（机械设计及理论专业论文）双轮驱动振动压路机驱动参数匹配的仿真与研究.pdf

摘要 多年来，双轮驱动振动压路机的驱动参数匹配多从牵引性能方面着手研究，本文结 合了牵引性能和平整度两方面对其进行了研究。 分析并完善了振动压实机理；对双钢轮振动压路机建立了五个自由度的动力学数学 模型；从压实材料、压实设备和施工工艺等方面对影响振动压实效果的主要因素进行了 归纳和分析；对于全轮驱动压路机与单轮驱动压路机压实能力进行了对比说明。 从动力性能与附着性能两方面分析了双轮驱动振动压路机的通过性。分析研究了双 轮驱动系统前后轮不同重量分配比和相应的液压马达参数匹配，以及在这种变化过程中 所引起的牵引参数的变化，运用m a t l a b 软件对其变化曲线进行了仿真，并对仿真结 果作了分析说明。 对振动压路机车轮与地面的相互作用以及振动压路机的车轮的力学特性作了分析 与研究；结合牵引性能和平整度两个方面的研究结果给出了双钢轮振动压路机与单钢轮 振动压路机的前后轮配重比、马达参数匹配以及液压驱动系统原理。双钢轮振动压路机 前后轮配重比相同，马达参数相同，驱动系统为串联式独立系统；单钢轮振动压路机前 后轮配重比约为2 ：l ，马达参数不同，驱动系统为并联系统。 关键词：工程机械，参数匹配，双轮驱动压路机，平整度，牵引性能 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nd r i v e np a r a m e t e r sm a t c h i n go fv i b r a t i o nr o l l e rw i t hd o u b l e w h e e ld r i v e i sb a s e do nt h et r a c t i o np e r f o r m a n c ef o ry e a r s t h i sa r t i c l es t u d i e si tf r o mt h ea n g l e so f t r a c t i o np e r f o r m a n c ea n de v e n n e s s t h em e c h a n i s mo fv i b r a t o r yc o m p a c t i n gw a sa n a l y z e da n di m p r o v e d ，f i v ed e g r e e so f f r e e d o mo fd y n a m i c sf o r m e rw e r eb u i l ti nt h ev i b r a t o r yr o l l e rw i t hd u a ls t e e lw h e e l s ，t h em a i n f a c t o r sf o ri n f l u e n c e so fv i b r a t o r yc o m p a c t i n gw e r es u m m e d u pa n da n a l y z e dt h r o u g h c o m p a c t i n gm a t e r i a l ，c o m p a c t i n gm a c h i n e r ya n dc o n s t r u c t i o nc r a f t ，a n dc o m p a r e da n d e x p l a i n e dt h ec o m p a c t i n gc a p a b i l i t i e so fv i b r a t i o nr o l l e rw i t hd o u b l e w h e e ld r i v ea n d v i b r a t i o nr o l l e rw i t hs i n g l e - w h e e ld r i v e t e r r a m e c h a n i c so fv i b r a t i o nr o l l e rw i t hd o u b l e - w h e e ld r i v ew a sa n a l y z e df r o mt w o a s p e c t sa sd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n da d h e s i o np e r f o r m a n c e t h er e s e a r c h l e a r n e dt h e d i s t r i b u t i o nr a t i oi nt h ef r o n t & r e a r w h e e l s o fs y s t e mw i t hd o u b l e w h e e ld r i v ea n dp a r a m e t e r s m a t c h i n gf o rm o t o ra sw e l l a st h ec h a n g eo ft r a c t i o np a r a m e t e r sd u r i n gt h i sp r o c e s s ， m a t l a bs o f t w a r ew a sa p p l i e df o rt h ei m i t a t i o no fc h a n g ec a lv ea n dt h ea n a l y s i sa n d i l l u s t r a t i o no ft h es i m u l a t i o n s t h ew h e e l - s o i li n t e r a c t i o no fv i b r a t i o nr o l l e ra n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fi t sw h e e lw e r e a n a l y z e da n dr e p o r t e d ，t h ef r o n t & r e a rw h e e l sd i s t r i b u t i o nr a t i o ，p a r a m e t e r sm a t c h i n gf o r m o t o ra n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fh y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e mw e r eg i v e ni nt h er e s e a r c h a c c o r d i n gt ot h et r a c t i o np e r f o r m a n c ea n de v e n n e s s t h ev i b r a t i o nr o l l e r sw i t hd o u b l e w h e e l d r i v eh a v et h es a m ef r o n t & r e a rw h e e l sd i s t r i b u t i o nr a t i oa n dp a r a m e t e r so fm o t o r , t h ed r i v e s y s t e mi sa ni n d e p e n d e n tt a n d e mt y p es y s t e m ，t h ef r o n t & r e a rw h e e l sd i s t r i b u t i o nr a t i oi n v i b r a t i o nr o l l e rw i t hs i n g l e - w h e e ld r i v ei s2 ：1 t h ep a r a m e t e r so fm o t o ra r ed i f f e r e n ta n dt h e d r i v es y s t e mi sa np a r a l l e ls y s t e m k e yw o r d s ：e n g i n e e r i n gm e c h a n i s m ，p a r a m e t e r sm a t c h i n g ，v i b r a t i o nr o l l e rw i t hd o u b l e - w h e e l d r i v e ，e v e n n e s s ，t r a c t i o np e r f o r m a n c e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明 确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 苟拯 ， 枷蜉年f 月2 3 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：多诵 别雅轹缈 h 叼年r 月2 芗日 础年j 。月乡日 长安大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论弟一早三百下匕 双轮驱动振动压路机是通过前后轮同时驱动，获得比单轮驱动振动压路机更好的压 实效果，成为未来国内市场发展的主流。双轮驱动压路机的液压系统是由一个泵与两个 马达组成，分别驱动前后轮。两个马达的流量之和等于泵的总流量，两个驱动轮的驱动 力之和等于压路机的总驱动力，两个驱动轮的理论速度相等。前后轮液压马达的动力分 配问题决定能否使压路机充分利用附着条件达到其最佳状态【l 】。 双轮驱动振动压路机主要有两方面的优点：第一，选用全液压传动。全液压传动易 于实现无级调速和调频，传动冲击小和闭锁制动功率损失小，易于功率分流，方便整机 布置，操作控制方便，易于实现自动化。不仅可以提高生产率和优化压实质量，而且为 自动控制和机器人化创造了条件。第二，全轮驱动提高了压路机在松软土壤里和坡道上 的通过能力，提高了压路机的驱动能力，并且可以克服对压实材料的拥推，能提高压实 层表面的平整度，避免产生裂纹【2 , 8 , 9 】。 1 1 1国内外振动压路机的发展状况及趋势 1 1 1 1 振动压路机的发展过程 计算机技术、微电子技术、传感技术、测试技术的迅速发展，推动了压路机机电一 体化的进程。这些新技术的应用提高了机器性能和生产率，保证了压实质量。到目前为 止，振动压路机以无可比拟的优势，占据全球压路机市场销售总额的8 5 。美国是发展 土壤压实技术的先驱。1 8 6 2 年，美国制成了世界上第一台以蒸汽机为动力的自行式三轮 压路机。1 9 2 9 年，美国制成了世界上第一台以柴油机为动力的自行式光轮压路机。 在美国发展起来的土壤压实理论和方法在其他国家也被广泛应用。2 0 世纪3 0 年代 初，德国在修筑公路网时开始利用振动压实。最初的振动压路机是拖拉机牵引的1 5 吨 板式压路机和自重约2 5 吨的推土机式压路机。4 0 年代初制造出第一台自行式钢轮振动 压路机和拖拉机牵引的振动压路机。 振动压路机的出现，引起各国制造商的关注，并对振动压路机进行了广泛的实验研 究。最初，振动压路机只用于压实非粘性材料。随着技术性能的改进和提高，振动压路 机己广泛用于粘性土、沥青路面和混凝土的压实工作。 第一章绪论 5 0 年代欧洲各国开发了串联式整体车架压路机并逐步改型。6 0 年代随着振动压实 理论的深入研究和完善，出现了各种型式的振动压实机械。此时，轮胎驱动铰接式振动 压路机、串联式振动压路机等产品相继问世，使振动压路机形成两个主要系列。 7 0 年代，振动压路机家族先后出现了组合式、蟹行式、凸块式、手扶式振动压路机。 8 0 年代初瑞典的h t h u r n e r 博士提出了新的压实理论，即利用土力学交变剪应变原 理使土壤等压实材料的颗粒重新排列而变得更加密实，从而达到压实的目的。根据该理 论，德国哈姆( h 舢m ) 公司开发出现新型振动压路机，即振荡压路机。 8 0 年代末日本生产出大吨位垂直振动压路机，其振动轮内部采用双轴交叉振动法， 使压路机压实深度深、压实效果好且低速直线行驶稳定。 8 0 年代末9 0 年代初瑞典乔戴纳米克研究所在振动压路机液压化、电子化的基础上 提出智能压路机的概念，使振动压路机的研究和应用进入新的领域i s , 1 h 。 1 1 1 2 国内振动压路机的发展现状 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h 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 c ) 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 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 o r 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、振动轮 用轴承、橡胶减振器的引进生产，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1 0 t 振荡压路机，1 9 9 8 年中国农业大学开发研制的混 2 长安大学硕士学位论文 沌( c h a o s ) 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。 我国振动压路机起步比较晚，整体水平与国外先进水平相比仍有很大差距，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；全液压、全轮驱动等高端技术发展缓慢；综合技术经济指标和自动控制方面 仍低于国外先进水平【5 , 1 2 】。 1 1 1 3 国外振动压路机的发展现状 世界压路机，绝大多数均为振动压路机，且几乎都是全液压驱动、液压振动。其 中绝大多数振动压路机为铰接式双驱( 前后轮都驱动) ，一部分为双驱全振，一部分为 双驱单振( 前振) ，另有少部分为单驱单振( 后驱前振) 。双驱双振最大自重1 2 t 左右， 双驱单振，最大可达2 0 t 以上。另外，国外压路机变频变幅也比较普遍。同时还普遍采 用自锁差速器、压力喷雾洒水、三级制动、三级减振、落物及翻车保护装置等先进结构。 近年来还出现了蟹行机构、装配式凸块瓦、剖分式振动轮、气力悬挂减振、随机检测及 故障自动报警等先进技术。特别是微电子技术在压路机上的应用，使压路机发展到了一 个崭新的阶段。 发达国家在7 0 8 0 年代处于修建高速公路高峰期，多采用1 0 t 以上大吨位振动压路 机较多，最大达2 2 t 以上。8 0 年代以后直到现在，发达国家的高速公路进入了维护期， 小吨位振动压路机占了绝大部分，其中小吨位双钢轮占了很大比例。 目前，世界压路机已经发展到了第三代。除了继承以前的先进技术及先进结构外， 主要在外观造型、操纵安全舒适性及压实性能等方面有突破。世界上目前著名压路机制 造企业所推出的第三代产品，都采用了流线型、大倾角的外型设计，且机罩可借助空气 弹簧打开、既外观美观又十分方便维护保养。带翻车保护、造型优美的宽敞明亮的驾驶 室，内部空间比老一代增加了3 0 以上，室内噪声只有7 0 d b ( a ) ，加上可调高度及倾 角的方向盘，舒适的高靠背座椅等，使驾驶人员倍感舒适、安全。微电子技术在第三代 产品上得到了广泛的应用，比如宝马公司的第三代产品采用液压阀自动控制，使压路机 上、下坡时具有更好的牵引性能及爬坡性能。宝马公司新近推出的智能边振幅的振动压 路机，操作大大简化，性能大大提高。另外如英格索兰、卡特彼勒等许多大公司都在自 己的产品上配置精确压实工况及数据处理系统等等。今后国际先进水平的压路机会向微 3 第一章绪论 电子、智能化方向发展【6 l 。 1 1 2 振动压路机的发展趋势 新的压实技术与压实机械的发展将越来越多的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。已经进入实用阶段的新的压实技术和 压实机械将进一步确定自己的应用领域，在某一领域内成为主要的机种。振动压路机很 可能成为沥青面层和r c c 路面的主要压实机械。 在压实理论和技术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。 瑞典g e o d y n a m i k 技术咨询公司开发了一种振动压实过程的计算机仿真软件，建立 的模型的特点是可以建立土壤的非线性动力学模型，这一理论模型的建立，允许以土壤 最基本的物理力学特性：土壤的密度、弹性模量、泊松比、内摩擦系数作为计算机仿真 模型的输入参数。这一模型允许在不同的土壤条件和不同的机械参数下模拟滚轮与土壤 的相互作用。 宝马公司向用户推出了一种名为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 n e a r t h w o r k s ) 的土方压实机械辅助使用软件，作为使用设备的辅助工具5 , 1 0 】。 b o m a g 公司称，其装备有防滑转控制系统的b w 2 1 3 、b w 2 2 5 高爬坡性能机型可在 6 8 的坡道上安全行驶【7 1 。 瑞典的c s l 2 和日本的r 1 、r 2 三轮压路机突破了原有的设计理念，它们的共同特 点是具有大滚轮、全驱动、前后轮等直径、液压驱动和铰接转向，比普通光轮压路机压 实面平整，横向稳定性好，容易保全骨科、适合于压实路面磨耗层及碎石铺层【8 】。 长安大学的姚怀新教授在工程机械底盘理论中，对双桥驱动车辆的运动学和动 力学作了分析研究，对工程机械机械的牵引性能和牵引性能参数的合理匹配作了详细的 介绍，但未从平整度方面考虑驱动参数的匹配问题【3 4 1 。 徐工集团的尹继瑶，李宗等的“全轮驱动振动压路机的爬坡能力与防滑转原理”， 对单钢轮振动压路机全轮驱动的爬坡能力从动力特性和附着能力方面作了分析计算，但 未能从前后轮不同配重比方面考虑单轮震动压路机的通过性。 长安大学的杨世敏教授在工程机械地面力学与行使理论中，对轮式车辆车轮与 4 长安大学硕士学位论文 地面的相互作用作了详细的分析计算【1 0 1 。 1 2 课题的背景及意义 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，截至2 0 0 6 年 年底，全国公路总里程达3 4 5 7 万公里，其中高速公路4 5 3 万公里【3 l 。 现代公路建设发展迅速，对施工质量的要求不断提高，新的发展机遇带来了压路机 的技术革命。全液压传动、全轮驱动振动压路机因具有高的压实性能与高的牵引性能占 据国外市场的绝大部分。从国内的企业整体情况看，虽然生产规模较大，但品种少、产 品档次比较低，主要是中国特有的机械式单钢轮振动压路机和静碾压路机，而全液压传 动、全轮驱动振动压路机却发展缓慢。加强技术创新，开发出具有自主知识产权和独特 技术的产品，缩小与国外先进生产企业的差距，迫在眉睫。随着国产振动压路机性能及 可靠性的不断提高，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【4 1 。 振动压路机的驱动参数是影响驱动性能的直接因素，它们的匹配是否合理直接影响 压实作业甚至是整个道路工程的施工质量与效率。全轮驱动振动压路机能占据未来市 场，说明它比单轮驱动振动压路机更有优越性。对于驱动参数匹配，很多研究都是从牵 引性能方面进行的，本文将从牵引性能和平整度两方面对其进行分析研究，让课题更深 入。 1 3 研究的主要内容 第一章绪论：提出了本课题的背景及意义，分析了国内外振动压路机的发展状况 及发展趋势，最后给出了本论文的研究内容。 第二章振动压路机的压实能力：对土壤的压实机理作了分析，对双轮驱动压路机 建立了五个自由度动力学模型，进而总结出影响压实能力的主要因素。 第三章全轮驱动振动压路机的爬坡能力：从动力特性和附着性能两方面对全轮驱 动振动压路机的牵引特性与爬坡能力做了分析，并举例说明；介绍了防滑转原理及两种 防滑转方式。 。第四章牵引特性曲线的分析与仿真：研究与仿真了双轮驱动系统前后轮不同重量 分配比和相应的液压马达参数匹配，以及这种变化过程中所产生的牵引参数的变化。 第五章振动压路机的压实平整度：介绍了路面平整度的概念及其影响因素；对振 5 第一章绪论 动压路机车轮与地面的相互作用以及振动压路机的车轮的力学特性作了分析研究；结合 牵引力和平整度两个方面研究结果给出了双钢轮振动压路机与单钢轮振动压路机的前 后轮配重比、马达参数匹配以及液压驱动系统原理。 总结与展望：对于文章所作的研究做了总结，并阐明了本文的不足和进一步的研究 方向。 6 长安大学硕士学位论文 第二章振动压路机的压实能力 2 1土壤振动压实机理分析 土壤的压实性【9 1 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 将土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，颗粒间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 1 1 土壤振动压实的三种学说 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 当激振频率与被压实材料的固有频率一致时，振动压实最为有效，在实际工作中， 共振效果是显著的，说明了这一理论的正确性。然而，由于材料的固有频率是变化的， 要求激振器的频率作相应得变化是困难的，但利用共振现象来进行压实还是比较容易 的。为了解释这些现象，应当测定材料粒子的振幅和加速度，并进行分析【1 0 】。 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。试验表明，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【9 1 。 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作状态，就必须使振幅很小，使它 不脱离地面【11 1 。 7 第_ 二章压路机的压实能力 2 1 2 土壤振动压买机理分析 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： f f r ( 2 i ) 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r 和抗剪强度f 厂的影响。 1 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e 与动压力只之和，如图2 1 所 示，即： p = 乞+ 只 ( 2 2 ) 图2 1 振动压实过程中土壤受力不葸图 土体压力p 的最大值p 慨和最小值民。分别为： p = e + 1 只。i 和p = 弓一i 岛一i ( 2 3 ) 土体所承受的最大压力大于静碾压实过程中土体承受的压力e ，即振动压实过 程中土体承受的最大剪切应力f 一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。从推导中还可看出压实对土壤剪切应力 r 长安大学硕士学位论文 的影响与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 颗粒问将发生相对移动。根据土力学的知识【”】，砂性土( 如干砂、砂质土等) 的抗剪强 度r ，与法向应力成正比，符合库仑摩擦定律，如图2 2 所示，其方程为： f ，= o - t g q ( 2 4 ) 式中：盯土的法向应力； 矽土的内摩擦角。 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 2 所示，其方程为： f ，= c + a t g q , ( 2 5 ) 式中：c 土的凝聚力 fj 1 仍二可 jl c 1 r 一 o 仃 图2 2 土壤的抗剪强度 从上面两式可以看出，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。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 9 第二章压路机的压实能力 角为仇。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妒，。土壤的总摩擦角缈应 为滑动摩擦角仇和咬合摩擦角伊，的叠加，即妒= 仍+ 吼。 振动压实可以使颗粒质点间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，振动轮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： 工= a 1c o s ( c o t + 屈) + 口2 2 c o s ( c o t + 屈) + + 口。n c o $ ( 0 3 t + 尾) + ( 2 6 ) 式中：口，各阶频率下的振幅； 屈各阶频率下的相位角； 彩激振频率； ，时间。 略去高阶项，上述土体位移可简化表示为： x = a c o s ( c o t + ) ( 2 7 ) 则土体振动的加速度可表示为： x = - a ( 0 2c o s ( c o t + , b ) ( 2 8 ) 土颗粒的惯性力，为： ，= 一m t 以缈2c o s q 玎+ ) = 一m i e c o s ( m t + ) ( 2 9 ) 式中：m 。土颗粒的质量； p 土颗粒振动强度，e = 以缈2 。 从上式可以看出，土颗粒惯性力，与颗粒质量m 。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所。较小时，土颗粒的惯性力i 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im 。 1 0 长安大学硕士学位论文 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 量聊。不同，因此相邻土颗粒在具有相同振动强度p 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，对颗粒问的微细咬合作用产生很大 的衰减，导致内摩擦角纯的减小，从而引起内摩擦力孵缈减小。 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【5 , 1 2 】： 1 在相同的振动强度的前提下，振动对于颗粒质量聊。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。 2 在相同的振动强度的前提下，良好的土壤级配，相邻土颗粒间较大的质量坍。差异， 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，从而导致内摩擦角纯和土壤抗剪强度f 厂的减小。 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f ，的衰减有更好作用效 果。 2 2 振动压路机的动力学分析 振动压路机的压实过程是复杂的随机过程，必须把结构复杂的、形式各异的振动压 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，使其成为一个可以进行数 值分析的数学模型。有了数学模型就可以用数学表达式来描述“压路机一土”振动系统 得运动规律，从而合理地确定振动压路机的动力学参数。 现以双轮驱动双钢轮振动压路机为典型机型，列出“压路机一土振动系统的运动 方程，并对其进行分析。图2 3 为双轮驱动双钢轮振动压路机的五个自由度的数学模型。 在列出振动方程以前，首先对模型中有关参数和条件进行假设【13 1 ： ( 1 ) 假设被压实的土壤是具有一定刚度和阻尼的线弹性体。在振动压实的整个过 程中，土壤的变形包括塑性变形和弹性变形两部分。 ( 2 ) 假设振动压路机的质量沿压路机的纵轴线均匀分布，这样“机一土系统可简 化为平面振动模型。 ( 3 ) 假设振动轮内的偏心块旋转产生的离心力只以其垂直分量作用在模型上，在 第二章压路机的压实能力 实际过程中，偏心块旋转产生离心力，离心力的水平分量和垂直分量分别使“机一土 振动系统产生水平振动和垂直振动。 7 ( 4 ) 假设振动压路机工作的任何一个瞬时，振动轮都与地面保持紧密接触。振动 压路机正常工作时，振动轮与土始终保持紧密接触，但当振动强度过大或土的刚度增大 到一定程度时，振动轮可能会发生跳离地面的现象，即跳振。严重的跳振现象会使振动 压路机行使失去方向性，同时也会影响到压实路面的平整度，这对压实是不利的，应当 避免。 根据以上假设，建立双驱双钢轮振动压路机与土壤系统的动力学模型如图2 3 所示。 该动力学模型具有五个自由度，分别用而、而、t 、- 、儿五个独立的坐标来表示， 其动力学方程可以写成如下的标准形式： m 4 j k 钆睾 1 c 4 弋尼 研3 一三2 一 一 乞丰牛巳 一荸 申乞 o x 鹰八l of：rl f 。v 弭洱 图2 3 五个自由度“机一土”系统动力学模型 ( 图中：而前振动轮垂直位移；恐后振动轮垂直位移；t 机架质心垂直位移： 以机架绕质心的转角；毛土壤的刚度；c l 土壤的阻尼； 也机架减振器刚度；c 2 机架减振器阻尼；毛驾驶室减振器刚度； c 3 驾驶室减振器阻尼；乇前后振动轮轴距；机架质心到后轮距离： ，2 驾驶室质心到后轮距离；曩、e 激振力。) 12 长安大学硕士学位论文 m x + c x j + k x = f 式中：m 系统质量矩阵； c 系统阻尼矩阵； k 系统刚度矩阵； ，广义力矩阵； x 、x 。、x 广义位移矩阵、加速度矩阵和速度矩阵。 ( 2 1 0 ) 其中m 、c 、k 是5 x 5 的矩阵，x 。、x 、x 和f 是5x l 的向量。系统的质量、阻 尼和刚度矩阵可采用拉格朗日动力学方程1 4 1 进行推导。根据广义坐标_ 、恐、t 、x 4 、 以，写出系统的动能、势能和非保守力所做的虚功分别为： 丁= 三( 毫2 + 历：乏2 + 鸭毛2 + 以多。2 + 毛2 ) ( 2 - ， y = 三向五2 + 三与恐2 + 主乞b 一( 艺+ 厶饥兄) 2 + 主乞 而一k 一( 厶一o t a n r j 2 + i 1 岛 _ 一 艺一( 厶一厶) t a l l 枷2 ( 2 1 2 ) 瓯= 军5q 国= - - c , x , 如一q 毫晚一乞l i + 厶杰) p h 一( + 厶协尼) 一qp 毫一( 厶一厶) 椰万b 一( 一( 厶一z , ) t a n 圪) + 巧如+ 最吼( 2 1 3 ) 根据拉格朗e l 第二类方程： 新舟瓦a t + 荔刮幺一 眩 对于广义坐标五，由式( 2 1 1 ) 可得： 由式( 2 1 2 ) 可得： 丢= 孙i ) a t一 = 0 幻， 1 3 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 第二章压路机的压实能力 鼍嘲+ 如 五一亿+ z t a n 圪) 对于线形系统，运动是微幅的，t a n 儿儿，因此式( 2 1 7 ) 可简化为： ( 2 1 7 ) 鼍= 向而+ 岛 i 一( t + 厶切n 以) = ( 毛+ 如) 一一也誓+ 屯厶儿 ( 2 1 8 ) 求解广义力q ，令观0 ，而万屯= 万= 眈= 8 x 4 = 0 ，由式( 2 1 3 ) 有： 所以 q 挑= 一q i 氓一乞l 一( 乏+ 厶杰) 矾+ 巧氓 c 2 ， q i - - c 1 妄一乞 i 一( 毫+ 厶杰) + 墨 将式( 2 1 5 ) 、( 2 1 8 ) 、( 2 2 0 ) 代入式( 2 1 0 ) 并整理得： ( 2 2 0 ) x 1 4 - ( c l + c 2 ) x l c 2t 一乞厶形+ ( 毛+ k 2 ) x l 一如t + k 2 2 1 r c = 厩 ( 2 2 1 ) 按照上述方法对于广义坐标恐，可得： 蔓+ ( q + 岛) 而一岛恐一乞( 厶一厶) 兄+ ( 局+ 岛) 恐一岛五十乞( 厶一厶) 圪 = e 对于广义坐标t ，可得： ，吩筏一乞五一乞恐+ ( 2 乞+ q ) 恐+ 乞( 弘一厶) + q ( 厶一厶) 尼一q 黾一锄一乞而 ( 2 2 2 ) + ( 2 k 2 + k 3 ) x c + 屯( 2 厶- l o ) + k 3 ( z 1 - l ：) r o - k s x 4 = o ( 2 2 3 ) 对于广义坐标圪，可得： 以曩+ 巳( 2 厶一厶) + 白( 厶一厶) 乏+ c 2 厶2 + c ( 厶一厶) 2 + 岛( 厶一厶) 2 杰 - c 2 l 1 玉一c ：( l o - l - q ) x 2 + c 3 ( l ：一厶) _ 一乞厶j c l 一屯( 厶- l i ) x z + 如【三：- l i x 4 + 如( 2 厶一厶) + 岛( 厶一岛) t + 包厶2 + k ：( t o 一厶) 2 + 岛( 厶一厶) 2 圪= o 对于广义坐标x 。，可得： 1 4 ( 2 2 4 ) 长安大学硕士学位论文 m 4x 4 一c 3 一白【厶一厶】以+ 巳_ 一包t 一毛( 厶一l 2 ) r 。+ 屯昀= 0( 2 2 5 ) 由式( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 可得系统的动力学微分方程。则系 统的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵、广义力矩阵分别为： k = c = 岛+ k 2 0 0 向+ 也 吨岛 t 岛( ，一) oo m = m l 00 0 m 2 0 00 m 3 000 ooo 恕 乞 2 乞+ 包 岛( 翟一乇) + 岛( 五一如) 七 oo o0 oo jc0 0 聊4 恕 岛( 乇一，1 ) 乞( 珥一乇) + 岛( 一易) 乞l ；2 + 如( 厶一) 2 + 岛( 乞一五) 2 岛( 乞一) 一c e c 2 一c i 巳( ，o 一，1 ) 2 c 2 + c 3 c 2 ( 2 ，1 一t o ) + c 3 ( ，l 一乞) 乞( 2 一，0 ) + q ( 一乞) c 2 2 + 乞( 乇一，i ) 2 + 乞( ，2 一，1 ) 2 c 3 一巳( ，2 一，1 ) f = 曩s i n 6 0 t e s i n 伽 o o o o 0 ( 2 2 6 ) 岛似- t , 向 0 o c 3 q ( ，2 一) c 3 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 而振动压路机下车( 振动轮) 对土壤的作用力c ，它是衡量振动压路机对土的作用 的动态大小的重要指标，可表示为【5 1 ： 只= ( 2 3 0 ) 可知，只的大小既与振动压路机本身的振动参数有关，又与土壤的物理性能及土壤 的振动参数有关，且振动压路机的振幅也是影响只的重要因素。只是土的弹性变形量 毛与土的阻尼力q 五的矢量和。前者与振动压路机的瞬间振幅和土的刚度有关，后者 与振动压路机振动速度和阻尼有关，所以振动压路机对地面的作用力大小与土的物理特 1 5 乞： o艺啦。 乞 ： 吁吃学 第二章压路机的压实能力 性有密切的关系。由于土的物理特性的随机性，因而e 力也同样具有随机性。只是与 激振力f 是性质完全不同的两种力，它们随着压路机激振力频率变化而变化的规律完全 不同。有些振动压路机的激振力很大，但它并没有完全作用在被压实的土上，因而其压 实效果不一定好。只有对地面的作用力只较大的振动压路机，才能有较好的压实效果。 b 为振动压路机激振力对地面作用力的有效率，可以表示为： 碍= ( 2 - 3 1 ) 从公式可以看出，当振动压路机振动器的激振力一定时，碍值越大，则只越大， 压实效果越好，而提高冗r 值的关键在于合理选择工作频率和振幅。 工作重量是压路机的主要参数，工作质量的大小直接影响压实质量和工作效率。通 过对振动参数进行分析，可以了解振动压路机下车质量的变化对振幅和f 的影响。为了 提高振动压路机对地面的f ，希望在其它条件不变的情况下振动轮质量偏小为好。但振 动压路机的压实效果除了与f 有关之外，还与振动轮的动量有关系。振动轮质量增大时， 在同样振幅条件下，振动压路机对土壤的冲击能量增加，压实效果也能提高。振动压路 机的上车质量增加时，振动轮可以借助机架的重力压向土壤，从而为振动压实创造条件。 因此，在设计振动压路机时应两者兼顾，合理地解决上、下车的质量分配问题。 2 3影响压实的主要因素 压实涉及压实材料、压实设备和施工工艺等诸多方面的内容，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对压实效果的影响 9 , 1 0 , 1 5 , 1 6 , 1 7 】。 2 3 1压实材料对压实效果的影响 1 土壤的类型 从第一节的分析可知，振动对于不同类型土壤的抗剪强度影响不同，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，即为均匀级配的土时，其本身的组织形式已具有 1 6 长安大学硕士学位论文 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。 另外根据第一节的分析，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，见图2 6 所示，使土最容易被压实，并能达到最大密实度 时的含水量。过干或过湿的土壤都无法获得理想的压实效果。 jl s p d m 双 u 瓷1 6 、 、 心 i 1 4一 1 2 li iil 1 41 618 2 0 2 2 一 含水量、揣 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 3 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，而且静线压力 1 7 第二章压路机的压实能力 也并非越大越好，当静线压力超过界限值后，增大静线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