（机械工程专业论文）振动压实机械的无级调频调幅设计与研究.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 本研究以振动压路机为对象，对压路机无级调幅、调频系统进行了理论分析、 工程设计和实验研究，主要内容如下： 1 ) 土力学基础理论的研究：土壤的压实机理是振动压路机振动压实理论的基 础，本文建立压路机一土系统的力学模型，分析了土壤的应力一应变模型及土体破 坏规律，给出了不同土体的振动频率，为进一步研制压路机械提供了理论基础。 2 ) 压路机工作参数的内在机理分析：对影响振动压路机作业效果的静线压力、 钢轮直径、钢轮宽度、离心力、振幅、频率、压实厚度、碾压速度和碾压遍数等 进行了理论分析，积累了压路机设计的系统资料；为压路机械的设计奠定了技术 基础。 3 ) 无级调幅机构的设计、运动分析及动力学分析：对振动偏心块无级调幅机 构进行运动分析、设计计算，应用行星齿轮传动的基本原理，结合压路机振动偏 心块的应用，摸索出无级调幅振动轮的基本设计思路，研究出新型的无级调幅机 构，并应用三维p r o e w i l d f i r e 技术将其绘出，使机构清晰化；对所研究的机构进 行动态运动过程分析，验证了机构设计的正确性。 4 ) 电液比例泵的控制特性研究：无级调幅、调频机构采用电液比例泵作为动 力源，根据泵的电液比例、伺服变量缸的运动机构图，对控制过程进行动态的分 析，得到电液比例阀的特性曲线；通过对节流阀的动态特性分析，证明在变量缸 的两个进出油路，以及电液比例阀的中位机能上使用节流孔，能缓和液压冲击和 抑制高频脉动，使变量缸的工作流量具有稳态值，实现泵排量控制特性的线性化。 5 ) 电液比例控制技术在无级调幅系统的应用研究：压路机的无级调幅液压系 统，一方面要求变幅驱动的功率不能很大，另一方面，要求低速运动的线性度好。 本研究根据蜗轮蜗杆的传动原理，通过使用摆动油缸作为直接控制变幅机构的执 行元件，达到控制变幅装置旋转运动的目的。并对摆动油缸的动特性、低速运动 的摩擦特性曲线，以及使用摩擦补偿缩短调节时间、减小超调量等方面进行研究， 实现系统低速运行的平稳性和快速跟踪性能。 6 ) 无级调幅、调频控的协调控制及压路机的智能化研究：通过无级调频调幅 控制系统，主要包括振动频率、振幅两个参数的匹配、压实参数自动控制、故障 江苏大学工程硕士学位论文 智能诊断、工作参数监控、远距离通讯等方面的研究，对压路机的智能控制有了 明确的认识。 7 ) 现场实验研究及分析：通过装机试验，采集振动频率、压力、振幅曲线， 对土壤进行压实度分析，验证了理论分析的正确性。 本研究的创新之处在于无级振动轮和无级调频、调幅系统的研究与开发，研 究的结果为智能化压路机的进一步研发提供了理论基础。 关键词：振动压路机、压实机理、振动装置、无级调频、无级调幅 i i 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ei n f i n i t ea m p l i t u d ea n d 丘e q u e n c yr e g u l a t i o ns y s t e mo fv i b r a t o r y r o a dr o l l e ri sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y , d e s i g n e di ne n g i n e e r i n ga n ds t u d i e de x p e r i m e n t a l l y 1 ) t h o s eb a s i ct h e o r i e so fs o i lm e c h a n i c sh a v eb e e ns t u d i e d t h es o i lc o m p a c t e d m e c h a n i s mi st h eb a s i so ft h es t u d yo fc o m p a c t i o nt h e o r yo fv i b r a t o r yr o a dr o l l e r s t h e p a p e re s t a b l i s h e sa n da n a l y s e st h em e c h a n i c a lm o d e lo f “s o i ls t r e s s s t r a i n a n dt h er u l e o f b r e a k a g eo ns o i l t h e nw eg e tv i b r a t i o n a lf r e q u e n c i e so f d i f f e r e n ts o i l ，a n di tp r o v i d e s at h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h en e x td e s i g no fv i b r a t o r yr o a dr o l l e r 2 ) t h ei n t e r n a lm e c h a n i s mo fv i b r a t o r yr o a dr o l l e r sp a r a m e t e r si sa n a l y z e d b y a n a l y z i n gv a r i o u sf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo fv i b r a t o r yr o a dr o l l e r , t h ep a p e rg i v e st h ei d e a so nh o wt om a k et h eo p t i m u md e s i g n i n gt ot h ev i b r a t o r yr o a d r o l l e r s a n dt h o s ep a r a m e t e r so fv i b r a t o r yr o a dr o l l e ra r es t a t i cl i n ep r e s s u r e ，d i a m e t e r a n dw i d t ho fw h e e l ，c e n t r i f u g a lf o r c e ，a m p l i t u d e ，f f e q u e n c y t h i c k n e s s ，r o l l i n gv e l o c i t y a n dn u m b e ro f r o l l i n g 3 ) t h i sp a p e rr e p r e s e n t st h ed e s i g na n da n a l y s i so fi n f i n i t ea m p l i t u d em e c h a n i c a l s t r u c t u r e i nt h el i g h to fw o r k i n gp r i n c i p l eo fp l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o na n d a p p l i c a t i o no fe c c e n t r i cb l o c k ，t h ep a p e re x p l o r e st h eb a s i ci d e a so nt h ev i b r a t o r yd r u m d e s i g n i n g ，o u t l i n i n gan e wt y p eo fi n f i n i t e l yv a r i a b l ea m p l i t u d em e c h a n i s m ，a n dm a k e s t r u c t u r ec l e a rb y3 ds o f t w a r ep r o e w eg i v et h ed y n a m i ca n a l y s i sf o ri t ss t r u c t u r et o v a l i d a t et h ed e s i g nf o rm e c h a n i s m 4 ) t h i sp a p e rs t u d i e st h ec o n t r o l l e dc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l p u m p t h ep u m pi su s e da sp o w e rs o u r c eo ft h ei n f i n i t e l yv a r i a b l ea m p l i t u d ea n d 台e q u e n c ym e c h a n i s m a c c o r d i n g t o t h ek i n e m a t i c s t r u c t u r a l d i a g r a m s o f e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lp u m pa n ds e r v ov a l u ec y l i n d e r ，w eh a v ed y n a m i ca n a l y s i s o nt h ec o n t r o lp r o c e d u r e ，a n dg e tt h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e so fe l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lv a l v e b ya n a l y z i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fr e l i e fv a l v e ，h a v i n gt w o i n p u t o u t p u to i ll i n ea n du s i n gt h r o t t l i n gv a l v ei ne l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e s m i dp o s i t i o nc a nr e l i e fh y d r a u l i ci m p a c ta n dr e s t r a i nh i g hf r e q u e n c yp u l s a t i o n t h e nt h e s e r v ov a l u ec y l i n d e rh a ss t a b l ef l o w , a n dw er e a l i z ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c sl i n e a r i z a t i o n o fp u m p sd i s p l a c e m e n t 5 ) e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lt e c h n i q u ei sa p p l i e do nt h ei n f i n i t e l yv a r i a b l e a m p l i t u d es y s t e mi nt h i sp a p e r t h eh y d r a u l i cs y s t e mo fi n f i n i t e l yv a r i a b l ea m p l i t u d e h i r r l e c h a j l i s mr e q u i r e st h a tt h ed r i v i n gp o w e rf o ri n f i n i t e l yv a r i a b l ea m p l i t u d es y s t e m s h o u l db es m a l la n dt h a tt h el i n e a r i z a t i o no fl o wv e l o c i t ys h o u l db ef i n e a c c o r d i n g t o t h e 廿a i l s m i t t i n gp r i n c i p l eo ft h ew o r mw h e e la n dw o r m ，i t sa c h i e v e d t or o t a t et h e m 1 1 i t e l yv a r i a b l ea m p l i t u d em e c h a n i s mb ym e a n so f u s i n gs w i n gc y l i n d e ra se x e c u t l n g u n i t m e a l l w m l et h i sp a p e ra l s o i l l u s t r a t e st h es t u d ya n dr e s e a r c ho nt h ed y n a r n i c f e 籼e so fs w i n g i n gc y l i n d e r s ，f r i c t i o n c u r v e so fl o w - s p e e dm o t i o n ，s h o r t e n i n g a d i u s 恤e n tt i m eb yf r i c t i o nc o m p e n s a t i o na n dd e c r e a s i n go v e r s h o o t a n d t h e ni tr e a l l z e s t h es t a b i l i t yo fl o w s p e e dm o t i o na n dr a p i dt r a c i n gp e r f o r m a n c eo f s y s t e m 6 、r e s e a r c ho nt h eh a r m o n yc o n t r o lo fi n f i n i t ef r e q u e n c y & a m p l i t u d ea d j u s t m e n t a 1 1 dt h ei n t e l l i g e n t i z e dr o a dr o l l e r ：a c c o r d i n gt o r e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls y s t e mo f 础j m t ef r e q u e n c y & a m p l i t u d ea d j u s t m e n t ，m a i n l yi n c l u d i n gt h em a t c h i n go f v i b r a t l o n 仃e q u e n c va n da m p l i t u d e ，t h ea u t o c o n t r o lt oc o m p a c t i o np a r a m e t e r , t h e f a u l ti n t e l l i g e n t d i a g n o s i s ，t h ew o r k i n gp a r a m e t e r sm o n i t o r , t e l e c o m m u n i c a t i o n a n ds oo n ，t h ei n t e l l l g e n t c o n t r o lt ot h er o a dm i l e ri sk n o w nc l e a r l y 7 、l o c a l ee x p e r i m e n tr e s e a r c ha n da n a l y z e ：a c c o r d i n gt ot e s t i n gw h e n t h em a c h i n e w a ss e ta n dg a t h e r i n gt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c y , c o m p r e s s i v e s t r e s sa n dt h ea m p l i t u d e ，t h e d e g r e eo fc o m p a c t i o n t os o i lw a sa n a l y z e d ，a n dt h et h e o r ya n a l y s i sl sv a l l d a t e d t h ei r m o v a t i o no ft h i sp a p e ri st h er e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o n o nt h e1 n f n l l t e v i b r a t o n rw h e e la n do nt h es y s t e mo fi n f i n i t ef r e q u e n c y & a m p l i t u d ea d j u s t m e n t a n d t h er e s u l t sg i v es o m et h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o rt h em o r er e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o no ft h e i n t e l l i g e n t i z e dr o a dr o l l e r k e yw o r d s ：v i b r a t o 巧r o a dr o l l e r s ，c o m p a c t i o nm e c h a n i s m ，i n f i n i t e l y v a r i a b l e f r e q u e n c y & a m p l i t u d ea d j u s t m e n t ，t e s t i n g i v 江苏大学工程硕士学位论文 符号索引表 序号符号 含义序号符号含义 l 彳总的偏心引起的工作振幅 1 7c土壤的粘聚力 2 鸽 名义振幅1 8c 齿轮转过的整齿数 - 节流口形状，液体流态， 3 4 机架振幅 1 9c 油液性质等决定的系数 4 4 振动轮振幅 2 0 q 减振器的阻尼 5 么 一个偏心产生的振幅2 l c 2 土壤的阻尼 6 彳f 油缸预计算面积 2 2d 油缸的内径 7 以 节流阀通道的等效面积2 3 d 1 支撑轴承内径 a 在垂直方向的振幅的分 8 以 2 4d 振动轴承的直径 量 9 4 节流口的通流截面面积 2 5 d 行星轮的齿顶圆直径 l o 以 a 在水平方向分量 2 6 e 压实模量 1 1 4 工作振幅均值 2 7 p位置误差 1 2口振动加速度2 8 f 总的偏心引起的激振力 1 3 口g 油缸的加速度 2 9 e名义激振力 1 4口i 相临两行星轮的中心距 3 0 互 轴承载荷 1 5b振动轮宽度 3 l f 负载力 1 6b偏心块弦到中心的距离 3 2 e 激振力 3 3 f a 驱动力 5 1 也 土壤的刚度系数 3 4 c 地面作用力 5 2 也 位置误差校正项 摆动油缸蜗轮中心到蜗 3 5ef 在水平方向分力 5 3 厶 杆的距离 3 6f v f 在垂直方向分力 5 4 岛 节流阀通道中的液感 3 7 f f 轴承摩擦力 5 5 三节流阀通道的等效长度 3 8氏 稳态摩擦力 5 6 厶 偏心块大圆弧弦长 v 江苏大学工程硕士学位论文 序号符号含义序号符号含义 3 9 摩擦力，的估计值 5 7 乞 偏心块小圆弧弦长 f 4 0 振动频率 5 8m振动轮分配载荷 4 1 厂 最高振动频率 5 9m e 偏心块静偏心矩 jm a x 4 2g 内圈焊接总重量 6 0坛 下车质量引起的载荷 4 3g 重力加速度 6 1m振动轮质量 4 4 h g ) 位置控制器6 2 m o 偏心块质量 4 5z 分动箱传动比 6 3 确 机架质量 b 以齿轮口为转臂，齿轮b 为 4 6 z 胡 6 4 ，他 振动轮质量 公转轮的传动比 4 7 k p 考虑振动作用的载荷系数 6 5 朋d 振动轮参振质量 4 8k动线压力系数6 6，竹系统等效质量 4 9 k 位置误差系数 6 7 n p 泵的当量功率 5 0 墨 减振器刚度系数 6 8 n 。 振动功率 6 9 n 。 发动机提供的振动功率 8 6 p 2 节流阀出口压力 按最大振幅和最高频率计 7 0 n v 8 7 p , o 节流阀进口压力稳态值 算的当量振动功率 7 l以轴承个数28 8 p 2 0 节流阀出口压力稳态值 7 2 齿轮a 的转速 8 9 卸 马达进出油口压力差 7 3 齿轮b 的转速 9 0 a p ， 阀到油缸的压力损失 7 4 刀p 柴油机的转速 9 l p 呱 最大工作压力 7 5 忾 公转齿轮转速 9 2 p l负载压力 7 6 , 册 马达的转速9 3 ps 阀实际供油压力 7 7 刀_行星轮数 9 4 p 马达的回油背压 7 8 刀p 泵的转速9 5 p 、 阀理论供油压力 7 9 刀，麟 泵的最高转速9 6 p ，比例阀压降 刀m 戥 马达的最高转速9 7q负载流量 8 0 8 l尸总线载荷 9 89振动轮的线载荷 v i 江苏大学工程硕士学位论文 序号 符号含义序号符号含义 8 2 墨 垂直方向上的均布线载荷 9 9 鲛 比例阀输出流量 8 3 最 水平方向上的均布线载荷 1 0 0 绯 泵的流量 通过节流阀流量的稳态 8 4p 系统的设定压力 1 0 1 研。 值 8 5 p 1 节流阀进口压力 1 0 2 绋 通过节流阀流量 1 0 3g压路机静线载荷 1 2 2 压实速度 1 0 4 g 。 选用马达的排量 1 2 3 摆动油缸最大工作速度 1 0 5 g ， 马达的应有排量1 2 4u速度变化值 1 0 6 g ， 振动轮个数 1 2 5x油缸位置 1 0 7 g p 选用泵的排量 1 2 6 五 机架瞬间位移 1 0 8 卯泵的应有排量 1 2 7 而 振动轮瞬间位移 1 0 9 月 应力圆半径1 2 8 劫 油缸参考位置 1 l o厂质点到中心距离 1 2 9 z 状态z 的估计值 1 l l 偏心距 1 3 0 z 摩擦力内部状态 1 1 2s偏心块面积 1 3 l z深度 1 1 3s摆动油缸的最大行程 1 3 2 z b 齿轮b 的齿数 1 1 4丁负荷扭矩 1 3 3 z o 齿轮口的齿数 1 1 5 互 自重引起的偏心扭矩 1 3 48土壤的密实度 1 1 6 正 轴承的摩擦力矩 1 3 5 如 实际干容量 1 1 7f 运转时间1 3 6 以一 最大干容量 1 1 8a t时间变化量1 3 7 b 质点与深度方向的夹角 基本频率的加速度幅度频 1 1 9 k 1 3 8 8 e 液压油的弹性模数 谱 n 次谐振时加速度幅度频 1 2 0 圪 1 3 9 盯j x ：y 向的应力 谱 1 2 lk油缸有效容积 1 4 0 仃z z ：y 向的应力 1 4 1 恝方向的剪切力 1 5 3 7 j h 液压系统的效率 v i i 江苏大学工程硕士学位论文 序号符号含义序号符号含义 1 4 2 勺 时间常数1 5 4 刁p 泵的容积效率 1 4 3 土壤的粘聚力 1 5 5 7 7 m v 马达的容积效率 1 4 4 西 土壤的内摩擦角 1 5 6 q f 分动箱传动效率 振动轴承的摩擦系数， 1 4 5 q 大圆弧半中心角1 5 7 取0 0 0 5 支撑轴承摩擦系数，取 1 4 6 岛 小圆弧半中心角 1 5 8 0 0 0 1 8 1 4 7w 振动角速度 1 5 9 沙 节流阀指数 “压路机一土”振动系统的 1 4 8 彩2 1 6 0p 油液密度 二阶固有频率 1 4 9 w h 系统的固有频率 1 6 1 厶 变形刚度系数 1 5 0 纯 齿轮口转的角度 1 6 2 a 粘性阻尼系数 1 5 lf 幅值修正系数 1 6 3 五 粘性摩擦系数 1 5 2 口 摆动缸的旋转角 v i l l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 卅年6 月加e t 保密酶在文年解密后适用本授权书。 不保密口。 a 1 加乏 指导教师签名： 跏c 年j ：a 以黾 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月 e 1 江苏大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1压实机械在工程施工中的作用 公路施工一般分路基、路面施工。路基是公路工程的重要组成部分，国家公 路路基施工技术规范( j t j 0 3 3 - 9 5 ) 中规定：“路基工程应推行机械化施工，只有 在条件极其困难的三、四级公路，方可采用人工施工，但路基压实，必须采用碾 压机械【1 】，。规范对路基压实提出要求是：“土质路堤 ( 含土石路堤) 的压实度 应不低于表i 的标准。 表一土质路堤压实度标准( j t j 0 2 3 9 5 ) 路面底面计起深度范围压实度( ) 填挖类型 ( c m ) 高速公路、一般公路其他公路 上路床 0 3 0 9 5 9 3 下路床 3 0 8 09 59 3 路堤 上路堤 8 0 1 5 09 39 0 下路堤 1 5 09 09 0 零填及路堑路床 o 3 09 59 3 对于高速公路和一级公路的填方路基，规范规定：“宜采用振动压路机或 3 5 5 0 t 轮胎压路机压实 。 英国学者s u s e s t 对压路机进行试验后指出，如果路面空隙度由8 降到6 ， 也就是将路面的密实度从9 2 提高到9 4 ，路面的寿命将延长3 倍。 可见公路施工中，压实机械是很重要的设备，无论路基、底基层、基层和路 面都需要很好的压实，以达到一定的密实度，提高道路的承载力，防止沉陷、水 分渗透等。由于压路机在工程建设，特别是筑路工程中具有不可替代的作用，使 其成为工程机械中发展最快的机械设备之一。 1 2国内外振动压实机械现状及发展趋势 1 2 1 国外振动压实机械现状及发展趋势 德国b o m a g 公司推出了b c m o s b c m 0 3 技术，能对压实状态适时进行动态监测、数 据分析、记录存档；推出c a r e ( c o m p u t e ra i d e dr o l l e rs e l e c t i o ni ne a r t h w o r k s ) 江苏大学工程硕士学位论文 的土方压实机械辅助软件，帮助用户根据工程工作量、现场条件、材料特性所要求的 压实度来选择选用产品的参数，包括振幅和频率、铺层厚度和铺层数、碾压遍数等。 瑞典d y n a p a c 公司的一种压实度监测装置是利用振动轮加速度的畸变来判断 地面压实的程度。它开发的计算机程序，具有分析土壤和沥青因素的功能，能进 行压实和优化分析，辅助打造智能型振动压实机械。 美国的英格索兰压路机d d i i o h f 具有系列多振幅，s d l 0 0 为无级可调振频。 悍马( h a 删) 公司开发一种压实导航( h c n ) 设备，能够监控压实进程，将结 果存档备案。该设备开发最重要的环节是g p s 技术支持下的在线测量系统，包括 两个模块，一是g p s 接收器部分，准确定位压路机的位置；二是压实测量系统， 将加速传感器的信号转换成反映压实效果的具体值。 目前，电子技术在国外压路机上的应用，简化了机器的操作程序，提高了机 器的技术参数。应用电子控制技术可以自动选择机器的作业模式，利用传感器、 微电脑可以检测机器的工作质量，在压路机驾驶室内设置频率仪、振幅计和压实度 计，实现压路机的随机自动检测，操作人员可以随时测定压实效果及确定碾压遍 数，提高了作业效率和压实质量【2 1 。 1 2 2 国内振动压实机械现状及发展趋势 国内压路机虽起步晚，但发展规模和制造质量的变化日新月异。从8 0 年代的 静碾发展到振动，由单频单振幅发展到多频多振幅，压路机的研制开发和制造技 术正日益完善和成熟。近年来智能化压路机己倍受企业和各高校的重视。 我国有大量的基础工程需要建设，这对包括压路机在内的建筑工程机械提供 了巨大需求的同时，对产品质量和科技水平也有更高的期待。国外压路机行业又 已在中国铺开生产线和营销市场，国内的企业同时面临双重考验，要想发展，必 须以技术来支撑。 我国压实机械的智能化研究工作进行得晚，水平低，没有一套成熟的系统能 够推广应用到系列产品中，最基础的土壤与密实度对应的科学资料还没有，需要 做的工作很多。开发一套囊括所有因素的检测与控制系统，一直是工程技术人员 和施工单位的共同梦想。 1 2 3 国外智能型振动压路机的历史 按照技术的革新分代，国外智能型振动压路机已发展了五代： 2 江苏大学工程硕士学位论文 第一代：在2 0 世纪7 0 年代末期，出现了用于压实状态控制的测量装置欧米 嘎计( o m e g a m e t e r ) ，它由加速度传感器、b o m 电子单元和欧米嘎值显示表组成， 主要特点是只能用于压实状态控制，不能控制压路机本身。 第二代：可以识别并记录地面的松软点和压实状态不均匀点，以及给出用于 压实控制的曲线和列表，用以根据地面压实状态的不同，控制压路机的行走速度。 第三代：首次成功分离土壤参数与振动参数，压路机振动参数的改变对测量 结果无任何影响。 第四代：推出新概念压实管理系统( c o m p a c t i o nm a n a g e m e n t ) ，提供分 析和管理压实作业，压实管理程序在w i n d o w s 上进行分析处理。驾驶人员可以较 为直观地在显示器上观察到被压实过的每一地段的压实情况，但只能进行大概定 位，不准确。 第五代：引入g p s 定位技术，即土壤压实综合定位系统。可以精确给出压路机 位置，进行压实作业管理；可以精确给出振动轮的标高，与前一铺层的标高比较， 得到土壤的铺层厚度；可以精确测定土壤压实状态。 1 2 4 智能型振动压路机的应用技术口1 在1 9 6 2 年美国专利n 0 3 0 5 3 1 5 7 中提出了利用振动轮垂直方向加速度的振幅来 测量压实材料的压实程度。7 0 年代k o n i g 在德国专利n 0 3 7 7 5 0 1 9 中提出了利用振 动部件与压实材料之间相互作用的动力特征来判断压实进程。到8 0 年代，出现了 一些可安装到压路机上的压实度计。 智能振动压路机是采用计算机技术、精密传感技术、电液控制技术、卫星通 信技术和遥感控制技术将自适应和自学习技术引进到压实控制中，在密实度测量 仪的基础上，根据压实材料密实度的变化情况来不断调整机体自身的各项工作参 数，使压实作业始终在最佳工作状态下进行。 智能振动压路机的几个主要系统：车载密实度测量系统、自动化控制系统、 实时状态检测和故障诊断系统、远程综合控制系统。 ( 1 ) 随车密实度测量系统：根据在压路机一土模型中振动轮动力学参数，特 别是振动轮振动信号的变化与压实材料的密实度有密切关系的原理，反映压实材 料的压实状态的好坏。方法是通过在振动轮上安装精密传感器采集振动信号，经 分析处理换算后通过仪器显示出压实度。振动加速度信号的采集与分析是研究密 实度测量系统的关键，主要有以下几种方式： 江苏大学工程硕士学位论文 瑞典方式：瑞典的t h e n e rh 、f l o s s 等人认为，振动轮加速度信号在振动过 程中因受地基振动特性的影响发生畸变，其波形由振动轮固有的振动和杂波叠加 而成。对加速度信号进行f o u r i e r 变换，比较基波振动和二次以上谐波的成分， 将比值( 谐波比) 作为压实程度的指标，用“h v r 表示。 土研方式：日本建设省土木研究所岛津等人的研究小组以“二次以上所有谐 振加速度幅度频谱的均方根”与“基本振动加速度幅度频谱”的比值作为压实指 标，并将其定义为“应变率” 一 1 2 应变率= 导 1 b o m a g 方式：该公司的o m e g a 压实度仪和t e r r a 表，是利用加速度传感器来记 录振动轮的垂直加速度值，所测信号经微处理器计算后得出压实度值( c w v ) ，显 示在仪表盘上，当c w v 值停止增大，压实接近终了。 ( 2 ) 自动控制系统主要包括：振动压实工作参数( 振动频率、振幅、压实速 度和方向) 最佳调节的自动化、振动压实机械操作的自动化、振动压实质量控制 的自动化。 自动化系统是建立在随车密实度测量基础上，通过自动调幅、调频机构、速 度控制机构调节与压实质量密切相关的几个参数，使工作中的振动压路机始终置 于最佳参数匹配状态下，以得到更好的压实质量。 实时状态检测和故障诊断系统、远程综合控制系统不属本课题研究范围，不 再累叙。 1 3 研究无级调频调幅的意义 卡特彼勒( c a t e p i l l a r ) 公司的路面压实专家罗伯林维尔斯基( r o b e r t r i n g w e i s k i ) 说，铺设薄路面时要用高频压路机，但是铺设高性能沥青路面和长寿 命沥青路面时，高频设备作业效果并不好。长寿命沥青路面较厚，需要低频高振 幅的压路设备。 高频低振幅模式，用于铺设简单路面，低频高振幅模式，用于铺设较厚路层 或混合路面。施工承包商希望使用一台机械设备，能够自如应对各种复杂的作业 情况，根据不同情况选取最佳振幅和频率的搭配。 在公路施工中，密实度每提高1 ，基础承载能力就提高1 0 ；沥青混凝土密实 4 江苏大学工程硕士学位论文 度每提高1 ，承载能力和寿命可提高1 0 - 1 5 。根据被压实材料的性质，将各项技 术参数调整在适宜的工作状态，从而用最快的行驶速度、最少的碾压遍数达到要求 的密实度【4 】o 对提高工程质量、缩短施工工期、降低施工成本有非常重要的作用。 使同一台压实机械具有无级调频和无级调幅的功能，以适应不同的工况，达 到期望的压实效果，成为公路施工和设备用户的共同要求。 1 4 本研究项目要完成的主要内容、参数和性能指标 1 4 1 研究的主要内容 压路机振动轮运动转速的无级调节( 无级调频) ，使压路机适应不同的工况， 不同铺层材料的要求，从而提高了压实效率。 压路机振动轮内的振动偏心质量同整机的振动压实能力成正比，研究的振动 偏心质量应能实现振动偏心质量的无级调节。 利用电液比例控制技术实现振动频率和振幅的无级控制，操作省力，便于利 用电子控制技术实现位置反馈。 1 4 2 主要参数及性能指标 主要技术性能参数： 发动机： 厂家：c u m m i n s 额定功率：9 7 k w 振动轮： 工作质量： 2 9 9 2 k g 振动轮宽度：2 1 3 0 m m 内圈转动的速度：0 5 1 圈m i n 压实性能： 振动频率调节范围：3 0 - 4 5h z 名义振幅调节范围：o 0 8f i l m 激振力调节范围：o 1 9 0k n 型号：b 3 9 - c 额定转速：2 5 0 0 r m i n 振动轮直径：由1 5 2 3 m m 轮壳厚度：1 8 m m 江苏大学工程硕士学位论文 第二章土壤的压实机理与振动压路机的总体结构 2 1 振动作用下的土壤 2 1 1 土壤的分类及结构 土由固体颗粒( 又称固相) 、水( 液相) 、和气体( 气相) 所组成，土颗粒大小、 成分及三相之间的比例关系，反映出土不同的物理和力学性质。 土颗粒大小与土的性质有密切关系，按土粒径的范围分组，见表2 1 【5 】 表2 - 1 土壤粒度、特性和自然频率 粒径范围 粒组名称一般特性自然频率( h z ) ( m m ) 漂石或块石颗粒、卵 2 0 0 透水性很大，无粘性，无毛细水3 0 3 4 石或碎石颗粒2 0 0 2 0 圆砾或粗 2 0 l o 透水性很大，无粘性，毛细水上升高度不 角砾颗 中1 0 52 6 2 2 6 7 超过颗粒大小 粒 细 5 2 粗 2 0 5 易透水，当混入云母等杂质时透水性减小， 中 o 5 0 2 5 而压缩性增加，无粘性，遇水不膨胀，干 砂石2 3 5 2 4 7 细 0 2 5 o 1 燥时松散，毛细水上升高度不大，随粒径 极细 o 1 o 0 5 变小而增大。 粗0 0 5 o 0 1 透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小， 粉粒 干时稍有收缩，毛细水上升高度较大较快， 2 1 6 2 3 5 细 o 0 5 极易出现冻胀现象。 透水性很小，湿时有粘性、可塑性，遇水 粘粒 0 0 0 5 膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升高度 1 8 3 2 1 6 大，但速度较慢。 瑞典专家拉斯佛斯布拉德( l a r s f o r s s b l a d ) 推荐一种与土的压实有关的土 的分类系统 6 1 ： ( 1 ) 岩石填方和带有大石头及石块的粒状土； ( 2 ) 砂和砾石( 粒径小于o 0 6 m m 的材料不到5 1 0 ) ： ( 3 ) 砂石、粉质土； a 、粉质砂、粉质砾石、沙碛土 6 江苏大学工程硕士学位论文 b 、粉沙和砂质粉土、亚沙土、带土砾石 ( 4 ) 粘土 a 、低、中等强度粘土( 无侧限压缩强度 0 2 m p a ) b 、高强度粘土( 无侧限压缩强度 o 2 m p a ) 土的结构是指土颗粒的大小、形状、表面特征、相互排列及其联结关系的综 合特征。分单粒结构、蜂窝结构、絮状结构三种基本类型。 ( 1 ) 单粒结构 单粒结构是无粘性土的基本组成形式，因其颗粒较大，土粒的结合水很少， 粒间没有连接力，仅有微弱的毛细水联结。它的力学特性与其密度大小有关。适 合使用小振幅的高频振动。 ( 2 ) 蜂窝结构 当较细的土粒( 主要指粉粒，粒径0 0 0 5 - - - 0 0 5 r a m ) 在水中下沉到已经沉积的 土粒时，它们之间的吸引力大于自重，因而土粒停留在接触面上不再下沉，形成 具有很大孔隙的蜂窝结构。适合使用较小振幅的高频振动。 ( 3 ) 絮状结构 细粒土( 主要指粘粒，粒径小于0 0 0 5 m m ) 在水中处于悬浮状态，不会因单粒 的自重而下浮。当掺入电解质，粘粒间的排斥力因电荷中和而破坏，凝聚成海绵 絮状的集合体，聚合到一定质量时相继下沉，和已经下沉的絮状集合体接触，形 成孔隙很大的絮状结构。适合较大振幅的低频振动。 2 1 2 土壤的压实机理 土壤的压实是为了提高土壤的强度特性和抗变能力，从土壤本质来说，就是 提高土壤的密实度万。占的值越大，表明土壤的压实程度越好。 万= 既8 , 咄 土体积减少包括三个方面： ( 1 ) 土颗粒发生相对位移，土中水及气体从孔隙中排出，从而使土孔隙体积 减少； ( 2 ) 土颗粒本身受压缩； ( 3 ) 土中水及密闭在土中的气体被压缩。 一般情况下，土颗粒及水的压缩量很小，因此，土的压缩变形主要是由孔隙 减少造成的。 7 江苏大学工程硕士学位论文 压实是通过施加外力使被压实材料提高压实度的过程。在压实过程中，土颗 粒产生运动并重新组合，强迫排出积存在颗粒间的空气和水。有效的压实，使得 被压实材料的压缩系数大大降低，支撑能力提高，减少沉降。压实后，土的压实 度提高，同时土剪切强度大约能提高4 0 ，大大提高了被压实材料的承载能力，降 低了渗水性。 土的压实分三种不同的压实原理：静作用压实、冲击压实、振动压实。 振动压实用快速、连续地反复冲击的方式工作，压力波从土的表面向深处传 播，土颗粒处于振动状态，颗粒间的摩擦力被消除。在这种状态下，小的土颗粒 充填到大颗粒的孔隙中，土处于容积尽量小的状态。 同时产生压力的振动，能在一些情况下获得好的压实效果。如混凝土或完全饱 和砂，由于振动消除了内摩擦力，因受重力影响，材料被固结密实，必须用带有 压力和剪切力的振动去克服土颗粒间的黏着力和内聚力【_ 7 1 。因此，土的振动压实得 到理想的压实效果必须具备下列条件： ( 1 ) 土颗粒处于运动状态，摩擦力被消除 ( 2 ) 在土中产生足够的应力和剪切力 振动压路机压实地面时，振动轮中心轴上的偏心块高速旋转，在垂直方向产 生一个大小和方向交变的激振力，通过振动轮传到地面上，并以振动波的形式在 铺层材料内沿着纵深方向持续扩散和传播【8 】( 见图2 - 1 ) 。 ，。、 j ，o o 、 图2 - 1 振动波在土中的传播 振动波的传播使一定范围的土体发生振动。土体振动时，内部各点处产生方向 和大小都不断变化的应力和应变，特别是当激振频率达到土壤的固有频率时，土体 产生较大振幅的共振，土中的应力和应变变化幅值也加大，促使土颗粒发生位移。 由于应力以波的形式向下传播，较深层的土壤也发生振动，上述的压实原理 在下层也产生作用，这就是振动压路机压实层度深的机理。 关于土振动压实的三种学说【9 】： ( 1 ) 土的共振学说：物理学原理，如果被压实土的固有频率和激振机构振动 频率一致，则振动压实能得到最好的压实效果。但实际压实过程中土的固有频率 8 江苏大学工程硕士学位论