 2 1 2 滚动压实机械及使用范围 利用滚动压实理论的压实机械主要有：光轮压实机。在筑路工程中主要用于压 实路基和路面( 除水泥混凝土料以外) ：在建筑工程中，用于大面积回填土的压实工 作。充气轮胎压实机、分拖式、半拖式和自行式三种。前两种机型主要用于大型水 电工程的基础压实和压实作业条件比较恶劣的情况下；自行式机动性能好，广泛用于 高级沥青混凝土路面的压实。羊足压路机，该机型主要用于压实粘性土壤 3 1 。 滚动压实理论及压实机械的发展己经比较完备，其相关理论可参看资料【2 j 。 2 2 冲击压实理论 加大填料每铺层厚度，提高压实质量和生产率是土石方施工追求的目标。振动式 压实机因受小振幅振动原理的限制，施工中必须严格控制每铺层厚和作业速度，否则 将影响生产率的提高。采用压实新技术和机械是达到我们追求目标的最直接手段。 冲击压实是工作机构从一定的高度落在被压材料的表面上，使其受冲击后产生很 大的应力，达到压实的目的。由于在冲击时应力作用时间很短，工作装置会对被压实 材料产生比振动压实大得多的冲击压实力和强大的冲击能量。 有资料【3 1 表明：冲击压实材料表面上所产生的最大应力、冲击持续时间和冲击效 率等对压实具有决定性的意义。下面对上述的三个关键性因素及相关参数进行理论分 析。 2 。2 1 确定被压实材料表面所产生的量大应力 冲击压实时，被压材料表面的最大应力的计算应建立在以下几点假设上： ( 1 ) 冲击为非弹性的； ( 2 ) 被压实材料为非变形体，用变形模量e 表示； ( 3 ) 在材料变形的过程中不考虑其表层的硬化； ( 4 ) 压实过程为一立柱体的变形过程，立柱体的表面积等于夯板的底面积，高度 等于被压层的厚度； ( 5 ) 应力沿被压层深度的分布，近似地按线性规律变化； 华中科技大学硕士学位论文 ( 6 ) “冲击压实机构一被压材料”系统中的动能全部转化为形变的势能； ( 7 ) 被压实材料的底层位于绝对刚性的基础上。 根据以上假设，建立图2 2 所示的应力计算模型 如图2 2 所示厚度为出的被压土层的形变势能可按下式计算： d e ：c r y a d z ( 2 1 ) 2 e 式中4 ：冲击压实的底面积； e ：形变模量。 分层内的应力a 由应力分布图求得( 图2 2 ) ： a ：z - e r o ( 1 0 0 ( 一土) + 旦a ；3o 一_ ) + 言 式中，g 。：被压材料表面上的最大应力： a ：被压材料上层和下层应力值之比， 0 2 a 。a l ； 6 ：被压土层厚。 被压材料立柱体变形的全势能为 e f a , r ；出( 2 - 3 a ) 代入口：值，并积分得： 耻警c + 丢+ 刍 。b ， 冈 i ；电 v ， ： i i；n i ( 2 2 ) 圈2 2 应力计算模型 “冲击压实机构一被压实材料”系统的动能为： e 一竺! ( 2 4 a ) 一5 2 式中：r t l ：系统的质量 v ：系统的速度 从冲击理论可知，被压材料的导入质量( 当柱底固定时) 等于m 3 ，埘1 为被压材 料柱的质量。“冲击压实机构一被压材料”系统的总质量为 华中科技大学硕士学位论文 m = m o + m l 3 式中，m 。：工作机构的质量 根据冲击理论得出系统总速度 1 j ( m o q - m i 3 ) = p o m o v ：v 坠 。m o + m 1 3 式中：冲击压实机构从日高度自由下落与被压实材料接触时的速度， v o = 2 9 日。 “冲击压实机构被压实材料”系统的动能为： e k ：妒堕 ( 2 4 b ) 根据能量守恒定律，势能等于动能，经整理得： a 02 7 t ( 2 ，5 ) 因此，被压实材料表面上的最大应力应视工作机构主要参数的情况而定，冲击轮 的重量、下落高度、冲击接触面积、被压实材料厚度、材料的变形模量和沿被压层深 度分布的应力等都可能对被压材料表面应力产生影响。 2 2 2 冲击持续时间的确定 根据动量定律： m o ( v l v 2 ) = 【肋 ( 2 6 ) 式中：m o ：工作机构的质量； r ：冲击持续时间； v ：冲击开始时工作机构的速度； 1 2 ：冲击结束时工作机构的速度； ，冲击过程中的力，f = a a 。 冲击开始时，工作机构的速度v 1 = v 。= m 。2 9 日； 冲击结束时，工作机构的速度v 2 = 0 。这时， 焉 膝 华中科技大学硕士学位论文 j o a d t2 m 0 4 2 9 h ( 2 7 ) 冲击过程中，应力从零递增到最大值，可近似地认为是按线性规律变化，这样，积 分上式左边得： f 卅卉2 _ v a o a ( 2 8 ) b 式中口o ：铺层表面上的最大应力 使以上两式的右边部分相等时，得冲击持续时间： f ：2 m o 吖t 2 9 h ( 2 9 ) c r o 当应力沿被压实层深度均匀分布时，可得如下近似公式： 忙z 警 c 2 o ， 可见，冲击持续时间与工作机构下落高度无关。工作机构的重量越重，被压实层 的厚度越大，冲击持续时间越长；工作机构的底面积和变形模量越大，冲击持续时阳j 越短。 实验表明，冲击时间与土壤的压实度，湿度及其颗粒大小有关。对最佳含水量的 土，冲击时拍i 觅表2 1 。 表2 1 冲击时间 冲击时司( s ) 土壤状态 亚砂土粘士 松土 o 0 1 60 0 2 3 实土 0 0 0 8o ，o l 2 2 3 冲击时单位冲量的确定 根据工作机构单位面积的冲量值来评估压实效果，冲量等于动量的变化。 l = m 。( v - - v 2 ) = f 肋= r ( s a d t 或，= 州。硒 压实效果随单位冲量增大而增加，但单位冲量有其一定的极限值， 值，可能引起被压实材料表面的破裂。单位冲量，y 应为 ( 2 1 1 ) 若超出这一数 1 0 华中科技大学硕士学位论文 ，。= ( o 8 0 9 ) i 。以：极限单位冲量) 土的极限单位冲量值见表2 2 。 表2 2 土的极限单位冲量值 极限单位冲量极限单位冲量， 土壤种类土壤种类 ( n s c m 2 )( n s c m 2 ) 少粘性土高粘性土 0 4 0 61 0 1 7 5 l ( 砂- t - 、压砂土)( 中、重压粘土) 中粘性土极粘性土 0 6 1 01 7 5 2 2 5 l( 中砂土和轻亚粘土)( 粘土) 2 2 4 冲击效率的确定 冲击效率为工作机构给出的能量与被压材料在压实时所接受的能量之比。从理论 力学可知，非弹性冲击的冲击效率可用下列关系式表示： _ n = 竺q ( 2 1 2 ) 。m 0 + m 2 式中。m o ：工作机构的质量； 脚2 ：被冲击压实材料的导入质量，m 2 = ”l 3 ； m l ：被压材料柱质量。 引入系数p = m ，得： ”：i l ( 2 1 3 ) 。 3 b + l 从图2 3 可以看出，当卢 。= p 【r 2 + e ：c o s ( ( p p ：) + r a g e 。s i n ( q ，- - a 2 ) 华中科技大学硕士学位论文 p ，2 + p 2c o s ( 中一d 2 ) 】+ m g e 2s i n 如一d 2 ) m 0 2 5 + 考+ 8 ；+ 2 r