（机械设计及理论专业论文）基于地面振动信号对振动压实频率的研究.pdf

摘要 振动压路机是道路机械化施工中必不可少的重要设备，其主要技术参数不仅影响 压实效果，而且影响压实作业效率。本论文主要研究了振动压路机的振动频率对压实 作业的影响，提出通过地面振动信号对振动压路机压实频率进行控制的新方法，并对 一种砂性土的压实频率进行了试验性研究。 论文分析了振动压实的机理和振动压实学说；在总结振动频率和振幅两个技术参 数对压实效果和压实效率影响的基础上，提出了根据压实材料固有频率变化的无规则 性，采用从地面上提取振动压实作业中振动信号的新方法和实现途径；通过研究振动 能量作用后在地面上产生的振动信号，分析了实现对振动压路机的最佳压实频率控制 的可行性；通过压实效果的对比试验，得到了在压实作业中每遍采用不相同的最佳压 实频率，压实效果好的结果。论文对振动压路机压实频率的研究具有新思路，对压路 机振动频率的无级调节的重要性和必要性提供了依据，对振动压实机械的设计具有一 定的使用价值。 关键词：地面振动信号，振动压路机，压实频率，压实度 a b s t r a c t t h ev i b r a t i o nr o l l e ri sa ni m p o r t a n td e v i c ei nar o a dc o n s t r u c t i o n i t sm a j o rt e c h n i c a l p a r a m e t e r sh a v en o to n l yi m p a c t0 1 1c o m p a c t i o ne f f e c tb u ta l s oc o m p a c t i o ne f f i c i e n c y t h i s p a p e rh a sm a i n l ys t u d i e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro fv i b r a t o r yr o l l e r sf r e q u e n c yt oc o m p a c t i o n e f f e c t ，a n dp u tf o r w a r dan o v e lm e t h o df o rc o n t r o l l i n gv i b r a t o r yr o l l e r sc o m p a c t i o n f r e q u e n c y ，a n dm a d ep i l o ts t u d yo f s a n dc o m p a c t i o nf r e q u e n c y t h ev i b r a t i o nc o m p a c t i o nm e c h a n i s ma n d c o m p a c t i o nt h e o r yw e r es t u d i e di nt h i s p a p e r a f t e ra n a l y z i n gt h ec l a s s i c a lt e c h n i c a lp a r a m e t e r s - v i b r a t i o nf r e q u e n c ya n da m p l i t u d e ， t h en o v dm e t h o da n dt h er e a l i z a t i o nw a yw h i c hc o u l dc o n t r o l v i b r a t o r yr o l l e r sc o m p a c t i o n f r e q u e n c yb a s e do ng r o u n dv i b r a t i o n a ls i l m a lw e r ep r o p o s e d ；b yr e s e a r c h i n gg r o u n d v i b r a t i o n a ls i g n a lw i t hv i b r a t i o ne n e r g y ，af e a s i b i l i t ys t u d yo i lc o n t r o l l i n g v i b r a t o r yr o l l e r s c o m p a c t e do p t i m u mf r e q u e n c yw a sa n a l y z e d ；t h ec o n t r a s te x p e r i m e n t a t i o nr e s u l ti n d i c a t e s t h a tt h eo p t i m u mf r e q u e n c yv i b r a t i o nc o m p a c t i o ni sb e t t e rt h a nt h eg e n e r a lo n e t h i sp a p e r p r e s e n t e dan e wi d e ao f r e s e a r c ho nv i b r a t o r yr o l l e r sc o m p a c t e df r e q u e n c y , a n dp r o v i d et h e b a s i sf o rt e c h n o l o g yo fs t e p l e s sa d j u s t m e n to nv i b r a t i o nf r e q u e n c y i th a su s ev a l u ef o r d e s i g n i n gv i b r a t i o nr o a dr o l l e r k e y w o r d s ：v i b r a t i o n a ls i g n a lf r o mt h eg r o u n ds u r f a c e , v i b r a t o r yr o l l e r , c o m p a c t i o n f r e q u e n c y , d e g r e eo fc o m p a c t i o n 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已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 细7 年删岫 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) 论文作者签名： 导师签名： 互莽1 i 髟 少， 增 月 月 孓 厂 年 年 q厂，上矿飞j 1勺 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 当前，中国已进入全面建设小康社会的新时期，经济社会发展对基础设施的建设提 出了新的要求。在当前全球金融危机的影响下，中国出台的相关刺激经济发展的政策中， 重要的一项就是加快铁路、公路和机场等重大基础设施的建设，今明两年交通固定资产 投资保持年均达一万亿元的规模。可见，对国民经济发展具有重要意义的交通建设事业 在今后会有更迅猛的发展。但在高等级公路的建设中，道路的质量问题仍然不能令人满 意，路面早期损坏以及路面局部沉陷等病害时有发生，不但造成了相当大的经济损失， 而且给正常的公路交通带来了很大的妨碍。上述道路质量问题的主要原因是对路基和路 面的压实未达到设计和施工规范中所要求的标准。 压实被普遍应用于工程结构物基础、堤坝和路面铺装层的施工中。工程基础压实的 目的在于增加土壤的密实度，提高道路的承载能力，及防止沉陷和水分渗透等，以防止 工程在自重和行车动载荷的作用下发生沉陷变形而导致上层结构被破坏。压实路面铺装 层是为了获得平整的路面和必要的抗剪强度及刚度，保证车辆行驶平稳；并且压实还能 提高工程的抗渗透性和气候稳定性，从而保证工程的使用寿命。压实是公路施工中一个 必不可少的环节，为减少公路病害的发生，国内外很多研究者一直就如何提高压实质量 的问题进行了不断的探讨和研究，更新压实理论。 压实机械是基础设施建设中很重要的设备，如路基是公路工程的重要组成部分：随 着科学技术的不断发展，路基工程应推行机械化施工，路基压实，必须采用碾压机械。 无论路基、底基层、基层和面层都需要被很好的压实，以达到一定的密实度。统计表明 乜羽，通常对于一般材料，密实度每提高1 ，基础承载能力便提高1 0 ；沥青混凝土密 实度每提高1 ，承载能力和寿命会提高1 0 9 6 , - - , 1 5 。振动压路机由于其压实效果好，影 响深度大，工作效率高，被广泛应用于工程实际中。随之，振动压实技术的不断创新和 振动压路机主要技术参数的控制也成为近几年的研究热点。 影响振动压路机的技术参数主要包括：振动压路机的工作质量、振动质量、振动频 率、振动振幅和碾压速度、振动轮宽度及直径、振动轮的数量等，研究这些技术参数不 仅可以提高振动压路机的整机性能，而且对振动压路机的压实效果有重要的影响。所以 根据工程的实际情况和所处环境，深入了解和分析这些技术参数及其实际使用效果，方 能满足工程的需要。本文就是针对其中的一个技术参数一振动频率进行试验性研究。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 压实机械及压实技术的国内发展 查阅文献资料“3 ，对我国压实机械及压实技术的发展概括综述如下： 综观我国压实机械行业的发展历程，大致经历了四个阶段畸1 ：2 0 世纪5 0 年代7 0 年代，为起步发展阶段；8 0 年代初8 0 年代中期，是引进、消化和吸收阶段；8 0 年代 末 - 9 0 年代初期，为创新发展阶段；9 0 年代末期以后，是自主研发，赶超国际先进水 平的阶段。至2 0 世纪7 0 年代末期，压实机械已走过从蒸汽机到内燃机、从机械传动到 液压传动、从静碾压到振动碾压、从单振幅单频振动到多频多幅振动的发展历程。目前 伽，我国压路机行业技术创新还很薄弱，缺乏自主知识产权的研发技术，产品同质化倾 向很严重。随着全球化知识经济时代的到来，各个企业虽然可以利用全球资源通过技术 引进和国际合作来缩小差距，提高竞争能力，但如果没有自主创新的研发能力，引进以 后也难以消化吸收，更谈不上再创新。 当前国内压路机的技术创新主要集中在新型振动技术、数字化控制、先进的动力技 术、液压控制电子技术以及随机检测技术等方面，是机电一体化技术在压路机上的体现。 振动技术方面，在传统振动结构研究的基础上，某些国内厂家正在逐渐开发新型振 荡压实、冲击压实、垂直振动刀、复式振动伯1 、无级变频和变幅技术等新型振动技术， 例如徐工研究开发的振动、振荡压路机；洛建新开发的在振动、驱动、制动多项领域具 有自主知识产权的新型振动压路机等等。在控制技术方面，电子信息化控制已经成为 当今振动压路机技术的发展新趋势，如通过微机控制技术实现各种工况下设备的模糊自 动识别技术，可自动地控制发动机功率的输出，从而达到整机与发动机最佳功率的匹配， 减少了发动机燃油消耗量，并且能自动诊断设备的各种工作状态，及时提醒用户对设备 进行维护、保养和修理，使设备始终保持良好状态。此外，国外的智能振动技术，以及 高频、超高频振动技术也引起了国内企业的高度重视，这些技术通过利用现代微电子技 术、计算机技术、传感器技术和控制技术，使振动压路机能根据压实材料的变化自动调 节其振动参数，达到压实作业的最优化控制。 1 2 2 压实机械及压实技术在国外的发展 近几年，国外振动压实技术得到了快速发展，众多国际知名的工程机械生产制造企 业相继推出了一些新型振动技术呻1 ，并成功应用于其系列产品中，如德国b o m a g 、美国 c a t 公司、日本酒井公司等。查阅文献资料n 们，从以下三方面进行综述： ( 1 ) 新的压实理论 长安大学硕上学位论文 在2 1 世纪的未来发展中，压实机械与压实技术的进步将更加富有理论性，研究与 创新已经展示出了有力的势头。现已进入实用性阶段的新压实机械与压实技术，例如振 荡式压路机、冲击式压路机将进一步定位各自的应用领域，并在某个领域内成为主要的 工程压实设备。垂直振动式压路机在日本已完成了工业试验，用于土壤压实的压实度可 达1 0 8 5 。振荡与垂直振动都是利用双轴激振机构静偏心矩的叠加原理来实现的定向振 动，前者抵消了振动轮的垂直跳动而实现了对地面作用的水平振动，后者抵消了振动轮 的水平扰动而实现了对地面作用的垂直振动。 ( 2 ) 新的设计理念与设计方法 现代设计方法在工程机械上的应用近2 0 年来有了突飞猛进的发展，并开发成功了 大量新机种。现代设计方法包括的面很广，如相似设计、模块化设计、动态分析、优化 设计及人机工程与工业造型的应用等。 ( 3 ) 新的控制技术与管理软件 现代电子技术催生出工程机械的机电信一体化。电子技术包括计算机技术、集成电 路技术、数字电路技术等。电子技术和传感器与机械装置的结合，实现了工程机械的自 动监测和自动控制，即机一电一信一体化。例如：微机模块控制、变频变幅振动系统、防 滑自动控制、作业连续控制等新技术在压路机上的广泛应用。在压实机械的研究中，试 验与计算机仿真技术的结合成为一种全新的研究手段，计算机的应用使压实机械的研究 从构思、设计和制造、试验使用、维修到管理的全过程成为高度自由化和现代化的工作 过程。 随着全球经济一体化的发展以及国际投资环境与市场需求的变化，工程机械制造商 也在经营管理上树立起了全球化的理念。 1 3 课题研究意义 目前在扩大内需，加快基础设施建设的形势下，对施工机械的需求量也不断的增加， 而振动压路机是其中必不可少的。如现代高等级公路施工中，不但对工程施工的质量要 求越来越高，而且加大施工进度和效率也是施工单位获得效益的一条必要途径。在应对 国内形势，加快现代化建设步伐中，已经出现传统的振动压实系统限制施工工作质量和 效率的局面，所以对压实机械的研究，一方面要求机器本身的振动响应和振动参数对压 路机动力性能的影响，进而将液压传动、电子控制和信息技术应用到压实机械，从而实 现机电液一体化；另一方面要求研究振动压实的机理，即压实材料的变形以及应力分布 和压实材料的物理力学性质，以不断的更新和创新新的压实理论。随着机电液控制技术 1 第一章绪论 在振动压路机上的应用，使得振动参数的调节成为可能，从此出现了调频、调幅的振动 压路机，为压实工作参数的优化调节和随机监控创造了条件。 人们通过对振动压实机理的研究发现，如果被压实土壤的固有频率和振动压路机的 激振频率相等时，振动压实的效果最好。长期试验研究表明，影响压实质量和压实效果 的关键因素是振动压路机的振动频率、振幅等工作参数。只有当压路机的振动参数( 主 要是振动频率、振幅) 与当前现场被压实材料的状况最匹配时，才能获得最佳的压实效 果。所以根据不同压实材料工况，如何调整振动压路机激振频率、振幅等主要工作参数， 使之产生最佳压实效果，对振动压路机的设计和合理运用具有重要的意义。因此，本试 验课题主要是从实时检测地面振动情况出发，避开被压实材料性质变化的无规则性，从 对地面采集信号的分析入手，来研究振动压路机的压实频率，使得振动压路机在每遍的 压实工作中，自动适应土壤状态的变化，使压实作业始终在最优条件下进行，从而确保 压实效果和压实效率。 1 4 课题研究内容及方法 随着科学技术的发展，振动压路机也不断地向智能化方向发展。连续智能压实控制 的目的就是要求振动压路机能根据被压实材料的自身变化情况，自动地调节其工作参 数，以达到能获得最佳压实效果和更高质量的道路表面的目的。自动压实控制是振动压 路机技术的新发展，它可使驾驶员能及时了解压实作业，这样既可避免出现压实不足的 状况，又可避免过度压实，从而保证能以最短的时间达到最佳的压实效果1 。查问文献 资料n 引，国外目前拥有自己的智能压实系统的公司很多，对其概述及分析如下： 瑞典d y n a p a c 公司n 3 1 和美国c a t e r p i l l a r 公司 1 4 3 这两家公司的智能压实系统只能 用于土壤压实。主要途径是根据压实状态，自动地调节振动轮的振幅，但是整个振动系 统的振动频率还是档位设定的。日本酒井公司口1 的说法，其智能压路机的工作原理是基 于测量被压实材料的动态模量来调整振动轮的振幅，并且能报告硬度值。德国宝马公司 n 5 1 6 1 的智能压实系统是根据被压实材料密实度的变化自动选择合适的振幅以优化激振 力的输出，从而能消除压实材料出现压实不足或者过度压实的现象，提高了密实度的均 匀程度，并且能避免振动轮发生“跳振”现象而引起的骨料破碎和机器损伤，但是其智 能变频系统还是有级调节的。这些公司的技术主要集中在研究压路机的智能控制系统， 或者增加精确的数据采集和文件管理系统，在研究技术参数时则侧重对振幅的研究，而 很少涉及对压实材料和振动压路机振动频率的研究。 国内石家庄铁道学院n 刀开发的y z c l 8 型压路机自动调频系统选用转速传感器监测振 4 长安大学硕士学位论文 动轮的振动频率。控制器以单片机为核心，先测出各种类型土壤在不同碾压遍数下的固 有频率，并将测得的固有频率固化在e - p r o m 中，当现场施工中选择一定土壤类型及碾 压遍数后，微机通过转速传感器、放大器等电路采集其振动频率，并与固化在e - p r o m 中的相应固有频率数据进行比较处理，然后向转换器输出数据，使输送到比例电磁阀的 电流增大或减小，同时液压泵输出流量随之发生变化，从而实现对液压马达转速的自动 控制，达到自动调频的目的。研究石家庄铁道学院的自动调频系统可以看出，其实现自 动调频的主要途径是把不同类型土壤的固有频率固化在e - p r o m 中，在现场压实中，根 据土壤类型和设定压实遍数与固化在e - p r o m 中的相应数据进行比较处理，然后向转换 器输出数据，来控制液压泵和液压马达。随着现在土壤材料的多样性，材料固有频率的 变化也趋于在某个范围之内无规则的变化，所以将压实材料的固有频率固化在e - p r o m 中还是无法实现其随时随处的变化。这样就出现了施工状态下土壤固有频率和固化在 e - p r o m 中的土壤固有频率有偏差的矛盾，从而无法达到真正的自动智能调频的目的。 本试验课题的研究是给自动变频压路机的实现提供初步的试验基础和理论基础。主 要以土壤共振学说为理论依据，根据物理学原理，如果被压实土壤的固有频率和激振机 构的振动频率相一致，则振动压实能得到最佳的压实效果。根据土壤共振学说，在压路 机其他技术参数基本确定的情况下，只研究振动频率对振动压实效果的影响，并根据压 实材料固有频率变化的无规则性，自行设计检测地面振动信号装置，采用从地面上提取 振动压实作业中振动信号的新方法，进一步研究和论证振动压路机的最佳压实频率。 本论文主要研究内容： 1 、收集国内外振动压路机及压实技术发展的资料，提出本论文的研究课题。 2 、在分析振动压实原理和振动压路机的主要技术参数的基础上，从固定点的试验 对振动压路机最佳压实频率试验进行可行性研究。 3 、本论文主要是从地面获取振动信号进行研究，这是一种提取信号的新方式，所 以在采集信号前，对振动压路机压实频率的试验装置进行研究。这是本论文的一个重点。 4 、选取典型压实材料进行试验研究。 5 、分析试验采集的地面振动信号，提出振动压路机最佳压实频率，并且通过对比 试验的结果论证，在每遍压实作业中采用振动压路机的最佳压实频率进行压实时，压实 效果好。这是本论文的又一个重点。 第二章振动压路机最佳压实频率试验的可行性分析 第二章振动压路机最佳压实频率试验的可行性分析 2 1 振动压路机的压实机理 振动压实要取得最佳的压实效果和最高的压实效率，主要取决于一下两个因素n 钔： 由静重产生的静压力和压力波形成的动压力对被压材料产生压实的效果；振动压实对 被压实材料产生的剪应力和压应力；被压实材料内部颗粒的运动状态。振动使被压实 材料间的摩擦力由初始的静摩擦状态逐渐变为动摩擦状态，颗粒间的摩擦力实际上被消 除了，使压实材料更容易被压实。不管是研究振动压路机的动力性能，还是振动压路机 的技术参数，都必须了解振动压路机的压实机理。查阅文献资料n 帕嘞1 ，对振动压路机压 实机理理论表述如下： 土在压实过程中，不论是静力碾压还是振动压实，只有当土中产生的剪切应力大于 土的抗剪强度时，才能够使得土颗粒重新排列，土体被压密变实。即： f 0 ( 2 1 ) 2 2 土壤的各种振动压实学说 土壤的压实性是指土壤在反复冲击载荷的作用下能被压密实的特性。土壤压实的实 质是指土包裹的土料被挤压填充到土粒间的空隙里，排走空气占有的空间，使土料的孔 隙率减少，密实度提高。振动压实用快速、反复连续冲击土壤的方式工作，产生的压力 波从土的表面向深处传播，使土颗粒处于振动状态，颗粒间的摩擦力实际上被消除，在 这种状况下，小颗粒填充到大颗粒的空隙中间，土壤被压密变实。 对土壤振动的压实从理论上来阐述，可以归纳为以下的几种学说：土壤共振学说、 内摩擦减少学说、重复击实学说、土壤液化学说1 2 3 o 这各个学说都能在一定的程度上 解释振动压实现象，但是又没有一种学说能全面说明各种振动压实的实际情况，都需要 不断地补充和完善。国内外的学者都还在不断研究探索更符合实际的新学说，相信随社 会的不断前进，科学技术水平不断发展，人们终究会发现隐藏在未知世界的振动压实理 论。下面简述这几种振动压实学说： ( 1 ) 土壤共振学说3 矧 共振是指振动系统在呈周期性变化的外加驱动力的作用下发生振动，当驱动力的频 率接近或者等于振动系统的固有频率时，系统受迫振动的振幅急剧增大的现象。根据物 理学原理，如果被压实材料的固有频率和振动压路机激振机构的振动频率相等或者相一 致，则振动压实能得到最佳的压实效果。但是由于土壤的物理力学性能各处并不相同， 6 长安大学硕士学位论文 其固有频率是随时随地变化的，因此激振机构的频率必须有一个较大的调节范围。 ( 2 ) 内摩擦减少学说2 2 1 矧 土壤的内摩擦因为振动作用会急剧减少，使其剪切强度下降到只须很小的载荷便能 够很容易地进行压实。为此，需要使振动轮在振动过程中始终保持与土层的紧密接触， 即土壤的振动频率及振幅与振动轮的振动频率及振幅相同，可以获得最佳的压实效果。 在这种情况下，振动轮传给土壤的完全是振动能量，为了使振动轮能保持这样一种最佳 的工作状态，就必须使振动轮不脱离地面。 ( 3 ) 重复击实学说嘲矧 利用振动在土壤上所产生的周期性压缩运动作用使土壤压实，就必须增大压路机在 与土壤接触前一瞬间的动量，即压路机应该具有大的振幅和足够大的振动部分质量。这 一理论在低频范围内，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) ，并无充足的理论依据。 ( 4 ) 土壤液化学说汹1 振动波作用时，被压实材料的颗粒呈现一种高频受迫振动状态，其内部粘聚力和摩 擦力会急剧下降，好像处于一种流动的状态，此即称之为“液化 现象。这种液化现象 使压实材料颗粒之间的相互充填作用加强，并且由于受自重而向着低位能的方向流动， 这就为压实创造了条件。为了使土壤液化充分，就必须施加足够的振动加速度。 土壤的各种振动压实学说都是机械振动压实实践的抽象总结，各家学说都从不同的 角度阐述了振动压实的机理。反过来，振动压实学说又为压实机械振动参数的选择与压 实技术的创新提供了依据。 2 3 振动压路机的主要技术参数 振动压路机是将静力碾压和振动压实相结合的压实设备，其借助偏心块旋转运动所 产生的能量来完成压实作业。振动压路机在进行压实作业时，由于振动轮的振动作用对 被压材料层造成一个往复冲击力，所以每次冲击时都会在被压实的材料中产生一个冲击 波，在产生的冲击波作用下，压实材料颗粒由静止的初始状态转变为运动状态。由于材 料中水分的离析作用，材料颗粒间的摩擦阻力大大降低，对加速颗粒运动就更为有利。 振动压实后，由于颗粒之间的互相填充作用，提高了被压实材料的密实度，颗粒之间的 紧密接触，也加大了被压实材料的内摩擦阻力，使基础的承载力亦随之提高瞳5 1 。 土壤被压实后最终的压实度与抗变形能力，不仅取决于压实材料本身的情况，而且 与振动压路机主要技术参数的选择有关。振动频率和振幅是这些技术参数中两个重要的 7 第二章振动压路机最佳压实频率试验的可行性分析 参数，本小节主要讨论这两个参数。 2 3 1 振动压路机的振幅 研究表明胁，对于土壤压实效果起决定性作用的是振动压路机给予地面的动、静作 用力，振幅越大，土壤颗粒运动的瞬时位移就会增加，振动轮对地面的冲击能量就越大， 振动产生的冲击波在土壤中传播距离亦随之增加，因而压实效果较好。但是太大的工作 振幅，会引起压路机自身的剧烈振动或者造成被压实材料出现离析现象。振动压路机的 工作振幅是受被压实材料刚度影响的，同一振动压路机在不同的压实材料刚度条件下， 工作振幅会不同；压实材料的刚度越大，工作振幅越大。但是被压实材料的刚度是一个 随机性变化的参数，所以工作振幅也是随机变化的。工作振幅是影响压实效果的一个非 常重要的技术参数，与振动频率相比，影响更大。瑞典d y n a p a c 公司根据试验得到的对 于粘聚力不大，颗粒间有相对运动的土的压实度与频率和振幅的关系曲线嘲，如图2 1 所示。 压 实 度 o2 5s o7 s 振动频率( h z ) 图2 1 振幅和频率与压实度的关系 从图2 1 可以看出，当振动频率从2 5 h z 到5 0 h z 范围变化时，振动压实效果曲线呈 平缓趋势。这说明在一定合理的工作频率范围内，工作频率对压实效果的影响不会很大， 但是在同一振动频率区段内，当工作振幅从彳增加到2 a 时，其压实效果曲线会发生跳 跃性的变化。总之随着振幅的增大，土颗粒运动的位移增加，振动轮对地面或者土壤作 用的冲击能量就会增大，振动冲击波在土中传播距离就越远，压实效果明显越好。但振 幅过高时反而会压实效果降低的趋势，其原因是因为振动轮在过大的振动强度作用下已 经脱离了地面，使地面表层受到不规则冲击和过度碾压，使密实度下降。所以要获得最 佳的压实效果，最重要的是恰当选择振动压路机的振动频率和振幅。 长安人学硕士学位论文 2 3 2 振动压路机的振动频率 振动压路机在激振力的作用下使振动轮产生受迫振动，振动频率是指激振器的振动 轴每分钟转动的次数，单位是r a d m i n ，液压振动轴由液压马达驱动，改变液压马达的 流量即就改变振动频率。振动压路机在高频下工作时，由于振动轮在太高的振动速度下 发生脱离地面的现象，这时土壤受到无规则的严重冲击即跳振，从而引起过度碾压使密 实度下降，压实效果降低。为了达到最佳的压实效果，振动压路机振动频率的选择受限 于被压实材料本身的固有共振频率。土壤和砂石混合料的压实原理完全不同，振动频率 的选择也不在同一范围之内，一般土壤和砂石混合料的固有频率是在2 0 - - - 2 6 h z 之间， 当土方材料开始被压实后，其固有共振频率也会相应地稍微提高，为了使振动压路机有 足够的压实能量，能把已被压实材料的密实度进一步提高，一般振动压路机工作频率设 定为压实终了时，被压实材料的固有共振频率。压实土方材料的振动压路机设计频率一 般都定在2 9 ，- - - 3 3 h z 之间；砂石混合料的压实，压路机的最佳振动频率为4 5 一- - 5 5 h z 范围 内。然而对于某一种既定土壤，其共振频域范围非常狭窄，所以振动压路机的振动频率 精确值很难确定，况且由于土壤结构的复杂性及其物理力学的随机性，也使得基于共振 频率设计的振动压路机很难适应工程实际压实作业的需要，压路机振动频率的取值只能 给定一个可供选择的范围。但是振动压路机工作频率范围的选择都是依据计算机仿真的 振动压路机的上、下车位移幅频响应曲线嘲，如图2 2 所示。图2 2 曲线可以看出，频 率在w 1 一- - w 2 范围内，响应曲线呈大起大落趋势，这一区段为振动压路机工作频率的非 稳定区，压路机工作频率不能在此区域内。 上述振动频率理论肯定了振动频率的选择受限制于压实材料的固有频率，其选择应 在压实材料的固有频率范围之内。本论文试验数据的处理，根据压实材料大体固有频率 范围，只研究l o - - 一4 0 h z 频率范围。目前，对振动压路机振动频率研究的一致结论表现 为，压路机工作频率的设定不能在其非稳定区域，其取值只能给定一个可供选择的范围。 对振动频率的研究就停留在这个水平上。 9 第二章振动压路机最佳压实频率试验的可行性分析 图2 2 振动压路机上、下车位移幅频响应曲线 很多研究振动频率的理论都是以土壤共振学说为基础的，既然承认振动频率与材料 固有频率相一致时，振动压实效果最佳，那么目前对于振动频率的无级变化问题就是根 据各种被压实材料的固有频率范围，在振动压路机上实现振动频率的自动设置，但是随 着碾压遍数和碾压位置的不同，压实材料的密实度不同，其固有频率随时都在改变，所 以在振动压路机上要实现振动频率的自动设置必须以压实材料随时随处变化的固有频 率为前提。 压实材料固有频率变化的无规则性，使本课题研究的意义就充分体现出来。由于压 实材料固有频率随时随处的变化，那么从地面上提取振动过程中的信号并研究这个信 号，提出一种新的研究振动频率的方式，即研究振动能量在地面作用后的反射波，从而 提出振动压路机的最佳压实频率。这种方式可以避免压实材料固有频率随时随处变化对 振动频率研究的阻碍，并且这与以前研究振动压路机振动频率不相矛盾，而是从另外一 个角度进行更为深入的研究。在后面的试验结果中，也可以用以前研究结果验证该方式 的可行性。 2 4 试验课题的可行性分析 从文献资料学习表明瞳钔，目前对振动压路机振动频率的研究都是以土壤共振学说为 理论依据，认为振动压实的最佳压实效果就发生在振动压路机的振动波足以使土壤发生 共振现象的状况下，此时振动压路机振动频率的确定是以“机一土 振动系统的动态响 应曲线为依据，将振动频率设定在压实作业接近终了时，振动压路机的稳定工作区域。 然而在振动压实的过程中，每一遍压实振动轮与土壤的平衡条件都会发生明显的变 化，由于土壤结构成分的多样性及其物理力学性能的随机性，土壤的固有频率是随时随 l o 长安大学硕士学位论文 处变化的，这种变化规律极其复杂，其中存在很多不确定的因素，所以从精确研究土壤 固有频率的角度去设定振动压路机的振动频率是不现实的。 本试验课题避开了上述文献资料所出现的矛盾，研究能否直接从被压实土壤中采集 信号，探索每遍压实作业的最佳压实频率，以达到指导振动压路机振动频率调节的目的。 2 4 1 固定点采集数据分析 由于固定点采集的振动信号能真实反应“机一土振动系统的变化情况，而且在采 集振动信号的过程中，干扰因素比较少，所以在研究试验装置之前，先做固定点采集振 动信号的试验，论证采用每遍最佳压实频率进行压实作业，压实效果会比定频压实的效 果好。 固定点采集数据采用打桩法将加速度传感器埋入土壤中，这样就可以使信号采集装 置与土壤形成一个系统，从而保证采集的振动信号是可靠的、真实的。具体试验是：将 加速度传感器吸附在一根轴上，并将其埋在距振动压路机1 5 厘米处的前后方各一个， 振动压路机在原地定频振动，然后检测土壤的振动频率及其对应振幅。由于实际中采用 的变频器无法实现连续变频，所以选取1 0 个不同的渐进振动频率进行振动，并且保证 每次压路机的振动点的选择土壤有相同的密实度，以确定试验初始条件相同。具体试验 数据如下表2 1 所示。 表2 1 的数据和图2 3 的曲线中可以看出：随着振动频率的增大，加速度幅值出现 了两个峰值。查阅文献资料可以分析，2 3 h z 左右这个频率刚好是土壤的固有频率范围， 在2 3 h z 附近出现幅值增大，说明此时激振频率与土壤的固有频率相一致，土壤在冲击 波的作用下达到共振状态，此时吸收的能量最大，所以加速度幅值最大；3 0 h z 左右这个 频率不是土壤的固有频率范围，但是在3 0 h z 附近也出现幅值增大的现象，是因为随着 振动压路机振动频率的不断增大，压路机所消耗的功率增大。若再继续增大振动频率， 土壤对振动轮的动反力很大，导致出现振动轮与土壤脱藕的“跳振 现象，振幅也随之 下降。 第二章振动压路机最佳压实频率试验的可行性分析 表2 1 频率振幅关系表 设定频率 实际频率振幅设定频率实际频率 振幅 1 0h z1 0 2 5h z0 2 6 61 0h zl o 2 5h z0 3 0 5 1 3h z1 3 1 8h zo 9 81 3h z1 3 1 8h z0 8 7 1 5h z1 5 1 4h z1 4 31 5h z1 5 1 4h z 1 5 l 1 8h z 1 8 0 7h z1 8 91 8h z1 8 0 7h z 1 7 6 2 0 h z2 0 0 2h z2 1 32 0h z2 0 0 2h z2 0 9 2 3h z2 2 9 5h z2 7 72 3h z2 2 9 5h z2 6 3 2 5h z2 4 9 0h z2 3 62 5h z2 4 9 0h z2 3 3 2 8h z2 7 8 3h z2 6 32 8h z2 7 8 3h z2 5 8 3 0h z2 9 7 9h z2 8 63 0h z2 9 7 9h z2 7 6 3 2h z3 1 7 4h z2 4 53 2h z3 1 7 4h z2 5 5 图2 3 定点采集的幅频特性曲线 根据试验出现两个幅值最大的对应频率，再进一步做分别用这两个振动频率进行压 实的压实效果对比试验。在土壤初始条件都相同的情况下，一组试验用土壤的固有频率 进行压实，考虑到随着土壤密实度的增加，土壤的固有频率随之增加的缘故，在用土壤 固有频率进行压实时，每遍压实之后，固有频率增加0 3 h z 。另一组试验则采用发生跳 振之前的频率对土壤进行压实作业，同样也将频率增加0 3 h z 进行压实，设定频率如下 2 2 表所示。 长安大学硕士学位论文 表2 2 振动频率选择 第一条士道振动频率 第二条土道振动频率 设定频率实际频率设定频率实际频率 2 2 7 h z2 2 7 1 h z2 9 4 h z2 9 3 h z 2 3 h z2 3 0 4 h z 2 9 7 h z2 9 7 9 h z 2 3 3 h z2 3 4 4 h z3 0 o h z2 9 7 9 h z 2 3 6 h z2 3 9 3 h z3 0 3 h z 3 0 2 7 h z 2 3 9 h z2 3 9 3 h z3 0 6 h z 3 0 7 6 h z 在每次压实作业之后，用环刀法对土壤进行采样，求得此遍土壤的密实度，试验数 据如表2 3 和2 4 所示，最终以土壤的密实度来评定压实效果的好坏。 表2 3 一号土道压实度 一号土道 取样点环刀加环刀重湿土加铝盒重干土加含水量干容重压实度平均压 湿+ 雷 铝盒重铝盒重实度 一号 2 7 8 1 98 8 9 94 5 9 91 6 3 94 2 5 9 1 2 9 8 1 6 1 9 m 8 7 1 7 8 8 5 2 样点 2 6 5 5 9 8 5 93 0 91 6 4 92 8 9 9 8 8 0 1 6 6 9 m 8 9 8 7 二号 2 8 4 3 98 8 9 93 0 9 91 6 7 92 9 2 9 1 3 6 1 7 2 9 m 9 3 1 2 9 2 8 5 样点 2 8 2 1 98 5 94 9 3 91 6 4 94 4 9 9 1 5 4 4 1 7 1 9 m 9 2 5 8 三号2 8 2 4 98 8 9 93 1 1 91 6 3 92 9 6 9 1 1 2 8 1 7 4 9 m 9 4 2 1 9 3 4 0 样点 2 7 6 1 98 5 95 0 7 91 6 5 94 6 9 9 1 2 5 1 7 1 9 m 9 2 5 8 四号2 8 5 8 9 8 8 9 9 4 2 1 91 5 8 93 9 o g 1 3 3 6 1 7 4 9 m 9 4 2 1 9 3 9 4 样点 2 8 3 7 98 5 95 1 4 91 5 4 94 6 8 9 1 4 6 1 7 3 9 m 9 3 6 7 五号 2 8 7 9 98 8 9 93 5 9 91 7 1 93 3 6 9 1 3 9 4 1 7 5 9 m 9 4 7 5 9 4 4 8 样点 2 8 2 9 9 8 5 93 7 1 9 1 5 5 9 3 4 5 9 1 3 6 8 1 7 4 9 m 9 4 2 1 第二章振动压路机最佳压实频率试验的可行性分析 表2 4 二号土道压实度 二号土道 取样点环刀加环刀重湿土加铝盒重干土加 含水量 干容重压实度平均压 湿+ 重 铝盒重 铝盒重实度 一号 2 6 1 9 98 5 93 9 8 9 1 5 5 9 3 6 9 9 1 3 5 5 1 5 5 9 m 8 3 9 2 8 4 7 3 样点 2 7 4 4 98 8 9 92 8 9 91 5 6 92 7 5 9 1 1 7 6 1 5 8 9 m 8 5 5 4 二号 2 7 8 8 98 5 93 7 6 91 5 7 93 4 7 9 1 5 2 6 1 6 5 9 m 8 9 3 3 8 9 6 1 样点 2 7 2 9 98 8 9 93 1 5 91 6 8 92 9 8 9 1 3 0 8 1 6 6 9 m 8 9 8 8 三号 2 8 5 2 98 5 93 1 5 91 6 6 92 9 7 9 1 3 7 4 1 7 2 9 m 9 3 1 2 9 3 9 4 样点 2 8 5 3 98 8 9 93 2 1 91 5 6 93 0 o g 1 4 5 8 1 7 5 9 m 9 4 7 5 四号 2 8 1 9 98 5 94 4 4 91 6 94 0 6 9 1 5 4 4 1 7 4 9 m 9 4 2 1 9 3 9 5 样点 2 8 7 9 98 8 9 93 7 9 91 6 4 93 5 1 9 1 4 9 7 1 7 3 9 m 9 3 6 7 五号 2 7 7 9 98 5 9 3 2 3 9 1 5 7 93 0 4 9 1 2 9 3 1 7 2 9 m 9 3 1 2 9 3 6 7 样点 2 8 5 9 98 8 9 93 1 5 91 5 6 92 9 6 9 1 3 5 7 1 7 4 9 m 9 4 2 1 图2 4 一号土道密实度曲线 图2 5 二号土道密实度曲线 1 4 长安大学硕士学位论文 对图2 4 和2 5 两条密实度曲线的分析可以得出结论：采用土壤固有频率进行压实 时，土壤的密实度随着碾压遍数的增加而增大，并且未出现递减趋势，如果再继续增加 压实频率和碾压遍数，土壤的密实度有可能再提高。在采用发生“跳振 现象的临界频 率进行压实时，土壤密实度随着碾压遍数的增加而增大，但是当振动频率达到一定值时 ( 图2 5 中为3 0 h z - 3 0 3 h z ) ，密实度的变化很小甚至不再增加，再继续提高压实频率 时( 图2 5 中为3 0 6 h z ) ，土壤的密实度会下降，这样压路机不仅消耗的能量大，而且 压实效果也会下降。 综上所述，通过对固定点采集振动信号的试验数据分析可知，在进行压实作业时， 为了使土壤有好的压实效果，应当选用土壤的固有频率进行压实，这与前面理论部分的 阐述是相吻合的。同时考虑土壤的固有频率随着碾压遍数的增加而增大，每遍压实采用 一个呈不断增大趋势的振动频率，压实效果由对比试验论证比采用其他频率的要好，所 以采用每遍最佳压实频率进行压实的方法是可行的。 2 4 2 固定点数据和拖带装置上滚轮数据比较分析 上小节论证了在压实作业过程中，根据共振理论采用每遍最佳压实频率进行压 实，压实效果好。但是在施工现场进行压实时，土壤结构成分及物理力学性能是随处 变化的，这种状况下采用固定点采集数据进行研究只能反应固定点周围土壤的振动状 况，在工程实际中不具有普遍使用性。 由于固定点采集数据的局限性，所以本课题在进行试验中，设计可以跟随振动压 路机行走的拖带装置，这个装置能和压实材料紧密接触，这样既能保证采集的振动信 号能反应被压实材料的真实振动状况，而且采集的数据是实时检测的，更接近施工作 业要求。为了说明这种拖带装置上采集的振动信号能真实反应被压实材料振动情况， 做了和固定点数据的比较分析。 试验土壤段上，在振动压路机前方与安装拖带装置的信号采集机构平行的地面上 深埋一根铁棍，铁棍上安装传感器采集信号视为固定点采集振动信号，分析比较固定 点数据和拖带装置滚轮上数据，如表2 5 所示。分析图2 6 曲线，距振源相等距离处， 拖带装置滚轮a 1 加速度幅值曲线和固定点a 2 曲线的走势基本相同，而且在同一个频率 处，a 1 的幅值小于a 2 的幅值，这与理论相符，因为在距振源相等距离处，振动波作用 地面后到滚轮上有一定的能量消耗，所滚轮上的幅值必定小于固定点的幅值。以上分 析可以看出，从设计拖带装置滚轮上采集的信号能真实地反应地面土壤的振动情况， 是可行的。 第二章振动压路机最佳骶实频率试验的可行性分析 表2 5 固定点和拖带装置滚轮的幅值 振动频率( h z )振动轮幅值a o滚轮上幅值a l固定点幅值a 2 2 3 41 2 91 93 2 2 4 4 1 4 834 1 2 5 41 6 23 25 3 2