（机械设计及理论专业论文）从“土壤机器”系统力学的角度探讨振动压路机的参数设计.pdf

摘要 摘要 振动压路机是道路机械化施工中必不可少的重要设备。其总体参数和振动参 数是决定振动压路机整机性能优劣的关键因素，对于这些参数选择的好与坏将影 响压实作业甚至是整个道路工程的施工质量和效率。本论文结合实际课题，从“土 壤机器”系统力学的角度出发，对振动压路机参数的确定方法和取值范围进行 了研究。 文章分析并完善了振动压路机的振动压实机理；在总结了“机- 土”系统经 典动力学模型的基础上，建立了五自由度“机土”动力学模型；运用p r o e 和 a d m a s 软件建立了五自由度动力学模型的虚拟样机，对样机进行了仿真分析， 探讨了系统参数对于振动压路机压实特性的影响，并对振动压路机的跳振工况进 行了分析；在仿真分析结果以及前人研究成果的基础上，结合优化设计的方法， 提出了振动压路机主要参数的确定方法和取值范围，对振动压路机的设计具有一 定参考价值。 最后文章对此次的研究成果进行了总结，并对研究的不足之处和未来的工作 进行了简单的分析。 关键词：振动压路机，参数，虚拟样机，仿真，优化设计 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ev i b r a t i o nr o l l e ri sa l li m p o r t a n td e v i c ei nar o a dc o n s t r u c t i o n i t so v e r a l la n d v i b r a t i o np a r a m e t e r sa r et h ek e yf a c t o r sw h i c hd e t e r m i n et h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c e o ft h er o l l e r t h er i g h tc h o i c eo ft h e s ep a r a m e t e r sw i l la f f e c tt h eq u a l i t ya n dw o r k e f f i c i e n c yo fn o to n l yt h ec o m p a c t i o np r o c e s sb u ta l s ot h ew h o l ec o n s t r u c t i o n t h i s p a p e ri n t e n d st of m dt h ep r o p e rd e s i g nm e t h o da n dv a l u er a n g eo ft h ep a r a m e t e r s f r o mt h ep e r s p e c t i v eo f “s o l i d - m a c h i n e s y s t e mm e c h a n i c s t h ev i b r a t i o nc o m p a c t i o nt h e o r yi ss t u d i e da n dp e r f e c t e di nt h i sp a p e r ；a f t e r a n a l y z i n gt h ec l a s s i c a ld y n a m i c a lm o d eo ft h e m a c h i n e s o l i d s y s t e m ，an e w d y n a m i c a lm o d ew i t h5 - d e g r e eo ff r e e d o mi sb u i l t ；u s i n gt h ep r o ea n da d a m s s o f t w a r e ，av i r t u a lv i b r a t i o nr o l l e rw i t h5 一d e g r e eo ff r e e d o mi sb u i l t ，t h e nt h e i n f l u e n c e so ft h es y s t e mp a r a m e t e r s0 1 1t h ef r e q u e n c yr e s p o n s ea r ed i s c u s s e da n dt h e c o n d i t i o no f j u m po f t h er o l l e ri sa n a l y z e d o nt h eb a s i so f t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n d e x i s t i n gr e s e a r c h i n ga c h i e v e m e n t s ，t o g e t h e rw i t ho p t i m a ld e s i g n ，t h ed e s i g nm e t h o d a n dv a l u er a n g eo f t h ep a r a m e t e r so f t h em i l e ra r eg i v e n i nt h ef i n a l t h ea c h i e v e m e n t so ft l l i ss t u d ya r es u m m a r i z e da n dt h ei s s n c s r e q u i r e df u r t h e r s t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：v i b r a t i o nr o l l e r , p a r a m e t e r , v i l x 叫m a c h i n e ，s i m u l a t i o n ，o p t i m a ld e s i g n i i 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 压实是指借用某种工具或机械对被压实材料进行某种形式的加载，以克服被 压实材料的内摩擦力、粘聚力，使被压实材料的固体颗粒重新排列、相互靠近和 填充，增加单位体积内固体颗粒的数量，减少空隙率，从而使被压实材料变得密 实的过程。在建筑基础、水利堤坝、机场、公路和铁路等建设施工中，压实是提 高基础材料的强度和稳定性的一种有效方法，是提高工程整体质量、缩短工期的 快速、经济和必不可少的环节。压实的目的包矧l 】： i 消除土中的空隙，降低渗透性，减少因水的渗入而引起土的软化和膨胀， 使土保持稳定状态。 2 使路堤斜面保持稳定。在填方上保持足够的强度，以支承交通运输中所 产生的负荷。 3 减少填方的压力下产生的下沉量。 为了追求更好的压实效果和高的压实效率，人们一直在孜孜不倦地探讨新的 压实方法和压实技术。到目前为止，现代压实技术所采用的压实方法可以归纳为 以下四种f 2 4 ：静作用压实、冲击压实、揉搓压实和振动压实。 1 静作用压实是将具有一定质量的重物置于被压实材料的表面，依靠重物 自身的重力对被压材料施加垂直压力作用，使被压材料内部产生相应的法向应力 和剪切应力，当剪切应力达到材料的抗剪强度时，材料的颗粒之间就会发生相对 滑移，重新排列而变得更加密实。静作用压实存在一个极限的压实效果和影响深 度，无限地增加静载荷，也不能得到相应的压实效果，反而会破坏表层土的结构。 常用的静作用压实机械有两轴两轮式或两轴三轮式静碾压光轮压路机。 2 冲击压实是利用动能转化为冲击能来压实土壤的，巨大的动能在很短时 间内转化为量而形成瞬时作用的巨大冲击力。它可在土壤中产生很大的剪切应力 和法向应力，克服被压实材料的内聚力，使被压实材料变得密实。冲击载荷的影 响深度比静载荷的影响深度要大，所以其压实效果较静作用压实好。采用冲击压 实方法的多边形冲击式压路机在高填方、塌陷性土壤和干砂压实方面采用广泛。 3 在搓揉压实中，搓是利用对被压材料表层施以水平方向的反复交变的作 用力，使被压材料表层颗粒产生相对滑移，重新排列而变得致密；揉是一种压入 作用它依靠对被压材料局部施加很大的垂直压力，使压头直接剪切侧面材料破坏 压头下方局部材料与被作用材料整体之间的联系，使之受到很大压缩而变得密 第1 章绪论 实。总体而言搓揉作用力的作用深度较浅，仅在表层某一范围内传递，但其可获 得较高的表面压实度和表面平整度。轮胎压路机是典型的揉搓压实设备。 4 振动压实是利用专门的设备对被压材料施加一系列的激振作用，以激起 被压材料颗粒之间的相对运动，在垂直压力的作用下，使它们重新排列而变得更 为密实。振动作用能大幅度地减少被压材料内部颗粒间的摩擦而对减小内聚力的 作用则相对较小。振动能以压力波的形式传向被压材料深部，同时可激起下部材 料颗粒的振动，因而它比同样自重的静作用压路机能达到更好的压实效果和压实 深度。由于振动压实的机理是在于激起被压材料颗粒的相对运动而并不是依靠振 动来压实被压材料。因而它的振幅通常只有o 3 2 m m ，而频率则接近被压材料的 ，一、，、一 自振频率这样可以使被压材料的颗粒处干共振的状态下从而获得最佳的压实效 果。振动压实不仅作用深度较大，而且能获得较大的压实度。振动压路机目前的 两种主要类型是1 3 1 光轮振动压路机和捣实式( 凸块式和羊足式) 振动压路机。 1 2 课题背景 随着我国国民经济的不断发展，各级公路的建设突飞猛进。据统计1 4 】，截至 2 0 0 5 年底，全国公路总里程己达1 9 3 0 5 万公里，位居世界第二位，比2 0 0 4 年末 新增5 9 9 万公里，比“九五”期末新增2 5 0 7 万公里。按照交通部规划，在“十 一五”期间，我国公路总里程还将以年增长率2 5 3 6 的速度继续高速发展。到 2 0 1 0 年，我国公路总里程将达到2 1 0 2 3 0 万公里，将全面建成“五纵七横”国道 主干线，基本建成西部8 条省际间通道，高速公路将连接9 0 目前人口在2 0 万 以上的城市。 现代公路建设的高速发展，越来越依靠先进的机械化施工设备。机械化旌工 已成为了加速建设和发展现代化公路，并保证其工程项目三大目标( 质量、进度、 费用) 得以实现的必然趋势和必备手段。在公路的机械化旌工中，压实机械是很 重要的设备。公路施工的实践证明，公路的路基、地基层、基层和面层均需要得 到充分的压实，达到要求的密实度，以减少路基和路面在行车载荷作用下产生的 永久变形，增加路基土和路面材料的布透水性和强度稳定性，从而减少甚至避免 路面自丑早期破坏，增强路面的使用性能和延长路面的使用寿命。统计表明【5 1 ，基 乒蟾塞g 涅墁基! 墅：薹型垦夔墼塑塾堡直! q 竖i 若是沥青混凝土密实度每提高 1 ，则其承载能力和寿命可提高1 0 1 5 。 从压实机械市场情况来看，振动压路机因其在适用范围、压实效果、工作效 率、资源节省等诸多方面的优势已成为了当前国内外压实机械的主流。2 0 0 1 年 世界压路机的年产销量为6 万余台，而其中振动压路机占到了压路机销售总量的 2 第l 章绪论 9 0 以上，年总销售额超过1 6 亿美元 6 1 。在国内，振动压路机( 包括机械式单钢 轮振动压路机、全液压式单钢轮振动压路机和全液压式双钢轮振动压路机) 的销 售总量也超过了压路机销售总量的8 0 1 7 1 嗍。随着国内振动压路机制造厂商管理 水平和技术水平的不断提高，国产振动压路机性能及可靠性的不断改进，以全液 压式振动压路机为代表的高端产品必将成为未来国内压实机械市场的主流。 振动压路机的总体参数和振动参数是决定其整机性能优劣的关键，对于这些 参数选择的好与坏，将直接影响压实作业甚至是整个道路工程的施工质量和效 率。目前，国内振动压路机的研制还处于技术引进的仿型设计阶段，产品往往形 似有余两神似不足，尤其是城攮左堂数角度鉴被压宴壤与捱动压路扭熊= 仝 系统塞确定及选丝匿堕丑窆錾左面尚处王未珏垦成熟的处女地，为此。受国内某 压路机厂委托，立项共同就“从土壤机器系统力学的角度探讨振动压路机 的参数设计”这一课题进行研究，试图寻找振动压路机最佳参数的确定方案，并 为该厂产品的自行研制提供理论参考。 1 3 国内外发展现状及趋势1 9 - - 1 2 l 1 3 1 振动压路机的发展过程 压路机作为压实机械中最主要的机种经历了漫长的发展时期。最先出现的压 路机是光轮和羊脚碾压路机，这可以追溯到1 8 世纪制造的畜力牵引式光轮碾和 羊脚碾。第一台蒸汽驱动的压路机出现在1 9 世纪中叶。第一台内燃机驱动的压 路机则诞生在2 0 世纪初期，随后出现的是轮胎压路机。 这些压路机都是静作用式的。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质量达2 0 0 t 。在2 0 世纪 4 0 5 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。 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简单地依靠重量或线压力的增大。第一台自行 式和拖拉式牵引的振动压路机出现在2 0 世纪4 0 年代。但真正大量投放市场是 5 0 年代初期的事。开始发展的振动压路机吨位较小。品种也较少。随着减振材 料和压路机结构的日趋完善。振动压路机在2 0 世纪6 0 年代迅速地占领了世界的 压实机械市场，其机型也从小型向中型、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 脚式和凸块式的振动路机等许多不同品种。到了2 0 世纪6 0 年代末至7 0 年代初， 第1 章绪论 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推广了静液 压传动和液压控制技术。至2 0 世纪7 0 年代末机械传动的压路机，特别是振动压 路机，绝大多数已经被静液压传动所取代。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 年代末期出现了调频、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以下两个方面。 1 新的压实技术和方法的探索 随着对新的压实技术和方法的探索，出现了许多新的构想( 如非圆滚轮压路 机、振荡压路机、翼板式压路机等) 。其中振荡压实技术与振荡压路机，冲击碾 压技术与非圆滚轮压路机已经由2 0 世纪8 0 年代前后的设想，经过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。 2 压实控制技术的新发展 压实控制新技术的迅速发展是现代高科技向传统产业部门的渗透与改造这 一大趋势紧密关联的，它导致了压实过程的自动监测、自动控制和自动调节技术 的迅速发展。 1 3 2 国内振动压路机发展现状 1 9 6 1 年西安公路交通大学与西安筑路机械厂联合开发的3 t 自行式振动压路 机，是我国自行开发设计振动压实机械的起点。1 9 6 4 年洛阳建筑机械厂研制出 4 5 t 振动压路机。1 9 7 4 年洛阳建筑机械厂与长沙建筑机械研究所合作开发了1 0 t 轮胎驱动振动压路机和1 4 t 拖式振动压路机。8 0 年代中期，我国开始引进国外先 进的压路机制造技术。1 9 8 3 年洛阳建筑机械厂引进了美国i - i r s t e r 公司技术，合 作生产6 t 铰接式振动压路机。1 9 8 4 年徐州工程机械厂引进瑞典戴纳帕克 ( d y n a p a e ) 公司的c a 2 5 轮胎式驱动振动压路机和c c 2 1 型串联式振动压路机 技术。1 9 8 5 年温州冶金机械研制出了1 9 t 振动压路机。1 9 8 7 年洛阳建筑机械厂 引进了德国宝马( b o m a g ) 公司b w 2 1 7 0 d 和b w 2 1 7 a d 振动压路机技术。江麓机 械厂引进德国凯斯伟博麦士( c a s e v i b r o m a x ) 公司的w 1 1 0 2 系列振动压路机技术。 1 9 9 9 年三一重工集团有限公司引进国内外先进技术，开发研制了y z 系列振动压 路机，该机为全液压控制、双轮驱动、单( 双) 钢轮、自行式结构，其型号有 y z l 4 c 、y z l 6 c 、y z l 8 c 、y z k l 8 、y z 2 0 、y z c l 2 等。 2 0 世纪8 0 年代后期，随着基础工业元件的发展，特别是液压泵、液压马达、 4 第1 章绪论 振动轮用轴承、橡胶减振器的引进生产，使振动使振动压路机总体水平和可靠性 有很大的提高。在基础元件支持下，振动压路机引进技术不断得到消化吸收，国 内高等院校和科研院所的科研攻关，使我国自行开发和研制振动压路机的能力有 较大的提高。1 9 9 0 年西安公路交通大学与徐州工程机械厂共同开发的l o t 振荡压 路机，1 9 9 8 年中国农业大学开发研制的混沌压路机，这些均标志着我国振动压 路机科研和产品开发达到新的水平。 目前，我国有7 0 多家工厂生产振动压路机，并初步形成手扶系列、拖式系 列、自行系列等产品，基本满足国内需要，并有一定的出口能力。 由于我国振动压路机起步较晚，整体水平与国外先进水平相比仍有差距，主 要表现在：产品型号系列不全；重型和超重型振动路机生产数量和品种仍然较少； 专用压实设备缺乏：综合技术经济指标和自动控制方面仍低于国外先进水平。 1 3 3 振动压路机的发展趋势 历变 在步入2 1 世纪的未来发展中，压实技术和压实机械的科技进步将带有以下 一些特点和趋势： 1 新的压实技术和压实机械的发展将越来越地依靠压实理论上的新突破， 并成为创造原理上全新的压实过程的强大理论支撑。压实理论的研究将更加带有 综合研究的特点，即从工作介质的材料性能、力学基础、施工工艺以及机械设备 的结构、运动学、动力学参数的综合角度来研究压实机械的作业过程。压实技术 的发展将更加带有多种压实方法综合作用的特点，即通过静力、搓揉、振动、捣 实、冲击等多种方法的联合作用来强化压实过程。 2 在压实理论和技术的研究中试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。计算机辅助设计、辅助试验、辅助制造、辅助管理以及辅 助工程将使压实机械的研制过程从构想、设计、制造、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。 3 新技术革命和现代高科技将继续推动压实机械向自动化、智能化、无人 化和机器人的方向发展。由于压实过程的影响因数较少，所以在这一发展方向上 智能压路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。 在压实机械智能化，一个可以预期的目标是将自适应和自学技术引入压实控 制中，并在此基础上实现压实作业的最优控制。此时机器将具有一定的智能，当 对某一材料进行压实对，通过段时间的实践，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) 进行不同组合，并判断其压实效果，从而决 第1 章绪论 定最优控制的方案。当使用条件，例如土质情况变化时，它会不断改变自身的参 数，自动适应外部或内部状况的变化，使压实作用始终在最良好的条件下进行。 智能化发展的另一个重要趋势是随机电脑将普遍应用在压实机械上，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。 1 4 课题研究的方法和主要内容 本课题在总结前人研究成果的基础上，通过计算机仿真和优化设计的方法， 对振动压路机主要参数的设计选择进行研究，研究的主要内容如下： 1 振动压路机压实机理的分析。 2 “机土”系统动力学模型的建立。 3 虚拟样机建立和仿真分析，找出系统参数与振动压路机压实特性的关 系。 4 在仿真结果和前人研究成果的基础上，结合优化设计的方法，给出振动 压路机主要参数的确定方法和取值范围。 6 第2 章土壤及振动压实机理分析 第2 章土壤及振动压实机理分析 2 1 土壤及其分类 地球表层的整体岩石，在大气中经受长期的风化、侵蚀而形成形状不同、大 小不一的颗粒，这些颗粒再经堆积，或经搬运和沉积而最终形成了各种疏松的沉 积物，即形成了土【1 3 j 。在压实作业过程中，土壤是压实机械的作用对象。其自 身的结构、级配及物理性质对压实效果有着重要的影响。 2 1 1 土的结构0 3 1i t 3 1 土的结构是指土颗粒之间的互相排列和连接方式。它在某种程度上反映了土 的成份和土的形成条件，因此它对土的特性有重要的影响。土的结构可分为：单 粒结构、蜂窝结构和絮状结构3 种结构，如图2 1 所示。 豳圜因 图2 - 1 土粒结构的三种形式 1 单粒结构。较粗的矿物颗粒在其重力的作用下独立下沉并与其它稳定的 颗粒相连接，稳定后形成了单粒结构( 如图2 - l a ) 。因为土粒粒径较大，土粒间 的分子吸引力相对很小，所以土粒间几乎没有联结，单粒结构可以是疏松的，也 可以是紧密的。这一结构常见于砾石、砂土、粉土中。 2 蜂窝结构。主要由粉粒组成( o 0 5 , - - 0 0 0 5 m m ) 的土的机构形成。较细的 颗粒在水中单独下沉时，碰到已沉积的土粒，因土粒间的分子引力大于土粒自重， 则下沉的土粒被吸引不再下沉，依次一粒一粒被吸引，最终形成具有很大孔隙的 蜂窝状结构( 如图2 - l b ) 。蜂窝结构常见于粘土中。 3 絮状结构。当土粒的尺寸小于o 0 0 5 m m 时，具有粘粒的性质，它们能在 水中长期悬浮，不因自重而下沉，这种土粒在水中运动，相互碰撞而吸引，逐渐 形成小链环状的土集粒，质量增大而下沉，当一个小链环碰到另一个小链环时相 7 第2 章土壤及振动压实机理分析 互吸引，不断扩大而形成大链环状的絮状结构( 如图2 - l e ) 。这种结构在海积粘 土中常见，具有强度低、压缩性大的特点。 以上三种结构中，以密实的单粒结构工程性质最好，蜂窝结构与絮状结构如 被扰动破坏了天然结构，则密度低、压缩性高，不可用作天然地基。 2 1 2 土的分类及其级配1 1 j 1 3 l1 1 3 土的性质差异很大，分类方法也有所不同，不同部门为工程实践的需要采用 各自不同的分类方法。在道路工程中，从路基的压实强度和稳定性考虑，通常按 照土颗粒的颗粒大小来进行分类。土颗粒的大小用粒径来表示，工程上将各种不 同的土粒按粒径范围的大小分组，即某一级粒径的变化范围，称为粒组。表2 1 为公路用土分类的粒组划分方法。 表2 - l 土分类的粒组划分方法 粒组名称粒组范围唧 般特征 漂石、块石颗粒 ) 2 0 0 巨粒组透水性很大，无粘性，无毛细水 卵石、碎石颗粒2 0 0 2 0 圆砾、角砾 粗2 0 1 0 透水性大，无粘性，毛细水上升 由 l o 5 高度不超过粒径大小颗粒 细 5 2 粗粒组 粗 2 o f5易透水，当混有云母等杂质时透 中 0 5 0 2 5 水性减小，而压缩性增大：无粘 砂粒 性，遇水不膨胀，干燥时疏松；毛 细 0 2 5 o 1 细水上升高度不大，随粒径变小而 极细 o 1 o 0 7 5 增大 粗 透水性小，湿时稍有粘性，遇水 粉粒 0 0 7 5 0 0 1膨胀小，干时稍有收缩；毛细水上 细 升较快，上升高度较大，极易出现 细粒组 o 0 l 0 0 0 5 冻胀现象 透水性很小，湿时有粘性和可塑 粘粒 5 ) ，且级配曲线连续 ( e = 1 3 ) 的土，成为级配良好的土。否则，称为级配不良的土。 9 第2 章土壤及振动压实机理分析 2 2 土的三相组成及其物理性指标 2 2 1 土的三相组成1 3 1 土是由固体、液体、气体三部分组成的三相体。固体部分为土粒，由矿物颗 粒或有机质组成，构成土的骨架。骨架问有许多孔隙，可为水和气所填充。这三 个组成部分之间的比例关系和相互作用决定了土的物理性质。土的三相组成可由 图2 3 来表示。 窖气 警 掌 一二二蓝j 二一 。 ，o 。- o o ：j j ：。，- ? 一， 璺 。；。? m 玉：粒：彰“： o 囊：i ： 图2 - 3 土的三相组成图 图中符号的含义如下： y 一土的总体积，y = 虼+ + 屹= k + k ，硎3 ； k 一土的空隙体积，k = 圪4 - 巧，c m 3 ； k 一土粒体积，册3 ； 圪一水的体积，研1 3 ； 圪气体体积，册3 。 珊一土的总质量，埘= m a + + 鸭，g ： 一土中空气质量，g ； 一土中水的质量，g ； 豫一土粒质量，g ； 2 2 2 与压实有关的物理性指标0 1 1 1 1 3 1 与压实有关的土壤物理特性指标定义如下： 1 土的密度指标 l o 第2 章土壤及振动压实机理分析 ( 1 ) 土的湿密度p ：单位体积土的质量( 以g c m 3 计) ，即 = 矿i r lz 学( 2 - p ( 2 - 3 一)。矿4 7 ) 天然土的密度随着土的矿物成分、孔隙体积和水的含量而异，一般变化于 1 6 2 2 9 硎3 之间。 ( 2 ) 土的干密度岛：单位体积土中土颗粒的质量，即 岛= 鲁 ( 2 4 ) 常见值为1 3 2 0 9 c m 3 。在填方工程中，土的于密度岛通常作为土体压实 质量控制的标准。土的干密度越大，表明土体被压的越密实，土的工程质量越好。 2 土的含水程度指标 ( 1 ) 土的含水量矽：土中水的质量与土粒质量的比值，即 w ：m wx 1 0 0 ( 2 5 ) 豫 ( 2 ) 饱和度墨：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比，以百分数计， 用于表示水充填土中孔隙的程度，即 母2 手。1 0 0 ( 2 6 ) 根据饱和度最可把细砂、粉砂等土划分成下列3 种湿度状态，即： 母- 9 5 为合格。 2 3 土壤振动压实机理分析 土壤的压实性是指土在反复冲击载荷的作用下能被压密的特性。土压实的实 质是将士包裹的土料挤压填充到土粒间的空隙里，排走空气占有的空间，使土料 的空隙率减少，密实度提高。振动压实用快速、连续反复冲击土的方式工作。压 力波从土的表面向深处传播，使土颗粒处于振动状态，颗粒问的摩擦力实际上被 削弱，在这种状态下，小的颗粒充填到大颗粒土的空隙中，土处于容积尽量小的 状态。 2 3 。1 土壤振动压实的三种学说1 1 1 9 1 长期以来人们对土壤的振动压实机理进行了大量的研究，但是由于土壤本身 的随机性和压实过程的复杂性到目前为止尚未形成统一的观点，归纳起来主要有 以下三种学说： 1 土的共振学说 根据物理学原理，如果工作机器的振动频率在被压实土壤的固有频率范围 内，则振动压实能得到最好的效果。实践证明，共振效果是显著的，说明了这一 理论的正确性。但是在各种土壤的实际压实过程中，土的固有频率是变化的，因 此激振机构的频率就必须有一个较大的调节机构，实现较为困难。 2 重复冲击学说 利用振动在土上所产生的周期性的压缩运动作用，使土压实，为此就需要增 大机械在与土接触前一瞬间的动量，这就需要使机械具有大振幅和增大振动部分 的质量。这一理论在低频范围内，具有一定的现实性。而在高频范围内( 共振频 率达到1 0 0 0 h z 以上) ，并无充足的理论根据。实验表明，在高频范围内，振动 作用的效果远远超过反复载荷作用的效果。 3 内摩擦减少学说 由于振动作用，使得土的内摩擦急剧减小，土体剪切强度下降到只要很小的 负荷就能很容易被压实。为此就需要使压轮在振动过程中始终保持着和土的接 触，即土的振动频率、振幅与压轮的频率、振幅相同，能得到最好的压实效果， 在这种情况下振动压轮传递给土的纯粹是振动能量，为了使压轮达到这样一种工 第2 章土壤及振动压实机理分析 作状态，就必须使振幅很小，使它不脱离地面。 2 3 2 土壤振动压实机理分析 前面谈到的三种振动压实机理的学说都各自成功地解释某一类振动压实现 象，但是不能全面解释各种振动压实现象，土壤振动压实的机理还需进一步补充 和完善。压路机在对土壤进行压实的过程中，只有当土中产生的剪切压力f 大于 土壤的抗剪强度f ，时，才能够使土颗粒重新排列，土体被压密变实，这就是土 壤压实的强度条件，即： r r i ( 2 一l o ) 无论是静碾压还是振动压实都必须满足这一条件。分析土壤振动压实的机 理，也就是要弄清楚振动对土剪应力f 和抗剪强度f ，的影响。 i 振动对土壤剪切应力f 的影响 土壤振动压实过程中，所承受的力p 是压路机静压力只与动压力只之和， 如图2 - 4 所示，即： p = 只+ 乃 ( 2 1 1 ) 图2 4 振动压实过程中土壤受力示意图 土体压力p 的最大值和最小值名。分别为： p = c + i 。i 和尸= 弓一l 一l ( 2 1 2 ) 土体所承受的最大压力0 。大于静碾压实过程中土体承受的压力c ，即振动 第2 章土壤及振动压实机理分析 压实过程中土体承受的最大剪切应力f 。大于静碾压压实过程中土体承受的剪 切应力f ，土壤压实的强度条件更容易被满足，压实效果提高。从推导中还可看 出振动压实对土壤中剪切应力的影响与被压实的土壤种类无关。 2 振动对于压实材料抗剪强度f ，的影响 土壤的抗剪强度3 1 是指在外力的作用下，土体内部产生剪切应力时，土对剪 应力的极限抵抗能力。当土体中某点的剪应力达到土体的抗剪强度时该点便发生 剪切破坏，即土颗粒间将发生相对移动。根据土力学的知识1 3 】，砂性土( 如干 砂、砂质土等) 的抗剪强度f ，与法向应力成正比，符合库仑摩擦定律，如图2 5 所示，其方程为： f ，= c r 留妒( 2 1 3 ) 式中：盯一土的法向应力； 舻一土的内摩擦角。 对于粘性土，其抗剪强度与正压应力基本为直线关系，但不通过原点，抗剪 强度还与土壤粘性有关，如图2 5 所示，其方程为： r l = c + o - t g 伊 ( 2 1 4 ) 式中：c 一土的凝聚力 要y 名一 一 0 o 图2 - 5 土壤的抗剪强度 从上两式可以看出，土壤的摩擦性质是控制土壤强度发展的重要物理分量。 土壤的摩擦性质涉及到颗粒之间的相对移动，其物理过程包含两部分：一是颗粒 的滑动，产生滑动摩擦；另一是颗粒与相邻颗粒脱离咬合而移动，产生咬合摩擦。 1 4 第2 章土壤及振动压实机理分析 滑动摩擦是由于颗粒接触面粗糙不平而形成的微细咬合作用，它并不产生明显的 体积膨胀，其对应的内摩擦角为纪。咬合摩擦是由于相邻颗粒对相对移动起的 约束作用而形成的。因为颗粒相互咬合，阻碍相对移动，颗粒必须首先竖立，跨 过相邻颗粒才能移动，所以随着咬合摩擦的破坏，一般都发生体积增大，即剪胀。 咬合摩擦产生的内摩擦角为仍。土壤的总摩擦角伊应为滑动摩擦角红，和咬合摩 擦角仍的叠加，即缈= 矿。+ 翰。 振动压实可以使颗粒质点问的距离有微弱的变化。颗粒间距离的微弱增长对 由于颗粒间接触面粗糙不平度而形成的微细咬合作用及滑动摩擦产生很大的衰 减。而振动对咬合摩擦影响很小。 振动压实过程中，振动路下面的土体颗粒也随着振动，由实验测试结果和理 论分析可知，土体振动位移为： x = qc o s ( c o t + 届) + a 2 c o s 2 ( 缈t + 压) + + c o s n ( m t + 成) + ( 2 1 5 ) 式中：区一各阶频率下的振幅； 屈一各阶频率下的相位角； 缈一激振频率； ，一时间。 略去高阶项，上述土体位移可简化表示为： x = a c o s ( r o t + ) ( 2 - 1 6 ) 则土体振动的加速度可表示为： x = 口国2 c o s ( 国t + )( 2 1 7 ) 土颗粒的惯性力，为： 1 = - m k a m 2e o s ( o j t + ，) = 一m k e c o s ( a ) t + f 1 )( 2 1 8 ) 式中：一土颗粒的质量； p 一土颗粒振动强度，p = 彻2 。 从上式可以看出，土颗粒惯性力，与颗粒质量魄和土颗粒振动强度e 成正 比。当振动强度e 较小时或土颗粒质量较小时，土颗粒的惯性力，也较小，不 足以克服周围其它土颗粒凝聚力c 的作用，它将在自己原来的位置振动。当振动 强度e 或土颗粒质量足够大时，土颗粒的惯性力，足以克服周围其它土颗粒凝 聚力c 的作用，使土颗粒偏离自己原来的位置。具有良好级配的土壤，相邻土体 颗粒间的粒径大小不同，即它们的颗粒质量忱不同，因此相邻土颗粒在具有相 同振动强度e 时，它们具有的惯性力，大小不同。这种差别必然会使颗粒质点间 的距离发生微小的变化，对颗粒间的微细咬合作用产生很大的衰减，导致内摩擦 第2 章土壤及振动压实机理分析 角昵的减小，从而引起内摩擦力盯留妒减小。 从以上的分析，可以得出以下关于振动对于土壤抗剪强度影响的结论： 1 在相同的振动强度的前提下，振动对于颗粒质量魄较大，凝聚力c 较小 的土壤的抗剪强度f ，有更好的衰减效果。 足够大的土粒质量肌。，使得压实过程中大部分颗粒的惯性力，大于颗粒间 的凝聚力c 。粘土的颗粒质量慨与砂土质量比较要小得多，同时它的凝聚力c 很 大，振动不容易使土颗粒的惯性力，达到足以克服周围其它土颗凝聚力c 的作用， 因此振动对粘土的滑动摩擦力影响很小，振动对于粘土抗剪强度r ，影响可以忽 略不计。相反振动对于砂土抗剪强度f ，有显著的削减作用。 2 良好的土壤级配，相邻土颗粒间较大的质量差异，在相同的振动强度 下，使得相邻土颗粒的惯性力，有相应较大的差异，易于在颗粒间产生运动状态 的差别，使得颗粒质点间的距离发生变化，从而导致内擦角纯，土壤抗剪强度f ， 的减小。 3 对于相同级配的土壤，大强度的振动对于土壤的抗剪强度r ，的衰减有更 好作用效果。 2 4 影响压实的主要因素旧1 8 l 1 1 4 11 1 5 1 压实涉及压实材料、压实设备、施工工艺和外部环境等诸多方面的内容，为 了获得理想的压实效果，在实际的压实过程中就必须综合考虑各因素的影响。 2 4 1 压实材料对压实效果的影响 1 土壤的类型 从上一节的分析可知，振动对于不同类型土壤的抗剪强度影响是不同的，即 不同类型土壤体现出来的振动压实特性或对振动压实的敏感性是有所差异的。理 论和实践证明砂土相对于粘土，通过常规振动压实的方法更容易获得较为理想的 压实度。 2 土壤的级配 当压实材料由一种颗粒尺寸组成，即为均匀级配的士时，其本身的组织形式 已具有非常高的密实度，这时想通过压实来增加密实度是无法实现的，为了取得 高密实度，就必须用小颗粒填充料去填充材料的空隙，即只有当压实材料由各种 大小不同颗粒组成，具有良好级配时，通过压实才能获得更好的密实度。 另外根据上节的分析，振动压实过程中，良好级配的土壤颗粒间由于产生的 惯性力不同，势必会引起颗粒间运动的差异，使得质点间的距离变化，摩擦角减 1 6 第2 章土壤及振动压实机理分析 小，土壤抗剪强度较低，土壤更容易被压实。 3 土壤的含水量 土壤的含水量对压实度有极大的影响，实践经验表明，对于一定级配的土壤， 在设定的压实功下，存在最佳的含水量w 0 ，见图2 - 6 所示，即使的土最容易被压 实，并能达到最大密实度p 时的含水量。过干或过湿的土壤都不法获得理想的 压实效果。 岔 思 3 a 憾 翱 卜 1 5 1 4 1 2 1 4l 昏1 8 2 0 2 2 曾水量- 图2 - 6 干密度与含水量的关系 各种不同类型的土的最佳含水量和最大干密度是不相同的。对渗透性低的土 来说，土中粉粒和粘粒含量较多，土的塑性较大，所以土的最佳含水量也较大。 在渗透性土中，它在饱和含水量和完全干燥状态时密度最大，最佳含水量相当于 全部空隙被水分充填的饱和含水量。另外，最佳含水量还与压实功有关，随着压 实功的增大对应土壤的含水量将减小，而最大密实度将提高。 2 4 2 压实设备对压实效果的影响 1 线压力 线压力是在平行于碾轮轴线方向上，单位长度上的压力。对于振动压实来说， 它包括静压力和动压力两部分。静压力来源于振动压路机自身的质量，大吨位的 压路机静线压力较大，压实效果较好。然而压路机自身重量的提升往往受到一定 的限制，而且静线压也并非越大越好，当静线压超过界限值后，增大静压力会使 碾轮对被压实材料产生严重的“推移”，反而不利于压实效果的提高。动压力来 自于振动压路机对于压实材料的激振力，它与振动压路机的振动参数和压实材料 的参数有关。 2 频率和振幅 振动压路机的振动频率和振幅对压实效果有很大影响。瑞典d y n a p a c 公司根 据试验得到的对于粘聚力不大，颗粒间有相对运动的土的压实度与振动频率和振 1 7 第2 章土壤及振动压实机理分析 幅之间的关系曲线，见图2 7 。 振动压路机振动频率和振幅与压实度的关系可以总结如下： 萋 林 出 o 2 5 振动频率h z 5 0 7 5 图2 7 振动频率和振幅与压实度的关系 ( 1 ) 振动频率3 0 - - 4 5 h z 为最佳取值范围，压实效果最佳。振动频率过高反而 会降低压实效果。因为振动轮在过大的振动强度作用下会脱离地面，使 表层受到严重不规则的冲击和过度碾压。 ( 2 ) 在最佳频率取值范围内，频率变化对压实效果影响不明显；而增大振幅 可显著提升压实效果。 3 机架和振动轮的质量比 机架和振动轮的质量比或称为振动压路机上下车质量比对压实效果有比较 大的影响。机架重一些是有利的，振动轮可借助机架的质量压向土壤，从而可以 获得更有规则的振动。但是机架质量有一个上限，超过这个限度机架质量对振动 会发生很大的阻尼作用。 4 振动轮 振动轮数、振动轮是从动轮还是主动轮等都会对振动压实效果产生重要的影 响。双轮振动压路机的压实功能是单轮振动压路机的两倍。两轮同时振动的串联 式振动压路机与单轮振动的串联式振动压路机相比，为达到同一密实度，后者需 要的碾压遍数多，其施工效率比前者低8 0 。 振动压路机主、从动轮的碾压状态是不同的。被动轮碾压时易使碾压层发生 推挤，前部产生弓波，后部产生波纹。用主动振动碾压比用被动振动轮碾压可大 大减小表层的位移量，增加路面的平整度。因此，在进行碾压作用时，宜使主动 轮在前，被动轮在后，或采用全驱动、全振动的压路机。 2 4 3 施工工艺对压实效果的影响 1 碾压层的厚度 第2 章土壤及振动压实机理分析 试验证明，碾压应该有适当的厚度，厚度的确定应与所用振动压路机的质量 或功能相适应。碾压层过厚，非但该层的下层的压实度达不到要求，而且该层上 部的密实度也要受到不良的影响。碾压层过薄，虽然土壤较易被压实，但是施工 效率下降，导致施工成本上升。不同压路机的一层的压实厚度具体为多少比较合 适，应通过现场的碾压试验及分层测定干密度来确定。 2 碾压速度与碾压遍数 碾压速度影响振动轮对单位面积内材料的压实作用时间。碾压速度低时，单 位面积内的振动次数比碾压速度高时要多，因而作用在被压实材料的能量多，压 实质量较好，但其压实施工效率较低。 碾压遍数与压实材料干密度的关系如图2 8 所示。用同一压路机对同一种材 料进行碾压时，最初的若干遍碾压，可使材料的于密度有显著的增加。但随着碾 压遍数的增加，干密度的增长率逐渐减小，直至碾压遍数超过一定数值后，被压 实材料的干密度实际就不再增加了。 碾压速度与碾压遍数之间存在相互关系，假定碾压材料层达到规定密实度所 需的压实能力一定，那么当碾压速度加倍时，碾压次数大致也要加倍。因此，合 理选择碾压速度和碾压遍数，才能达到理想的压实质量和施工效率。 葶 哒 俅 幽 2 5 本章小结 1261 0 碾压遍数2 0 图2 - 8 碾压遍数与压实度的关系 本章对振动压实对象土壤的结构及相关物理特性进行了分析；完善了振动压 路机的振动压实机理；并对影响振动压实效果的主要因素进行了归纳和简单分 析。 1 9 第3 章。机土”系统动力学模型的建立 第3 章“机土 系统动力学模型的建立 3 1 研究“机土”系统动力学模型的意义 触 振动压路机的压实过程是复药箔q 动态随机响应过程。为了探索振动压路机作 业时被压实的基础、振动轮( 或固为下车) 、机架( 或称为上车) 的动态响应， 了解振动压实机理；分析压实过程中“压路机土”组成的振动系统的基本参数 的动态变化；预计在已知条件下振动压路机的振动规律等。必须把结构复杂的、 型式各异的振动压路机连同被压实的土视为一个振动系统，并进行必要的简化， 使其成为一个在数学上能处理的模型数学模型，并用数学方程的形式来描述 “压路机土”振动系统的运动规律。 建立数学模型以后，可以从事以下工作【l j ： 1 ，分析“压路机土”的振动系统的动态响应，为振动压路机的振动参数的 选择及优化设计打下基础。 2 预测已知参数的振动压路机在不同工况下的动态响应，为振动压路机修 改设计提供依据。 3 为振动压路机减振系统设计提供指导。 3 2 经典动力学模型介绍 1 二自由度“机土”系统动力学模型1 1 6 】【1 _ 7 】 美国学者t s y o o 和e t s e l i n g 于2 0 世纪7 0 年 代针对振动压路机的振动系统提出了二自由度、线 ，形、集中参数、弹簧阻尼系统，其所描述的土壤- 振动压路机系统动力学模型，被称之为经典动力学 模型，如图3 - 1 所示。 通过大量的实验，两位学者认为压实是由重复 振动引起的残留变形的累积，指出振动压路机的压 “实作用应分两部分来