（机械工程专业论文）快速冲击夯的运动分析及计算机仿真.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 压实机械是各类基础建设工程的必备施工设备。有效的压实能显著改善基础工程 的承载能力和稳定性，减少或消除各种缺陷带来的危害。 快速冲击夯是一种先进的夯实机械，它利用动力机械能，经过传动系统和运动转 换系统压缩弹簧，把动能转变为弹簧的势能，依靠弹簧的压缩和释放，带动夯击板及 整机上下跳动，并伴随前进运动，对地面实施振动夯击。 论文首先对振动压实的机理进行了介绍，在介绍冲击夯结构的基础上，依据冲击 夯的工作原理，将其简化成了弹簧一质量力学模型。在力学模型中，主要研究垂直方向 运动的位移，简化阻尼的影响。为了研究冲击夯的真实运动，利用了分解运动过程， 求解后叠加的方法。 论文中对夯击板的四种工作状态；求出了快速冲击夯的位移、速度、加速度的运 动状态方程。 论文中还对现有产品进行了改良设计，建立了以冲击夯起跳高度为目标的优化设 计模型。并选用了有约束优化技术中的s u m t 法，无约束寻优过程采用了p o w e l l 共扼 方向法。论文还对快速冲击夯的齿轮、弹簧等一系列主要部件进行了设计校核。对其 所得结论，采用y b 软件编制程序，进行了计算机仿真演示。 论文最后以河南黄河旋风公司的现有产品参数为依据，对理论分析模型和优化设 计结果进行实测验证，其产品实测结果与分析设计结果吻合，证明了研究的正确性： 改进设计后产品性能得到了很大的提高。本论文研究的内容对冲击夯的生产应用有着 十分重要的工程实用价值。 关键词快速冲击夯参数运动分析计算机仿真 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a m p m a c h i n ew a sn e c e s s i t a t e di nt h eb u i l d i n gb a s e c a r r y i n gc a p a c i t ya n ds t a b i l i t yo f b a s ew e r ei m p r o v e db ym e a n so fi m p a c tt a m pa n dp r e v a i lo fl a c u n aw a sr e d u c e d i m p a c tt a m p e rw a s a l la d v a n c e dt a m pm a c h i n e ，k i n e t i ce n e r g yw a st a mi n t op o t e n t i a l e n e r g yw h e ns p r i n gw a sc o m p r e s s e db yt r a n s m i s s i o na n dc o n v e r s i o ns y s t e m t a m p e rm o v e d u pa n dd o w nw h e ns p r i n gs h r u n ka n ds e tf r e e da l o n gw i t hg r o u n dw a st a p e d ，a tt h es a l n e t i m et h et a m p e rm o v e d i m p a c t i o nt h e o r yw a si n t r o d u c e da tf i r s t ，t a m p e rw a sp r e d i g e s ti n t os p r i n ga n dm a s s m o d e lb a s e do ni m p a c tt h e o r ya n dt a m p e rs t r u c t u r e v e r t i c a lm o t i o na n dd a m pi nv e r t i c a l m o t i o no ft a m p e rw a sr e s e a r c h e di nm e c h a n i c sm o d e l i no r d e rt og a i n e dr e a l i t ym o t i o n ， t a m p e rm o t i o nw a sa n a l y z e da n dc o m p o u n d e da f t e rc a l c u l a t i o n t h e r ea r ef o u rs t e p sr e s e a r c h e di nt a m p e r f i r s t l y , t a m p e rp l a n ej u m p e di nt h ea i r ；s e c o n d l y , t a m p e rp l a n eh i tg r o u n d ；t h i r d l y , t a m p e rp l a n ec o n t a c tg r o u n d ；f o u r t h l y , t a m p e rj u m p e do f f g r o u n d e q u a t i o no fv e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o na n dd i s p l a c e m e n to ft a m p e rw a sg a i n e d i no r d e rt oi m p r o v e dm a n u f a c t u r e ，o p t i m i z em o d e lw a sr e s e a r c h e d ，av a r i e t yo fd e s i g n p a r a m e t e rc h o o s ep r i n c i p l ew a sd i s c u s s e d ，t h e s ep a r a m e t e ri n c l u d el e n g t h ，m a s sa n dr i g i d i t y a n ds oo n s c o p ea n dm e t h o do ft h e s ep a r a m e t e r sw e r ed i s c u s s e d t h i so p t i m i z i n gm o d e l a i m e da tt a m p e rj u m ph e i g h t ，f o u rd i s p l a c e m e n tw a sd i s c u s s e d f i r s t l y , m a s sd i s p l a c e m e n t , s e c o n d l y , v i b r a t i o np o w e rd i s p l a c e m e n t ，t h i r d l y , s t r u c t u r er e s t r i c t ；f o u r t h l y , s p r i n gr i g i d i t y o p t i m i z em e t h o da d o p t e ds u m tm e t h o d g e a ra n ds p r i n go ft a m p e rw e r ev e r i f i e da tt h i s p a g e b yu s i n gt h er e s u l to fa n a l y s i sf o rm o v e m e n t ，m a k ep r o c e d u r eu s ev i is o f t w a r e ，e m y i n go nt h e c o m p u t e rs i m u l a t i o na b o u tr e a l l yp l a yt os h o w r e s u l to ft h e o r ym o d e la n a l y z e da n do p t i m i z e dw e r ec o m p a r et oe x p e r i m e n tb a s e do n p r o d u c t i o no fh u a n g h ex u a n f e n gl a d t h i sr e s u l ti s a c c o r d s ov a l i d i t yo ft h i sp a g ew a s p r o v e d c a p a b i l i t yo ft a m p e rw a sl a r g e l yi m p r o v e d t h i st h e s i sh a ss i g n i f i c a n c et ot a m p e r p r o d u c t i o n k e y w o r d i m p a c tt a m p e r p a r a m e t e r s a n a l y s i so fm o v e m e n t c o m p u t e r i m i t a t e i i 独创性声明 木人声明所吊交的学何论文足我个人存导师晌指导下进行的研究一：作及l k 得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 l _ 5 贡献的个人和集体， 均已存文七f ，以明确方式标明。本人完全意i p , n 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： f | 期：2 0 0 5 年月h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华小科技大学可以将水学位论文的全部或 f l i 分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适刚术授权二 5 。 本论文属于 不保密口 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 指导教师签名 闩期：2 0 0 5 年月 同同期：2 0 0 5 年月日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的来源、目的和意义 1绪言 压实机械是各类基础设施旌工，如水坝、港口、机场、城建、公路等建设工程的 必备施工设备。有效的压实能显著改善填方、基础工程的承载能力和稳定性，提高不 渗透性，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【l 】口 大型压路机械主要用于筑路工程中的路基和路面的压实，以及大面积回填土的压实 工作。大型压路机由于体积较大，受到转弯半径及施工场地面积的限制，只能用于大型施 工场合。在对一些狭窄地段、路缘、沟槽等处无法进行压实，需要开发小型压实机械i z j 。 目前，在我国建筑工程的狭窄地段或小型土方和城乡道路的维护中，压实作业主要 使用着我国二十世纪六十年代研制的蛙式打夯机。它结构简单、成本低廉，曾很适合我 国国情。但随着社会发展，建筑、交通行业技术水平的提高，其缺点也日益明显一一夯实 效果差，已无法满足使用要求；其压实铺层厚度浅，生产率低；自重大，体积大( 自重一般 在1 3 0 0 2 8 0 0 n ) ，使用和转移不方便；偏心块外露，安全性差，操作人员劳动强度大，因 此，建设部决定以快速冲击夯、振动平板夯作为蛙式打夯机的替代产品哪2 1 1 3 1 。 冲击夯是利用动力驱动偏心轴( 曲柄) ，使活塞杆上下运动对弹簧进行压缩，依靠弹 簧力的压缩和释放，使夯板及整机上下运动，对地面进行冲击夯实的夯实机械。冲击 夯与铺层材料的接触为一平面，在工作量不大的工程中，尤其在狭窄地面工作时，得 到广泛的作用。冲击夯在国外发达国家的运用已经十分流行。在国内的产销，近年来 也逐渐广泛。因此，深入地对冲击夯的压实原理进行分析，改善冲击夯的结构，改良 冲击夯的设计，对冲击夯的生产应用有着十分重要的意义1 4 j 。 1 2 国内外在该领域的发展概况 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，最早出现的压实机 华中科技大学硕士学位论文 是光轮碾和羊足碾压路机。在初始阶段这些压路机都是静作用式的，所以为了增加压 实效果，在相当长的时间内主要依靠增加压路枫的重量来实现。最大的轮胎压路机曾 经重达2 0 0 t 。在2 0 世纪4 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【5 j 。 自从1 8 6 2 年世界上出现箔一台自行式蒸汽压路机以来，压实机械已经有一百多年 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。随着减振材料和振动压实理论的 日趋完善，振动压实机械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，品种上出现了适合不同场合的不同系列、规格的产品，成为工 程机械重要组成部分【5 】【6 】。 振动压实技术和振动压实机械的出现是压实视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仅仅简单地依靠重量或线压力的增大。振动压实机械 的原理就是利用其对地面产生强烈地激振冲击力形成冲击波向地表内层传播，引起被 压层颗粒振动或产生共振，用以减小土壤微粒之间地内摩擦力并产生位移，使之处于 最密实状态，达到预期的压实效果【7 】。 我国对压实机械的压实原理的研究最早在1 9 4 0 年，主要通过技术引进、消化吸收 进而进行类比设计开发新产品，对冲击夯压实原理进行的理论研究和探讨较少。2 0 世 纪8 0 年代前，国外振动压路机、冲击夯已经很普遍，且已经具备了相当高的技术水平， 而我国2 0 世纪8 0 年代以前振动压路机还很少，市场上根本就没有冲击夯。8 0 年代后期 及9 0 年代以来，山东公路机械厂、湖南江麓、四川成工，先后引进了日本k a w a s h a k i 、 德国c a s e v i b r o i c a x 、西班牙l e b - r e r o 公司等国外主要压路机制造公司1 8 t 以下的振动 压路机制造技术，缩短了与世界先进水平的差距，但对冲击夯引进和压实原理的研究 尚有较大差距【5 】【8 】。 第台自行式和拖拉机牵引的振动压路机出现在2 q 世纪的4 0 年代。二十世纪三 十年代德国最早利用振动压实土壤，罗申豪森( l o s e a u s e n ) 公司率先研制了台安装 有振动平板压实机的2 5 t 履带式拖拉机 r 1 2 7 1 ，随后生产出振动压路机。但真正大量投 放市场则是2 0 世纪5 0 年代初期的事。五十年代欧洲各国开发了串联式整体车架振动 2 华中科技大学硕士学位论文 压路机，并逐步改型。剐开始发展的振动压路机吨位较小。品种也较少。随着避振材 料和结构的日趋完善，振动压路机在2 0 世纪6 0 年代迅速地占有了世界的压实机械市 场，其机型也从小型向中、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角式和凸快式的振动压路机 等许多不同的品种f 7 】。2 0 世纪6 0 年代末至7 0 年代初，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。 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了突破。近年来世界各国特 别是德国、美国、瑞士、日本等发达国家十分重视压实机械的压实原理研究与实践， 促进了压实机械的现代化。在欧洲，基础压实工作已主要靠振动压路机完成，振动压 实机械的产量占总产量的7 5 以上，冲击夯是在振动压路机的基础上发展起来的小型 振动压实机械，德国、美国、瑞典、日本均有产品推出m 】。 随着对新的压实方法和技术的探索，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己经由2 0 世纪8 0 年 代前后的设想，经过2 0 世纪8 0 年代中期的模型和原型试验，发展到现在已经可以向 市场提供系列产品了1 5 j i 切。 振荡压实是2 0 世纪8 0 年代出现的一种新的压实方法和技术。首先提出这一概念的 是瑞典的h t h u r n c r 博士。与传统的振动压路机利用垂直振动的原理不同，振荡压实是 利用土力学中交变剪应变的原理，使土壤等基础材料重新排列而变得更加密实，从而 达到压实之目的。振荡压实实际上是一种振动和揉搓相结合的压实方法f s 】l 嚣1 1 2 9 l 。振荡 压实能减少机架和邻近地面的振动、节省压实能量，从而在改善驾驶员工作条件和环 境条件、延长机器使用寿命和降低使用成本方面所具有的一系列优越性则是不言而喻 的。 快速冲击夯是一种性能优良的小型夯实机械。国家建设部早在二十世纪9 0 年代初 就将其列为科技攻关项目，组织所属建筑机械研究院( 所) 对其进行研究。许多科技 工作者对其设计理论进行了比较深入的探讨，发表了众多研究文献 1 1 1 6 1 1 7 1 1 9 1 1 1 0 】；国内相 关厂家也设计、试制过多种机型。但因为一些结构和工艺问题没有得到很好的解决。 华中科技大学硕士学位论文 多年来，在国内市场未得到很好的推广使用，直到最近二年，快速冲击夯的发展、使 用才进入高速成长期。国内生产厂家分别开发生产了h c d 7 0 ，h c d s 0 ，h c r 7 5 ，h c r l l 0 ， h c r l 3 0 等多种机型【8 】。与此同时，国外众多厂商的产品也大量进入我国。综观国内外 的同类产品，国内夯机的技术性能、使用寿命均有较大差距。改良设计国产夯机及发 展新的夯机品种一直是我国夯机生产厂家的努力方向。由于夯机结构参数的变化对夯 机性能的影响关系极其复杂，采用常规的设计方法，极难准确获得高性能夯机的结构 参数，建立正确的理论分析模型，采用优化设计的方法，寻求满足各种约束条件的夯 机结构参数。对于改良设计现有夯机及发展新的夯机品种，进而提高我国夯机的设计、 制造水平具有十分重要的意义。 1 3 本论文的主要工作 本论文主要研究内容包括：冲击夯运动模型的详细研究；优化设计方法的探讨； 产品的改良设计开发。 1 冲击夯运动模型的详细研究 现有文献建立的冲击夯运动模型，对夯机的受力状态作了较多的简化，其相关分 析结论与夯机的实际运动状态差距甚大，无法指导产品的设计、开发。本研究将对冲 击夯的运动模型进行详细研究，充分考虑夯机的前进过程与夯机的上下打击过程，以 获得能指导产品设计、开发的理论模型。 2 优化设计方法的探讨 有关冲击夯的研究文献多是以对已有设各进行分析统计、试验研究为主，所给出 的设计参数多为图表、统计曲线等。由于冲击夯运动关系比较复杂，设计新型冲击夯 时参数的选择非常困难。以致现有国内冲击夯的设计多停留在对国外产品的仿制或者 在选择参数时“试凑”，严重制约该产品设计水平的提高。本项目将建立冲击夯优化设 计的模型，以期使冲击夯消耗最少的能量来达到最好的压实效果，并在满足各种约束 的条件下，选择最优的设计参数。 3 产品的改良设计开发 4 华中科技大学硕士学位论文 通过对现有冲击夯产品的改良设计、试制以及实际检测，验证理论模型的正确性。 研究目标是通过对冲击夯运动、设计、受力等全方位的探索，以迅速提高我国冲 击夯的设计、生产水平。使其产品的整体水平达到国际先进水平。 4 工作过程的计算机仿真 建立快速冲击夯工作过程的计算机仿真模型，当完成产品设计，输入产品的相关 参数后，通过计算机仿真，模拟夯机工作中的真实运动过程，了解产品设计的优劣， 并能及时进行改良。该模型的建立，将能极大加快产品的设计、更新过程，降低产品 的设计、试制成本。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 1 概述 2 压实机理 压实是通过施加外力使被压材料提高压实度的过程硎“。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颗粒问的摩擦力、粘着力，排除固体颗粒问的空 气和水分，使各颗粒问发生位移相互靠近。铺筑材料经压实后，压实度增加。 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。在加载过程中，材料的应力可增加 到最大值；卸载时。材料的应力下降。然后经过间歇，重复循环。压实方法通常有： 滚压、振实和夯实( 冲击) 。 各类压实方法如图2 1 所示”】。 a 滚压( 静压) b 夯实( 冲击) c 振实( 振动) 图2 1 压实方法示意图 滚压是用具有一定质量的滚轮慢速滚过铺层，用静压力使铺层材料获得永久残留 变形，随着滚压次数的增多，材料的压实度增加，而永久残留变形减小，最后实际残 留变形等于零。为了进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 靠静载荷( 自重) 压实，材料颗粒之间的摩擦力将阻止颗粒大范围运动。随着静载荷 华中科技大学硕士学位论文 的增加，颗粒间的摩擦力也增加，因此，静作用压实有一个极限的压实效果。无限的 增加静载荷，有时不但不能得到所要求的压实效果，反而会破坏土的结构。因此，滚 压的特点总结为i 循环时间长，材料压力状态的变化速度不大，但应力较大。 夯实或者说是冲击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，冲击力产生的压力被传入铺层材料中， 使材料颗粒运动，冲击载荷的影响深度比静载荷的影响深度要大。所以，夯实比静作 用压实效果好。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，夯实具有较好的压实效果。本课题所研究的快速冲击夯，其工作原 理即属此类。 振实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 振动，颗粒间的摩擦力实际上被消除。在这种状态下，小的颗粒充填到大的颗粒的孔 隙中，材料处于容积尽量小的状态，压实度增加。 具体而言，材料受追振动后，由于各颗粒的质量及所处的位置不同，所产生的惯 性力也截然不同。此时，颗粒间的粘结膜发生张紧现象，若惯性力不大，不足以克服 颗粒间的摩擦力和粘结力，则各颗粒仍处于原始状态；若惯性力很大，足以破坏颗粒 间的摩擦力和粘结力，在这种情况下颗粒在其自重和上层物料重量的作用下相互脱离， 发生位移，力图占据最低稳定位置排除气相和液相，互相楔紧、挤紧，达到密实。压 实前、压实后的材料颗粒排列状态如图2 2 所示 3 l 【6 】。 i 。i - a 压实前 【k ) b 压实后 图2 2 压实前、压实后的材料颞粒排列状态 因此，振实的特点是：表面应力不大，过程时间短，加载频率大。可以广泛用于 粘性小的材料，如沙土，水泥混合物等。在同一机械中，可以同时采用几种压实方法， 华中科技大学硕士学位论文 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。 2 2 振动压实机理 关于振动压实机理的研究，工程技术界提出了几种不同的观点，比如共振压实观 点、最小摩擦力观点、压力波的波动学说等。这些观点各自可以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，说明这些观点还需完善和补充。土在压实 过程中。无论是静碾压实还是振动压实，只有当土中产生的剪切应力f 大于土的抗剪强 度f ，时，才能够使土颗粒重新排列，土体压密变实。即要清楚振动压实机理就要探讨振 动对土剪应为f 和抗剪强度f ，的影响n 图2 3 是在土层下2 0 0 啪处静、动压力测试结果，图a 是小振幅测试结果，图b 为 大振幅测试结果。土承受的压力p 为静压力p ，与动压力p 。之和，即： 圜圜 ( a ) 小振幅( b ) 大振幅 图2 3土层下2 0 0 r a m 处静、动压力测试结果 p p ，+ p d 2 1 土体压力p 的最大值p 。和最小值p 。为：图2 2 动静压力测试结果 p 一p ，+ h 。i ，p 。- p - l p d 。l 2 2 振动压实过程中土体承受的最大压力p 。，大于静碾压过程中土体承受的压力p ， 即振动压实过程中土体承受的最大剪切应力大于静碾压实过程中土体承受的剪切应 力，使得由振动产生的剪应力f 大于土的抗剪强度r ，压实效果提高。 分析图2 3 还可知，级料在强迫振动时的位移近似地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 8 华中科技大学硕士学位论文 被压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 中的动静压力。这样， 一方面易使振动产生的剪切应力f 大于土的抗剪强度r ，另一方面使激振器的激振频 率具有更宽的频率范围，以适应被压材料，改善压实效果。 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低频大振幅的激振力。因此， 在压实机自重作用下的恒定压力的基础上，再采用不同频率和振幅的激振力产生合成 振动，使得振动压实冲击能量扩散和传递到更n n a = i = 壤，提高压实度 9 1 。这个理论也 是和振动压实的压力波波动学说相一致的。 振动压实对土体中剪切应力的影响与被压实土的种类无关，但是对士体抗剪强度 f ，的影响却与士的种类有着密切的联系。 土的抗剪强度f ，可由库仑定律表示为： r ，c + o t g p 2 3 式中：c 一一土的凝聚力； 盯一一土的法向应力； 舻一一土的内摩擦角。 粘土结构为聚粒结构或絮凝结构，粘土颗粒细小，颗粒的矿物成分、颗粒的结构型 式以及土水系统的相互作用和胶结物质的存在，形成了复杂的物理化学现象。它在压 实过程中形成的剪阻力主要是凝聚力c 。摩擦角妒比砂土摩擦角小得多，可以忽略不计。 粘土的抗剪强度可以简化为： f ， 2 c2 4 砂土的结构是单粒结构，它的粘聚力很小或非常微弱，它在压实过程中形成的剪阻 力主要是土粒间的摩擦力，其抗剪强度可以简化为 华中科技大学硕士学位论文 f ，一c + o t g o 2 5 土粒间摩擦力是由颗粒的滑动摩擦、咬合摩擦、颗粒破碎效应和熏新排列效应所 组成。振动压实过程中的砂土的剪阻力主要是由颗粒间的滑动摩擦所引起。 r c c ( 可压实干硬性水泥混凝土) 材料中含有较大的骨料，振动压实过程中，骨料之 间移动除要克服滑动摩擦外还要克服咬合摩擦，咬合摩擦是由于骨料与相邻骨料脱离 咬合而移动产生的。即： 妒一妒。+ 竹 2 6 式中：妒。一一滑动摩擦角： 仍一一咬合摩擦角。 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问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 计为 v = a t 0 2c o s ( t o t + 卢) 2 7 式中：4 一一振幅： 一一激振频率； 口一一振动频率的相位角： t一一时间。 土颗粒的惯性力，为： i - 吲i a 9 0 2c o s ( a t + ) 2 8 式中：m 。一一土颗粒质量。 令e 为振动强度： e 甜2 则有： 1 0 华中科技大学硕士学位论文 ，t - - m t e c o s ( 耐+ 卢) 2 9 由上式可以看出，土颗粒惯性力j 与颗粒质量m 。和振动强度e 成正比。当振动强度 e 较小时，或土颗粒质l r n 。较小时，土颗粒的惯性力，也较小，它将在自己原来的位置 振动。当振动强度e 和土颗粒质量峨足够大时，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， 对颗粒问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o t g c p 减小。 粘土的颗粒质量m 。与砂土颗粒质量相比要小得多，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 ，的主要成分，振动对粘土抗剪强 度f ，影响可以忽略不计。 砂土土颗粒质量大，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，振动可以有效地减小它的滑动摩擦，但对它 的咬合摩擦影响不大【1 0 1 1 1 1 】f 1 b l 。 综上所述。振动可以显著减小滑动摩擦。由于滑动摩擦对粘士、r c c 材料和砂士等 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。r ，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。 正常振动压实过程中，振动轮与土始终接触在一起。振动轮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 1 l 华中科技大学硕士学位论文 承受的剪应力越大。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与激振频率c o 的函数关系实效果。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 似按线性系统计算【1 1 】【1 2 】。 图2 4 是振幅a 和振动强度e 随激振频率变化的函数曲线，亭是振动阻尼【1 3 i 。试 验表明增大振动强度e 会显著减小砂土的滑动摩擦，但是当振动强度e 足够大时，进一 步 图2 4 振幅和振动强度e 增加振动强度e 对减小内摩擦力将失去作用，摩擦系数增妒趋于常数，如图2 5 所示。对 于砂土，当激振频率在主共振点附近时，由于振动强度e 较低，此时，振动对减小砂土 图2 5 摩擦系数增妒与振动强度e 的函数关系 一一 1 2 华中科技大学硕士学位论文 抗剪强度的作用较小，不利于提高压实与效果，提高激振频率可以显著提高振动强度e 减小土的抗剪强度，提高振动压实效果。但过分增大激振频率珊也是不利的。当振动强 度达到一定程度后，土的抗剪强度趋于常数，同时由于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【1 4 1 。 2 3 采用振动压实的优点 采用振动压实的优点是： l 、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实验。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。 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来大节省能源a 3 、可减少金属消耗 在使用过程中可以发现，对同一铺层厚度的材料，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试验，试验表明：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。 2 4 小结 各种材料只有在符合强度破坏条件才能被压实。振动对不同材料抗剪强度减小的 作用不同，因此对于粘土、r c c 材料和砂土振动压实的效果也不相同。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果。同时，振动压实 一一 1 3 华中科技大学硕士学位论文 的频率、振幅对产生剪应力f 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，将有利于材料内部摩擦 减小，抗剪强度r ，降低，提高压实效果。 因此，对路基压实、次基层压实、路面层压实或者对具有良好级配土壤压实时， 激振频率对压实介质的适应性将对压实效果具有很大的影响。激振频率的多样性无疑 可以使压实机械的工作适应性更广泛。当然，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佳激振频率。激振频率的多样性亦即要求依据土壤的级配情况 或压实介质的变化而使多个激振频率各自趋于依压实介质不同的最佳激振频率，从而 获得最佳的压实效果。然而，由于材料的固有频率足变化的，要求激振器的频率作相 应的变化存在一定的难度。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 快速冲击夯的力学模型及研究 3 1 快速冲击夯的工作原理及基本结构形式 快速冲击夯是讲动力提供的机械能，经传动系统和运动转换系统压缩弹簧变为弹 簧的势能。依靠弹簧的压缩和释放，带动夯击板及整机做上下跳动( 伴随有前行) 对 地面实施振动夯击。 快速冲击夯按其对使用性能影响颇大的各主要部件的配置形式分为两类，典型的 结构有两种：一种是快速冲击夯的弹簧套筒与夯击板非刚性联接；弹簧套筒作为滑块 随连杆下端作往复运动，套筒与夯击板间通过弹簧环节相连，其结构简图如图3 1 【1 4 l 所示；另外一种是快速冲击夯的弹簧套筒与夯击板为刚性连接，弹簧套筒及夯击板通 过弹簧环节与连杆下端的活塞、活塞杆相联。 图3 1 弹簧套筒与夯击板同n 性联接式快速冲击夯的机构简图 1 曲柄2 连杆3 导向箱体4 活塞杆5 上弹簧6 | 活塞 7 下弹簧8 弹簧套筒9 夯击板 快速冲击夯的机构简图如下图3 2 所示【1 4 l ，在曲轴箱4 的一端安装有电动机2 ， 电动机的动力通过联轴器3 传递给齿轮轴；齿轮轴与曲轴齿轮7 啮合带动连杆8 ，使活 塞杆9 上下运动。活塞杆9 的运动通过压板1 4 压缩弹簧1 3 。通过弹簧1 3 的压缩和释 华中科技大学硕士学位论丈 放，带动夯板1 6 及整机上下运动，对地面实施冲击。 图3 2 快速冲击夯机构简图 1 扶手2 电动机3 联轴器4 | 曲轴箱5 0 形密封圈6 偏盖 7 下弹簧8 弹簧套筒9 夯击板1 0 外缸体1 1 内缸体1 2 导向键 1 3 。弹簧1 4 压板1 5 锁紧装置 1 6 夯板17 防尘折箱 3 2 快速冲击夯的计算模型 为了对快速冲击夯进行数学力学分析， 力学模型图，根据快速冲击夯的机构简图， 必须在机构简图的基础上进一步抽象绘出 可以得出如下图3 3 所示的计算模型图1 1 4 】。 图3 3 计算模型图 1 6 华中科技大学硕士学位论文 在计算分析中，为使问题简化，作以下几点假设： ( 1 ) 、快速冲击夯水平方向的位移很小，不予考虑。只有垂直方向的位移。 ( 2 ) 、垂直方向运动时的阻尼影响忽略不计。 不论哪种结构的快速冲击夯，整个夯机均可简化为m 、m 1 、m 2 三部分组成，不同 结构的快速冲击夯的不同点仅在于m 、m 1 、m 2 所包含的具体内容略有不同而已。 在图3 3 所示的计算模型中，m 、m l 、m 2 所包含的具体内容为：m 包含夯机板 和与夯击板刚性连接的弹簧套筒。m ，包括推拉杆、弹簧组、弹簧上座、弹簧下座以 及连杆的往复运动质量等。m 2 包括整机除去m 、m 1 以外的全部零部件，含有导向箱 体、电动机( 发电机) 、减速机构、扶手架以及曲柄连杆机构的回转质量等。 3 3 快速冲击夯模型的分析及求解 在将各种类型的快速冲击夯简化为图3 _ 3 所示的计算模型图后，紧接着就是如何解 决这一力学问题。它包含了源于曲柄匀速旋转而导致的m 、m - 、m 2 的运动，又包含了 由于重力而产生的自由落体运动，而且还包含了在夯击地面时的碰撞作用。在这诸多 因素中，源于曲柄旋转而导致的运动属于力学中已知运动求力的范畴，而源于重力的 自由落体运动又属于已知力求运动的范畴，碰撞则又属于另外一类力学问题，把包含 着诸多因素的问题放在一起求解，十分困难。故采用先分解后叠加的方法，即在暂不 考虑自由落体及碰撞的情况下进行求解，然后将自由落体及碰撞的作用叠加上去。 根据图3 3 快速冲击夯计算模型，在不考虑自由落体运动及碰撞的作用时，可以绘 出如图3 4 所示的计算模型用图( 设摩擦系数为0 ) ： 图3 4 计算模型圉 对图3 4 所示的力学题进行计算，仍存在较大的困难。为了对图3 4 计算模型进行 分析计算，需要进行当m 2 为无穷大( 即曲柄回转中心固结于地上) 时的计算，由图3 4 ， 当m 2 为无穷大时，可以得出如图3 5 所时的计算用图( 摩擦系数为0 ) 争 华中科技大学顽士学位论文 图3 5 计算用丽 图3 6n l l 振动计算圈 由图3 5 可以得出如图3 6 所示的曲柄回转中心固结予地面时，m l 振动计算匿。 当曲柄睡转中心固缩于趣面时，的位移、速度、加速度方程为： x , - ，1 0 一c o s 删) + 百t ；( 1 一c o s 拟) 】 v t = r m ( s i n 耐+ i 1 ；s 2 耐) t t o 2 ( c o s + r c o s 2 “) 平均速度 最大速度 当，fc 1 4 时 壤大加速度 一2 ，2 n r 百。话 。- ，m 2 g + 勺 3 1 3 。2 3 3 华中科技大学顽士学位论文 最小加速度 f ，一。- ，2 吁r 一1 ) 3 7 最大位移 t m 娃= 2 r 3 8 式中： x 。、v 。、- m ，的位移、速度和加速度 1 曲柄长 w 一曲柄角速度 l 一连杆长 t 一时间 n 一曲柄转速 为了计算m 的运动时方便，将m ，位移方程的坐标原点向左移y 左移前m ，的位移方 程为： ，【( 1 一c o s 甜) + i 1 + 了r ( 1 - c o s 2 科) 】 即工，。，+ 丢一导c o s 拟一r c o s 甜 s ， 左移，后，在新坐标系内肌。的位移方程为：t - 鲁一鲁c o s 2 “一，c o s “ 为了计算m 方便，可以从图3 5 中分离出图3 7 所示的曲柄回转中心固结于地面时 m 运动计算图。 图3 7m 运动计算图 1 9 华中科技大学硕士学位论文 在图3 7 中，以x 。，表示。相对于左移r 后新坐标原点o 。的位移，以表示m 相对 于平衡位置d 的位移，则m 。对m 的激振力为： 即) 一k o 饥。一靠) 式中尸( f ) m 。对m 的激振力 七。- 工作弹簧刚度 m 的运动微分方程为： 树，一o ( h 1 一x ，) 即 和铷一和。 3 1 0 设七：；鲁，则有争+ 七2 一七2 石。，将石。- 百r 2 一r s “一蔷s 2 “代入有： 争”等r c o s “一等c o s 2 耐 ，m 该式为常系数线性二阶非齐次微分方程，它的解由两部分组成：石。一而+ 工：其中而 对应于齐次方程矿d 2 x m + t 2 x 。- 。，菇：为原方程的特解 齐次方程万d 2 x mt 一2 石。- 。是一个自由度系统的自由振动的微分方程，其解为： x ，为方程 x ，一a s i n ( 耐+ a ) 3 1 2 可d 2 x mt x 2 z 。- _ k 2 矿r 2 一七2 r c 0 s “一譬c o s 2 甜的特解，x 2 由如下形 式：若2 = a - b c o s “一c c o s 2 t a 贝0 有 j 2 一b w s i n 6 a t + 2 c w s i n 2 0 x 及 王2 一b w 2c o s w t + 4 c w 2 c o s 2 a t 代入原方程解得其特解为： 3 1 3 3 1 4 2 0 华中科技大学硕士学位论文 ”丢一岛一j 4 1 ( k 2 l - 4 ( 0 2 ) 删耐 3 1 5 算2 百一i 8 “一8 2 耐 五为原方程的通解，对应于一个自由系统的自由振动，工：为原微分方程的特解， 对应于受迫振动，原微分方程的全解为并。一毛+ z ：，即为 ”触c 甜圳+ 丢一岛s 耐一嵩c o s 拟，耶 由于客观上不可避免的存在阻尼作用，根据一个自由度系统的有阻尼受迫振动的 有关知识可知，将逐渐衰减。因而可以不考虑这一项，而将m 得位移方程式以石：代 替，即m 的移方程可以表示为： x 。一曼c o s “一竖l s 2 耐 一一 x _ i 。0 8 “( k2 - 4 ( 0 2 ) 8 2 甜 3174k 4 ( k 4 ( 0 z 一z 速度方程可以表示为： v 。r 帕南s i l i “一丽巧r 而s i n 2 耐l 3 1 8 加速度方程可表示为： f - r 棚2 旷 7 c o s 耐一南c o s 2 “】 3 _ 1 9 当p 0 时，x 取得极值，x 的两个极值分别为： r 2 正2 r七2 r 2 工1 百可= 一4 ( k = - 4 ( 0 = ) x ，：。百+ 矿= + 4 ( u - 4 ( 0 ：) 3 2 0 以上对脚：为无穷大时，及曲柄回转中心固结于的面对及棚的运动做了分