（机械设计及理论专业论文）双频振动压实作业参数优化及动态仿真.pdf

摘要 本文采用理论分析和试验研究相结合的方法，对双频振动压实样机工作参数进 行了优化，对压实过程进行了数值仿真，为多频振动压实理论和方法的工业应用奠 定的基础。 本文对双频振动压实机的振幅和相位角做了进一步的试验研究，得出了存给定 介质条件下频率、振幅、相位角的较佳值：通过压实度测试、速度测试和功率测试， 以及对加速度响应信号和压力响应信号的处理与分析，对样机的性能进行了全面的 考核，并与单频振动时进行了比较；在试验研究的基础 ：，建立了“压实机一土壤” 系统的数学模型，并利用m a t l a b 软件对压实过程进行了仿真分析，仿真结果与 试验结果基本一致，证明了数学模型基本j 下确，为整机的设计和优化奠定了基础。 试验研究证明，新设计样机的工作性能稳定，单位生产量的能耗较4 、，工作效率较 高等优点。 关键词：双频振动压路机 试验研究信号处理 数值仿真 优化 a b s t r a c t a d o p t i n gt h em e t h o d so f t h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n ts t u d y ，t h i sp a p e ro p t i m i z e d t h ew o r kp a r a m e t e r so ft h ed o u b l ef r e q u e n c yv i b r a t i n gr o l l e r ，d i dt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no f t h ec o m p a c t i n gp r o c e s s ，a n de s t a b l i s h e dt h eb a s i sf o rt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o no f t h em u l t i - f r e q u e n c yv i b r a t i n gc o m p a c t i o nt h e o r ya n dm e t h o d s t h i sp a p e rd i df a r t h e re x p e r i m e n ts t u d yo fs w i n ga n dp h a s ea n g l eo ft h ed o u b l e f r e q u e n c yv i b r a t i n gr o l l e r ，a n dg o tt h ep r e f e r a b l ev a l u eo ff r e q u e n c y ，s w i n ga n d p h a s ea n g l e t h r o u g ht h et e s to fc o m p a c t i o nd e g r e e ，s p e e da n dp o w e ra n dt h ea n a l y s i st o t h ea c c e l e r a t i o ns i g n a la n dt h ep r e s ss i g n a l ，t h ec h a r a c t e ro ft h er o l l e rw a sw h o l l y e x a m i n e da n dc o m p a r e dw i t ht h es i n g l ef r e q u e n c yv i b r a t i n gr o l l e r o nt h eb a s i so f e x p e r i m e n ta n ds t u d y ，t h em a t h e m a t i cm o d e lo f “r o l l e r - s o i l ”w a se s t a b l i s h e d ，a n d t h ec o m p a c t i n gp r o c e s sw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e db ym a t l a bs o f t w a r e t h e s i m u l a t i n ge f f e c tw a sc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n te f f e c t ，w h i c hp r o v e dt h a tt h e m a t h e m a t i cm o d e lw a sb a s i c a l l yc o r r e c t t h i sc o n c l u s i o ne s t a b l i s h e dt h eb a s i so ft h e a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h e r o l l e r t h ee x p e r i m e n ts t u d yp r o v e dt h a tt h ew o r k c a p a c i t yo f t h i sr o l l e ri ss t a b l e ，a n de n e r g yc o n s u m p t i o no fu n i tt h r o u g h p u ti sl e s s m o r e o v e r ，t h ew o r ke f f i c i e n c yo f t h i sr o l l e ri sh i g h e r k e yw o r d s ：d o u b l ef r e q u e n c yv i b r a t i n gp r e s s i n gr o l l e r e x p e r i m e n tr e s e a r c h n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s i g n a ld i s p o s a l o p t i m i z a t i o n k 安人学倾l 学位论文 第一章课题的提出 压实机械是基础施工、水坝和港口建设、机场建设、矿山建设、林区建设等 | 程的必备施工设备。有效的压实能显著改善填方、基础工程的承载能力和稳定性， 减少或消除沉陷带来的危害。随着科学技术的进步及现代化建设的需要，压实机械 也同其它施工机械一样得到了不断的发展。自1 8 6 2 年世界上出现第一台自行式蒸 汽式压路机以来，压路机已有一百多年的发展历史。在这段时间里相继出现了静作 用钢轮压路机、轮胎压路机、振动压路机、振动平板夯、蛙式打夯机、快速冲击夯 等压实机械。其中振动压实技术的出现是压实机械发展过程中的一次革命。从此， 压实效果的提高不再简单地依靠质量或静线压力的增大。随着减振材料和振动压实 理论的日趋完善，振动压路机在二十世纪六十年代迅速占领了世界压实机械市场， 机型也向大、中型发展。同时，在品种上出现了能适合于各种场合和施工要求的不 同系列、规格的产品，成为工程机械的重要组成部分。 1 1 变频变幅的振动压路机2 m m m l 首先分析一下各种压实工况对振动压路机频率和振幅的要求。 1 、振动频率 不同的土壤，其自振频率是不同的。表卜1 列出了各种土壤的自振频率。 表卜1 土壤的自振频率 序号 123456 7 891 0l l1 21 31 4 很微粘很 由 细 砂 均 不 人 十壤湿 湿 湿 干 质湿等砾混匀 均粗 种类粘 粘 粘 粘 砂的 干 士 a 卵 粗 匀 砾 块 十斗： n 年i粗彳i 砂 十七十砂砂砂砂“ 砂 1 83i 8 31 9 82 0 82 l ，62 40 白振频 率( h z ) 2 2 62 2 02 352 4 ，72 6 22 6 73 0o3 40 1 841 922 082 2 62 2 22 46 根据共振原理，只有当激振频率接近或等于土壤的自振频率时，振动压路机的 振动效果最佳( 图1 1 所示) 。 从图1 1 曲线可以看出，压路机的振动频率接近于土壤的自振频率时，土壤的 长安大学硕十学位论文 冲击幅值激增，同时土壤阻尼降低。当阻尼趋近于零时，理论上土壤的变形幅值将 增至无穷大。所以当工= 厶时，压实效果最佳。考虑到土壤的自振频率，振动压 路机的频率应比土壤自振频率稍高一些。 皂 、 飞 盐 制 频率z 矗 图1 - 1 压路机压实曲线 正一压路机振动频率厶。- 4 - 壤自振频率 a d 一在冲击下的土壤变形a s t 一在静力f 的土壤变形 可见，为了取得最佳压实效果，对于不同的土壤，振动压路机应具有不同的振 动频率。2 5 3 0 h z ，适于粘性材料、混合土和岩石等的压实；3 5 4 5 h z ，适于对砂 土的压实。 2 振幅 压实时滚轮进行浅层振动或深层振动所需的振幅大小是不同的。 大振幅压路机比小振幅压路机具有更高的压实能力。在实际中可以明显看出， 当振动质量相同时，大的振幅将得到更高的压实度和更深的压实效果。因此，为了 压实铺层厚的粘性土壤或具有大颗粒的材料，一般需要用大振幅压实；层厚小于 4 0 c m ( 层厚越小，振幅也应越小，以避免土壤疏松) 的非粘性材料( 砂土) 或 进行浅层压实时，则需要小振幅压实。 为了适应不同的材料及铺层厚的压实要求，振动压路机应有变化的频率和振 幅，即低频高幅，适于粘性材料、混合土等的压实或基础压实：高频低幅，适于砂 土的压实或浅层压实。 3 变频 振动压路机的振动频率是由振动轴的转速决定的。因此，采用变量泵马达凋 速系统就可以实现压路机的变频。当变量泵排量为q 。时，液压马达转速为 ：当变 2 艮安人学硕士学位论文 量泵排量为q f 时，则液压马达转速为一：。由公式f = 吴可知，振动压路机的振动 6 u 频率将随之改变。 式中，一压路机振动频率，h z ”一液压马达转速， = ，或 = n ：r m i n 4 变幅 变幅对改变振动强度有良好的效果，它对基础压实有很大的用处。呵以采用机 械分丌式偏心块来实现，如图1 2 。“所示。 低振幅位置 高振幅位置 图卜2 双振幅机构 这种结构可以获得高振幅和低振幅的选择。它由两会属块组成，一块同定一 块可自由转动。当振动轴顺时针旋转时，活块与固定块分丌m 。= 2 m r 2 = m r ，激 振力减少，实现低振幅：当振动轴逆时针旋转时，活块与固定块一同旋转 m 。= 2 m r ，偏心距加大激振力增大，实现高振幅。 但通过上述方法只能获得两个频率和振幅。 德国宝马公司研究丌发的b o m a gv a r i o m a t i c ”2 。调幅压实系统能够自动选择与 被压实材料压实状况相匹配的振幅，从而消除被压实材料出现压实不足或过度碾压 的问题，提高压实的均匀性。v a r i o m a t i c 系统的振动器使用了两根偏心轴，其调幅 原理如图卜3 所示。在碾压低压实度材料时，两偏心轴的相对位置经过油缸的调整， 在竖直方向输出的振幅最大，激振力也最大；当材料压实度增加时，激振力的输出 相对于竖直方向有一个夹角，此时振动可分解为竖直方向及水平方向，竖直方向的 有效振幅响应减小；在碾压高压实度材料时，偏心轴的相对位置经过动态调整，振 幅的输出为水平方向，竖直方向的有效振幅为零。该系统从最大振幅到最小振幅的 调整时问应小于l s 。 宝马公司b o m a gv a r i o m a t i c 调幅压实系统的实现是通过改变两偏心块之问的 相对位置来实现的，其调幅原理虽然简单，但其机械系统的实现却相当复杂，而且 长安大学碗+ 学位论立 调频调幅( 或称变频变幅) 后的振动压实仍然都是在某一振幅的单频简谐振动，其 振动波形仍为一典型的正弦曲线。 高振幅 振幅减小低振幅 图1 - 3v a r i o 姒t i c 系统工作原理图 1 2 混沌式振动压路机哺啪 在非线性振动系统中，当系统参数满足一定条件时，即使在确定性输入下，仍 输出不规则的振动，称之为混沌振动。 混沌振动研究早已不再是纯数学力学问题。不久前，混沌振动在工程中的应用， 还主要是分析工程中的混沌振动现象，但近来世界各国将混沌在工程领域中的利用 研究付诸实施。混沌振动用于压实，是由于混沌振动有着比简谐振动更宽的振动频 带，更剧烈的速度变化，这就更有利于振动压实。 1 混沌振动压实研究 ( 1 ) c v e 一1 型混沌激振器 从1 9 9 31 9 9 5 年，中国农业大学的龙运 佳教授主持的国家自然科学基金项目“混沌 振动试验识别及其发生机构参数研究”，研 制了具有很强的几何非线性及物理非线性 的混沌激振器，1 9 9 6 年取得了国家专利。 ( 2 ) c v e l 型混沌激振器数字仿真 c v e 一1 型混沌激振的数字仿真相轨图 见图l 一4 。 锻辅为相对角建废。横驶为柑对转簟) 图1 4 数字仿真相轨图 从相轨的不重复性与复杂性可知，激振器作混沌振动。 ( 3 ) c v e i 型混沌激振器实测振动 对c v e 一1 型混沌激振器，用信号分析仪作整机沿水平方向的振动检测，从而 甲甲 长安大学硕，i “学位论史 得到自相关图( 见1 5 ) 及功率谱图( 见1 - 6 ) j 0 一o 1 ul 粕u3 0 0 4 0 05 0 06 0 07 0 0a 州 图1 5 自相关图 图l 一6 功率谱图 从相关图之衰减性及功率谱图之宽频性可知其为混沌振动。 ( 4 ) c v e 一2 型混沌激振器 c v e 一2 型采用无簧三偏心混沌激振器，结构见图1 7 。 图卜7 混沌激振器结构及两种极限位置 1 一偏心盘：2 一偏心环；3 一偏心轴 a 一回转中心；b 一偏心轴中心线：c 一偏心环中心线；d 一偏心盘中心线 ( 5 ) c v e 一2 型混沌激振器整机振动测试 对c v e - - 2 型混沌激振器，t = j 信号分析仪作整机沿水平方l 甸的振动电测，从i m 得到自相关图( 见1 - 8 ) 及功率谱图( 见l - 9 ) 。 图l 一8 自相关图 图l 一9 功率谱图 从图1 - 8 的衰减性及图1 - 9 的宽频性可知振动压路机作混沌振动。 2 混沌振动压实试验 长安大学硕士学位论文 试验用混沌激振器的结构如图1 7 所示。它是在偏一t 3 轴上另外套了两个偏一t 3 环。 偏心轴由液压马达驱动旋转，构成了激振器的主频率。两个偏心环在随偏心轴的旋 转过程中，由于摩擦阻力使它们不能作同步旋转，从而使得它们各自的偏心方向与 偏一t 3 轴的偏- t 3 方向产生不同方位的叠加，激振器产生的离心力的大小和方向随之随 机变化。因此，作用在振动轮上的激振力的振幅和频率、振动轮施予被压土体的振 动加速度都是随机变化值。 偏心轴偏，t 3 方向与两个偏心坏偏心方向叠加会形成两个极限位置，从中可以计 算出该混沌激振器的最大和最小静偏心矩值，以及振动轮的最大与最小名义振幅。 从试验可知，混沌振动比单频振动有更高的压实效率，相同时间内可提高压实 ( 对砂) 功效1 3 1 8 倍。这是由于在主频附近许多振动频率同时的联合作用下， 各种大小不一的颗粒问的摩擦显著变小，呈现出流动状态而充填问隙，从而比单频 振动有更好的振动减摩机制与更高的振动压实质量。 但混沌振动压路机有它自身的缺点： 1 工业化应用差； 2 结构复杂； 3 摩擦发热，能耗大。 1 3 双频振动压实技术的提出 为适应压实材料的多样性及材料在压实过程中物理一力学性能的不断变化，人 们已采用了双频双幅的变频变幅振动压实技术，以便在不同的压实场合变换振动频 率及振幅。但由于被压实材料的颗粒大小和组成不同，即使在压实过程中变换振动 频率及振幅，采用单频振动也很难使压实材料达到共振压实的预想效果【8 j 【9 1 。而混 沌振动压实效果虽然比较好，但存在工业化应用差、结构复杂、摩擦发热、能耗大 等缺点。 为了强化压实过程，同时为了综合调频调幅振动压实技术和混沌振动压实技术 的优点，克服它们各自的缺点，提出了多频振动压实技术。多频振动就是由两个或 两个以上的简谐振动复合而成的。其中，双频合成的振动压实是一种简单而有效的 方法。高频及振幅接近砂质土的固有频率及振幅，而低频及振幅则靠近于粘土和粉 质土的固有频率及振幅”。双频振动压实技术具有结构简单、为非线性压实和包含 两个主要频率等优点。 墨茎查兰堡：! 兰些堡兰 低频偏心块 高频偏心块 图卜1 0 激振器结构图 双频振动激振器结构如图1 1 0 【1 l 】所示。它是由一对大小不同的齿轮带动蹦个偏 心轴，偏心轴由电机驱动旋转，构成了激振器的两个主频率。振动频率的改变借助 于变频器。振幅的改变较麻烦一些，需拆机调整偏心块，在激振器内同一轴上以机 器纵向轴线为对称面安装大小相同的两个偏心块。可以通过改变两者的夹角0 来渊 整偏心距e ，从而调整其振幅及激振力的大, j , o n 图3 - 4 1 所示。相位角的调整电需拆 机调整偏心块，在激振器内有两根轴，通过调整两根轴上偏心块的夹角来调整两 激振器的相位角。 由试验可知，双频振动比单频振动有更高的压实效率，相同时i 内可提高压实 ( 对粘土) 功效1 4 5 1 8 倍。这是由于双频振动是一种非线性振动系统，有着比 简谐振动更宽的振动频带，这就更有利于振动压实。同时双频振动结构具有能耗小、 结构简单和易于1 ：业化等优点。 1 4 本文的主要内容和研究方法 基于以上三节内容的分析和对样机前两阶段的试验结果分析( 见第二章) ，本 文制定如下研究任务： 1 对双频振动压实机理做深入的试验研究。 长安大学硕士学位论文 2 在双频振动压实时，两频率的相位差也是影响压实度的一个主要因素，该 参数与压实效果有何关系，有待于进一步试验研究。 3 开展双频振动压实的参数优化仿真工作，求出双频振动压实时相位差、频 率比、振幅比三个重要参数的关系及选择范围。 4 以试验结果为依据，对双频振动压实机理进行探讨，完成双频振动压实时 “压实机一土壤”系统的动力学的优化仿真研究，为产品的改进提供参考。 睦安人学顺l 学位论文 第二章前期工作的回顾 本章就我校在双频振动压实方面所做的工作作一回顾。 2 1第一轮样机的设计和试验研究n 叩 2 1 1 样机设计方案 由于滚轮结构可有效地提高压实度，所以采用轮式结构，同时为了保证压实机 的自行速度和行驶稳定性，在压实机的振动轮上施加驱动力。 具体设计方案如图2 1 所示，此压实机主要有上、下车两大部件组成。上车部 件主要有：电机9 、上车激振器1 1 及传动系统1 0 、上车安装扳及减振器6 ，下车部 件主要有压实轮( 振动轮) 1 7 以及安装在压实轮内部下车轴1 6 上的偏心块2 ( 低 频激振力) 及尊级行星齿轮减速器。上、下车间依靠皮带5 进行动力传递。振动压 实机的主要动力传输过程是：电机9 的一部分动力通过上车激振器传动系统1 0 传 至上车激振器1 1 ( 高频激振器) ，激振器为圆周振动( 非定向) 激振器，其产生的 高频激振力通过车架传到压实轮，加载到被压实介质( 销层) e ；电机9 的另一部 分动力通过皮带轮8 、3 及皮带5 传至下车轴1 6 ，下车轴1 6 为一齿轮轴，它和内齿 轮4 、行星齿轮1 3 和系杆h ( 压实轮) 组成2 k h 型行星齿轮传动。由行星齿轮传 递过来的动力通过固联在一起的系杆h 、系杆安装板1 5 和压实轮输出，驱动压实 轮前行。在下车轴1 6 被驱动时，安装在其上的偏心块2 产生离心力( 低频激振力) ， 并通过两端轴承加载至压实轮，这就同时利用了外作用式和内作用式两种激振方 式，实现了对铺层的双频振动压实。而将电机输出分流后，通过调整两个动力传输 白j 的传动比，可以解决压实工作速度与高频振动频率的设计矛盾，满足设计要求。 在结构设计时遵循了可靠性与经济性相兼顾的原则。为了确保上、下车动力传 动的可靠性，避免下车的振动对电机的影响，提高操纵舒适性，电机9 与安装板6 i 日j n 有减振挚和减振弹簧。另外，为了在施工场地转移时，使电机与下车驱动行走 系统脱开，在电机9 与输出皮带轮8 间加装了套筒联轴器。在进行性能对比试验时， 可以断玎电机与上车高频激振器之间的动力传动，实现单频( 低频) 振动压实；而 进行单频( 高频) 振动压实单项试验时，需拆开压实轮，取出f 车轴上的偏心块2 。 长安大学硕士学位论文 此处结构原理图因保密关系不宜公开 2 1 2样机试验结果 表2 一i 压实4 遍后的表面沉降量占整个沉降量的百分比和压实度情况 压实机改电机工压实4 遍后累累积沉胩实4 她后 百分比 计频率作频率 压实机实际频率( h z ) 积沉降量 降量的胜实度 ( ) ( h z )( h z )( m m )( m m )( ) f = 6 4 0 _ 。2 4 8 ，= 3 8 4 3 2 23 868 34 28 58 6 5 0 _ + 2 = 6 ，左。五= 4 8 3 4 03 968 58 78 83 8 正= 4 8 6 0 上7 2 ，2 。5 7 6 3 8 44 508 53 3 8 83 8 4 0 = 4 8 2 2l3 4 26 43 37 6 7 6 f = 6 5 0 工2 = 6 1 4 6 1 92 7 60 4 8 03 1 6 0 z 。= 7 2 3 083 947 8l78 l8 2 4 0 六2 3 8 4 3 0 43 827 95 88 38 4 a = 4 8 5 0 以2 a = 4 8 3 l64 047 89 28 58 6 6 0 ，2 = 5 7 6 3 l03 748 2 8 98 33 3 0 长安大学硕士学位论文 注：电机的工作频率由变频器调节实现 压实土壤的压实度和其表面沉降量存在着一定的对应关系。相对沉降量越大， 则该次压实所获得的压实土壤的压实度越高；一轮压实试验的累计沉降量越大，则 该种压实方式获得的土壤压实度越高。因此，在评定土壤压实效果时，将试验所得 土壤压实度和表面沉降量结果结合起来进行分析。在全部试验过程中，压实4 遍后 的表面沉降量一般都达到了整个沉降量的7 5 8 5 。 表2 2 给出了试验样机在各种工况下的平均行驶速度。测试结果表明：压实 机在有动力驱动的情况下行驶速度稳定，可操纵性好。 表2 2各种工况下压实机的平均行驶速度单位m s 、 电机工作频率 麒机 4 05 06 0 设计频半h z f - 6 前进 03 0 50 2 7 0o 2 2 2 f , = 4 s 后退o 2 5 80 2 5 5o 17 9 崩 前进0 4 6 60 5 2 2 0 6 1 5 后退0 4 2 40 4 8 lo 5 5 3 卜 前进 0 2 8 60 2 9 902 5 0 后退0 2 6 1 0 2 4 50 2 2 4 注：压实机的实际工作频率可参照表2 - 1 得知。 2 1 3 结论及有待进一步解决的问题 双频振动压实效果优于单频( 高频或低频) 振动压实效果。双频振动压实时， 压实效果较好，工作效率高，比同等质量平板夯的生产率提高了4 7 。 试验样机还存在一些缺点和不足： 1 因滚轮同时有驱动功能和振动功能的要求，使其内部结构复杂，拆装不方 便。 2 低频6 h z 太低，不便于减振，对操作人员有害。 3 试验仅有一种基频工况，不能确定两频率的取值范围及比例关系。 4 试验没有考虑两频率的振幅比、相位差对压实效果的影响。 通过上面的分析，我们提出以下有待于解决的问题： 1 要对双频振动压实机理做深入研究，必须继续做大量的试验工作。 长安大学硕t 学位论文 2 双频振动压实理论是一种全新的压实理论，要建立压路机与土壤相互作用 的动力学模型，还需做大量的科研工作。 3 参数珊l 出，= z 该如何取值才能达到最优还要进行实验研究。 4 两频率所对应的振幅a 1 、a 2 的比值应如何选取。 5 两频率的相位差也是影响合成振动波形的一个主要因素，该参数与压实效 果有何关系，还有待于进一步试验研究。 2 2 第二轮样机的设计和试验研究n 2 2 1 样机设计方案 滚轮结构可有效地提高压实度，且压实影响深度较板式结构要深，另外轮式机 构也易于大型化。基于此，该样机采用轮式结构。同时，为了结构简化，不增设复 杂的传动系统，驱动轮为机械驱动，能保证压实机有良好的工作行驶速度和稳定性。 利用振动进行压实具有一般静作用压实无法比拟的优越性，同时考虑前面所提 到的一些问题，样机设计了两 个工作频率。经过方案设计、 论证、改进和对诸多因素的综 合考虑，最后确定的双频振动 压实机设计方案( 试验样机方 案) 如图2 2 所示，考虑便于 安装拆卸和结构的完善、产品 的大型化，方案采用模块化设 计，主要由动力装置( 电机) 、 图2 - 2 多频振动压实机设计方案 删频激振滞 机架 振动前轮 双频激振器( 双频振动压实) 、驱动轮( 静力压实) 、振动前轮和操纵部件( 扶手) 五大模块组成。传动方式主要是行星齿轮传动和v 带传动。 双频激振器实际上是一个一级齿轮减速器。在两个齿轮传动轴上分别安置偏心 块便可实现高低两个振动频率，设定高频频率接近砂质土的固有频率，而低频频率 接近粘性土和粉质土的固有频率，这样激振器可满足不同材料压实的需求。 为实现压实机的理想工作行驶速度( 1 5 3 k m h ) ，驱动轮采用了2 k h 行星 齿轮传动来实现大的减速比。 为了减小振动对动力源正常工作的影响，采用了一级减振，同时为了提高扶手 的操纵舒适性，又对其进行了二级减振。 长安大学硕j 一学位论文 本样机结构的主要特点是适用于多种试验研究目的，例如频率对比试验、振幅 对比试验、频率相位角对比试验和与普通振动压实的对比试验等。 2 2 2 样机试验结果 1 通过结构创新，提出了新的双频振动压实机方案。理论分析和试验研究证明， 本文提出的方案合理且可行，在双频振动的各工况，都有较好的压实效果；生产率 比同等工作质量的平板夯提高了8 0 4 ，工作效率高。 2 通过对速度测试、功率测试、加速度响应信号和压力响应信号等结果的分析 可知，该试验样机行驶速度和工作性能都很稳定。 3 针对基层和次基层压实作业，对样机进行了双频振动压实和单频振动压实的 多项试验和参数对比试验。通过试验研究有如下一些结论： ( 1 )双频振动压实效果好于单频振动压实效果：双频振动压实能更快速地使 被压实土壤密实，工作效率高； ( 2 )双频振动压实在两频率比为3 ：2 、高频3 7 1 1 h z 、振幅o 3 0 r a m ，低频 2 4 8 1 h z 、振幅1 2 m m ，两频率相位差为0 。时，压实效果是最好的； ( 3 )在高频4 7 6 6 h z 、振幅o 3 0 r a m ，低频2 3 8 3 h z 、振幅1 2 0 m m 的工况中， 当两频率相位差为1 2 0 。时，压实效果较好： ( 4 )双频振动压实，两频率对应振幅的比值不应过大，高低频对应振幅比应 满足：a l a 2 = 1 8 1 ； ( 5 )双频振动压实，两频率在2 0 h z 5 0 h z 的范围内较合理，两频率的频率 比不宜过大，高频与低频的比应满足： 怃= 2 1 ； 2 2 3 有待进一步解决的问题 通过上面的分析，我们提出以下有待于解决的问题： 1 开展双频振动压实的参数优化仿真工作，求出双频振动压实时相位差、频 率比、振幅比三个重要参数的关系及选择范围。开展双频振动压实时“激振器一机 架一土壤”系统的动力学仿真研究，为产品的设计提供参考。 2 继续试验工作，对双频振动压实机理做深入研究。 3 双频振动压实时，两频率的相位差也是影响压实度的一个主要因素，该参 数与压实效果有何关系，还有待于进步试验研究。 长安大学硕士学位论文 3 1 1 试验场地 第三章试验方案 3 。1 试验背景 试验是在本校工程机械学院动力学实验室的大型土槽中进行的。土槽长 1 l o m ，宽7 8r f 【，深2 7 m 。 3 1 2 试验用土 试验用土为级配土，缴配曲线如图3 一l 所示，可以看出土的级配良好。 琶 删 钿 御 州 岛 难 堪 球 m 、 土粒粒径( m m ) 图3 - 1 试验用土的级配曲线 1 土的最佳含水量和最大干密度 按g b 4 4 7 8 - - 8 4 振动压实机性能试验方法“”和j t j 0 3 3 9 5 公路路基施工 技术规范1 2 3 试验规程的要求，采用标准重型击实法测定土的含水量与干密度 的关系。最后确定该土最大干密度为2 0 0 6 1 9 m 3 ，最佳含水量为11 - 3 0 。本论 文实验数据部分所给出的各个压实度值是按此换算的。 2 土的含水量 试验用土的含水量需进行多次调整测量，以求土的含水量均匀且接近最佳含 水量。 辞v唰知槲刊譬取巢蝶巾k o 加 如 舳 似。 长安大学坝 学位论文 3 2 试验装置 3 2 1 数据采集系统的建立。印 为了分析压实机在压实过程中自身的动态性能和对土壤的作用情况，试验中 分别有针对性地采集了加速度信号和土壤应力信号。 试验所采集到的信号数据分两类，一类是通过加速度传感器采集而得的加速 度信号，所采信号按传感器安装在机架上的位置划分为两种，即机架过振动轮轴 线垂直方向和水平方向两种加速度响应信号；另一类是通过压力盒传感器采集而 得的，所采信号按压力盒埋于被压实铺层的深度位置划分为四种，即铺层深 1 5 c m 、2 5 c m 和3 0 c m 处的三种土壤动态应力响应信号和2 5 c m 深距离中心l o c m 处 沿滚轮轴线方向土层应力响应。 3 8 0 v 图3 2 信号数据采集系统平台 图3 - 3 传感器安装位置 长安人学硕士学位论文 数据采集系统仪器连接见图3 2 所示。各通道仪器配置见表3 1 ，传感器 具体安装位置参见图3 2 和3 3 ，其中压力盒在试验段长的2 5 m 处( 试验段总 长5 m ) 。 表3 1 各通道传感器配置 通道电荷放 号大器 传感器编号传感器标定值测点内容 l # b e 一1 0 k c0 3 1 0 7 m1 2 l 1 0 - n v1 5 c m 处土层廊力响麻 2 # b e 一1 0 k c 0 3 1 0 1 7 m 1 1 6 x1 0 - , n v3 0 c m 处l 层应力响应 3 #b e 一5 k c9 1 5 3 m58 i x l 0 1 n v2 5 cr n 处十层应力响应 4 #b e 一5 k c9 1 5 3 m58l 1 0 呻n v 2 5 c m 深距离中心l o c m 处土崖应力响应 5 #y e 5 8 5 8y e l 4 1 0 44 2 1 #15 5 p c ( i l l s 。) 机架水甲方向加速度响应 6 #y e 5 8 5 8y e l 4 1 0 46 6 8 #4 2 p c ( m s2 ) 机架过振动轮轴线垂直方向处加速度响应 3 2 2 试验所用仪器 本试验所用的数据采集仪器主要有：磁带记录仪( t e a c m r 3 0 ) 、加速度传感 器、电荷放大器( y e 5 8 5 8 ) 、压力盒、电桥盒、动态电阻应变仪( y d 1 5 型) 、 瓦特表、电子天平、二踪示波器( s r 8 型) 及秒表。其它仪器主要有：动态数据分 析仪( h p 3 5 6 2 a 型) 、变频器( h t m c 一5 0 0 0 一g 9 s 型) 、电烤箱、稳压电源( d y 1 5 型) 、机修专用工具等。 3 3 试验方案设计 3 3 1 试验内容和目的 本次试验在理论分析和上一轮试验的基础上，以相同频率，不同振幅和相位 角下的机器性能、压实效果等方面的对比为主要内容。具体的测试项目有： l 、压实机所耗功率； 2 、工作速度( 碾压速度) ； 3 、表面沉降量； 4 、压实度； 5 、压实机的动态性能参数。 通过一定的理论分析可知，决定双频振动压路机的压实特性的主要参数有频 6 长安大学硕，学位论文 率、振幅和相位角，而上一轮试验已经对双频振动压路机的频率作了充分的研究 工作，本次试验的目的就是在上一轮试验所得出的最佳频率比的基础上，对振幅 和相位角这两个主要参数进行进一步的研究，确定最佳参数，并完成整机各参数 的匹配。 3 3 2 试验方案编排与实施 山前所述，在样机进行设计时，其工作频率选择了最佳工作频率。试验过程 中，振动频率的改变借助于变频器。振幅的改变较麻烦些，需拆机调整偏心块， 见图3 4 ，在激振器内同一轴上以机器纵向轴线为对称面安装大小相同的两个 偏心块。可以通过改变两者的夹 角0 来调整偏心距e ，从而调整其 振幅及激振力的大小。相位角的 调整也需拆机调整偏心块，见图 3 5 ，在激振器内有两根轴，通过 调整两根轴上偏心块的夹角西来 调整激振器的相位角。”。 1 试验方案设计 盟一一+ + 图3 4 偏心块安装图 进行双频振动压实试验，试验共计2 2 轮，本次试验进行前1 1 轮，具体安排 见表3 1 。 由前面的分析可知，影响双频振动压路机的基本因素有三个，即：频率、振 幅和相位角。本次试验方案设计是参考上一轮试验结果而定的。频率是选取上一 轮试验的最佳频率，所选频率为：高频3 6 h z 、低频2 4 h z 。振幅取三个水平，即 ( 1 ) 低频振幅1 2 r m n 、高频振幅0 3 m m ；( 2 ) 低频振幅0 6 m m 、高频振幅0 ，3 m m ： ( 3 ) 低频振幅0 3 m m 、高频振幅0 3 m m 。相位角取七个水平，即：0 。、3 0 。、 6 0 。、9 0 。、1 2 0 。、1 5 0 。、2 7 0 。首先，在相位角为0 。时，分别与振幅的 三个水平组合，得出三组试验结果。然后，从这三组试验结果中选取振幅的一个 最佳水平，分别与相位角的其余六个水平组合，得出六组试验结果。最后两组试 验是对上一轮试验的补充，以使试验更加完备。这2 2 组试验全面反映了各因素 对试验结果的影响。 2 试验方案的实施 每轮压实过程把静压2 遍省去，代以人力踩踏，然后依次对应振动压实2 、 4 、6 、8 和1 2 遍，记录计算压实度所需的数据、表面沉降量、行驶时间、功率 长安人学硕士学位论文 及动态响应信号等数据。 表3 2 给出了本文的试验编排表中给 出的参数值均为理论计算值。而为了后文标 识，笔者又对试验工况进行了编号，见表3 3 ，表中频率值为实测值。另外需要说明 的是：双频振动压实时，高频初始相位角的 大小是相对压实机前进时低频初始相位角 为o 。时而言的，见图3 5 ( 低频顺时针方 向为正。高频逆时针方向为正) 的示意。 表3 2 试验编排表 图3 - 5 相位差求解示意 参数 理论频率( h z )理论振幅( ) 初始相位角 ( 高频) ( 。) 工况 高频低频高频低频 l3 6 02 4 003 0 1 2 00 23 6 02 4 00 3 00 6 00 33 6 o2 4 oo 3 00 3 0o 43 6 o2 4 003 01 2 06 0 53 6 02 4 oo 3 0 1 2 09 0 63 6 02 4 0o 3 0 1 2 01 5 0 7 3 6 0 2 4 0o 3 01 2 0 3 0 83 6 02 4 00 3 01 2 02 7 0 93 6 0 2 4 oo 3 0 1 2 01 2 0 l o4 8 0 2 4 00 3 0 1 2 09 0 1 l4 8 02 4 oo 3 00 6 09 0 1 2 七 3 7 0 1 7 50 3 0 1 2 00 1 3 4 2 62 1 3o 3 01 2 0o 1 4 术4 8 o2 4 00 3 0l _ 2 0o 1 5 木4 8 02 4 oo 3 012 06 0 1 6 半4 8o2 4 003 01 2 01 2 0 1 7 4 8 o2 4o03 02 4 00 1 8 5 2 ，52 6 3o 3 01 2 0o 1 9 木5 8 92 9 50 3 01 2 00 2 0 *4 8 o2 4 00 3 01 2 0o 2 1 斗4 8 03 2 00 3 01 0 00 2 2 丰2 3 2 4 注：带“+ ”的工况表示前一轮试验工况的频率、振幅、相位角。 这里的相位角由是对应于表3 2 中的高频初始相位角而言的。 长安大学硕士学位论文 表3 3 试验工况编号 工况1工况2工况3丁况4工况5 f 2 3 3 - 5 9 h zf ：2 2 2 7 2 h zf 2 3 3 2 h z f 。2 2 2 7 h zf ，2 3 53 1 h zf z = 2 37 5 h zf 2 3 56 2 h zf z = 2 3 7 5 h zf 。2 3 56 2 h zf ：2 2 3 7 5 h z a i = o3 0 , ma ：2 1 2 0 mf 2 0 3 0 m ma 。2 0 6 0 m m 2 0 3 0 m m a2 - - 0 3 0 m m a 。- - 03 0 m ma - i 2 0 m la2 03 0 m m a = i2 0 m m f 6 k nf t i o k n 女2 0 。f i 6 k nf ；5 k n + 2 0 。 f2 6 k nf 2 = 25 k nm 2 0 。f 1 2 6 k nf ：2 1 0 k nm = 6 0 。f , - 6 k n 呼1 0 i 【n 十= 9 0 。 _ _ ：= 况6工况7工况8工况9工况1 0 f 5 3 5 1 6 h z f2 2 2 34 4 h zf 2 3 51 6 h zf ：2 2 36 3 h zf 2 3 49 6 h zf ：2 2 3 6 3 h zf = 3 5 1 6 h zf = 2 34 4 h zf ，= 4 53 i h zf = 2 24 6 h z a = o3 0 m m a 2 2 i 2 0 r a m a 1 5 0 3 0 m ma ? 2 i 2 0 m m a5 0 3 0 m m a i = 1 2 0 m m a = 03 0 m ma = i2 0 m ma = o - 3 0 m ma = i2 0 r a m f 2 6 k nf 。2 l o k n m 2 i 5 0 f 2 6 k n f 。2 l o k n 2 3 0 。 f2 6 k nf 2 = 1 0 k nm = 2 7 0 。f 6 k nf ：= 1 0 k nm 2 1 2 0 。f = l o k nf = l o k n 中= 9 0 。 工况i i f 。4 5 9 h zf ：。2 2 8 5 h z ，。l。j 。，- r ? ? i i 。? 。 a i = o3 0 m m a = o6 0 r a m f , - - i o k nf - 5 k n m = 9 0 9 长安大学硕士学位论文 第四章试验结果分析1 0 n m 3 1 根据设计方案，设计制造了一台双频振动压实的试验样机。对样机的主要性能 参数进行了测试，进行了双频振动压实的参数影响试验，取得令人满意的结果。 4 1 功率测试结果分析 压实机工作所需功率是评判压实机性能的一项重要指标，压实机随压实遍数的 增加，其所耗功率的变化应能大致反映出“压实机土壤”系统的动态变化趋势。 在压实过程中，对其进行测试，得出大量实验数据，可对今后完善压实机的设计提 供依据。功率的测试采用两瓦法，为了其直观性，绘制了各工况平均功率直方图和 功率随压实遍数增加时的变化曲线。“，见图4 1 至图4 3 ，具体测试结果见附表。 ； s 梃l 蚤 图4 1 功率直方图 从各图中，可以得到以下几点结论： a 各工况下对应于各压实遍数的功率变化趋势是比较平缓的，表明压实机行 驶的稳定性较好。 b 各工况下，功率随压实遍数的增加，呈先减小后基本稳定的变化趋势，其 长安大学硕士学位论文 中，f j 6 遍的减小明显。 c 比较各工况，当激振力越大时( 如工况1 0 、1 1 ) ，所需功率越大，这时压实 机所需的功率波动变大，这说明激振力的加大对压实机性能的影响较大。 d 与工况2 2 单频情况相比较，双频振动压路机比单频振动压路机所需功率大。 对压实机各工况所需功率的测试，为相应工况压实效果的比较评判也提供了一 项重要的参考指标。 压实遍数 图4 2 功率变化趋势曲线( 工况1 6 )图4 3 功率变化趋势曲线( 工况7 1 1 ) 4 2 工作速度测试结果分析 工作速度是指振动压实机在进行压实作业时的行走速度。与静作用压实机相 比，振动压实机的工作速度对压实效果影响特别明显，且也影响压实工作效率。而 且压实过程中“压实机一土”系统的动态变化会一定程度地反映在速度的变化上。 所以，在建立“压实机一土”系统动力学模型时，工作速度也是一个很重要的参数。 因此，进行工作速度测试是十分必要的。 在压实机实际工作过程中，“压实机一土壤”是一个变化的系统，被压实土壤 的刚度亿和阻尼c ，均随着压实遍数变化，因此工作速度也会随着压实遍数而变化， 在一定程度上反映压实度随压实遍数增加而增加的规律。 为了便于分析工作速度随压实遍数增加的变化规律，绘制出各种工况的“时间 一压实遍数”曲线图 2 5 】【2 8 】，见图4 4 至图4 一1 3 。同时，为了直观比较各工况的 平均速度差别，绘制各工况速度直方图见图4 1 4 ，具体测试结果见附表二。 f g 5 三1 “ 要 制 型 嚣* 3 图4 - 4 睦安大学硕士学位论文 压实墒教 图4 - 6 图4 一l o 图4 5 图4 7 图4 1 l iv世删s林荸