（机械设计及理论专业论文）双频合成振动压实工业样机性能试验与分析研究.pdf

s t u d y o nc o m p a c t i o np e r f o r m a n c ee x p e r i m e n ta n d a n a l y s i so f i n d u s t r i a lp r o t o t y p eo fd o u b l e - - f r e q u e n c y c o m p o u n d r o l l e r ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fd o c t o r c a n d i d a t e ：z h o n gc h u n b i n s u p e r v i s o r ：p r o f f e n gz h o n g x u c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a n o v e m b e r , 2 0 1 1 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：汐cf 年c 五月c 岁日 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) of 1 年f 工月( ，日 矽i 年厂2 月e - 日荔求磐蓼 名 乱 戳 挈 签 作 币 文 刈 岔 导 摘要 双频合成振动压实过程中，任一瞬时有两个不同频率的激振力同时作用于被压实 材料，可使更多具有不同固有频率的材料颗粒处于共振状态，减小相互间的摩擦与内 聚力，为压实创造有利的条件。该技术的推广应用，必将有效地提高压实效率，改善 压实质量。论文在理论分析和试验研究的基础上，研制出双频合成振动压实工业样机， 并通过试验和有限元法数值分析，对该样机压实性能进行了较深入的研究，为双频合 成振动压路机的工业化生产奠定了基础。 提出考虑土壤塑性变形的压路机一土壤相互作用非线性动力学模型，与经典线性 模型相比，非线性模型更接近压路机工作实际。借助该非线性动力学模型，对双频合 成振动试验样机压实过程中振动轮运动特性和动力特性进行了仿真分析，得到土壤参 数对振动轮运动和振动轮与土壤相互作用力的影响规律。同时指出压路机一土壤耦合 系统固有频率并不固定不变，而是和激振力幅值有关，该系统幅频特性中出现超谐波 共振和次谐波共振等典型的非线性特征。 在理论分析和实验室研究的基础上，确定了双频合成振动压实工业样机合理的振 动参数，并通过对柳工2 0 吨单钢轮压路机技术改造，研制出双频合成振动压实工业 样机。 完成双频合成振动压实工业样机与同吨位柳工常规c l g 6 2 0 型单频压路机对比试 验，测定并比较了两机振动参数、起振停振性能及压实性能。对比试验表明，双频合 成振动压实工业样机振动参数达到设计要求，振幅沿振动轮轴向分布均匀。高幅起振 时两机压力冲击相当，低幅起振时双频工业样机压力峰值略高，但高幅和低幅停振时， 双频工业样机液压系统低压腔最高压力较对比试验用单频压路机低约5 ，显示出该 工业样机停振过程更为柔和。相对于试验用单频压路机，双频工业样机对上层土壤压 实效果略差，平均压实度为9 1 ，比单频试验机平均压实度9 3 稍低；下层二者相当， 平均压实度均为8 3 ；而对中层土壤的压实，双频工业样机平均压实度达到8 6 8 ， 而单频试验机为8 3 ，表现出双频合成振动对中下层土壤的压实有更大的优越性。 建立了双频合成振动压实工业样机压实过程二维有限元分析模型，对压实过程土 t 壤中竖向应力、塑性应变、表面下沉量以及振动轮与土壤的接触压力进行了分析。研 究了压实过程中上述各参数的分布和变化特点，并深入分析了压路机工作振幅、行走 速度及土壤参数对其影响规律，为双频压路机的改进设计与合理使用提供了依据。 关键词：压路机、双频合成振动、工业样机、试验、非线性、动力学模型、有限元法 i i a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so ft h ec o m p a c t i o nw i t hd o u b l e f r e q u e n c yc o m p o u n dr o l l e r , a ta n yt i m e ， t h e r ea r et w oe x c i t i n gf o r c e sw i t hd i f f e r e n tf r e q u e n c i e sa c to nt h ec o m p a c t e dm a t e r i a l s s i m u l t a n e o u s l yi tc a nm a k em o r em a t e r i a l sp a r t i c l e sw i t hd i f f e r e n tn a t u r a lf r e q u e n c i e si n r e s o n a n c e ，r e d u c et h ef r i c t i o na n dc o h e s i o nb e t w e e ne a c ho t h e ra n dc r e a t ef a v o r a b l e c o n d i t i o n sf o rc o m p a c t i o n w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g y , t h e e f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fc o m p a c t i o nm u s tb ei m p r o v e de f f e c t i v e l y b a s e d o nt h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h ， a ni n d u s t r i a l p r o t o t y p e o f d o u b l e - f r e q u e n c yc o m p o u n dr o l l e r ( h e r e a f t e rr e f e rt o a st h ei n d u s t r i a lp r o t o t y p e ) i s d e v e l o p e d t h ec o m p a c t i o np e r f o r m a n c eo ft h ep r o t o t y p ei ss t u d i e db yu s eo fe x p e r i m e n t a n df i n i t ee l e m e n tm e t h o dd e e p l yt h ew o r k sl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ei n d u s t r i a l i z a t i o n o ft h ed o u b l e - f r e q u e n c yc o m p o u n dr o l l e r an o n l i n e a rd y n a m i cm o d e lf o rr o l l e r - s o i li n t e r a c t i o ni ss e tu pw i t ht h ep l a s t i c d e f o r m a t i o no fs o i lc o n s i d e r e d c o m p a r e dw i t ht h ec l a s s i c a ll i n e a rm o d e l ，t h en o n l i n e a r m o d e li sm o r ec l o s et ot h ea c t u a lw o r kc o n d i t i o no fr o l l e r b a s e do nt h en o n l i n e a rm o d e l ， t h ek i n e t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h et e s t i n gp r o t o t y p eo ft h ed o u b l e f r e q u e n c y c o m p o u n dr o l l e ra r es i m u l a t e da n da n a l y z e dd u r i n gc o m p a c t i o n t h ei n f l u e n c e so fs o i l p a r a m e t e r so nt h em o v e m e n to ft h er o l l e ra n di n t e r a c t i o nf o r c e sb e t w e e nr o l l e ra n ds o i la r e a c h i e v e d m e a n w h i l e ，i ti sp o i n t e do u tt h a tt h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h er o l l e r - s o i ls y s t e mi s n o tc o n s t a n t ，b u td e p e n do nt h ea m p l i t u d eo fe x c i t i n gf o r c e s o m et y p i c a ln o n l i n e a r p r o p e r t i e s ，s u c ha st h es u p e r h a r m o n i cr e s o n a n c ea n dt h es u b h a r m o n l cr e s o n a n c ea r es h o w n i nt h ea m p l i t u d e f r e q u e n c yo ft h es y s t e m t h er e a s o n a b l ev i b r a t i o np a r a m e t e r so ft h ei n d u s t r i a lp r o t o t y p ea r ec o n f i r m e db a s e d o nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t ，a n dt h ei n d u s t r i a lp r o t o t y p ei sd e v e l o p e db ym e a n s o fr e f o r m i n gt h e2 0 一t o ns i n g l ew h e e lr o l l e ro fl i u g o n g t h ec o n t r a s tt e s t sb e t w e e nt h ei n d u s t r i a lp r o t o t y p ew i t ht h es a m et o n n a g e c o n v e n t i o n a ls i n g l e f r e q u e n c yr o l l e rc l g 6 2 0o fl i u g o n g ( h e r e a f t e rr e f e rt oa st h e i i i s i n g l e f r e q u e n c yr o l l e r ) a r ec o m p l e t e d t h ev i b r a t i o np a r a m e t e r s ，t h ep e r f o r m a n c eo f s t a r t i n g s t o p p i n gv i b r a t i o na n dc o m p a c t i o no ft h et w o r o l l e r sa r ed e t e r m i n e da n dc o m p a r e d i ti ss h o w nt h a tt h e p a r a m e t e r so ft h ei n d u s t r i a lp r o t o t y p es a t i s f yt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ， a n dt h ea m p l i t u d ed i s t r i b u t eu n i f o r m l ya l o n gt h ea x i a ld i r e c t i o no ft h ev i b r a t o r yr o l l e r t h e p r e s s u r ei m p a c to ft h et w or o l l e r si sq u i t es i m i l a ra ss t a r tv i b r a t i o nw i t hh i g ha m p l i t u d e o n t h ec o n t r a r y , t h ep r e s s u r ep e a ko ft h ei n d u s t r i a lp r o t o t y p ei sal i t t l eh i g h e rw h e ns t a r t v i b r a t i o n 丽t hl o wa m p l i t u d e i nt h ep r o c e s so fs t o p p i n gv i b r a t i o n 。e i t h e rh i g ho rl o w a m p l i t u d ei su s e d ，t h em a x i m u mp r e s s u r ei nh y d r a u l i cs y s t e mo ft h ei n d u s t r i a lp r o t o t y p ei s a b o u t5 l o w e rt h a nt h a to ft h es i n g l e f r e q u e n c yr o l l e r i ti sp r o v et h a tt h ei n d u s t r i a l p r o t o t y p ei sm o r eg e n t l ed u r i n gs t o p p i n gv i b r a t i o n c o m p a r e dw i t ht h es i n g l e f r e q u e n c y r o l l e r , t h ei n d u s t r i a lp r o t o t y p eh a sal i t t l el e s sc o m p a c t i o ne f f e c to nt o ps o i l i t sa v e r a g e c o m p a c t i o nd e g r e ei s91 w h i c hi sal i t t l el o w e rt h a nt h a to ft h es i n g l e f r e q u e n c yr o l l e r 9 3 t h ec o m p a c t i o ne f f e c t so ft h et w or o l l e r so nb o t t o ms o i la r ee q u i v a l e n t ，a n dt h e a v e r a g ec o m p a c t i o nd e g r e e sb o t ha r e8 3 a sf o rt h em i d d l es o i l ，t h ei n d u s t r i a lp r o t o t y p e p r o v i d e sah i g h e rc o m p a c t i o nd e g r e eu pt o8 6 8 t h a nt h es i n g l e - f r e q u e n c yr o l l e r s8 3 i ti ss h o w nt h a tt h ei n d u s t r i a lp r o t o t y p eh a sm o r es u p e r i o r i t yi nc o m p a c t i n gm i d d l ea n d b o t t o ms o i l at w o d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lf o rt h ep r o c e s so fc o m p a c t i o nw i t l l t h ei n d u s t r i a lp r o t o t y p ei se s t a b l i s h e d t h ev e r t i c a ls t r e s s ，p l a s t i cs t r a i n ，s u r f a c es u b s i d e n c e o ft h ec o m p a c t e ds o i la n dt h ec o n t a c ts t r e s sb e t w e e nr o l l e ra n ds o i la r ea n a l y z e dd u r i n g c o m p a c t i o n t h ed i s t r i b u t i o na n dc h a n g ep r o p e r t i e so f t h ep a r a m e t e r sm e n t i o n e da b o v ea r e s t u d i e d s o m er u l e so ft h ei n f l u e n c e so fv i b r a t i o na m p l i t u d e ，t r a v e ls p e e da n ds o i l s p a r a m e t e r sa r ea n a l y z e dd e e p l y t h e s ep r o v i d et h e r e a s o nf o ri n t e l l i g e n tu s eo ft h e d o u b l e f r e q u e n c yr o l l e r , t h eb a s i sf o rt h er e a s o n a b l eu t i l i z a t i o no ft h ed o u b l e f r e q u e n c y r o l l e ri sp r o v i d e d k e yw o r d s ：r o l l e r ；d o u b l e f r e q u e n c yc o m p o u n d v i b r a t i o n ；i n d u s t r i a lp r o t o t y p e ； e x p e r i m e n t ；n o n l i n e a r ；d y n a m i c sm o d e l ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i v 目录 第一章绪论1 1 1 选题的背景及意义l 1 2 压实技术及压实设备的发展2 1 3 振动压实技术研究方法及研究现状7 1 3 1 岩土本构模型和振动压实特性研究现状7 1 3 2 滚轮与土壤相互作用研究现状9 1 4 本文主要研究内容和方法一l1 第二章双频合成振动压实技术试验研究1 3 2 1 土壤的组成及工程分类1 3 2 1 1 土的三相组成1 3 2 1 2 土的工程分类1 4 2 2 与压实有关的土壤物理性能指标1 5 2 3 土力学性能参数及试验研究1 7 2 3 1 内聚力与内摩擦角的试验测定1 7 2 3 2 土的弹性模量试验测定2 0 0 2 4 双频合成振动压实技术原理一2 2 2 5 双频合成振动试验样机简介一2 4 2 6 双频合成振动压实试验研究一2 5 2 6 1 正交试验设计2 5 2 6 2 正交试验结果分析2 7 2 7 本章小结一3 5 第三章双频合成振动试验样机非线性数值仿真分析3 7 3 1 线性动力学模型简介一3 7 3 2 非线性动力学模型的建立一4 2 3 - 3 两种模型数值仿真结果比较及正确性验证一4 5 3 4 土壤参数变化对系统的影响分析一5 0 3 5 频率响应特性分析一5 2 3 6 本章小结一5 6 v 第四章双频合成振动压实工业样机试验研究5 7 4 1 双频合成激振器设计概述5 7 4 1 1 设计原则5 7 4 1 2 工作原理及结构特点5 7 4 2 试验目的及内容5 9 4 3 振动参数试验研究6 11 4 4 起振停振特性研究6 6 4 5 压实性能试验7 4 4 6 本章小结7 8 第五章双频合成振动压实过程有限元分析7 9 5 1 概述7 9 5 2 有限元模型的建立7 9 5 2 1 基本假设7 9 5 2 2 土壤弹塑性本构模型及其参数的确定8 0 5 2 3 单元划分和边界条件的处理一8 3 3 5 2 。4 振动载荷的确定及旋加8 4 5 3 双频合成振动压实过程有限元分析8 5 5 3 1 土壤竖向应力分析8 6 5 3 2 土壤竖向塑性应变分析9 11 5 3 - 3 土壤下沉量分析9 5 5 3 4 振动轮与土壤接触压力分析9 6 5 4 本章小结9 8 第六章结论与展望。10 11 6 1 研究结论1 0 11 6 2 主要创新点1 0 2 6 3 不足与展望1 0 3 参考文献10 4 攻读博士学位期间的研究成果1 11 1 致谢1 12 v i 长安大学博士学位论文 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 公路建设施工中，路基和路面的压实作业是保证公路质量的重要环节之一。在已 建成公路损坏成因的调查中，压实机械的压实作业未达到压实施工规范标准是造成路 基、路面出现早期破损的最重要的原因【lj 。由于压实不足，在使用过程中，路面上就 可能产生辙槽、裂缝、沉陷、也可能使整个路面产生剪切破坏。充分的压实可以使路 基和路面材料的密度和强度大大增加，从而明显地减少路基和路面在行车荷载作用下 产生的塑性形变。另外，压实后的材料渗透系数减小，可以减少水的渗人量从而增加 路基和路面的不透水性和强度稳定性，保持路基土和路面材料具有较高的强度。研究 表明【2 1 ，压实度每增加1 ，路面的承载能力相应提高1 0 1 5 ，而压实的费用仅占 总投资的1 4 。因此，压实是提高公路质量，延长其使用寿命的非常经济而又有 效的方法。 压实是通过旌d n # i - 力提高被压实材料压实度的过程【3 j 。现有的压实方法可归纳为 静压、揉搓、振动、捣实和冲击五种形式，其中以振动压实在现代公路施工中最为常 见。振动压实时，压实设备使被压实材料内产生振动冲击，被压实材料由静止的初始 状态过渡到运动状态，从减少了被压实材料之间的摩擦力和粘聚力。同时，振动使材 料中水分离析，使其包裹于材料颗粒表面形成润滑剂，进一步为材料颗粒的运动提供 了有利的条件。由于振动作用，材料颗粒重新排列，原来非密实状态下颗粒间的孔隙 被小颗粒填充，材料颗粒相互接触面积增大，内摩擦力增大，从而提高了材料密实度 和承载能力。 由上述振动压实的原理不难理解，当激振频率与被压实材料的固有频率一致时， 较小的激振力即可以使被压实材料产生较大幅度的振动，这样的振动压实自然是最为 有效。这便是振动压实理论中的共振学说【4 】。然而，由于被压实材料组成的复杂性和 随机性，其固有频率并不是单一的，即使同一组分的被压实材料，当含水量和压实度 不同时，其固有频率也是不一样的。因此，这就要求压实设备的激振频率能够自动地、 连续地调节，以适应固有频率变化着的被压实材料。显然，这大大地增加了压实设备 设计难度，也必将是设备结构和控制系统更为复杂。针对这一难题，一种简单而有效 的解决办法便是采用多频合成振动压实。简而言之，多频合成振动压实就是同一时刻 第一章绪论 有多个不同频率的激振力参与压实工作，这样可以对被压实材料有更强的适应性。多 频合成振动压实中，以双频合成振动压实最为简单，结构上也最易实现。 双频合成振动压实技术的提出以近1 0 年时间【5 7 】，对其压实机理和压实效果的理 论研究和实验室试验研究也已做了大量的工作【8 1 0 1 。前期研究工作表明，在同等试验 条件下，双频合成振动压路机与同等规格的常规单频振动压路机相比，表层压实度提 高3 3 6 ，下层压实度提高4 2 8 ，达到相同压实度所需的压实遍数少1 3 ，且对试 验中选用的黄土、粉土等不同压实材料均具有良好的适应性1 1 0 1 。 毋庸置疑，双频合成振动压实技术的推广和产品化，必将有效地提高压路机工作 效率和压实质量，为我国公路施工，特别是高等级公路施工提供有力的设备保障。同 时，作为拥有完全知识产权的双频合成振动压实技术在我国压路机产品上的使用，必 将提高我国产品的国际竞争力，对我国装备制造也的发展也有定的推动作用。 然而，目前对于双频合成振动压实技术的研究尚处于实验室研究阶段，对其理论 分析也还不够全面和深入。欲使这一技术走出实验室，走进工厂，进而走向市场还需 要大量的工作要做。首先，通过实验室试验得到的最佳双频合成振动参数，如低频激 振频率和幅值、两激振频率的频率比和幅值比、两激振频率相位差和初始相位等，是 否也适用于工业产品? 这还需要通过工业样机试验进一步验证。其次，双频合成振动 压实技术如何在工业产品中实现，特别是双频合成振动激振器应采用什么样的原理和 结构，以满足作为工业产品对其可靠性、生产成本等方面的要求。最后，由于振动压 实过程中，压路机与土壤相互耦合，加之土壤又有着复杂的非线性特性，这就需要建 立更加准确的数学模型，采用更为有效的分析方法，对振动压实过程中振动轮的运动 规律、振动轮与土壤相互作用关系以及土壤的变化状态和规律等进行更深入的分析。 只有这样，才能从根本上了解双频合成振动压实过程中工艺参数和材料参数间关系， 最终实现二者的合理匹配，为双频合成振动压路机的设计和使用提供科学的依据。 本论文选题正是以双频合成振动压实技术产品化为目标，以上述问题为研究对 象，采用理论分析、试验研究和数值仿真等方法展开研究工作。作者相信，论文选题 具有一定的理论意义和重要的工程应用价值。论文研究工作将对双频合成振动压实技 术的推广和产品化起到定的推动作用。 1 2 压实技术及压实设备的发展 酌剥劳带盱荧各的发展有着悠久韵历文i 南西蔚石吸逭溅们阿死租草百广泛栗 2 长安大学博士学位论文 用的“夯土版筑”技术。所谓“夯土版筑 就是用木板或原木作夹板，在夹板中填充 泥土，再用夯锤将泥土击实，然后将木板拆除向上移动，再依次填土夯实，直至所需 高度为止【1 1 1 。“夯土版筑”技术在我国古代主要用于城墙的修筑，考古发现，我国最 早的夯土墙位于湖南澧县城头山古城，距今以有6 0 0 0 年历史。据夯窝的形状分析， 当时采用的应该是3 0 至4 0 厘米大而重的河卵石作夯锤【l 引，这大概是人类历史上最早 的压实设备了。除卵石夯锤外，后来又出现了荆条夯锤，即以荆条或细木条捆成束作 为夯锤，以增加夯锤与土壤的接触压力；还有以粗原木做成的木夯锤( 古时称为杵) ， 这种夯锤往往比较重，须由多人合力操作，显然是为了增加冲击能量。“夯土版筑” 技术到我国秦朝时期已非常成熟，至今残留的秦长城上还能明显看到这一压实技术留 下的痕迹。值得一提的是，北宋建筑学家李诫在营造法式中对“夯土版筑”施工 工艺做了严格的规定，包括铺层厚度、每窝击打次数和击打次序。到我国隋唐时期， 出现了用人力或蓄力牵引的石磙，石磙在滚动过程中，依靠自重对土壤进行压实，非 常适应于修筑驿道，这应该就是拖式静压压路机的前身。不难看出，人类社会很早就 开始了对压实技术和设备不懈地探索。 随着压实理论研究的深入和相关技术的发展，压实技术和设备在其发展中发生了 两次大的进步：第一次是振动压实技术和振动压路机的出现，这是振动理论在压实技 术上成功的应用。与静压实技术不同，振动压实集静压、振动两种技术于一体，从而 使压实机械的压实效果的提高不再单纯依靠自身质量或静线压力的增加。第二次大的 进步是液压技术在压路机上的应用，从而在2 0 世纪7 0 年代末期出现了调频、调幅的 振动压路机，为工作参数的优化调节及其智能化创造了条件。 最近1 0 多年来，压实技术和相应设备的发展异常活跃，通过将静压、振动、揉 搓和冲击等多种方法的融合，国外压路机生产厂商开发出许多工作原理不同、适应对 象各异的新型压路机。 1 振荡压实技术【1 3 1 5 】 振荡压实技术的原理早在1 9 5 6 年已被l a r s f o r s s b l a d 的试验所验证，试验表明，在垂直和水平振 动作用下，材料压实效果是同等的。该技术直到2 0 世 纪8 0 年代由德国悍马( h a m m ) 公司在压路机上实现， 其代表产品是该公司的h d 0 7 5 k 。与振动压路机不同， 压基 - i l d i f 丛 一 - k , o 孓 图1 1 振动压路机工作原理 第一章绪论 振荡压路机振动单元中对称安装两个激振器，并由中心轴同步驱动，形成同步旋转， 如图1 1 所示。两激振器上下方向的作用力相互抵消，而产生一个按正弦曲线交变的 扭矩施加在滚轮上，使其产生绕其轴心的振荡运动。振荡运动形成前后的振动波，使 被碾压材料产生交变剪应变。在水平激振力和碾压轮垂直静力的作用下，实现对被压 实材料在合力方向上的压实。由于振荡压路机消除了圆周振动压实中的振动和冲击， 减轻了对操作人员和机械本身的危害，降低了能耗。产生的激振力沿着前后行驶方向， 振动冲击力很小，因而适用于城市交通、建筑物问的压实，对桥梁、涵洞等构造物没 有伤害。尤其是在对薄层沥青路面压实中，振荡压实比振动压实具有更高的压实效率 1 6 】 o 2 冲击压实技术 冲击压实技术依靠滚轮的冲击能量实现压实。冲击压路机的滚轮是由3 5 瓣凸 轮构成，这种非圆截面滚轮被牵引滚动时，轮心产生的轨是一条周期起伏的曲线，如 图1 2 所示。当轮心升起时积蓄了势能，随着滚向前倒下便对地面产生了巨大的冲击 力【17 1 。由于碾边顺序连续冲击地面，可使土体加速沉降，从而使土体均匀密。冲击压 路机的冲击能量决定于滚轮的行驶速度。一台型号为y c t 2 5 ，自重1 6t 的冲击压路 机，当速度为零时，其压实力就是接地比压，当速度为每小时5k m 时，它的冲击力 为5 5t ，速度为每小时1 2k m 时，其冲击力高达5 0 0t 。冲击压路压实深度极大，一台 冲击能量为1 5 k j 的冲击压路机碾压1 5 至2 0 遍，在5 m 深处的压实度可达9 0 9 2 。 因此，冲击压路机特别适合于高填方、塌陷性土壤和干沙压实。但这种压路机噪音和 震动很大，适用于远离城市和居民区的野外施工。 图1 2 冲击压路机轮心轨迹 3 垂直振动压实技术 1 8 - 2 0 垂直振动压路机与振动压路机类似，滚轮内同样安装两个激振器，只是两偏一t l , 块 轴水平安装，同步反向旋转，如图1 3 所示。两偏心块水平方向的激振力相互抵消， 而垂直方向激振力相互叠加，从而使滚轮产生垂直方向振动，给土壤产生垂直振动作 用。由于振动能量仅垂直向下传递，因而与圆振动相比，垂直振动压路机对周围环境 4 长安大学博士学位论文 影响较小，能量损失小。另外，由于垂直振动方式剔除了对材料的水平扰动，有利于 提高压路机低速直线行驶的稳定性和避免材料表面被剥离，因此压实表面无松散、无 裂纹，压实平整度高。 垂直振动压路机典型机型为日本酒井重工开发研究的 s d 4 5 0 型振动压路机，该机的工作质量为1 0 t ，振动频率 4 3 3 h z ，振幅1 4 r a m ，土壤压实度极高，压实水泥混凝土铺层 厚度可达1 1 5 m ，作业效率大幅度提高。 4 复式水平振荡压实技术 1 9 , 2 1 , 2 2 】 复式水平振荡压实技术是振动技术与振荡技术的联合使 用。图1 4 为日本酒井s w 7 5 0 n 复式水平荡压路机的压实原理 图。普通振荡压路机滚轮仅有圆周方向的振摆，没有轴芯的振 动成分。而复式水平振动压路机接地部位的振动轨迹是由滚轮 的圆周振动与其轴芯水平轴向振动合成的椭圆形复合运动。该 图l - 3 垂直振动压实原理 压路机可有效抑制面层骨料的飞散，在两个方向激励共同作用 下，骨料经复式水平荡搓揉后被压平，路表附近的骨料较平滑的面呈马赛克状排列， 骨料之间充满沥青胶结料，增加了路表的纹理密度和平整性，尤其是对排水性沥青路 面和s m a 沥青路面，经复式水平振荡的搓碾压后，提高了路面的纹理密度和压实度， 并且对摊铺层较薄的沥青层施工同样有效。因此，在一定程度上s w 7 5 0 n 复式水平 振荡压路机具有垂直振动压路机和轮胎压路机的功效。特别是在桥梁和建筑物周围等 不能使用垂直振动压路机的地方，更突出其优越性。 5 智能压实技术1 2 3 2 5 】 了盈 矿 l 黟黜“誉l 淑 ? 魄一要爹擎 j 1 + 0 i 粥薅夥簇! 黪驴 j 鞣 j 是籍鱼 髻i 撑萼。 雾 簸。孙一一谶 ：髫髓糕巍嚣l 镰。! 雾尹 ： 、篓耋薹蚤磊丝 图1 4 复式水平荡压路机的压实原理 蕊 嚣毽 鱼佥 第一章绪论 智能压实技术是现代计算机技术、精密传感技术、电液控制技术、卫星通信和遥 感控制技术等与压实技术的有机结合。智能压路机将自适应和自学习技术引进到压实 控制中，在对被压实材料压实度实时测量的基础上，根据压实度的变化不断调整机体 自身的各项工作参数，使压实作业始终在最佳工作状况下进行，其工作原理如图1 5 所示。 图1 5 智能压路机工作原理 具有代表性的是德国宝马( b o m a g ) 公司研制的密实度检测管理系统，该系统中采 用了双钢轮自动控制压实系统( b v m ) ，机器能够自动判断土质情况，据此所需压实 力的大小，使压实作业最优化。在碾压低密实度材料时，振动轮在垂直方向输出最大 激振力。材料密实度增加时，激振力的输出相对于垂直方向有一个夹角，此时振动可 分解为垂直与水平两个方向，垂直方向的有效振幅相应减小。在碾压高密实度材料时 振幅的输出为水平方向，垂直方向上为“0 ”。 除自适应调整作业参数外，新一代智能压路机引入了g p s 定位技术，可以精确 给出压路机位置，以实现对压路机的有效管理；精确测量振动轮标高，与前一铺层标 高相比，可以精确计算出铺层厚度；采用了更加精密的材料压实度测量方法和仪器， 使作业参数更加合理。 6 混沌振动压实技术 混沌振动压实技术由我国学者龙运佳教授首次提出【2 6 。2 9 】，图1 6 为无簧三偏心式 混沌振动压实机构运动简图。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，因此更利于振动压实。随后又提出非对称的混沌激振新模式b 0 i ，该模式采用 与激振频率同频率的高速冲击与宽频宽幅混沌激振力相叠加，形成非对称激振力，如 图1 7 所示。 图1 6 混沌振动压实机构运动简图 图1 7 非对称激振力与常规激振力的对比 图1 7 显示，非对称激振模式向下最大激振力是常规激振模式的1 9 0 ，而向上最大 6 长安大学博士学位论文 激振力约为常规激振模式的7 5 9 6 ，这样，振动轮就不会跳，压实密度与深度会优于常 规激振模式。另外，由于其冲击频率与碾压速度无关，使其压实均匀性优于德国的多 边轮式振动压路机的冲击加单频力激振模式，改善了压实效果。 基于混沌振动压实技术，1 9 9 8 年试制出第一台混沌振动压路机y z h 一1 4 ，试验表明， 该机压实效果明显优于常规单频压路机。然而，由于混沌激振器结构复杂，工作过程 摩擦严重，使其推广应用受到一定限制。 除上述各种新型压实技术和压实设备外，还出现了许多专业压实设备，如路肩用 振动压路机、斜坡用振动压路机和用于薄层路面压实的高频低幅振动压路机等。可以 说，压实技术和压实设备的发展正在经历着一个前所未有的繁荣期。 1 3 振动压实技术研究方法及研究现状 压实设备的发展离不开对压实技术的研究，近些年，对压实技术的研究也异常活 跃。总体而言，主要研究集中在两个领域：对土壤本构关系和振动压实特性的研究和 对滚轮与土壤相互作用的研究。 1 3 1 岩土本构模型和振动压实特性研究现状 岩土的本构关系是指岩土内部发生的应变与其承受应力之间的关系，能否正确描 述这一关系，不仅直接影响土木和水利工程领域问题的求解精度，也是振动压实机理 研究的基础。由于岩土材料成因、组成及结构的复杂性，使其应力一应变关系异常复 杂，通常会具有弹塑性、黏性以及非线性、剪胀性、各向异性等性状。至今为止，在 各种文献中发表的本构关系模型有数十种之多，大致可以分为微观力学性质的本构模 型和现象论性质的本构模型两大类 3 1 o 其中现象论性质的本构模型基于岩土连续性假 设，从其表观性状入手，利用试验获得其应力一应变关系，在借助曲线拟合或弹性理 论、塑性理论建立其本构模型。由于基于连续性假设的现象论本构模型计算方便，因 而在岩土力学工程实践中得到广泛应用。这一类本构模型主要有弹性理论模型、塑性 理论模型及内时理论模型。 弹性理论模型是一种最简单的模型，又分为线弹性和非线弹性模型两种，前者目 前在计算基础沉降及堤坝应力、变形分析时，仍得到广泛的应用。非线性弹性模型如 最著名的由k o n d e 提出的双曲线应力一应变模型 3 2 - 3 3 】，以及用抛物线及样条函数等 曲线表示的非线性弹塑性应力应变模型【3 4 _ 35 1 。前者因其使用的参数少，试验简单，参 第一章绪论 数的物理意义清楚、直观而在实际中得到广泛的应用。 岩土塑性理论本构模型最早是由d r u c k 和p r a g e r 3 6 j 提出，该模型忽略土的弹性应 变及发生塑性变形时的硬化现象，主要适用于土经历很大的塑性应变情况。因此，塑 性模型常常用于土的破坏计算。土破坏时应力状态所满足的破坏准则有，在应力空间 表现为圆柱面的v o nm i s e 准则，表现为六棱柱面的t r e s c a 准则，表现为圆锥面的 d r u c