（机械电子工程专业论文）压路机无级调节洒水系统设计.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 洒水系统用来防止轮子表面粘结沥青，其技术性能的优劣、可靠性的高低直 接影响到路面压实质量和生产效率，关系到压路机能否被用于高等级公路的沥青 面层施工作业。论文结合国内外振动压路机的实际情况，研究了振动压路机的洒 水系统和它们存在的优点和不足，设计并实现了一种可无级调节洒水流量的洒水 系统。 论文主要研究了以下几个方面的内容： ( 1 ) 介绍了压实的原理和影响因素，洒水量与沥青路面损坏的定性关系。通 过施工试验初步确定了洒水系统无级调节精度控制范围，为洒水系统的设计提供 了依据。 ( 2 ) 给出了无级调速洒水系统的总体设计方案。明确了洒水系统的研制目标， 分析了主要技术问题，提出了以电液比例阀为核心的无级调节洒水系统设计方案 及其电气实现方案。 ( 3 ) 从工程应用角度出发，较为深入地研究了电液比例阀流量调节技术。在 分析节流阀调节原理和洒水量无级调节原理的基础上实现了基于p i d 调节器的洒 水系统双闭环控制，克服了单闭环系统在使用过程中表现出来的缺陷，并对电液 比例阀电气系统工程实现的关键技术问题进行了研究。 ( 4 ) 分析了压路机洒水系统的失效原因，并给出了提高系统可靠性的措施。 洒水系统失效是工程中易发问题，论文分析了失效机理，从设计、生产、维护保 养三个方面给出了提高系统可靠性的具体措施。 关键词：振动压路机，洒水系统，电液比例阀，无级调节，脉宽调制 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t w a t e r s p r i n k l e rs y s t e mi su s e dt op r e v e n ts u r f a c eo fw h e e l sf r o mf e l t i n ga s p h a l t ，i t s c a p a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yd i r e c t l yi m p a c tt h eq u a l i t yo fr o a ds u r f a c ea n de f f i c i e n c y , a n d c o n n e c tw i t hw e a t h e rt h er o a dr o l l e ri su s e df o rw o r k i n ga tt h ea s p h a l tl a y e ro fa l t i t u d e r o a d c o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a ls i t u a t i o no fi n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i cv i b r a t o r y r o a d - r o l l e r ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h es p r i n k l e rs y s t e mo fv i b r a t o r yr o a d r o l l e ra n d i l l u m i n a t e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e m ，t h ep u t sf o r w a r das p r i n k l e r s y s t e mw i t ha d j u s t a b l es p r i n k l i n gf l o wr a t e t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep a p e rd e t e r m i n e st h ec o n t r o l l i n gp r e c i s i o ns c o p eo fa d j u s t a b l es p r i n k l i n g f l o wr a t eb yi n t r o d u c i n gt h ep r e s s i n gt h e o r ya n dk e yf a c t o r s ，a n dt h ec o n n e c t i o n b e t w e e nw a t e r i n ga n da s p h a l t e dr o a ds u r f a c eq u a l i t y , ( 2 ) t h eg e n e r a ls c h e m eo fa d j u s t a b l es p r i n k l i n gf l o wr a t ed e t e r m i n e st h er e s e a r c h a i m ，a n a l y z e st h ek e yt e c h n o l o g y ，a n dp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i s f o rt h ed e s i g no f s y s t e mw i t l la d j u s t a b l es p r i n k l i n gf l o wr a t e ( 3 ) f r o mt h ee n g i n e e r i n gp o i n to fv i e w ，t h ep a p e rs t u d i e st h et e c h n o l o g yo f a d j u s t i n gt h ef l o wr a t ea n da n a l y z e st h et h e o r yo fat h r o t t l ea n ds y s t e ms t e p - l e s s a d j u s t m e n t b a s e d - o nt h i st h ep a p e rr e a l i z e st h ed o u b l ec l o s e d - l o o pc o n t r o lo fp i d c o n t r o l l e ra n dr e s e a r c h e st h e k e yt e c h n o l o g y o fr e a l i z i n gt h e e l e c t r o - h y d r a u l i e p r o p o r t i o n a lv a l v ep r o j e c t ( 4 ) i nt h i sp a p e r , t h ea n a l y z i n go f t h ei n v a l i d a t i n gc a u s eo fw a t e rs p r i n k l e rs y s t e mi s g i v ea n dp u t t i n gf o r w a r dt h er e s o l v i n g b e c a u s ei n v a l i d a t i o no fw a t e rs p r i n k l e rs y s t e m i st h ef a m i l i a rp r o b l e m ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ei n v a l i d a t i n gc a u s e ，a n dp u t sf o r w a r dt h e s e t t l e m e n to fi m p r o v i n gt h es y s t e mc a p a b i l i t yf r o mt h ep o i n t so fd e s i g n i n g , p r o d u c i n g a n dm a i n t a i n i n g k e yw o r d s ：v i b r a t o r yr o a d r o l l e r , w a t e rs p r i n k l e rs y s t e m ，e l e c t r o n y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lv a l v e ，s t e p l e s sa d j u s t m e n t ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) 第i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图表目录 图1 1国产型号压路机i 的洒水系统原理图2 图1 2国产型号压路机i i 的洒水系统原理图2 图1 3 德国宝马压路机的洒水系统原理图3 图2 2 振动压路机数学模型8 图2 3 沥青混合料内力分布图。1 2 图2 4 沥青混合料约束力分布图1 2 图2 1沥青剥落过程示意图1 4 图3 1 双钢轮压路机无级调节洒水系统原理示意图1 9 图3 2 双钢轮压路机无级调节洒水系统结构示意图2 0 图3 3 三级过滤器的外形图2 l 图3 4 电液比例控制系统组成2 2 图3 5 德国宝帝公司的d s 2 8 3 5 型电液比例阀实物图2 3 图4 1 比例电磁铁结构示意图2 6 图4 2 比例电磁铁磁路及行程力特性2 7 图4 3 电液比例阀洒水量开环调节原理示意图2 8 图4 4 电液比例阀洒水量开环调节系统控制结构框图2 8 图4 5 扫频试验的硬件系统图2 9 图4 6 扫频试验所得数据3 0 图4 7 扫频数据转换流程图3 0 图4 9 系统辨识工具箱界面3l 图4 1 0 所辨识模型的开环b o d e 图。3 2 图4 1 1 所辨识模型的开环阶跃相应图3 2 图4 1 2 电液比例阀无级洒水系统闭环控制原理示意图3 3 图4 1 3 电液比例阀无级洒水系统闭环控制原理框图3 3 图4 - 1 4 电液比例阀无级洒水系统p i d 调节闭环控制框图3 3 图4 1 5p i d 控制器的闭环控制阶跃响应仿真效果3 4 图4 1 6 洒水系统p i d 闭环控制阶跃响应试验实测效果。3 4 图4 - 17 比例放大器3 6 图4 1 8 宽调制技术电压电流波形图3 8 图4 2 0p w m 放大器的结构3 9 图4 2 lh 型桥式电路。3 9 图5 1 无级调节洒水系统测试系统原理示意图4 4 第页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 2 电压流量的离散数据及拟合控制曲线4 6 表5 1 电压一流量对应数据4 5 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而是用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：日期：乡饥酊年i7 月扩自 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部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、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：日期：d 刊 厂年i1 月踞 作者指导教师签名： 垒! l 型终 日期：妒驴年z 1 月了日 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 1 1 课题名称及来源 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题来源于对我公司生产的双钢轮压路机设备第二代产品y z c l 2 b 型升级 研发任务。双钢轮压路机在作业过程中，需要在钢轮的外表面洒适量的水，防止 钢轮粘沥青混合料。洒水量的大小控制得是否合适对沥青路面的压实质量起着决 定性作用。第一代双钢轮压路机y z c l 2 型洒水控制系统在实际使用中缺乏对洒水 量的有效控制，针对这一不足，开展了这一课题的研究，旨在设计出具有国际先 进水平的洒水系统，以提高产品市场竞争力。 1 1 2 研究意义 洒水系统用来防止轮子表面粘结沥青，其技术性能的优劣、可靠性的高低直 接影响到路面压实质量和生产效率，关系到压路机能否被用于高等级公路的沥青 面层施工作业。过量的洒水会过快地降低沥青材料的温度，影响压实质量，浪费 水资源；洒水不足或喷洒不均匀会造成钢轮表面粘结沥青，也同样影响压实质量、 作业效率和生产效率。由此可见，设计一种能在司机室内转动旋钮就能精确控制 洒水量大小的洒水系统是非常必要的。 1 2 国内外压路机洒水系统的现状及应用前景 1 2 1 国内外压路机洒水系统的现状 振动压路机分为单钢轮压路机和双钢轮压路机两大类【啦，3 】，单钢轮压路机重量 较重，激振力大，主要用于基础层的压实，可以用刮泥板刮去钢轮上沾的泥土或 混凝土，一般不配备洒水系统。双钢轮压路机重量较轻，激振力较小，主要用于 沥青路面面层的压实，对路面的表面质量起决定作用。而双钢轮压路机的洒水系 统对施工质量起着十分重要的作用。双钢轮压路机通过采用电液比例阀对洒水量 进行无级调节，可精确控制洒水量，达到较好的施工效果。 国内外压路机洒水系统大致有两种形式p 】：一种形式是只能实现洒水和断水， 不能调节洒水量；另一种形式是通过时间继电器控制洒水时间和断水时间来调节 洒水量。上述两种形式存在很多弊端。 洒水系统用来防止轮子表面粘结沥青，其技术性能的优劣、可靠性的高低直 接影响到路面压实质量和生产效率，关系到压路机能否被用于高等级公路的沥青 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 面层施工作业。过量的洒水会过快地降低沥青材料的温度，影响压实质量，浪费 水资源；洒水不足或喷洒不均匀会造成钢轮表面粘结沥青，也同样影响压实质量、 作业效率和生产效率【4 1 。 不能调节洒水量的洒水系统，洒水量由水泵的排量和喷头出口的压力决定， 水泵的排量由它的排量系列所决定( 非调节泵) ，设计时根据双钢轮压路机的钢 轮宽度和直径的大小，压路机工作时的行走速度的大小，喷头的数量来确定洒水 系统所需的泵的排量。实际选定泵的排量时，不可能正好有设计要求的排量大小 的水泵可供选择，只能选择与设计要求的排量大小相近的水泵，这样就使得洒水 系统的洒水量不是大了就是小了，在设计上就存在不足。以国产某型号的压路机 i 为例，图1 1 是其洒水系统原理图。 1 水泵2 洒水管及喷头3 滤水器4 水箱 图1 - 1国产型号压路机i 的洒水系统原理图 该系统由水箱、水泵、滤水器、洒水管及喷头组成，前、后两个钢轮各配备 一套洒水系统。由于没有更小排量的水泵可供选择，该系统水泵的排量较大，导 致洒水太大，影响施工质量。 1 水泵2 洒水管及喷头3 止回阎4 滤水器5 水箱 图l - 2 国产型号压路机i i 的洒水系统原理图 图1 2 是国产某型号的压路机i i 的洒水系统原理图。该系统由前、后两个水箱、 水泵、滤水器、洒水管及喷头组成，前后两个水箱通过三通连接在一起，前后两 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 根洒水管也通过三通连接在一起，这种系统采用一个水泵向前后钢轮的两根洒水 管供水，另一个水泵作为备用水泵，当一个水泵损坏时，另一个水泵能正常工作， 由于水泵的损坏对洒水系统以及施工作业的影响是致命的，所以这种设计理念是 一个水泵发生故障不会影响正常的施工作业，而两个水泵同时损坏的概率非常小， 故这种系统提高了洒水系统的可靠性。同时一个水泵同时向前后钢轮的两根洒水 管供水，减小了钢轮单位面积的洒水量，其理论值是图1 1 中的一半，但是存在洒 水量不够或需增加水泵的排量的缺点。 德国宝马压路机的洒水系统是通过时间继电器使水泵洒几秒钟后又停止几秒 钟的洒水系统，其原理图见图1 3 。 1 水泵2 洒水管及喷头3 滤水器4 水箱 图1 - 3 德国宝马压路机的洒水系统原理图 这种系统通过时间继电器设定水泵的工作时问和停止时间达到调节洒水量的 目的，一般需设定多个工作时间和停止时间以供不同工况选择。水泵工作几秒钟 后又停止几秒钟，水泵频繁地通断，影响水泵的使用寿命。当水泵损坏时，洒水 系统不能工作，影响生产效率。同时经常更换水泵，增加生产成本。 本文设计的洒水系统通过采用电液比例阀对压路机的洒水量进行无级调节， 可精确控制洒水量，达到较好的施工效果。能够解决上述两种洒水系统的不足。 1 2 2 电液比例阀控制技术发展 电液比例控制技术作为连接现代微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥 梁，已经成为现代控制工程的基本技术构成之一，在近2 0 年中得到了迅速发展 【5 ，6 ，7 1 。它与传统的电液伺服技术相比，具有可靠、节能和廉价等明显特点，已应用 于相当广泛的领域，形成了颇具特色的技术分支。目前，已引起工程控制界的密 切而广泛重视，在机电液一体化和工程设备实现计算机控制的技术革命过程中， 电液比例控制技术将获得更新、更快的发展。 电液比例阀是介于开关型的液压阀与伺服阀之间的一种液压组件【7 1 。它可以接 收电信号的指令，连续地控制液压系统的压力、流量等参数，使之与输入电信号 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 成比例地变化。它可以用于开环系统中实现随液压参数的遥控，也可以作为信号 转换与放大元件用于闭环控制系统。与比例阀配套供应的电控制器，要具有断电 保持功能，控制信号中要迭加高频小振幅的颤振信号，以克服摩擦力，保证控制 灵活，要有斜坡信号发生器，以便控制压力变化，速度或位移部件的加速度，有 效防止惯性冲击：要有函数发生器，还可补偿死区特性。与电液伺服阀相比，电液 比例阀的优点是价廉、抗污染能力强。除了在控制精度及相应快速性不如伺服阀 外，其它方面的性能和控制水平与伺服阀相当，其动、静态性能足以满足大多数 工业应用的要求。因此，比例阀更为广泛地获得应用。在高精度、快速响应等高 技术领域传统上是伺服阀的市场。但现在闭环比例技术也是一种新的选择。电液 比例阀与传统的液压控制阀比较，虽然价格较贵，但由于其良好的控制水平而得 到补偿。因此在控制较复杂，特别是要求有高质量控制水平的地方，传统开关阀 就逐渐由比例阀或数字阀来代替。 电液比例控制系统主要有以下特点【6 8 1 ：可明显地简化液压系统，实现复杂 程序控制，降低费用，提高了可靠性，可在电控制器中预设斜坡函数，实现精确 而无冲击的加速或减速，不但改善了控制过程品质，还可缩短工作循环时间：利 用电信号便于实现远距离控制或遥控。将阀布置在最合适的位置，提高主机的设 计柔性；利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标；能按比例控制液流 的流量、压力，从而对执行器件实现方向、速度和力的连续控制，并易实现自动 无级调节。 比例阀分为压力、流量、方向控制三大类，近年来出现了复合化趋势，极大 地提高了比例阀的工作频宽【8 9 】。减压阀或溢流阀的压力补偿功能块组合，构成电 反馈比例方向流量复合阀，可进一步取得与负载协调和节能效果。这种高性能的 电反馈比例液压元件将在高精度、快响应的比例控制系统中获得广泛应用。由比 例方向节流阀和定差减压阀组成压力补偿型比例方向流量阀，被控制量是输出流 量，与输入控制电流成正比，可连续比例地控制液压缸，而与供油压力、负载压 力、回油压力变化无关，它与压力阀组合在一起，就构成了可同时实现液流方向、 流量多参数控制的比例复合阀。电液比例复合阀我国生产的品种少，而国外很多， 如德国力士乐产品系列的控制特性、抗污染性、可靠性和经济性，已成液控技术 发展趋势，具有广阔的市场前景。其稳态性能的滞环、重复精度、分辨率、非线 性等与一般工业用电液伺服阀几乎相当，但动态响应比伺服阀稍低，在较大的参 数调节范围内运行，故控制回路中的非线性因素不能忽略。 综上所述，由于电液比例控制技术具有可靠、易控、节能、廉价、精度高、 工作平稳等明显而独特的优点，本论文将其作为首选的洒水系统无级调节控制技 术。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 3 应用前景 近年来，我国公路交通事业得到了飞速的发展，按照交通部2 0 1 0 年远景规划， 根据“统筹规划、条块结合、分层负责、联合建设 的原则，预计到2 0 1 0 年将建 成“五纵七横约3 5 万公里的国道主干线，逐步形成一个与国民经济发展同步的 快速、高效、安全的公路网络。交通部提出的“十一五”公路发展目标是，五年公路 总里程增加3 8 万公里，高速公路增加2 4 万公里，二级以上公路增加1 3 万公里， 县乡公路增加3 0 多万公里，新建农村公路1 2 0 万公里，基本实现乡镇和建制村通 沥青( 水泥) 路。国务院通过的国家高速公路布局规划中，到2 0 2 0 年，将建 成“7 9 1 8 网”总长度约8 5 万公里高速公路。公路网络的建成将会对我国的经济 发展起到很大的促进作用。为了加速公路建设，提高路基、路面的强度以及保证 路面的使用质量，必须对路基和路面的各个结构层进行压实。在现代化的公路施 工中，压实主要靠各种压实机械来完成，因此，压实机械的地位就显得尤为重要， 它们是保证公路施工质量和效率的关键因素。双钢轮压路机主要用于压实沥青面 层，我国公路交通事业的迅猛发展对双钢轮的需求是非常迫切和数量十分巨大的。 实现洒水系统无级调节系统设计，可有效提高压路机工作效率和提高质量， 特别是提高高等级公路施工质量。同时，也是提升现有双钢压路机产品的市场竞 争力技术改造的重要手段之一。 1 3 论文研究内容及章节安排 论文首先从理论上分析了调节水量对压路机施工质量的影响分析，为洒水系 统的正确设计奠定了理论基础，该部分内容主要在第二章展开。 其次，根据研究目标，给出了洒水系统的总体方案设计，这部分内容在第三 章展开。 再次，针对洒水系统开发的具体关键技术电液比例阀流量调节方法进行 了研究，建立了比例阀流量控制的模型，设计了p i d 控制参数并进行了仿真，在 此基础上，对p i d 参数进行了实验参数的整定。论文还设计了相关的电路。这部 分内容在第四章展开。 洒水系统失效是工程中易发问题，本文在第五章给出了失效机理分析，并从 设计、生产、维护保养三个方面给出了具体改进措施。 第六章对全文进行了总结，并为进一步研发进行了展望。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章调节水量对压路机施工质量的影响分析 2 1 沥青路面压实的重要意义及基本方法 2 1 1 压实的重要意义 压实使路基及路面各结构层的材料具有足够的密实度，这对于公路的路基、 路面具有十分重要的意义1 1 0 , 1 1 , 1 2 j 。压实可以充分发挥路基土和路面材料的强度，可 以减少路基、路面在行车载荷作用下产生的永久变形，还可以增加路基土和路面 材料的不透水性和强度稳定性【l 。压实的这几大作用，对于增强道路路面的使用 性能和延长寿命是非常重要的。实践证明，以高标准进行路基、路面的压实，是 保证路基、路面应有强度和稳定性的一项最经济有效的技术措施【1 1 1 。 振动压路机适宜于压实各种非粘性土壤、碎石、碎石混合料以及各种沥青混 凝土等，是公路、机场、海港、堤坝、铁路等建筑和筑路工程必备的压实设备【l 引。 近几年来高速公路，新农村建设等项目的大力实施，使得压路机得到了十分广泛 的运用，有力地促进了压路机的新技术的不断改进。随着我国高速公路建设的迅 猛发展，各类工程施工技术日益复杂，施工质量要求愈来愈高。对于压路机等道 路施工机械，不仅要求它们具有高的生产效率，而且还要达到较高的施工质量。 双钢轮压路机的无级调节洒水系统就是为了提高压路机的施工质量而提出的。 2 1 2 压实的基本方法 压实是通过施加外力使被压实材料提高密实度的过程【1 4 , 1 5 】。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，使各个颗粒发生位移，互相靠近。铺筑材料经压 实后，密实度增加。 压实的基本方法通常有：滚压、夯实和振实。 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，材料的密实度增加，而永久残留变形减小，最 后达到实际残留变形等于零。滚压的特点是，循环延续时间长，材料应力状态的 变化速度不大，但应力较大。 夯实是利用一物体从某高度上自由下落时产生的冲击力，把材料压实。当自 由下落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。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，特 别是对粘性土壤有较好的压实效果。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 振实是将固定在物体上的振动器所产生的高频振动传给被压材料，使其产生 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 颗粒充填到大颗粒材料的孔隙中，材料处于容积尽量小的状态，压实度增加。振 实的特点是，表面应力不大，过程时间短，加载频率大。目前关于振动压路机振 动机理的研究有如下几种学说【1 3 , 1 4 , 1 5 ( 1 ) 内摩擦减小学说：由于振动作用使被振压 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：当振动频率与被压实材料的固有频率相一致时， 压实达到最佳效果。( 3 ) 反复载荷学说：振动所产生周期性压缩运动作用，使被压 实材料受反复载荷作用，达到压实目的。( 4 ) 交变剪应变学说：利用土力学交变剪 应变原理，振动使土壤产生剪应变，使被压实材料的颗粒重新排列而达到密实效 果。这些观点在各自的条件下解释了某一类振动压实现象。 压路机在进行沥青铺层碾压时，可以划归为滚压压实范畴。施工时，洒水系 统向碾压轮子的表面均匀喷水，在轮子表面上形成均匀的覆盖水层，以防止轮子 表面粘结沥青影响压实质量。洒水量太多和太少了都会影响沥青路面的施工质量。 2 2 影响振动压实效果的主要因素分析 双钢轮振动压路机主要用于压实面层，影响其振动压实效果的主要因素有：被 碾压材料的级配、碾压温度、碾压层的厚度、压实机械的类型和功能、碾压遍数 以及路基的强度与性质等。 ( 1 ) 被压实材料对压实效果的影响 首先，被压实材料的级配对碾压后所能达到的压实度有明显的影响。为了提 高路面结构层材料的强度、减少其孔隙率、增加使用过程中的稳定性，要求用作 路面结构层的集料具有良好的级配。如果集料的级配有较大的变化，对应于一定 的压实功来说，集料的孔隙率就会变化。其结果是，虽然压实机械没有改变，集 料的压实度却不同了，甚至某些路段虽然碾压多遍，仍未能达到规定的压实度要 求。因此，施工过程中，必须严格控制级配。 其次，碾压温度直接影响沥青混合料的压实质量。混合料温度较高时可用较 少的碾压遍数获得较好的压实效果。第三，被压实材料的厚度对压实也有一定的 影响。碾压层的厚度应与所用压路机的质量或功能相适应。碾压层过厚，非但该 层下部的压实度达不到要求，而且该层上部的压实度也会受到不良的影响。如果 铺层过薄，沥青混合料的温度会很快降低，也难以达到高的压实度。 ( 2 ) 压实机械对压实效果的影响 振动压路机的压实过程是复杂的随机过程，压实过程中，“压路机一被压实 材料 组成的振动系统的基本参数是动态变化的。理论上双钢轮振动压路机约有 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 6 7 个自由度，但是由于被压材料的随机性和数学处理及简化的局限性，常常把 振动系统简化为具有两个自由度的数学模型，它基本上可以真实的反映系统的实 际动态响应【1 3 , 1 4 , 1 9 , 2 0 2 。模型如图2 2 所示。 图2 - 2 振动压路机数学模型 假设： ( a ) 在模型中，假设被压实材料是具有一定刚度的弹性体，其刚度为恐，阻尼 为o ，阻尼为线性阻尼。 ( b ) 振动压路机的上、下车的质量简化为具有一定质量的集中质量块。上车为 m l ，下车为m 2 。 ( c ) 振动压路机工作的任一个瞬时，振动轮都保持与地面紧密接触。 图中：m i 上车质量；朋2 下车质量( 振动质量) ；硒减振器刚度；局 被压材料刚度；白减振器阻尼；c 2 一被压材料阻尼；昂一激振力； 凡一下车对地面作用力；工作频率；蜀上车瞬时位移( 瞬时振幅) ；局 下车瞬时位移。 通过模型，列出“压路机一土 振动系统的运动方程： m 2 冀+ ( g + c 2 ) 岛+ ( k i + k 2 ) x z c i 毫一k l 五= f os i n c o t ( 2 一1 ) m l - 譬1 + c i x i + k 1 x l c l j 2 一k l x 2 = 0 ( 2 2 ) 磊= m e 国2 = m f r ( 0 2 ( 2 3 ) 式中：托一偏心块的静偏心矩；研厂一偏心力；r 偏心块的偏心矩：微分 方程( 2 - 1 ) 、( 2 2 ) 的解为： 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 五= 瓦 黼 i ，2 五= e 黼 i ，2 。= 留。1 鲁一留一i 。石d ) ：= 留石b 2 一培一z 。石d ) 其中：咖厂一激振力f o 与上车位移之间的相位角。 咖广激振力f o 与下车位移之间的相位角； 4 = k i m a c 0 2 ；蜀= q 缈；4 = k i ；b 2 = c l 缈； c = m 2 r r t t e ) 4 - m 2 k ：0 2 - 铂k 2 c 0 2 - c , c 2 , 0 2 + k k - 惕k ：0 2 d = k 2 c a , 一k i c 2 缈一m 2 c a , 3 一确c e o 2 一柏c l 缈3 无阻尼状态下振动系统的阶、二阶固有频率( 角频率) 6 3 ，d 2 分别为： 缈l2 ，f 肌2 k l + m l k 2 + m l k l + 4 ( m 2 k l + m i k 2 + m l k l2 4 ( m l m 2 ) ( k l k 2 ) 一1 1 面f 一 振动压路机下车( 振动轮) 对地面作用力只的大小不仅与振动压路机本身的振 动参数有关，而且也与被压实土的刚度恐和阻尼。有关公，e 可表示为： 厂= 只= ( 心x z ) 2 + ( c 2 x ：) 2 从上式中可看出，振动压路机对地面作用力e 是土的弹性变形量局局和土 的阻尼力c 矗的矢量和。前者与振动压路机的瞬时振幅和土的刚度有关，后者 与振动压路机振动速度和土的阻尼有关。所以振动压路机对地面的作用力大小与 土的物理特性有着密切的关系。 由于被压材料的物理特性具有很大的随机性，所以即使是同一种材料，被压 实时的初始状态、环境温度等不同，其物理特性也有很大的区别。随着压实过程 的进行，被压材料的压实度逐渐增加，其物理特性亦随之变化；而被压材料特性 的变化反过来又对振动压路机的工作参数产生影响，同时也要求振动压路机的参 数实时的发生改变，以满足被压材料物理特性的要求，使振动压路机始终处于最 佳压实工作状态。为此，必须首先搞清楚振动压路机各个参数与被压材料之间的 关系，这样才能做到对振动参数的合理选择。影响振动压路机压实效果的主要参 数有以下几个： ( a ) 静质量及静线压力 影响压实效果的主要因素首先是振动压路机自身的静质量和静线压力。在其 他参数不变的情况下，施加于被压材料层的静态和动态压力都与静质量成正比。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 同时，振动压路机的压实影响深度大致与振动轮的质量成正比。通常静线压力增 加一倍，压实影响深度也可以增加一倍。 ( b ) 振动轮的宽度与直径 与静作用压路机相似，振动压路机的滚轮直径和宽度对其压实效果有显著影 响。振幅和振动质量相同的两个滚轮，宽度小的滚轮的力影响深度明显大于宽度 大的滚轮。滚轮下被碾压材料的承载宽度随滚轮宽度增加而增大。因此，振幅和 振动质量相同的两个振动轮，大直径滚轮力的影响深度小于小直径滚轮。 振动轮直径与静线压力有关，静线压力高，振动轮直径也必须大。尤其沥青 压实料，对于振动轮直径与线压力的关系比土壤还要严格。 ( c ) 振动轮数与驱动形式 双钢轮振动压路机的压实功是单轮振动压路机的两倍。两轮同时振动的压路 机与只有单轮振动的串联式的振动压路机相比，为达到同一压实度，前者需要的 碾压遍数少，并且达到的压实度高。尤其对压实温度要求较高的沥青混合料，双 钢轮振动压路机有较好的压实效果。 值得一提的是，振动压路机的被动轮碾压时易使碾压层的表面发生推挤，前 部产生弓波，后部产生波纹。因此，在碾压作业时，宜使主动轮在前，被动轮在 后，或采取双轮同时振动。 ( d ) 机架和振动轮的质量比 机架和振动轮的质量比对压实效果有一定的影响。机架重一些是有利的，振 动轮可借助机架的质量压向土壤，从而可以获得更有规则的振动。但是，机架质 量有一个上限，超过这个限度机架质量对振动会发生很大的阻尼。 ( e ) 频率和振幅 振动压路机的振动频率和振幅对压实效果有很大的影响。理论上认为，在整 个频率范围内，增大振频可明显增加压实效果。但是，振动轮的振动频率过高将 会引起其在过大的振动强度作用下脱离了地面，使表层受到严重不规则的冲击和 过度碾压，从而会降低压实效果。 振幅为振动压路机振动轮上下移动的量。振幅越大，使被压实材料参加振动 的质量越多，从而增加压实影响深度或压实厚度。但是，如果要求的压实深度不 大，就无须使用大振幅。因为过高的压实能量不仅不会被被压实材料吸收，反而 会使己压实的薄层产生松散现象。对于未达到完全压实的厚碾压层，虽然其上层 己经压实到一定程度，但继续大振幅碾压，上层仍会产生松散。为了避免这种现 象，对于厚碾压层，开始时振幅要大，随压实度增加应逐渐减小振幅。 ( 3 ) 碾压速度与碾压遍数对压实效果的影响 压路机的碾压速度对被压实材料所能达到的压实度有明显影响。碾压速度过 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 慢会降低压实效率，过快则容易导致被压层的平整度变差。 因为在振动压实过程中，被压材料的颗粒由静止的初始状态变化为运动状态 要有一个过渡过程，碾压速度直接影响振动轮对单位面积内材料的压实时间。碾 压速度低时，单位面积内的振动次数比碾压速度高时要多，因而作用在被压材料 上的能量也多。传递到被压材料层内的能量与碾压速度成反比。 碾压遍数对被压实材料的影响是显而易见的，施工时首先要确定的就是压路 机的碾压遍数，以保证达到要求的压实度。假定使碾压材料层达到规定压实度所 需的压实能量不变，则碾压速度加倍时，碾压遍数大致也要加倍，即： 压实能量= 器( 2 - 4 ) 要达到规定的压实度，又要保持较高的生产率，就必须合理选择工作速度和 碾压遍数。经验表明，当振动压路机在每一振动周期t 内，振动轮行驶的距离为 3 c m 左右，就可以满足克服土颗粒之间的粘聚力和吸附力，从而使土颗粒由静止 的初始状态进入运动状态。即： v 3 r 式中： y 工作速度( c l i f f s ) ； 丁振动周期( s ) ； 振动压路机的工作速度是生产率的重要标志，因而在满足上式的前提下，工作 速度尽可能选择高一些。特别是在压实初始阶段，振动对压实效果的影响不明显 时，工作速度可以高一些。压实终了时，工作速度对压实效果有着明显的影响， 因此建议压实终了时工作速度应偏低一些。 对于碾压沥青混合料，应该在保证碾压质量的前提下，最大限度地提高碾压 速度，减少碾压遍数。 沥青混合料的压实过程是从松散、塑态逐步过渡到高抗拉强度粘聚态的过程。 一方面，混合料的压实非常像粘性土，即通过颗粒的变形和重新组合，同时随着 沥青胶结料粘度的降低，内聚力逐步降低；另一方面，混合料的压实又像非粘聚 性材料，因为集料颗粒的重新组合受到集料之间摩擦力的阻抗，棱角性小的混合 料比棱角性大的易于压实。通过上述分析可知，当材料的内聚力和内摩擦角最小 时，应力也最小，此时用最小的压实功就能使混合料充分压实。混合料的内摩擦 角与混合料的集料及级配关系很大，而内聚力则受温度的影响较大。压实设备所 做的功一部分直接用来改变混合料层的厚度，另一部分用来改变混合料层的颗粒 排列。随着压实的进行，悬浮在沥青相中的集料颗粒将会重排；同时，在附加压 实功的作用下，伴随着沥青结合料的流动，最终的排列包括放置和滑移，直到所 有的内力和外力在集料的接触点上达到平衡。随着集料颗粒的移动和旋转，沥青 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的剪切运动在沥青结合料表面发生，颗粒间接触程度依赖沥青结合料的剪切运动。 为了说明压实原理，用图2 3 和图2 4 来假定路面受到碾压时的受力情况 1 1 , 1 4 , 1 8 , 2 1 。图2 3 表示沥青混合料在受到某一荷载作用时内力的分布情况，虚线表 示路面相应的变形。可见，只有限制这种变形，路面才能被压实。图2 - 4 表示碾压 时沥青混合料内部产生的约束力的分布情况。图中上方大箭头表示钢轮或轮胎压 路机所施加的力。内侧箭头曲线表示荷载引起的内力，外侧箭头曲线表示主要由 颗粒间摩阻力所产生的抵抗力。图中水平面箭头线表示混合料层本身所提供的侧 限力。该力随着碾压的进行和混合料的逐渐密实而增大。此外，还有来自路基对 沥青混合料的支承力，如下面大箭头所示。显然，路基必须是坚固的，否则，由 于底面约束力的不足，使混合料不可能被压实。 衙娩 延凑。爹 图2 3 沥青混合料内力分布图 衙虢 重公刎三 路基反弹 图2 - 4 沥青混合料约束力分布图 沥青面层的压实度对沥青路面的耐久性至关重要，压实度的大小直接影响着 沥青路面的使用质量。而洒水量不当对对沥青路面压实施工的危害也是相当大的。 2 3 洒水量不当对沥青路面压实施工的危害 2 3 1 洒水量对碾压温度的影响 碾压分为初压、复压和终压3 个阶段【4 ，1 0 ，1 6 1 。初压的目的主要是整平与稳定摊 铺好的混合料，控制要素为平整性。因此，初压可用1 0 吨的钢碾紧跟在摊铺机后 面压1 遍，速度控制在1 5 2 o k m h 。碾压的路线及方向，不能突然改变，否则会 导致混合料发生推移。初压在不低于1 5 0 c 时完成。复压的目的是使混合料密实、 稳定、成型，控制要求为密实度。复压可用钢碾振压2 - - - , 3 遍，速度控制在2 5 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 5k n g h ，复压在不低于1 3 0 时完成。终压的目的主要是消除在复压达到规定密 实度后产生的轮迹和压痕，整合成理想的工作面。因此终压可用较宽的钢轮碾压1 遍，速度控制在2 5 - - - 3 5k m h ，并在不低于12 0 c 时完成终压。整个碾压过程一般 只需4 - - 5 遍即可。碾压遍数不可太多，过度碾压会使覆盖层象含水量很大的弹簧 土路基一样，无法稳定。为了使压路机碾压时不粘轮，必须利用压路机洒水装置 向碾压轮洒水。 持续大流量的喷洒会造成沥青料的过快降温，不但影响路面质量，而且浪费 水资源。当碾压温度低于规定的碾压温度，特别是第一次静压时，由于改性沥青 的粘温比大，混合料在低于规定碾压的温度时，粘度较大，特别易粘钢轮。温度 过低时，碾压工作变得困难，易产生难消除的轮迹，造成路面不平整，甚至导致 压实无效，或其它副作用。 实践证明，碾压温度是影响沥青混凝土密实度的最主要因素。沥青混凝土的 温度越高，其塑性越大，越容易在外力作用下缩小其空隙和增加其密度，也越容 易获得平整效果。一般而言，在沥青混合料的规定温度范围内混合料的温度越高， 越容易达到密实度。因此，在沥青面层施工中应尽可能提高碾压温度特别是复压 和终压的温度和压实度。碾压温度是压实作业好坏的直接影响因素，当碾压温度 过高时，一方面沥青粘性低，混合料易错位和移动，推移现象严重，粘轮严重， 成型后的路面平整度不好，也易生成裂缝；另一方面，沥青混合料可塑性大，容 易在外力作用下缩小其空隙率，增加其密实度。而当碾压温度较低时，沥青粘度 增高，难以压实，达不到压实要求。由于碾压作业存在时效性、连贯性，在不产 生推移的情况下，初压应选择较高的碾压温度；实践表明当温度降至8 0 时，压 实效果已不明显，因此施工中要以8 0 作为终了温度。 2 3 2 洒水量过多对沥青路面造成水损坏机理分析 沥青混合料在压力的作用下，其组成颗粒重新排列。趋于更稳定的位置，使 沥青面层达到最佳的孔隙率和密实度，形成良好的平整度、强度和稳定度，保障 和提高路面的使用性能【1 7 , 1 8 】。适度的碾压在沥青路面施工中极为重要。碾压不足 会影响矿料嵌挤稳定，由于含有较多孔隙，从而使水分易于浸入混合料中而导致 沥青剥落，使沥青流失，形成层次上、下沥青分布不均。足够的压实可以减少空 气空隙的连通性，这样会防止水分进入混合料中以减少剥落发生的可能性。理想 的空隙含量应小于7 ，如果其含量超过7 ，水分很容易进入混合料中。但过度 的碾压，则矿料易于压碎，破坏嵌挤原则，造成空