（机械设计及理论专业论文）双频合成振动压实方法的试验研究.pdf

摘要 为了强化压实过程，本文提出多频合成振动压实方法，即任二时刻有多个激 振频率及其对应的振幅同时作用于被压实材料，使被压实材料大小不同的颗粒处 于共振状态，且颗粒问的摩擦作用减小，为有效压实创造了有利条件，其中，双 频合成振动压实是一种简单而有效的压实方法。由频率合成分析可知，双频合成 振动的两个简谐分量应与被压实材料固有频率的主要成分相适应，如一个为适合 压实表面层的高频低幅分量，如频率取3 6 6 5 h z ，振幅取o 4 o 8 m ：另一个 为适合压实中下层的低频高幅分量，如频率取2 0 3 0 h z ，振幅取0 8 2 o 唧。 论文提出“在合理的工作速度下，上中下各层的压实度同时满足要求”的参 数优化目标，设计了双频合成振动压实样机，利用正交试验方法对样机的频率及 频率比、振幅及振幅比和相位参数等进行了试验，结果是两个频率的相位差及频 率比对压实效果的影响最明显；两频率成分的振幅及其振幅比对压实效果的影响 较明显；两频率成分的频率值对压实效果的影响不大；激振器的相位对压实效果 的影响较小。本次试验的较佳参数组合是：低频频率取2 4 h z ，频率比取1 ：3 ，低 频振幅取1 o 唧，振幅比取2 ：1 ，两频率的相位差取0o ，激振器初始相位取9 0o 。 在参数优化试验的基础上对样机进行了性能试验。在同等试验条件下，与同 等规格的普通单频振动压路机相比，在表层压实度高3 3 6 ，在下层压实度高 4 2 8 ，达到相同压实度所需的压实遍数少1 3 。说明样机不但具有良好的整体 压实效果，而且具有明显的深层压实优势，同时具有较高的生产率。选取黄土和 粉土进行了样机的压实适应性试验。试验结果显示样机对所选的几种压实材料都 具有良好的压实效果，在振动压实1 2 遍后，黄土的表层压实度为8 7 0 4 ，下 层压实度为7 6 3 4 ；粉土的表层压实度为9 0 2 5 ，下层压实度为8 6 0 8 。 表明双频合成振动压实对被压实材料具有较好的适应性。 对试验中得到的动态信号进行了处理和分析。加速度信号分析表明：随压实 遍数的增加，加速度幅值与功率谱值呈先增加后基本稳定的趋势；与单频振动压 实相比，双频合成振动压实能量集中在两个工作频率处，具有多频多幅的特点。 土压力信号分析表明：与普通振动压路机相比，压力沿深度衰减较慢，且深层压 力增长明显。动态信号分析结果证明了多频合成振动压实的优势。 建立了二自由度系统的动力学模型，对压实过程进行了动力学仿真研究。利 用加速度值和系统固有频率的实测结果分别对土壤刚度和阻尼进行了识别。压实 过程的仿真结果与试验结果相近，动态响应分析结果表明低频频率的取值应比系 统的二阶固有频率稍高，频率比应取2 5 左右。综合考虑仿真和试验结果，给出 了工业产品设计时的参数取值范围。 研究证明，多频合成振动压实是一种强化压实过程的有效方法，其研究成果 具有重要的工程应用前景。 关键词：振动压实；双频合成振动；试验研究 动力学模型；参数识别：数值仿真 i l a b s t r a c t z f o rs t r e n g 山e n i n gc o m p a c t i o n ，t 1 1 ea u t h o r p u tf o r 、硼r dm e t h o do fm u l t i n q u e n c y c o m p o s e dv i b r a t i n gc o m p a c t i o n w i t hm u l t i - f k q u e n c ya n dr n u l t i a m p l i t u d ea ta n y m o m e n t ，d i 腩r e n tp a n i c l e so ft 1 1 em a t e r i a la r ep u ti n t ot l l er e s o n a l l c es t a t ea r l dt h e 衔c t i o nb e t 、v e e np a n i c l c si sw e a k e n ，谢l i c ha r eb e n e mf o rc o r n p a c t i o n w h e r e d o u b l e - 龀q u e n c yc o m p o s e dv i b m t i n gc o m p a c t i o ni so n eo fs i m p l ea 1 1 de m c i e n t c o m p a c t i o nm e t h o d s ，a i l di t sh a r r n o n i cc o m p o n c m ss h o u l da d a p tt on a t u r a i 丘e q u e n c y o ft h em a t e r i a l f o ri n s t a n c e ，t h eh i g h 行e q u e n c y ，f i t t i n gf o rc o m p a c t i o no ft o p s o i l ， s h o u l db e3 6 6 5 h z 埘m 锄p l i t u d eo f0 4 0 8 衄a i l dt h e1 0 w 疗e q u e n c y ，f i t t i n gf o r c o m p a c t i o no f s u b s o i l ，s h o l l l db e2 0 3 0 h z 、v i ma i l l p l i t i l d eo f 0 8 2 o n u n t h eg o a lo fp a r 锄e t e r so p t i m i z a t i o ni st h a t 也ec o m p a c t i o nd e 目e ei nd i 丘b r e m d e p 也m e e t sr e q u i r e m e n ts i m u l t a n e o u s l y w i t hr e a s o n a b l e w o r l ( i n gv e l o c i 何 a p r o t o t y p eo fd o u b l e 一矗e q u e n c yc o i n p o s e dv i b r a t i n gc o n 巾a c t i o nw a sm a d e ，a n dt h e p 锄m e t e r s ，s u c ha sf k q u e n c y ，r a t eo ff h q u e n c y 锄p l i t u d e ，m t eo f 锄p l i t u d ea n d p h a s e ，w e r eo p t i m i z e db yo “h 0 9 0 n a lt e s t t h er e s u l t ss h o w e d 也a tp h a s ed i 丘h e n c e a i l dr a t eo ff k q u e n c ya f r e c t e dc o m p a c t i o nd e g r e em o s tg r e a t l y ，a f l da m p l i t i l d ea n di t s r a t ed i dm o r eg r e a t l y a n df b q u e n c ya r l dp t 诳s eo fv i b m t i o ne x c i t e rl i g h t l y a n dt h e b e t t e rc o m b i n a t i o no fp 删n e t e r sw 鹊t l l a tt l l el o w 丘e q u e n c ys h o u l db e2 4 h z ，r a t eo f 舶q u e n c yb el ：3 ，锄p l i t u d eb e1 0 m m ，m t eo f 锄p l i t u d eb e2 ：l ，p h a s ed i 位r e n c eb e o oa i l dp h a s eo f v i b r a t i o ne x c i t e r b e9 0 。 b a s e do np a r 锄e t e r so p t i m i z a t i o n ，r e s u l t so fp e r f b 肌a 1 1 c ee x p e r i m e n t sw e r en l a t m ep r o t o t y p eh a dh i g h e rc o m p a c t i o nd e 擎e ea b o u t3 3 6 t l l a no r d i n a r yr o l l e r sf o r t o p s o i l ，a i l d4 2 8 f o r 曲s o na i l d1 ，3f e w e rc o m p a c t i o nt i m e si l i l d e rm es 锄e c o m p a c t i o nd e 伊e e t h er e s u l t s r e v e a l e dt l l a tt l l e p m t o t y p e ，、v i t l ld e e p _ s e a t e d c o m p a c t i o n 吼l p e r i o r i t y h a db e t t e r 。c o m p a c t i o nq u a l i t ya n dh i g h e rp r o d u c t i v i t ) ，t e s t r e s u l t so fd i f r e r e n tm a t e r i a l s ，s u c h 够l o e s sa n ds i l t ，m d i c a t e dt l l a tt 1 1 ep r o t o t y p eh a d g o o dc o m 】p a c t i o ne 疵c t ，f 研t h ec o 玎叩a c t i o nd e 簪e eo ft o pl o e s sw a s8 7 0 4 a f t e r1 2 c o m p a c t i o nt i m e s ，a i l dt l l a to fs u bl o e s sw 嚣7 6 3 4 a l s ot t l ec o m p a c t i o nd e g r e eo f t o ps i l tw a s9 0 _ 2 5 a n dt l l a to fs u bs i hw a s8 6 0 8 d o u b l e 呐u e n c yc o m p o s e d i i i v i b r a t i n gc o m p a c t i o nh a db e t t e ra d a p t a b i l i t yo fc o m p a c t i o nf o rd i f l 、e r e n tm a t e r i a l s d y l l 锄i cs i g i l a lo fe x p e r i m e n t sw a st r a i l s a c t e da i l da 1 1 a l y z e d a i i a l 始i 童| r c s d l t so f a c c e l e r a t i o ns i g n a ls h o w e dm a tt l l e 锄p l i t u d eo fa c c e l e r a t i o ns i g n a l 。a n d 章6 w e r s p e c m ni r l c r e a s e da tf i r s ta n ds t a b i l i z e da te n dw h e n 血ec o m p a c t i o 奇i i m e 甜d e d d i 疏r e n t 筋mo r d i n a r ys i n 9 1 e f r e q u e n c yv i b m t i n gc o m p a c t i o n ，d o u b i e f k q u e n c y c o m p o s e dv i b r a t i n gc b m p a c t i o n h a dt 1 1 ef e a t u r e so f m u l t i 一疔邑( i i l e n c y a n d m u l t i 一锄p l i t i l d ea n di t se n e r g yc o n c e n t m t e da td o u b l em a i n 丘e q u e n c i e s a n a l y s i s r e s l l l t so fs o i lp r e s s u r es i g n a li n d i c a t e dt 1 1 a tt h ep r e s s u r ed e c l i n e dm o r es l o w l ya i l d p r e s s l l r eo fs u b s o i lw e n tu pm o r ec l e a r l yt h a no r d i n a r ys i n g l e f r e q u e n c yv i b r a t i n g c o m p a c t i o n a n a l y s i s r e s u l t so f d y n a m i cs i g n a lp m v e t h e s u p e r i o r i t y o f m u l t i f k q u e n c yc o m p o s e dv i b r a t i n gc o m p a c t i o n t h ed y n a r l l i cm o d e l 、i t l lt w od e 芦e e so ff e e d o mw a sm a d ea 1 1 dc o m p a c t i o n p r o c e s sw a ss i m u l a t e d b 骶e do nm e t e s tr e s u l t so fa c c e l e r a t i o ns i g i l a la 芏1 dn a t u m l 舭q u e n c y ，m es t i 饷e s sa n dm ed 锄po fs o i lw e r ei d e m i f i e d 1 1 1 es i m u l a t i n gr e s l l l to f c o m p a c t i o np r o c e s sw a sc l o s e dt om a to fe x p e r i m e m s ，a 1 1 dm ed ”a m i cr e s p o n s e s u g g e s t e dt h a tt h el o wf k q u e n c ys h o u l db eh i 曲e rs l i 曲t l yt l l a i lm es e c o n d - o r d e r n a t 吼if b q u e n c ya 1 1 dt h er a t eo f 矗_ e q u e n c yb ea b o u t2 5 d i r e c t e da g a i n s tt l l er e s u l t s o fs i m u l a t i o na i l df i e l dt e s t ，t 1 1 er e a s o n a b l er a n g eo fp a r 锄e t e r sa b o u ti n d u s 埘a l i z e d c o m p a c t i o nm a c h i n ew a sg i v e n r e s e a r c h o ft 1 1 et h e s i sp r o v e st h a tt h em u i t i - 矗q u e n c yc o m p o s e dv i b r a t i n g c o m p a c t i o ni sm ee 币c i e n tm e t l l o df o rs t r e n g t l l e n i n gc o m p a c t i o n a n dt l l er e s e a r c h r e s u l th a si m p o n a n tp e r s p e c t i v eo f e n g i n e e r i n g 印p l i c a t i o n k e yw o r d s ：v i b r a t i l l gc o m p a c t i o n ；d o u b l e 一行e q u e n c yc o m p o s e dv i b r a 瞳i o n ； e x p e r i m e n t a l 蚰j d y ；d y n 锄i cm o d e l ；p a r 锄e t e r si d e n t i f i c a t i o n ；n 啪e r i c a ls i m l l l a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所里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 研究徽出溪要贡献蟾个人和集体，均叠在文中戳明确方式标明。本论 文中不包会任何未加明确注明的其他个人或集体氐经公开发表瓣成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文修者繇瓣这仕砌孱g 月b 论文知识产权权属声明 本人在导舜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。学校享窍鞋任德方式发表、餐制、公开耀览、借阙以及咚请 专利等权利。本人离校詹发表或使用学位论文或与该论文赢接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者签鬃船扑砌锌月j 瑶 导筛签名： 鸣磐1 髫磁月5 目 第一章绪论 1 1 压实的基本概念 1 1 1 压实的概念 压实是指借助某种部件或设备，对被压实材料进行某种形式的加载，克服被 压实材料的内摩擦力、粘聚力，使被压实材料的固体颗粒发生位移而相互靠近， 减少固体颗粒问的空气和水分，从而使被压实材料变得密实的过程。 土工材料的压实是一个物理力学的综合作用过程，比其他土方机械的作业理 论复杂，作业质量要求严格。这不仅因为土工材料的结构成分和物理力学性能随 机性很大，在压实过程中不断变化，还因为压实作业不仅有生产效率的要求，而 且有严格的作业质量要求。 有效的压实过程可以增加单位体积内固体颗粒的数量，减少孔隙率，产生的 物理现象有“1 ： 1 使大小材料结块重新排列和互相靠近； 2 使单个材料颗粒重新排列和互相靠近； 3 使材料结块内部的颗粒重新排列和互相靠近； 4 使小颗粒进入大颗粒的孔隙中。 图卜l 是有效的压实过程示意图。 图卜1 压实过程示意图 1 1 2 压实的意义 我国已规划国家高速公路网达8 5 万公里，到2 0 l o 年，总体要实现“东网、 中联、西通”的目标。随着我国社会主义建设的持续发展和国民经济的快速发展， 各种基础设施的建设规模不断扩大，质量要求日益严格。同时，我国高速道路和 重载车辆的发展对道路压实提出了更高的要求。 近几年，我国公路建设的整体质量水平大幅提高，但由于我国公路建设工期 较短，路基压实后很少留有自然沉降期，部分工程出现了质量问题，特别是路面 的早期破坏现象尤为突出，有的路面使用不到一年就出现了车辙、裂缝、沉陷和 水损坏，甚至出现了路面局部剪切破坏的现象，形象的称为“前铺后补，前修后 坏”。形成这种现象的原因是多方面的，有管理方面的原因，也有技术方面的原 因。在路基路面的压实施工中，未采取有效的压实，或者未严格按照设计要求和 施工规范进行压实，往往是造成路面局部沉陷或过早破坏的主要原因之一“。1 。 公路路面的建筑费用往往占总投资的2 0 5 0 ，甚至更高。因此，路面一 旦产生早期破坏，其造成的经济损失是巨大的，同时也会极大的影响正常的交通。 公路施工实践证明，对路基进行必要的有效碾压，达到要求的压实度，可以减少 路基、路面在行车载荷作用下产生的永久变形，可以增加路基土和路面材料的不 透水性和强度稳定性，减少甚至避免路面的早期破坏，增强路面的使用性能和延 长路面的使用寿命。统计表明“1 ，压实度每增加1 ，路面的承载能力相应的提 高1 0 1 5 ，而压实的费用仅占总投资的1 4 ，所以，有效的压实是提高路 面质量的有效且经济的方法。 实践证明，在建筑基础、水利堤坝、机场、公路和铁路等建设施工中，压实 是提高基础材料的强度和稳定性的一种有效方法，是提高工程整体质量、缩短工 期的快速、经济和必不可少的环节“。1 ”。同样，在路基路面的设计中，压实也具 有重要的作用： 1 有足够的承载能力，能经受行车荷载的反复作用而不产生结构性破坏； 2 能经受重车荷载的反复作用而不产生过大的压缩变形； 3 渗透性小，能预防雨水或其它自由水侵入，以保证路基、路面的稳定性。 1 1 3 常用的压实方法 压实需要借助某种机构或设备对被压实材料旌以作用力，而工作原理不同的 压实机构或设备会产生不同性质的作用力，引起的压实效果自然有所差异。为了 获得要求的压实质量，提高压实效率，人们总是不断寻求新的压实方法和压实技 术。我国隋唐时期，就出现了采用人力或畜力的简单压实活动，经过几个世纪的 发展，现代压实技术常用的压实方法主要有静压、冲击、振动、揉搓和捣实等几 种基本方法“”。 1 静压是将具有一定质量的重物置于被压实材料的表面，依靠重物自身的重 力使被压实材料变得密实。在一定范围内，增加重物的质量，可以获得更大的密 实度。常见的压实设备有两轴两轮式或两轴三轮式静碾光轮压路机。 2 冲击是利用能量的转化原理对被压实材料进行压实的。冲击压实的特征是 利用短时间内获得的巨大冲击力作用于被压实材料，产生很大的剪切应力和法向 应力，克服被压实材料的内聚力，使被压实材料不断密实。剧烈的冲击具有地震 波的传播特性，冲击能量可以传播到很深的深度，因而在深层压实上有很大的优 势。采用冲击压实方法的多边形冲击式压路机在高填方、塌陷性土壤和干砂压实 方面应用广泛。 3 振动压实依靠高速旋转的偏心质量产生的激振力作用于被压实材料，使被 压实材料处于振动状态，降低了内摩擦力，被压实材料单位体积内固体颗粒不断 增加而变得密实。常见的振动压实设备有圆周激振压路机和定向激振压路机等。 4 揉搓包括揉和搓两方面。揉是一种压入作用，它依靠对被压实材料局部施 加很大的垂直压力，使压头直接剪切侧面的材料，破坏压头下方局部材料与材料 之间的联系，使之受到很大的压缩而变得密实；搓是利用对土体施加交变剪切力 作用使被压实材料发生相对滑移，重新排列而变得密实“”。轮胎压路机是典型 的揉搓压实设备。近几年，出现了橡胶履带压实设备“3 1 ，加拿大c a r l e t o n 大学 的a o h a l i m 教授发明了a m i r ( a s p h a l tm u l t i i n t e g r a t e dr o l l e r ) ( 图1 2 ) ， 澳大利亚先锋道路服务公司i j r i c k a r d s 提出了h i p a c ( h o ti r o np r o c e s s a s p h a l tc o m p a c t i o n ) ( 图l 一3 ) 。 图卜2 _ m i r 样机 图卜3h i p a c 样机 5 捣实能强迫被压实材料发生“拥挤”，使被压实材料的固体颗粒受迫迁移、 重新排列而变得密实。在压实粘土时，捣实设备如拖式羊足碾具有明显的优势。 各种压实方法施力的方式和性质不同，得到的压实效果不尽相同。通常，各 种压实设备总是综合采用多种压实方法，以便增强压实效果和提高压实效率。 1 2 压实设备的发展 1 2 1 压实技术与设备发展史 压实技术是集被压实材料、压实设备和压实工艺为一体的综合技术，压实技 术及设备的发展经历了静态压实和振动压实两个主要阶段。 我国隋唐时期出现的由人力或畜力牵引的石磙可以认为是最早的压实设备。 1 8 世纪，出现了由畜力牵引的光轮压路机和羊角碾压路机。随着蒸汽机和内燃 机的相继出现，压实设备的质量出现了质的飞跃。 早期出现的光轮和轮胎压路机都是静作用式的。为了增加压实效果，主要依 靠增加压路机自身的质量，最重的压路机曾经重达2 0 0 0 k n 。2 0 世纪4 0 5 0 年代， 质量为5 0 7 0 t 的轮胎压路机曾广泛应用在机场、道路和堤坝等大型工程建设 中。 振动压实技术和振动压路机的出现是压实技术的重大突破。与静压实技术不 同，振动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，激振能量以 空间波( 压缩波和剪切波) 和界面波的形式传播( 图1 2 4 ) ，压实深度较深，适应 的压实材料更广泛。 图l 一4 振动能量的传播方式 随着振动压实理论和相关技术研究的深入，自2 0 世纪6 0 年代，振动压路机 的发展迅速。机型系列化，品种多样化，应用范围广，振动压路机以其独特的优 势成为压实领域的主导机型。 2 0 世纪8 0 9 0 年代是压实技术和压实设备蓬勃发展的时期。随着新的压实 方法和压实技术的不断探索，出现了振荡压实技术和冲击压实技术，相应的压实 设备如振荡压路机和非圆冲击压路机在某些特定的压实场所得到广泛的应用。 近几年，许多学者都在努力解决压实质量和压实效率的矛盾，相继出现了如 振荡压实、冲击压实、垂直振动压实、高密实度振动压实、混沌振动压实、复合 式压路机和仿冲击振动压实等压实技术和压实设备，经过对试验样机或工业样机 的试验研究，都取得了良好的效果“1 “。压实技术和压实设备的进步需要理论 上的突破，随着信息化技术的发展，压实技术和压实设备正迎来新的发展契机。 1 2 2 振动压实理论、， 目前振动压实技术的基础理论研究可归纳为以下几种学说“”： 1 内部摩擦减小学说。由于振动作用使被压实材料的内部摩擦阻力急剧减 小，剪切强度降低，抗压阻力变得很小，材料在重力作用下易于压实。 2 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。实践证明利用共振现象进行压实效果显著。但由于材料组成的复杂性和随机 性，其固有频率成分复杂，在逐渐压实的过程中，其固有频率是变化的，因此， 要求激振机构的频率必须有一个较大的调节范围。 3 反复载荷学说。振动产生的周期性压缩运动作用于被压实材料，使被压实 材料受反复载荷作用而达到密实。实践表明：该学说在低频率范围内有一定的现 实性，而在高频率范围内并无充足的理论依据；在高频范围内，振动压实的效果 远远超过反复载荷的作用效果。 4 交变剪应变学说。根据土力学交变剪应变原理，振动产生的交变剪切力使 被压实材料产生剪应变，强迫被压实材料的颗粒重新排列而达到密实。 以上各种学说从不同的角度对振动压实机理进行了解释，然而被压实材料种 类繁多，且被压实材料多为非匀质异性材料，其组分复杂，各学说都有待进一步 的试验研究和探讨。 事实上，各种压实学说是互相联系、互为补充的，压实设备的发展往往是各 学说有机结合的产物。 1 2 3 国内外研究的现状 国外振动压路机技术起步较早，相对成熟，发展趋于稳定，压路机的制造厂 商主要集中在德国、美国、瑞典和日本等国家。我国振动压路机的发展经过引进 吸收、自主开发等几个阶段，逐步形成了一定的规模和竞争力，产品日益呈现多 元化、系列化的趋势，并且出现了一批具有自主知识产权的创新技术，在某些方 面的研究己引起同行的注意。 目前，国内外振动压路机研究的热点主要集中在以下几个方面： 1 理论研究 新的压实技术与压实设备的发展愈来愈依靠压实理论的突破，新的压实理论 也愈显示出综合性、系统化的特点，强调从被压实材料、压实工艺和压实设备综 合的角度研究压实作业过程。理论研究的主要内容包括：压实技术与压实机理的 研究“”“1 ：压路机动态性能的试验研究与计算机仿真：土壤压实特性的研 究”1 。”：“压路机一土壤”系统的动力学特性研究”3 。1 。 2 新技术与新设备 随着压实理论研究的深入及相关技术的不断进步，压实技术和压实设备发展 迅速。一方面，开展传统机型的整机性能和工作参数的优化研究”“1 ：另一方 面，为满足不同的施工条件和质量要求，研制新的压实设备，国外出现了薄层路 面振动压路机和多边形钢轮压路机等新机种“”“，国内出现了混沌压路机、冲 击与振动复合压实机和仿冲击压实机等自主创新机型“6 “1 。 3 智能化压实设备 智能化压实设备的显著特征是能够根据作业环境的变化自动调节工作参数， 保证作业过程最优。因此，智能化包括感知作业环境的变化，如压实质量的检测； 自动调节工作参数；压实质量管理系统及无人化操作等“6 “。国内外著名的压 路机制造商和科研机构都在智能化压实设备方面进行了研究和探索，其中，德国 b o m a g 的智能压路机已用于生产中。 虽然国内振动压路机技术发展迅速，但与国外先进技术相比，还有相当大的 差距，特别是核心技术的创新远远不够。目前，国内企业大多处于“从模仿中创 新，在创新中提升”的阶段“”，应高度重视核心技术的创新，积极探索具有自 主知识产权的压实理论和压实技术。 1 2 4 压实技术与设备发展趋势 随着人类社会信息化进程的发展，压实技术和设备进入全新发展阶段，呈现 出新的发展趋势：一方面，追求压实质量和压实效率要高；另一方面，追求操作 者的舒适性，直至无人驾驶的过程控制。 1 复合压实技术。各种压实方法有各自的优点，又有一定的局限性，单一的 压实方法很难达到理想的压实效果。结合静压、揉搓表层质量好和振动、冲击压 实深度深的优点，综合运用静压、振动、揉搓和冲击等多种压实方法的复合压实 技术，具有明显的技术优势“”“”1 ，未来的压实设备将具有多种施力方法综合作 用的特点。 2 计算机技术更广泛的应用。在压实设备的开发和优化设计中，计算机技术 将担当重要的角色：同时计算机仿真技术和试验研究的结合将成为更重要的研究 手段。 3 人体工程学、工业设计方法等更广泛的应用。模块化设计、柔性制造和虚 拟装配等新技术广泛应用在压实设备的设计、制造和装配的各个过程；人体工程 学和工业设计方法的广泛应用将突出人性化、节能和环保的特点。 4 压实质量的自动检测及作业参数的自动控制，包括压实质量的实时检测， 作业参数的自动调节、压实方式的自动转换和压实质量的优化等”1 。 图卜5 是b o m a g 的v a r i o c o n t r o l 激振器的构造。两根同轴布置的振动轴上 装有三个偏心重块，两个较小的偏心重块靠近两端，一个大的偏心重块在振动轴 的中间。中间的偏心重块与两端的小偏心重块转向相反，合成的离心力构成交变 的定向力。根据需要，定向激振力的方向可以通过转动整个激振器总成在水平和 垂直方向任意调节。图卜6 是配备v a r i o c o n t r o l 系统的单轮压路机。 图卜5v a r i o c o n t r o l 激振器的构造图卜6 配各v a r i 蝴r o l 系统的单轮压路机 参考文献【4 3 】设计了一种无级调幅机构。激振机构由一对包括内、外偏心 轴套组成的套轴，每根套轴的内、外偏心轴套可以按需要调节夹角，从而实现偏 心质量的无级调节。 5 智能化单机和智能化机群5 7 “。随着机、电、液、信一体化技术的发展， 将自适应和自学习等技术引入压实设备的控制系统，压实设备将根据被压实材料 的变化不断调整工作参数，并自动适应外部环境的变化，使压实作业始终处于最 优化状态。智能化发展的目标是在单机智能化的基础上，逐渐实现机群的智能化。 1 3 课题提出的背景及意义 1 3 1 课题提出的背景 对压实作业而言，实际的施工条件往往差别很大，可能是高温酷暑，也可能 是数九寒天；可能是含水的粘土，也可能是全干的砂土；可能是小挖方的路基， 也可能是高填方的大坝。为了满足不同压实场合，得到好的压实质量和高的生产 率，出现了具有良好深层压实效果的冲击压路机、表面质量理想的振荡压路机和 能满足多种压实要求的调频调幅压路机等新型压实设备。 压实设备的目标是保证压实质量，兼顾压实效率，较好的解决质量与效率问 的矛盾。众所周知，激振频率与被压实材料的性质及被压实材料的密实度密切相 关，利用共振压实原理能得到较佳的压实质量。为适应被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，提高压实效率及压实效果，人们己 采用了多种工作方法。德国b o m a g 、美国i n g e r s o l l r a n d 、瑞典d y n a p a c 等采用 变频变幅的振动压实技术，以便在不同的压实场合变换振动频率及振幅。但由于 被压实材料的多样性及颗粒大小和组成不同，被压实材料的固有频率成分丰富， 是一个变化着的频率带。即使在压实过程中变换振动频率和振幅，在压实工作过 程中的任一时刻也仅有一种振动频率及其对应振幅，这种单频振动很难使被压实 材料达到预期压实效果。 混沌振动的研究较成熟”，我国学者首先提出了混沌振动压实技术”6 。 图卜7 是中国农业大学的学者建立的混沌激振器的力学模型，利用激振器及“机 架一振动轮一土”模型进行了数值仿真和混沌识 别，认为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。对 1 4 t 混沌振动压路机进行的实测表明其振动轮的真 实振动是混沌的，与同等规格的普通压路机相比压 实效果较好，实测结果如图卜8 所示。压实效果对 比试验表明：压实6 遍后，单频振动压实的中层压 实度为9 l 2 3 ，混沌振动的压实度为9 4 1 2 ；若 图卜7 、p 混沌激振器力学模型 以中层压实度9 5 为压实合格，普通振动压路机需压9 遍，而混沌振动压路机只 要压8 遍，故可提高功效1 2 2 。土槽试验的数据证明：所有混沌振动压实的压 实度均大于传统的单频振动的压实度；沿深度方向的平均压实度，用1 0 t 混沌振 动压路机比用1 0 t 普通单频振动压路机提高1 1 2 “。1 。 很明显，混沌压实的突出特点是任一时刻为多个频率的作用，同时，多个频 率的成分在下一时刻发生不确定的改变。但对比试验证明，虽然混沌压实作业效 率和被压实材料压实度有所提高，但作业能耗也相应升高。 1 a 籁 峰0 斗| 吕 出 掣 加 迎里 图1 9 仿冲击振动压实样机实物图 圈1 1 0 加速度时域曲线图卜1 1 加速度频域曲线 圈卜1 2 加速度功率谱曲线图卜1 3 土壤压力时域曲线 混沌振动压实与仿冲击振动压实都具有多频多幅的特点，即同一时刻有多个 频率和振幅作用于被压实材料，相当于多个频率和振幅的合成振动，与变频变幅 的振动压实技术有本质的不同，后者在任一时刻仅有一种频率和振幅作用于被压 实材料。 多频合成振动在许多领域也显现出特殊的优势。在医学方面，身体一旦发生 骨折创伤，需外科手术治疗，缩短术后的恢复时间一直是医务人员研究的课题。 振动治疗方法在促进骨折愈合、加快康复方面非常有效。但长时间使用单一频率 的振动可能会使肌体产生记忆效果，产生一种自然的抵抗力。因不同频率的振动 波在肌体中的传输衰减不同，若采用多频率合成的振动可以激发人体不同部位和 层次的共振区域，能提高肌体修复和再生能力，加速骨组织重建，促进骨折部位 的愈合，加快器官、运动系统和软组织功能的恢复。参考文献【7 0 】中的多频振 动治疗仪经多家单位临床试用都取得满意的疗效。 在物料的筛分方面，振动筛分是一种有效的筛分方法，物料颗粒的受迫振动 可以提高筛分速度，并使大颗粒在筛面上运动而离开筛面。在常规筛分中，用单 一频率振动筛板，不同的颗粒受到的振动作用相同，筛分的质量和效率受到限制。 参考文献【7 l 】介绍了一种多频筛分机，该筛分机安装的多频适配器可以将各自 单频率振动转变为多频率振动。工作时，适配器将振动调整为多频率，并通过共 振环传递给筛面，筛面上的颗粒受到不同振幅和不同频率的力作用。试验证明， 多频筛分机筛分效率高，筛网堵塞程度低，能够筛分常规筛分机不能筛分的粒度 小于3 0 um 的物料。 被压实材料的多样性及材料组分的复杂性使被压实材料的固有频率具有一 定的带宽：同时，被压实材料的固有频率带在逐渐密实的过程中发生“迁移”。 因此，压实过程中要达到理想的共振压实是比较困难的。混沌压实和仿冲击压实 工作过程中形成的较宽频带特点为探讨多频合成振动压实技术提供了思路。 1 3 2 课题研究意义 为了满足不同的施工条件，更新压实技术，开发新的压实设备对进一步提高 压实质量和压实效率具有重要的现实意义和良好的社会、经济效益。一方面，通 过新型压实设备的开发、新的压实技术的探讨和创新，提高压实设备的设计和技 术水平，并带动相关技术发展，创造良好的社会效益；另一方面，通过全新压实 设备的研究，推动压实设备性能的全面提高，推出适应市场要求、具有更高可靠 性和较强竞争力的产品，获得更好的经济效益；同时，探讨新的压实理论和开发 新的压实设备，广泛适应多种施工条件，达到压实质量和压实效率的统一，具有 重要的现实意义。 1 4 本文研究内容及方法 为了强化压实过程。本文提出多频合成振动压实的设想，针对方案设计、参 数优化及其动力学研究等问题，提出以下研究内容： 1 多频合成振动压实方法的研究 根据被压实材料组成特点和压实特性，提出多频合成振动压实方法，以双频 合成为例讨论多频合成振动压实的理论基础。 2 多频合成振动压实机的设计 介绍前期的研究成果，提出设计方案，完成试验样机的设计。 3 多频合成振动压实参数优化及其试验研究 分析多频合成振动压实各参数对压实质量的影响，讨论参数优化的目标和方 法，完成参数优化的试验研究。 4 多频合成振动压实对多种被压实材料的适应性 根据参数优化的结果，完成多频合成振动压实对多种被压实材料适应性的试 验研究及与同规格普通振动压路机的对比试验研究。 5 “机器一土壤”系统的动力学模型及其仿真 建立“机器一土壤”系统的动力学模型，进行数值仿真，综合仿真结果和试 验结果，提出工业产品设计时的参数取值范围。 第二章多频合成振动压实方法的探讨 2 1 土壤的性质及压实机理 2 1 1 土壤的分类与组成 基于土壤和岩石的力学特征对土壤进行分类具有重要的工程实际意义。一般 土颗粒组按国标土的分类标准( g b j l 4 5 9 0 ) 划分，该分类体系考虑了土的有 机质含量、颗粒组成特征及土的塑性指标( 液限、塑性和塑性指标) ，和国际上一 些分类体系比较接近。按照这一标准，土体总的分类体系如图2 一l 所示。 土 巨粒土j 巨粒土 雾芸 l 混合巨粒二i ： 含巨粒土漂石混合土 凳喜圭雾薯 l 卵石混合土 粗粒土滕圭 删二侧： 图2 1 土体的分类体系 土是岩石风化后的产物，是各种矿物颗粒的集合体”。经过风化作用后的 矿物颗粒堆积在一起，中间贯穿着孔隙，孔隙中存在水和空气。矿物颗粒间的联 结是比较微弱的，既不显示固体特性，也不表现为液体性能，而是与空气、水组 合在一起，显现出一种分散性物质的特征。因此，土是由颗粒( 固相) 、水( 液相) 和气( 气相) 所组成的三相体系( 图2 2 ) 。各相的性质及相对含量的大小直接影响 土体的性质。 图2 2 土的组分 矿物颗粒形成土体的骨架，颗粒大小和形状、矿物成分及其排列和联结特征 是决定土的物理力学性质的重要因素。土的结构，按其颗粒的排列及联结有单粒 结构、蜂窝结构和絮状结构。絮状结构使土具有孔隙性、粘聚性和弹性，这些性 质与土的强度和变形有密切的联系。土体的强度主要取决于粒间的联结，土的工 程性质主要受粒间的各种相互作用力( 粒间吸引力和粒间排斥力) 制约。 2 1 2 土的物理性能指标 从物理的角度，可利用土壤固、液、气三相在体积上和质量上的比例关系来 反映土的干湿程度和紧密程度。土的三相组成见图2 3 。图中符号意义如下： m ，一土粒质量； m 。一土中水质量； m 。一土中空气质量； m 一土的总质量，m = m ，+ m 。+ 小。历，+ 肌。 t 、匕、屹一土粒、土中水、土中气体体积； 一土中孔隙体积，= + 屹： 矿一土的总体积，矿= + + 圪； 图2 3 土的三相比例 与压实有关的物理特性指标定义如f ： 1 土的含水量w ：土中水的质量与土粒质量之比，即 w ：生1 0 0 ( 2 1 ) 2 土的湿密度p ：单位体积土的质量，即 p = 罟= 半 ( 2 - 2 ) 3 土的干密度岛：土单位体积中固体颗粒部分的质量，即 岛= 等 ( 2 _ 3 ) 4 土的孔隙比p ：土中孔隙体积与土粒体积之比，即 p = 鲁= 訾 a ， k 一般p 1 0 的土是疏松的高压缩性土。 即 5 土的孔隙率”：土中孔隙所占体积与总体积之比，以百分数计，即 胛= 軎l o o ( 2 _ 5 ) 6 饱和度s 。：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比，以百分数计， ：， 已= 管1 0 0 ( 2 6 ) 当s = 1 0 0 时，土为饱和土。 7 压实度万：土经压实后的干密度与该土的标准干密度( 通常即为最大干密 度) 之比，以百分数计。若压实后的实际干密度为p d 实测，标准干密度为p d 。， 则 万= 等1 0 0 ( 2 7 ) 2 1 3 土壤的压实机理与压实特性 土的压实性是指土体在外载荷的作用下密度增加的性状。土的压实过程的突 出特征是单位体积内固体颗粒逐渐增加，颗粒间的孔隙逐渐减少，干容重增加。 外力作用下土的压实机理，可以结合水膜润滑及电化学性质等理论解释“1 。 一般认为，当土中含水量较低时，由于土颗粒表面的结合水膜较薄，土颗粒间的 间隙较小而内摩擦力较大