（机械设计及理论专业论文）桥背涵侧压实设备的研究.pdf

摘要 本文首先介绍了国内外压实机械的概况和发展方向，以及各种压 实机械的不同压实机理，分析了各压实机械的适用范围及其利弊，并 且在自行式振动压实机样机的设计、性能试验的基础上，提出了振动 和冲击相结合的压实理论，从而得出了一种新型压实机械一一振动冲 击式压实机及其设计原理和方案。针对振动冲击压实理论，确定了振 动冲击式压实机的主要设计参数，并建立了数学模型。最后，对试验 样机在低频、中频和高频振动冲击作用下进行了如下几方面的对比试 验：压实度、工作速度及振动性能测试，并进行了生产率计算，为机 器参数优化和改进提供了依据。 关键词：振动压实、冲击压实、对比试验 a b s t r a c t t h eg e n e r a ls i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to fr o a dr o l l e ra th o m ea n d a b r o a di s g a v ea t t h eb e g i n n i n go ft h i s t h e s i s ，i n c l u d i n gt h ed i f f e r e n t p r e s s i n gm e c h a n i s mo fv a r i o u s r o l l e r s i ti s a n a l y z e d ，t h a tt h eu s e a b l e r a n g eo fv a r i o u sr o l l e r a n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，o nt h e b a s i so fm o d e lm e c h a n i s md e s i g na n de x p e r i m e n to ft h o s es e l f - m o v i n g v i b r a t i n gp r e s s i n gm a c h i n e ，i ti sr e a c h e dt h ep r i n c i p l ea n dp r o g r a mo fa n e wt y p eo fp r e s s i n g m e c h a n i s m - - v i b r a t i n g a n d i m p a c t i n gp r e s s i n g m a c h i n e ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fv i b r a t i n ga n di m p a c t i n gp r e s s i n g ， t h em a i n p a r a m e t e r s o ft h i s v i b r a t i n g a n di m p a c t i n g p r e s s i n g m o d e l m a c h i n ei sd e c i d e d m a t h e m a t i c a lm o d e li ss e tu pb yk i n e t i ca n a l y s i s a t l a s t ，t h ec o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t i st a k e no ni nt h ec o n d i t i o no f l o w - f r e q u e n c y 、m i d d l e - f r e q u e n c y a n d h i g h f r e q u e n c yc o m p a r a t i v e l y ， t e s t s i n c l u d i n gt h ep r e s s i n 鬈一d e g f e eo ft h i sm a c h i n e ，f 驻珏n i n g v e l o c i t y ， v i b r a t ec h a r a c t e ra n d p r o d u c t i v i t y t h e r e s u l to f e x p e r i m e n t i st h e b a s e m e n tf o rp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o na n d i m p r o v e m e n to f t h em a c h i n e ， k e yw o r d s ：v i b r a t i n gp r e s s i n g 、i m p a c t i n gp r e s s i n g 、c o m p a r a t i v e e x p e r i m e n t 第一章综述 1 1 国内外振动压实机械的发展概况 压实机械是基础施工、水坝和港口建设、机场建设、矿山建设、 林区建设等工程的必备施工设备。有效的压实能显著改善填方、基础 工程驰承载戆力秘稳定性，减少或消除沉陷带来的危害。睫着科学技 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 了不叛鹁发怒。妻1 8 6 2 年 缝器上滋现第一台叁嚣式蒸汽式歪鼹援鞋寒， 压路机已有百多年的发展历史。在这段时间照相继出现了静作用钢 轮垂鼹梳、轮骆压籍飘、振动嚣籍辊、振动孚嫒夯、蛙式狰击夯、快 速冲蠢夯等聪实机械。其中振动压实技术的出现是压实机械发展过程 中的苯命。从此，压实效果的提高不荐简单的依靠质量或静线压力存勺 增大。随着减扳材j ； 和振动压实理论的目趋完簧，搬动压路规在二十 世纪六十年代迅速由领了懒界压实机械市场，机型也向大、中型发展。 同露，在燕秘上毒瑗了能逶台于各穆场会襄戆z 要求瓣不嚣系裂、痰 格的产品，成为工程机械的重要组成部分【2 j 。 二+ 毽纪三中年代德国鬣翠零l 耀振动压实壤。罗孛豢森 ( l o s e a u s e n ) 公司率先研制了一台发装有振动平板压实机的2 5 t 履带蔽拖拉枫，| 噫精生产趱振动压路机。五十年代欧洲各西开发了串 联式憋体车絮振动压路机，并逐步改型。六十年代接班铰接式轮胎驱 动振动压路机和双铜轮驱动振动压路机。进入九十年代，随着电子和 材料技术豹发展，黧多 振动压实技术豹发震霹懿续为羧下足令特煮： 已经形成的专供路面压实用的振动压路机继续向双轮驱动、多振幅 多频率瓣方淘发展。瑞士波雄公蠲生产翡b v 一6 离密度攘动送路辊氇已 投放市场，今后可能出现振幅、频率无级可调的振动压路机n “；振 荡压貉枫将侔为沥鬻和r c c 路面的主要压实机械，并逐步占领这一领 域的主要市场；供路基、堤坝髑其它基础土方工程用的振动压路桃 将继续向重缀和超麓型的方向发展。澳大利亚博能公司、南非兰派公 司楣继磺铡开发了适会深层主壤彝爨石及含水量较毫妾冬糙牲壤压实 的多边形凸轮冲击压实机；各种特殊功能的振动压路机，如斜坡压 爨橇、畿逆行擦逮噩实匏蟹行式压辫秘、橡胶套滚轮歪路程、遴控和 水下压路机将进一步开发和发展；压实控制技术将在以下四个方面 获得进步静发展：( 疆) 压实溺量系统兹徽梳签瑾纯帮实辩楚毽亿；( b ) 愿实过程的自动化，包括压实工作参数( 搬动频率、振幅和压实速度) 最佳调带的自动化( 自适应调节) ，雁实机械驾驶操作的自动化和压实 矮量控铡熬塞渤证；( c ) 压嶷过程的远距鹊和中央站控剃；( d ) 专供 聪实质墩检查用的测试压路机的进一步开缎和应用阳1 。 我潮是疆势上最受裁遥秘健臻雉实瓤攘豹嚣窳。旱在一手多年致 前，我圈已普遍制造和使用了以人力或畜力为动力的石磙、碾和夯。 餐是，蠢于近代我莺藻确科学和工簸熬落聪，这使褥餮斑工程税穰与 豳外差躐加大。解放前，我豳只有上海、犬连生产蒸汽压路机。建国 聪，1 9 5 2 年上海公务尚机械厂( 洛阳建筑机械厂的前身) 生产戳柴油 枧为动力的静捧用压鼹枧。我国自杼开发设计振动压路桃起步予1 9 6 1 年，有原西安公路学院与西安筑路机械厂联合开发了自行式报幼压路 极。1 9 6 4 年洛耀建袋辍撼厂磷潮出4 + 5 t 搬动运鼹梗。1 9 7 4 冬洛疆建 筑机械厂与长沙建筑机械研究所合作开发了1 0 t 轮胎驱动振动雁路机 辩1 4 t 筑式振麓压路瓤。a 十年代审蓊，我鋈开始弓l 避鬻矫先进静歪 路机制造技术。1 9 8 3 年洛阳建筑机械厂引进了美囫h r s t e r 公司技术， 合作生产钾铰接式赧幼压路杭。1 9 8 4 年徐稍工程杭械厂弓i 进瑞典戴纳 姻克( d y n a p a c ) 公司的c a 2 5 轮胎溅动振动压路枫和c c 2 1 型串联式振 渤压路机技术。1 9 8 5 年温州冶金机械厂研制了1 9 t 振动压路机。1 9 8 7 年洛阳建筑规城厂雩| 遴了德黧宝骂( b o m a g ) 公嚣b m 2 t 7 d 窥b m 2 1 7 a d 搬动压路机技术。泷麓机械厂引进德园凯斯伟博赘士( c a s e v i b r o m a x ) 公落靛w 1 1 0 2 系戮振动送路橇技术。激爱，长生产厂家在 此基础上不断开发新的产品，使本厂的产龋多品种并系列化18 ) 。 灭十年代聪耪，隧着基础工韭元件的发展，特髓是液压泵、马达、 振动轮用轴承、橡胶减振器的引进擞产，使振动压路机技术总体水平 2 和可靠性得到很大的提高。在基础元件支持下，振动压路机引进技术 不断的得到消化吸收，国内大专院校和科研所的科研攻关，使我国自 行研制和开发振动压路机的能力有较大的提高。1 9 9 0 年原西安公路学 院与徐州工程机械厂共同开发的1 0 t 振荡压路机，标志着我国振动压 路机科研水平和产品开发达到新的水平。但是，我国设计、研制和生 产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。 纵观振动压路机发展简史，振动压路机水平及发展趋势可归纳为： ( 1 )液压化 二十世纪六十年代，国外大中型振动压路机已经采用液压技术。七 十年代推出的全液压振动压路机，使得压路机结构简单，布置方便， 且操纵简便、灵活。特别是液压传动使行走系统无级变速，使振动系 统根据施工要求在较大范围内调频和变幅，振动压路机使用性能和应 用范围大大改善和提高。同时，液压化为机器自动检测和控制提供了 条件。近年来，液压技术逐步应用于小型振动压路机和振动平板夯， 而且非常重视液压系统的污染控制。 ( 2 ) 系列化 为适应各种工程和工序旌工的要求，振动压路机不但型号齐全，而 且产品系列不断扩大和完善。对于某一产品又可派生出多种变型产品。 以瑞典戴纳帕克公司为例：c a 系列产品为轮胎驱动振动压路机，包括 c a l 0 、c a 2 0 、c a 3 0 、c a 5 l 等，自身吨位从4 1 6 t 不等；c c 系列产 品为串联式振动压路机，包括c c l l 、c c 2 1 、c c 4 1 ，自身吨位从4 1 0 t 不等，其中c a 2 5 s 型振动压路机可变型为压实粘土用的c a 2 5 p 、 双轮驱动的c a 2 5 d 、双轮驱动压实粘土用的c a 2 5 p d 和压实面层的 c a 2 5 r 等型号。 ( 3 ) 电子化 测试技术和微电子技术在振动压路机上的应用可以提高生产率，确 保压实质量和机器正常工作。电子化主要表现在机器状态和参数的检 测、处理和显示以及密实度计的使用。密实度计可以在工程施工中提 供压实质量控制依据。而电子化的最高表现是智能压路机。智能压路 3 机可以自动调节自身状态，使之与周围环境及压实材料相适应，优化 压实过程。智能压路机代表着压路机的未来发展方向。 ( 4 ) 标准化 标准化包括两个方面内容。一方面，为了适应施工工艺，产品性能 参数尽可能标准化。例如，振动轮尺寸、静线压力、激振频率、振幅、 行驶速度等。另一方面，为了简化加工工艺，降低成本，生产厂家尽 力将本公司产品零件标准化。例如，瑞典戴纳帕克公司正在改进c a l 5 、 c a 2 5 、c a 3 0 、c a 5 1 机型的设计，使其零件在一定范围内尽可能通用， 如分动箱、变速箱、减速器、驱动桥等等，便于组织大批量生产。另 外，标准化有利于采用模块化组合设计方法将一台机器分成不同模块， 提高新产品开发速度，满足一机多用的需要。 ( 5 ) 舒适、方便、安全 为了提高生产率，延长机器使用寿命，振动压路机均在减振降噪方 面进行了大量工作，可以满足i s 0 2 6 3 1 1 9 7 8 ( e ) 人体承受整体振 动的评价指南中司机连续工作8 h 不疲劳要求。 ( 6 ) 专用压实机械 例如，斜坡压路机、水平压路机、垃圾压路机、r c c 专用振动压 路机、回填挖压机及小型、微型等专用压路机的发展得到重现。 ( 7 ) 压实新技术 振荡压实技术、垂直振动压实技术、调频调幅技术、橡胶压实技术、 混沌振动压实技术被逐步应用于工程施工中。如八十年代初，瑞典乔 戴纳米克( g e o d y n a m i ka b ) 研究所提出新的压实理论，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。根据该理论，德国哈姆( h a m m ) 公司开发出新型振动压路机， 即振荡压路机。八十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 ) 管理现代化 现代化管理带来的收益是潜在的和巨大的。现代化管理包括产品设 4 计、制造、销售、使用、维修各个环节。特别是售前、售后服务的实 时化和规范化。 学习和引进国外先进技术是加速发展我国振动压实机械的一个重 要方面。但是，充分利用自己的条件，根据国情，大力开展试验研究 工作，提高产品质量，设计和研制适合我国实际情况且又能满足工地 施工质量、操作安全、方便的新产品，则是发展我国压实机械的主要 途径。随着国家在可持续发展战略的指导下进行的西部大开发工程的 实施，基础建设、农业以及对生态环境的建设己成为推动国民经济发 展的重要组成部分。大规模的基础设施建设中交通设施建设占了很大 比重。因此从公路建设角度来看，西部大开发确实为我国的路面和压 实机械提供了一个很好的发展机遇 20 1 ，因为高等级公路的建设，必须 依靠先进的工程机械设备。根据我国的具体条件，当前我们应以发展 中、小型振动压实机械为主，不断增加新品种，形成系列产品，并且 稳步的发展大型产品。 1 - 2 压实原理 压实是通过旌加外力使被压实材料提高压实度的过程【1 1 。铺筑材料 的压实过程是向被压材料加载，克服松散多相材料中的固体颗粒间的 摩擦力、粘着力，排除固体颗粒间的空气和水分，使各颗粒间发生位 移相互靠近。铺筑材料经压实后，压实度增加。压实度用单位体积质 量来表示。 有效的压实使得被压材料的压缩系数大大降低，承载能力提高，减 小沉陷，在提高土的压实度的同时获得较高的剪切强度。压实后，土 的剪切强度约能提高4 0 ，因而大大提高了被压材料的承载能力，降 低了渗水性。 对铺筑材料的压实，一般都用周期性的加载。铺筑材料周期加载的 变化特点如图1 1 所示。在加载过程中，材料的应力可增加到最大值： 5 秘载对，誊| 料憋应力下降。然后经j 建闯歇，重复循环。 圈1 1 镛筑材料局期加载的变化特点 口一耱辩掰受癍宠l 一瘫力箨掰簿阕 t 。一材料受应力作用时间t o 一不受载荷间歇时间 压安方法遴常有：滚压( 静压) 、振实( 振动) 帮夯蜜( 冲裔) 。番 类压实方法如阁1 2 赝示川。 鑫)b )e ) 图1 2 聪实方法示意圈 a ) 滚压( 静压)b ) 夯露( 冲礴)e ) 振实( 振动) 滚滕( 图l - 2 a ) 是用具有一定质量的滚轮慢速滚过铺层，用静愿 力使铺层材料获得永久残留变形。随着滚压次数的增多，材料的压寅 瘦瑷热，恧永久残髫变形减小，最蓐实骣残蜜变形等予零。为了遴一 步提高被压材料的压实度，必须用较重的滚轮来滚压。但是，依靠静 精载( 囊重) 蕊实，榜辩鬏粒之阉戆摩擦力会戮丘鬏毅犬蓬嚣运动。 随着静犄载的增加，颗粒间的摩擦力也增加。因此，静作用联实有一 个极限的压实效果，光限的增加静稽载，有时不但不能得蓟所要求酶 压实效果，反褥会破坏土的结构。滚匪豹特点悬：循环时闯长，材料 6 应力状态的变化速度不大，但应力较大。 夯实或者说是冲击( 图1 2 b ) 是利用一物体从某一高度上自由下 落时产生的冲击力，把材料压实。当自由下落的物体与材料表面接触 时，冲击力产生的压力波传入铺层材料中，使材料颗粒运动，冲击荷 载的影响深度比静荷载的影响深度要大。如果落体从2 0 e m 的高度落到 铺层表面，其冲击力大约为落体产生的静压力的5 0 倍。所以，夯实比 静作用压实的压实效果好。夯实的特点是：对材料所产生的应力变化 速度很大。在压实土壤时，尤其是对粘性土壤，夯实有较好的压实效 果。 振实( 图l 一2 e ) 是利用固定在某物体上的振动器所产生的高频振 动传给被压材料，使其发生接近自身固有频率的振动，颗粒间的摩擦 力实际上被消除，在这种状态下，小的颗粒填到大颗粒的空隙中，材 料处于容积尽量小的状态，压实度增加。 因此，振实的特点是：表面应力不大，过程时间短，加载频率大， 可广泛用于粘性小的材料，如砂土，水泥混凝土混合料等。 在同一机械中，可以同时采用几种压实方法，这样能利用每种压实 方法的优点，提高压实效果和扩大机器的使用范围。 目前，由于人们对振动压实方法解说的侧重点不同，对压实机理提 出了不同的解说，主要有以下三种 5 1 1 6 】： 1 共振学说：根据物理学原理，如果当激振机构的振动频率和被 压实材料的固有频率一致，则振动压实能得到最好的效果。为此，就 需要使振动压实轮的振动频率最大程度的接近或者等于被压实材料的 固有频率，才能得到最好的压实效果。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，要求激振器的作相应的变化是困难的，但是利用共振现象来进行 压实是比较容易的。 2 反复载荷学说：利用振动在土壤上所产生的周期性压缩运动作 用，达到土壤振动压实的效果。在低频范围内，它具有一定的现实性， 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。 7 实验表明，在爨频莛鄹内，振动 乍髑的效果远远超过反复载荷l 乍用的 效果。 3 ，肉瘴擦减，l 、学浚；由予羰裁捺建，镬被压爽耪料粒痰部黪擦惫 剧减少，剪切强度降低，抗雁阻力变得很小，因而在重力作用下很容 翁进行蘸实。实验表明，由予振动幸馨蘑，穰砂静撬剪阻力减少翔蒙采 的几十分之一；粘性土壤在振动加速度很大时，内摩擦烂著减小；沥 脊混合料的内摩擦大约较少刘1 5 以下。 班上三秘学说是以不同的受疫对振动压实机理进行勰释的，另外还 裔压力波波动学说、j e 线性掀动学说等。然而土壤的种类繁多，实际 工琵各舅，显被匿实耱辩多必萋匀壤吴牲耪辩，影稠匿实过程豹因素 很多。农某种学说对某些现象可以圆满的解释，而对另外一些现象无 法解释静情况下，另矫一释学说霹滋麓疆耱充解释。透魏，各学说都 商待于谶一步的试验研究，辩给予探讨。但是，多种学说都说明了振 动压实就有许多优点，从压爽效果赣，利厢振动聪实机械来压实公路 鼹基和鼹瑟、铁路路燧、建筑物基础以及糕实土壤、石坝工程舆有许 多优点。压实质量好，密实殿高，承载能力强，防渗透性好，生产效 窭衰，怒一耱多抉好露瓣技零。睫罄国家瓣( 交邋、本髑、旋滚等) 攥础设施建设投入的加大，尤其是两部大歼发战略的启幼，我国的公 躐交逶、能源建设正逑来一个黄金辩絮，醭稍牙发一静耩鍪逶羯豹妥 蜜机械静必具有其重蒙的经济效益和社会效益。 8 1 3国内外桥背涵侧压实情况 一、问题的提出 随着高速公路的迅速发展，车速的提高、行车平稳、安全与舒服 的要求日趋提高，路基不均匀沉降导致路面平整度的降低，尤其是桥 头跳车的现象，已是高速公路的多发常见病害，也是近几年来困扰公 路行业的一大难题。严重的桥头跳车现象，不仅使行车不舒适感大为 增加，而且在高速公路上，当高速行驶的车辆通过桥头时，严重的跳 车现象将导致车辆失控而易发生交通事故。即使是在车速较低的情况 下，由于桥台和台后路基两者各自的沉降后形成的高差，产生车辆对 桥台台背的反复冲击，使得台背混凝土较早出现破损现象。这样既加 速了结构物、桥头路面及桥梁路面及桥梁伸缩缝装置的破坏，也加快 了车辆本身的损坏，直接影响了公路及桥梁的使用寿命和社会效益。 在低等级公路上，由于车辆速度较低，桥梁构造物也相应较少， 跳车现象不十分明显，但对高等级公路而言，特别是高速公路，线型 指标高，桥梁、通道、结构物较为密集，而路基的地基和路基本身与 结构物基础相比，其抗剪能力差别较大，沉降速率与沉降量也往往相 差悬殊，加之行车速度高，桥头跳车问题就十分突出。 随着我国高等级公路的迅速兴建，桥涵特别是涵洞构造物修筑量 急剧增加。据调查，有些路段，在2 0 0 米5 0 0 米就要设置一个涵洞供 公路两侧人员等通行。我国目前的施工工艺、桥台台背、涵洞两侧挡 土墙墙背的天竺是在这些构造物完成后进行的。由于该处比较狭窄， 在填筑时，既要保证不损坏构造物，又要求有足够的密实度，施工难 度较大。如果压实不足，完工后填土与构造物连接部分会出现沉降差， 造成车辆通行时发生跳车，严重影响行车的速度、安全与舒适，也会 影响构造物的稳定，还会带来经常路面的修补，导致交通堵塞等。近 几年，桥台台背、涵洞两侧的填筑压实施工已成为一个较突出的问题， 引起各省厅、施工部门的高度重视，急切希望能研究、开发出相应的 专用压实机械设备。 鉴于我国高等级公路桥涵施工的急需，我们认为很有必要进行桥 9 背涵侧填筑压实理论和技术以及桥背涵侧压实设备开发的研究，此研 究课题具有广阔的应用前景。 二、国内外桥背涵侧压实情况 国外涵洞的修筑是采用先进行整体路段的铺筑压实，然后再开挖 建造涵洞的施工工艺，基本上可以消除涵洞两侧填土和路基的压实度 差异。而我国从降低施工成本和缩短施工工期出发，采用了路基铺筑 压实和涵洞构筑同时进行的施工方法，在路面摊铺之前，将桥涵构造 物处进行开挖，然后再回填压实，由于没有适应于狭窄场地的专用、 高效的压实设备，往往造成填筑处压实度不足的现象发生。 目前我国在桥背涵侧压实施工中，多采用通用的小型压实机械或 者人工夯实。这些小型压实机械中，内燃爆炸夯、液压打夯机、振动 冲击夯、蛙式夯实机等夯实机械，它们贴边压实性能虽然要好一些， 但不适用渗水性回填土的压实，且容易对桥涵构造物造成损伤；而手 扶式振动压路机、振动平板虽适用于渗水性回填土的密实，但受到场 地和振动能量的限制，也不能完全满足施工的要求。 研究桥台台背、涵洞两侧填筑土有效压实机械设备、压实技术是 提高施工质量和我国高等级公路施工建设的需要，也是当前高等级公 路建设中急待解决的重要课题。 1 4 本文主要研究内容 目前我国在桥背涵侧压实施工中，由于受到工期的影响，桥梁工程 一般要先行施工，即使是桥式通道，按一般施工工艺要求，也要待桥 台完成后甚至待桥梁梁板吊装完毕并且湿接缝凝固后，才能进行台背 回填。更何况软土地基的处理需要相当长的时间，根据目前施工顺序 可以看到，所有的台背回填都要等到桥台施工完成后，再进行填筑。 因此，大型压路机受到桥台的限制，碾压困难，对紧靠台背的填土难 以碾压到位，尤其是对于肋式桥台、u 型桥台等尺寸的限制，大型压 实机械运行不便，有的根本进不去，导致漏压、压不实等现象存在， 1 0 使台后回填土的压实严重不足，尽管使用小型夯实设备补夯。但是 也难以达到规定的压实度，据统计此“死角”处的压实有的不到9 0 ， 甚至连8 5 都达不到。因此，急需一种适用于桥背涵侧填筑压实、压 实效果好的专用小型压实设备。 为此，本课题进行了桥背涵侧压实设备开发的研究。 主要研究内容有以下几个方面： 1 理论分析和试验研究冲击和振动联合作用下对土壤的压实效果 的影响； 2 研制开发振动冲击组合式压实机样机： 3 建立设备的动力学模型，通过对机械工作性能的参数的理论研 究与分析，找出该设备工作参数的最佳范围，通过振动压实和振动冲 击压实的对比试验验证所设计产品的性能。 第二章振动压实与冲击压实理论 2 1 振动压实理论 一、振动压实的优点 采用振动压实的优点是； 1 压实效果好，生产效率高 为了证实振动压实的优点，生产振动压实机械的许多国家都做了大 量的试验。日本用质量为3 3 t 、激振力为8 0 k n 的振动压路机压实砂质 土壤，振动与不振动压实效果大不相同。压实效果比较见图2 1 。 0 2 0 压 宴4 0 度 6 0 压宴用盾量 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 图2 一i 振动与不振动压实效果的比较 2 节省能源 以自行式振动压路机为例，实践证明：在压实颗粒状态材料时，使 用静作用压路机所消耗的能量是自行式振动压路机的两倍。而一台振 动压路机又可以代替2 3 台静作用压路机使用。故采用振动压路机可 以大大节省能源。 3 可减少金属消耗 在使用过程中可以发现，对同一层厚度的材料，为达到相同的压实 效果，使用振动压路机与使用质量比它大几倍的静作用压路机相比， 振动压路机压实遍数要少。洛阳建筑机械厂曾做过一次实验，试验表 1 2 明：在人工级配的亚砂土上，一台质量4 5 t 、激振力为4 5 k n 的振动压 路机碾压8 1 0 遍的压实效果与1 2 t 静作用三轮压路机碾压1 6 遍的压 实效果相当1 ”。 二、振动压路机的结构特点 振动压路机都装有激振器。当压路机工作时，激振器将引起振动的 干扰力，在干扰力的作用下，振动压路机的工作部件( 振动轮) 将产 生具有一定振幅和频率的振动。这就是振动压路机在原理上与静作用 压路机的根本区别。 振动压路机根据激振器安装形式的差异可分为外作用式和内作用 式振动压路机。内振动式压路机的激振器安装在振动轴上，而振动轴 又是振动轮的回转轴。当振动压路机工作的时候，振动轴带动偏心块 高速旋转而产生离心力，振动轮在这个离心力的作用下产生圆周振动。 由于这种振动压路机的激振器在振动轮内，故称其为内振动式压路机。 外振式振动压路机具有两层机架，即上车架和下车架。上、下机架之 间由减振器连接。振动压路机的激振器安装在下机架上，当振动轴带 动偏心块高速旋转时，振动压路机的下机架连同安装在下机架上的振 动轮一起振动。这种振动压路机结构简单，便于维护保养，所以很多 小型振动压路机采用这种结构。 三、振动压实理论 振动压路机在作业时，由于振动轮的振动使其对铺层作用一个往复 冲击力，振动轮对铺层每冲击一次，被压材料的颗粒中就产生一个冲 击波。同时，这个冲击波在被压材料中沿着纵深方向扩散和传播，见 图2 2 。被压实材料的颗粒在冲击波作用下，由静止的初始状态变为 运动状态。被压实材料颗粒之间的摩擦力也由初始的静摩擦状态进入 到动摩擦状态。可见，进行振动压实时，在被压材料中作用有内力和 外力。内力包括被压实材料颗粒之间的粘结力、摩擦力和颗粒的重量： 外力包括由于振动作用传递给被压实材料颗粒的惯性力和上层材料的 重力。 1 3 黼：一2 振动i 唪蠢渡在土壤中的传递 越瓣受强迫振动嚣，出于各颗粒的质燮投所处的拉鼹不同，辑产生 的惯性力也截然不同。此时，颗粒阀的粘结膜发生张紧的现象。若惯 犍力不大，不遐戳竟糇鬏羧阏獒摩擦力和牯结力，裂备鬏粒爨处于溅 始状态：若惯性力很大，足以破坏颗粒间的摩擦力和粘结力，在这种 瀵提下颗粒在蕊鑫重霹上暴镑辩羹鬟翡撵溺下稳互魏离，发垒位蓼， 力图占据最低稳定位蹩，排除气相和液相，互栩楔紧、挤紧，达到密 窭。 关予振动难路机聪实理论的研究，工稷技术界提出了几种有关振动 臆实理论的观点，如共振舔实学说、内摩擦减小学说、反复稳载学说 髑莲力渡渡囊学说等。这些溉蠡各窦可以解释菜一类搬动压实现象， 但是不能全面解释各种振动压实现蒙，说明这毖观点遥需要究善和补 充。壤在垂窭过程孛，悉论是静撩垂实迩是掇凄歪实，哭寄姿壤 中产生的剪切应力f 大于土壤的抗煎强度f ，时，才能够使土壤的颗粒熏 新排歹，土壤鹾密交蜜。既簧清愁振动舔实理论，就蘩探讨掇动对士 壤骛切建力事鹈- i - _ 壤鹊撬剪强崖f ，髓影嫡。 1 、振动对压实材料剪威力韵影响 窝2 3 怒在菇下2 0 0 r a m 簸静匿力等动压力静测试结果，壤 漱受豹鹾力p 为静愿力p j 岛动压力p d 之期，即； p = p j + p d ( 2 一1 ) 体压力p 豹袋大蓬p 。襄最枣蓬p 。沁巍： j m a x = p j + i p d m a x f ，p m i n = p j l p d 。# 。l ( 2 2 ) 擐旗压安过程中主薅黎受静爨太篷力p 。；大予静碾莲过程孛褡 1 4 承受的压力p i ，即振动压实过程中土体承受的最大剪切应力大于静碾 压压实过程中土体承受的剪切应力，使得由振动产生的剪切应力r 大于 土体的抗剪强度f ，提高了压实效果。 分析图2 3 还可知，级料在强迫振动时的位移近似的按正弦曲线 规律进行，有利于材料内部摩擦减小，剪切强度降低，抗压阻力变得 很小。依据共振学说，当激振频率与被压实材料的固有频率一致时， 振动压实最有效。然而，由于材料的固有频率是变化的，要求激振器 的频率作相应的变化是很困难的，但是可以利用多个频率共同作用进 行压实是比较容易的，即采用不同的频率和振幅的激振力来取代图2 3 中的静压力和动压力。这样一方面易使振动产生的剪切应力f 大于 土体的抗剪强度f ，另一方面使激振器的激振频率具有更宽的频率范 围，以适应不同被压实材料，改善压实效果。 a 小振幅测试结果b 大振幅测试结果 图2 3 土体在深度2 0 0 m m 处的静、动态压实测试结果 实际上，在图2 3 中所示的测试中，静态压力可以认为是在一定 时间内的加载和卸载过程。相对于动态加载过程，这个过程又可以视 为一个低频大振幅的激振力。因此，在振动压路机原有结构和自重作 用下的恒定压力的基础上，再采用一种激振器产生不同频率和振幅的 激振力，与原有机构产生的频率和振幅形成合成振动，使得振动压实 与冲击压实的能量扩散和传递到更深的土壤中，提高压实深度。这个 理论也是和振动压实的压力波波动学说相一致的。 2 、振动对不同被压实材料抗剪强度f ，的影响 1 5 振动压实慰土体中剪切成力的影响与渡压实壤的枣争类无关，但 怒对土体抗剪强度的影响却与土壤的种类有着密切的联系。 体的撬势强疫f ，莓枣黪仑定德表示为； f ，= c + o t g e p ( 2 3 ) 式中：c 一土体的凝聚力； 。一一搭靛法怒瘟力； 妒一土体的内摩擦角。 粘土结构为聚粒结构或絮凝结构，粘士颗粒细小，颗粒的矿物成 分、颞敉豹绩攘型式以及土一水系绕戆相聂终用葶珏胶结镌质的东在， 形成了复杂的物理化学现象。它在胝实过程中形成的剪阻力主要是凝 聚力c ，摩擦霸妒篦砂摩擦角枣静多，可以怒略不诗。糖主懿抗剪强 度可以拣化为： f ，= c ( 2 4 ) 砂圭戆结摇是擎藏结 鸯，它的糕蒙力徽夸或嚣菲露微霸，窀在压 寓过程中形成的剪阻力主要鼹土粒间的摩擦力，其抗剪强度可以简化 为： z f = 嗽p ( 2 5 ) 土粒间的摩擦力烧由颗粒的滑动摩擦、咬合摩擦、颗粒破碎效应 稻重薪撵秘效旋新蕴藏。振麓压实过程串瓣移圭蠡孽剪隘力主要楚交联 敉间的滑动摩擦所引起的。 r c c ( 可压实于硬性水泥漉凝) 材料中含膏较大的骨料，振动压 灾过程巾，骨j | l l 之问移动除簧克服潜动摩擦外还鬻克服皎会摩擦，咬 会摩擦熄由于骨料与搠邻的臀料脱离咬合丽移动产生的。郎： 妒= 妒。+ 镪 ( 2 6 ) 式中：吼一一滑动摩擦角： 仍一一咬合摩擦角。 1 6 滑动摩擦力是颗粒接触面粗糙不平形成的微细咬合作用。颗粒间距 离的微弱增长，会使微细咬合作用产生很大的衰减。如果振动能使颗 粒质点间的距离产生微弱的增长，就会使滑动摩擦力减小。振动压实 过程中，振动轮下面的土体颗粒也随着振动。土体振动加速度v ”记为： v ”= a 2 c o s ( a z + p ) ( 2 7 ) 式中：口一一振幅； m 一一激振频率； b 一一振动频率的相位角； t 一一时间。 土颗粒的惯性力i 为： i = 一m t 口脚2c o s ( 耐+ 卢) ( 2 8 ) 式中：m 。一一土颗粒质量。 令e 为振动强度： e = 蚴2( 2 9 ) 则有： ，= 一埘i e o ) 2 c o s ( 耐+ 声) ( 2 1 0 ) 由( 2 1 0 ) 式可以看出，土颗粒惯性力i 与颗粒质量m 。和振动强 度p 成正比。当振动强度e 较小时，或土颗粒质量m 。较小时，土颗粒的 惯性力i 也较小，它将在自己原来的位置振动。当振动强度e 和颗粒质 量m 。足够大时，土颗粒的惯性力i 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。具有良好级配的砂土，相邻土 体颗粒间的粒径大小不同，即它们的颗粒质量不同，因此相邻土颗粒 在具有相同振动强度f 时，它们具有的惯性力大小相同。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，导致内摩擦角吼的减小，即内摩擦力孵妒减小。 粘土的颗粒质量m 。与砂土颗粒质量相比要小的多，同时它的凝聚 1 7 力c 很大，振动不容易使土壤颗粒的惯性力i 达到足以克服周围其它土 壤颗粒凝聚力c 的作用，因此振动对粘土的滑动摩擦力影响很小，凝聚 力c 是粘土抗剪强度f ，的只要成分，振动对粘土抗剪强度r ，影响可以忽 略不计。 砂土颗粒质量m 。大，凝聚力c 小，振动可以显著减小砂土的滑动摩 擦，对砂土的抗剪强度f ，影响很大。振动对级配良好的砂土抗剪强度f ， 影响与颗粒均匀砂土相比，效果更加显著。r c c 材料中含有较大的骨料， 振动可以有效的减小它的滑动摩擦，但是对它的咬合摩擦影响不大。 综上所述，振动可以显著减小滑动摩擦。由于滑动摩擦对粘土、r c c 材料和砂土等不同材料的抗剪强度所起的作用不同，所以振动对不同 材料的抗剪强度f ，影响是不同的。在条件相同的情况下，与静碾压实 比较，振动砂土的压实效果最好，其次是r c c 材料，再次是粘土n 们乜“。 3 、振动参数对压实效果的影响 正常振动压实过程中，振动轮与土壤始终接触在一起。振动振幅的 大小反映了土体变形的大小，反映了土体动压力的大小。振幅越大， 在土体中产生的动压力也越大，土体承受的剪应力越大。由式( 2 9 ) 可知，当激振频率一定时振幅越大振动强度越大，越有利于减小抗剪 强度。因此大振幅可以提高压实效果。但是振幅过大，振动压实过程 中振动轮会出现与地面分离的现象，即“跳振”现象。严重的“跳振” 现象会使振动压路机行驶失去方向性，同时也会影响路面的平整度， 这对压实是不利的。 理论分析和试验结果都表明振动轮与土构成的振动系统是弱非线 性振动系统，近似按线性的振动系统计算。试验表明增大振动强度会 显著减小砂土的滑动摩擦，但是当振动强度足够大时，进一步增加振 动强度对减小内摩擦力将失去作用，摩擦系数趋于常数n 盯“”。对于 砂土，当激振频率再主共振点附近时，由于振动强度较低，此时振动 对减小砂土抗剪强度的作用较小，不利于提高压实效果，提高激振频 率可以显著提高振动强度，减小土的抗剪强度，提高振动压实效果。 1 8 但是，遗分增大激缀频率也是不利的。当振动强度达到一寇程度蔚， 的抗剪强度趋于常数，同时由予激振频率远离主共振点，振幅减小， 使土的动压力( 即土体承受的剪应力) 减小，降低了压实效果。 4 、缝谂 备种材料只有在符合强度破坏条件下才能被压实。振动对不同材料 抗劈疆度减，j 、静终耀不嗣，嚣魏瓣予精主、r c c 耪精耧砂主搬动嚣实靛 效果也不相同。压实砂土过程中，存在最佳激振频率，过大和过小的 激振频率都会降低振动压实效栗。两辩，振动疆实的频率、振幅对产 生剪虚力r 有很大的影响，强迫振动按被压实土壤各个级配所对应的最 佳激振频率，选择不同的正弦形式的激振频率共同作用，将有利于材 辩痰郏摩擦减奎，撬剪强发f ，降低，挺褒压实效果。 阑此，对路基压实、次基层压实、路面层压察或者对具有良好级配 土壤的压实辩，激振频率对压实介质的适应毪将对联实效果其有狠大 的影响。激振频率的多样性无疑可以使压实机械的工作适成性更加广 泛。溺然，振动压实机的激振频率选择，应依据压实介质的不同而趋 于最馕激掇频率馕。激振频率的多样性亦郾要求依撰壤懿缎配馈提 或压实介质的变化而使多个激振频率各自趋于依压宴介质不同的最佳 激叛频率，旋秀获褥最毯瓣压实效果。然瑟，庆予耪辩戆嚣鸯频率是 变化的，要求激振器的频率作相应的变化存在一定的难度。因此，依 据上述分褥，提出多频合簸振动愿实方法，帮振动冲击组合式压实方 法，来适应工况及被压实材料的变化。 鞠、轮锸构的优点 采用圆轮结聿每的压实轮不但蠖子枧爨鳇工佟场邋转移，瑟晨对联实 作业中增大聪实度有很大的帮助。 采震压安轮，塞予滚轮与壤熬接皴在理谂上茺线揍魅，产生瓣线 载荷较大。这样相对于面接触的压实机械而吉，可有效的增大压实机 械对被压实主壤貔矮融痰力；同簿，健给主壤的毙量氇笼较集中。这 样相对于面接触大的压实机械，一方面可增大士壤的压实厚度，另一 方面珂相对减少压实遍数，这将使工程中的施工效率有很大的提商， 1 9 也降低了压实成本。 压路机轮辙压陷深度h 的表达式如下： 脚+ 0 5 鼯k - ) 式中：h 一一压陷深度； q 一一线载荷；( 对于静作用压路机q = g b ( n c m ) ，对于振动压 路机：q = ( g + f ) b ( n c m ) ) 。 g 一一压路机重力； b 一一压实宽度： f 一一振动力； k 一一下陷系数； d 一一压轮直径： p 一一材料状况系数，= ( 0 1 ) 。 从( 2 1 1 ) 式可以看出，压陷深度h 与压实轮的线载荷q 的l ( 1 a + 0 5 ) 次方成正比。可见线载荷在压实作业中的重要性。同时， 最大接触应力也与线载荷的平方根成正比。由试验所知，线压力的增 加由滚压工艺所限，而滚轮的直径则为结构尺寸所限。如果压实轮的 质量过重，线压力过大，滚压时会把土壤挤开。压实塑性较大的土壤 时，这种“挤出”或者“波切”现象尤为显著，土壤的压实效果变差。 另一方面，由于滚轮与土壤产生相对运动，使两者之间为滚动摩擦， 有利于压实机械的转移操作，降低了工作的劳动强度。 正是基于滚轮的上述优点，故本课题研究的试验样机的振动轮采 用滚轮结构的方案。 2 2 冲击压实理论 冲击压实也称为夯实。夯实是由大块物体( 工作机构) 从一定的高 度落在被压实材料的表面上，使其受冲击后产生很大的应力，达到压 2 0 实的目的。夯实时的冲击效攀对压实具有很大的意义，它视冲击钵质 爨之比而定。 夯实极摄是一秘冷密式瓿缓，是秘全戆戆工程压实樵城。它突破 了传统的圆形截面压实轮的概念，采用非圆形机构产生冲击与揉搓作 震稽结会熬赣黧压实按零，将摄毯聪实豹糍频率低振耀羧为低菝率裹 振幅，谯压实作业中较大的增加了士石方的压实能量。猩牵引机带动 下，周期经遗冲击逮舔，产嫩强燕麓冲击波，向缝下深麓传搔，具有 地震波的传递特性。具有以下优点：适用于对粘性土壤釉非粘性土壤 进行夯炎作业，夯实厚度可遮l 1 5 m ：对稿料填滕可产难无可比拟的 慰实效果；可以冲击碾压软地基，如速撵拳固结；对太石方的含水 激变化范围要求较宽；它广泛使用谯公路、铁路、建筑、水利等工程 麓王中；在公路掺筑藤工孛，霉翅农耩鹜濑铡路慕夯实、鼹嚣璇攘鲍 掇实以及路面养护维修的夯实、平熬，是筑路工程中不w 缺少的设备 之一。 下面对被夯实材料表面上所产生的最大应力、夯击持续时间釉冲击 效率进行理论分析。 一、确定被压材料表面所产生的最大威力 夯安时被羼材料袭面的最大应力可根据以下几点假设进行近似计 冀： 1 - 冲击为非弹性的； 2 棱篷毒| 辩必线蠖燮形蒋，震交彩摸塞e 表承； 3 在材料交形的过程中不考虑其表层的硬化： 压实过程为一个蠢柱体的交澎，立柱体的表磷积等予夯蔽的底露 积，高度等于被难层的厚度( 图2 4 ) ； 5 威力沿被压层深度的分布，避似的按直线规律变化( 图2 4 ) ； 6 。“夯实糗构一一被压材辫”系统豹慧动毙全转纯为形变戆势毙； 7 被压材料的底层位在绝对刚性的基础上。 2 1 h 1 。 l 基。 ，1， 。， d 2 z i ， 器 ：亟 c h 图2 4 夯实应力分布计算簿图 厚殿为d z 的被压土层的形受势能司授f 式计算： 吗= 警 式中：a 一一夯板的底筒积； e 一一形变摸量。 分滕内的威力c r z 由应力分布图求得( 图2 - - 4 ) ： o z ：要c r 0 ( 1 一与+ da搿 姣孛：一一坡运耪料表嚣上豹最犬应力： 群一被压材料上层和下层威力值之比，搿= o o 吼： d 一一被压土朦厚。 被纛耪瓣交桂嚣燮落豹垒势貔冀 驴f 等如 代入仃：值并积分得 以= 警吉十扫 “夯实机构一一被压材料”系统的动能为： 乓= 车 式中：毽一一系绞戆矮璧； v 一系统的速度。 从渖潦理论霹躲，被压孝季瓣柱豹每天屡整( 当柱底圈定时) 等于 m t 3 ，1 1 1 - 为被压材料柱的质量。“夯实结构一被压材料”系统的总质 量隽 掰喝+ 予 ( 2 1 7 ) 式中：m 。一一夯熨机构威量。 根据诤击理论得密系统总速度 v ( m o + 争= v 2 h j m i o ( 2 18 ) + 专 式中：v 0 一一夯实机构从h 高度自由落下与被压材料接触时的速度， v o = 、3 2 9 h 。 “夯实辊秘一一被逶耱辩”系绞静动髓毙： e 。；姆。选 撬 根据能量守恒定律，势能蒋于动能，经过整理褥 ；c 7 0 2 ，h 因此，被压树辩表嚣上豹最大应力视夯实规构主要参数的情况丽 定，夯实机构的麓量、下落高度、夯板底面积、被压材料厚度、材料 熬炎形摸爱彝漆拔基篡深度分礞戆应力等都怼被嚣榜秘表嚣应力产生 影响。 二、夯击持续辩瓣煞确定 为确定夯击持续时间要应用动量定律。 磊 禽 m 0 ( v 1 q ) = f 磁 式中r n 。一夯实机构的质量； r 一一夯诣持续时间； k 一夯蠢开始嚣雩夯实橇鞫豹速度； 一一夯毒结束时