（机械设计及理论专业论文）双频合成振动压实的试验研究.pdf

摘要 本文提出多频合成振动压实方法，即任一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，颗粒间 的摩擦作用减小，为有效压实创造了有利条件。 设计了双频合成振动压实机，采用推荐的工作频率、振幅、相位角等参数， 对级配土进行了压实试验，验证了双频合成振动压路机在单频振动、振荡、振动 + 振荡、双频振动等方式作业时的压实效果，实现了一机多用。双频合成振动压 实时，级配土表层压实度达到了8 6 4 ，深层压实度也达到了7 7 3 。 对样机还进行了不同被压实材料的适应性试验。振动压实1 2 遍后，黄土的 表层压实度为8 9 6 7 ，下层压实度为7 8 3 6 ；粉土的表层压实度为9 2 2 9 ， 下层压实度为8 6 5 5 。 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：与单频振动相比，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。 试验研究证明，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；动态响应 a b s t r a c t 7 n l i st h e s i s p u t f 0 刑町dm e t h o do fm u l t i - 丘e 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 n w i u lm u l t i - 蠡r c q u e n c y 锄dm u l t i - a m p l i t l l d ea t 蛐ym o m e n t ，d i 骶r e n t p a n i d c so ft h em a t e r i a l a r cp u ti n t ot l l er c s o n a n c cs t a t e 锄dt h e 衔c t i o nb e t w e e n p a n i d e si sw e a l 【e n ，w l l i c h 眦b e n e f i tf o rc o m p a c t i o n n i st h e s i sd e s i 弘s ( 1 0 u b l e - 矗c q u e n c yc 0 m p o s i t ev i b r a t i n gm a dr o l l e r ，t h e n ，i nt h e o p t i m a li k q u e n c y ，锄p l i t u d e ，p h 私e ，d ot h ea b u n d a n te x p e r i m e n tt ot l l e 舯d e m a t c h s o i l ，v 甜i d a t i n gt l l a tt h ed o u b l e 肌q u e n c yc o m p o s i t ev i b r a t i n gm a dr o l l e r 伽r e a l i z e s i n 酉e行e q u e n c yp 心s s i n g ， s u r g i n 舀v i b r a t i n g 觚ds u r g i n g d o u b l c 骶q u e n c y c o m p o s e dv i b r a t i n g ，锄dt l l ec 0 m p a c t i o ne 彘c ti s9 0 0 d ，r e a l i z e sm u l t i f i l n c t i o n f o r 0 n em e c h 趾豳w h d o u b l e 肌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 e c 0 n l p a c t i o nd c g 陀eo ft o pl o e s sw a s8 6 4 ，觚dt h a to f s u bl o e s sw 嬲7 7 3 1 e s tr c s u l t s0 fd i 虢r e n tm a t e r i a l s ，s u c h 弱l o e s s 觚ds i l t ，i n d i c a t e dt h a tt l l e p r o t o t y p eh a d 舒 0 dc o m p a c t i o ne 丘c c t ，f o rt l l ec o m p a c t i o nd c g r e eo ft o pl o e s sw a s 8 9 6 7 a f t e r1 2c 0 m p a c t i o nt i m e s ，孤dt h a to f 鲫bl o e s sw 硒7 8 3 6 s ot h e c 0 i n p 砌i o nd e g r c eo ft o ps i l tw 觞9 2 2 9 觚dt h a to f s u bs i l tw a s8 6 5 5 d y n 锄i cs i 印a lo fe x p e r i m e n t sw 嬲t m s a c t e d 肌d 觚a l y z e d a n a l y s i sr c s u l t s0 f a c c e l e f a t i o ns i 印a ls h o w e dt h a tt h e锄p l i t u d eo fa c c e l e r a t i o ns i 朗a l姐dp o w e r s p e c t m mi n c r e a s e da tf i r s t 锄ds t a b i l i z e da te n dw h e nt h ec 0 m p a c t i o nt i m ea d d e d d i f l c r e n t 丘d mo r d i n 甜ys i n 酉e - 厅e q u e n c yv i b r a t i n gc 0 m p a c t i o n ，d o u b l 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 o m p a c t i o n h a dt h e f e a t u r e so f m u l t i 一仃e q u e n c y 柚d m u l t i 一锄p l i t u d ea i l di t se n e 玛yc o n c e n t r a t e da td o u b l em a i n 仃e q u e n c i e s a n a l y s i s r e s u 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 h 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 n d p r e s s u r eo fs u b s o i lw e n tu pm o r ec l e a d yt h a ns i n g l e - 仃e q u e n c yv i b r a t i n gc o m p a c t i o n a m a l y s i s r e s u l t so fd y n a m i cs i g n a lp r o v et h es u p e r i o r i t yo fm u l t i f r e q u e n c yc o m p o s e d i i v i b r a t i n gc o m p a c t i o n r e s e a r c ho ft h e t h e s i sp m v e st h a tt h em u l t i - 仃e 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 s t l l ee f ! i c i e n tm e t h o df o rs t r e n 舀h e n i n gc o m p a c t i o n a n dt h er e s e a r c h r e s u l th 弱i m p o r t a n tp e r s p e c t i v eo fe n 酉n e e r i n g 印p l i c a t i o n k c 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 - 矗e q u e n c yc o m p o s e dv i b r a t i o n ； e x p e r i i i l e n t a ls t l l d y ；d y n 锄i cr c s p o n s e i i i 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。 论文作者签名毛卯6 年月日 论文知识产权权属声明 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： 丢却 彤巷 o 呻毛年6 月6 日 砒年月日 第一章综述 1 1 双频振动压实技术的提出 压实是提高基础材料的强度和稳定性的一种廉价而有效的方法。有效地压实 能显著地改善填方的承载能力，提高不渗透性，在多数情况下，可以大大降低由 于土壤固结而引起的沉降。因此，压实施工己作为一种最基础的施工方法被广泛 应用于公路施工、机场建设、兴修水利和建筑施工之中。可以说，任何一种地基 的处理都离不开压实，所以压实设备是工程机械一个应用广泛、需求量大的品种 【l 】 在历史的发展中最初出现的是静碾压路机2 ，其压实效果直接取决于压路 机的线压力，为了追求好的压实效果，主要途径是提高压路机的重量。振动压实 技术是在二十世纪中期被应用到压路机上，出现了振动压路机。它在压实机理上 较以前有了重大地突破。压实效果的增长不再简单地依靠压路机的重量或线压力 的增大，而是利用振动来减弱被压材料内部的摩擦力和粘聚力，在垂直压力的作 用下克服这些内部阻力而实现内部压实的物理过程。 随着施工规模的不断发展，建筑和道路填方材料种类逐渐扩大，从颗粒小 于0 0 0 2 毫米的粘土，直至1 米或更大的石块；从全干的沙滇砂到含水量高达 1 7 的粘土；还有水泥稳定土、矿渣、冻土以及土石混合填料“1 。我们知道被压 实材料不同，则颗粒大小和组成不同，其固有频率也就不同。为了取得最佳压实 效果，对于不同的被压材料，振动压路机应具有不同的振动频率。2 5 3 0 h z ，适 于粘性材料、混合土和岩石等的压实；3 5 4 5 h z ，适于对砂土的压实。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，人们已采用了多种工作方法。德国b o 响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“1 ，以便在不同的压实场合变换振 动频率及振幅。但是即使在压实过程中变换振动频率和振幅，任一时刻也仅有一 种振动频率及其对应振幅，特别对混合料更是无法在任何时刻是全频域共振，所 以这种单频振动仍然很难使被压实材料达到预期压实效果。 如何通过强化压实获得更高的压实效率和压实质量成为压实技术发展中一 个引起人们普遍关注和追求的方向。早在1 9 9 3 年，我国学者首先提出了混沌振动 压实技术“1 ，并建立出混沌激振器的力学模型( 图卜1 ) 和设计出混沌激振器的 机构“1 ( 图卜2 ) ，并先后与上海工程机械厂和徐州工程机械集团进行产、学、 研合作，开发了上海产的及徐州产的混沌振动碾压机。 艨熊 1 偏心盘2 偏心环3 偏心轴a 回转中心 b 偏心轴中心线c 偏心环中心线d 偏心盘中心线 图卜1 混沌激振器的力学模型图1 _ 2 混沌激振器结构及两种极限位置 混沌激振器的结构“1 如图卜2 所示。它是在偏心轴上另外套了两个偏心环。 偏心轴由液压马达驱动旋转，构成了激振器的主频率。两个偏心环在随偏心轴的 旋转过程中，由于摩擦阻力使它们不能作同步旋转，从而使得它们各自的偏心方 向与偏心轴的偏心方向产生不同方位的叠加，激振器产生的离心力的大小和方向 随之随机变化。因此，作用在振动轮上的激振力的振幅和频率、振动轮施予被压 土体的振动加速度都是随机变化值。 偏心轴偏心方向与两个偏心环偏心方向叠加会形成两个极限位置，从中可以 计算出该混沌激振器的最大和最小静偏心矩值，以及振动轮的最大与最小名义振 幅。 混沌激振具有可分为高、中、低部分的宽频域。其高频部分因有集肤效应“1 ， 振动能量集中于被压材料的浅层：低频部分因传递损耗低，振动能量可传到被压 材料的底层：中频( 即主频) 部分的主要振动能量，则作用在被压材料的中层( 中层 密实度最大) 。混沌振动因具有宽幅域，它以冲击作用及减摩作用将大小不同颗 粒间的滑动摩擦与咬合摩擦进一步减小，呈现动态而充填被压材料的孔隙，使混 沌振动碾压机比传统的单频振动碾压机的总体碾压效应更接近于最密实碾压。 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“1 ，与 同等规格的普通压路机相比压实效果较好，但作业能耗也相应升高：并且由于混 沌振动的宽频特性和时间历程的复杂性，很可能导致机械系统噪声增大，零部件 裂缝迅速扩展，疲劳、摩擦和磨损加剧，从而大大降低系统的总体性能。 为了强化压实过程，同时综合调频调幅振动压实技术和混沌振动压实技术的 优点，克服它们各自的缺点，提出了多频振动压实技术。多频振动就是由两个或 两个以上的简谐振动复合而成的。其中，双频合成的振动压实是一种简单而有效 的方法，如高频接近砂质土的固有频率，而低频则靠近于粘土或粉质土的固有频 率。在多频合成振动压实中，不同频率及振幅的振动同时作用于被压实材料，为 有效压实创造了较有利的条件。 多频合成振动压实的主要机理有： 1 共振作用 由于被压实材料成份非常复杂，颗粒大小各异，其物理机械性能多变，不同 成份的固有频率各不相同，被压实材料的固有频率构成一个频率带。即使采用调 频调幅技术，在某一时刻，仍是单一的频率激振，只能激起某一种主要材料成分 的共振。而多频合成振动压实的激振频率与被压实材料固有频率带的几个主要成 分相接近，大小不同的颗粒因受到频率和振幅不同的振动作用而处于共振状态， 为有效压实创造了更有利的条件。 。一 ：。 2 冲击作用， j 振动压实装置的压实效果与振动轮的动量有关。多频合成振动的速度变化比 单频振动剧烈( 振动轮的动量变化大) ，并且含有低频大振幅的激振成分，使振动 轮对地面的冲量变大，冲击能量更易于向深层传播，在多个频率和振幅的振动作 用下，各层中被压实材料的大小颗粒相互挤嵌使孔隙急剧减少。因此，多频合成 振动与单频振动相比较，具有较好的深层压实效果。 3 减摩作用 多频合成振动压实的低频高幅成分和高频低幅成分使大小不同颗粒间的咬 合摩擦与滑动摩擦进一步减小，有利于大小颗粒相互间发生滑移和嵌套，便于提 高压实质量和压实效率；同时，良好的振动减摩作用使振动压实能量更易发挥作 用，提高了压实有用功，降低了整体功率消耗。 1 2 双频振动压实前期工作及成果 2 0 0 0 年，长安大学工程机械学院课题组在自行式振动压实机的研究“” 科研工作积累的基础上，提出了双频振动压实机的研究课题，并完成了样机 3 的设计、制造和试验研究工作。在此期间，共完成两轮试验样机的设计、制造和 试验研究工作。 由于滚轮结构可有效地提 高压实度，所以在两轮样机的设 计中，都采用了轮式结构，同时 为了保证压实机的自行速度和 行驶稳定性，在压实机的振动轮 上施加驱动力。样机的结构示意 图如图卜3 ，压实机同时采用了 外作用式和内作用式两种激振 方式，通过参数调整，样机可以 完成外置单频激振、内置单频激 振、不同频率比及不同振幅比的 1 侧支撑板2 下车偏心块3 输入带轮4 内齿轮 5 皮带6 减振器7 离合器8 输出带轮9 电机 1 0 传动装置1 1 高频激振器1 2 车架1 3 双联齿轮 1 4 系杆1 5 系杆安装板1 6 下车轮轴1 7 压实轮 图卜3 第一轮样机设计方案 双频合成激振等的对比试验研究1 。 根据设计方案，设计制造了一台多频振动压实机试验样机，并对样机的主要 性能参数进行了测试；并对给定的介质和级配，对样机进行了两频率范围、相位 角之差、振幅比和频率比等多项参数影响试验。 通过理论分析和试验研究“2 1 证明，方案合理可行：并得出以下结论： 双频振动压实效果好于单频振动压实效果，双频振动压实有更快速地使 被压实土壤密实和影响深度大的特点，即工作效率高； 综合分析速度测试、功率测试，以及对加速度响应信号和压力响应信号等 结果，得出试验样机工作性能很较稳定。 双频振动压实，低频振幅和相位角对深层压实度的影响比较大； 双频振动压实，两频率在2 0 h z 5 0 h z 的范围内较合理； 在压实机理探讨的基础上，建立样机一土壤相互作用的动力学模型“”。利 用m a t l a b 软件对动力学模型进行了仿真并与试验结果比较，验证了动力学模型 的正确性。分析了各参数与压路机动态特性的关系、对不同压实状态下土壤参数 进行识别、对振动压路机输入参数优化，得出压路机工作参数的选择范围。 1 3 本文主要内容和研究方法 从前面的工作我们可以看到，双频振动压实机的激振器分为两部分，一部分 是位于振动轮上方的高频激振器，另一部分是位于振动轮里面的低频激振部分， 试验调整不方便。综合考虑压路机的压实性能和结构紧凑性，本文将激振器设计 成内置式，同时为了保证压路机的机动性，需要设计驱动系统。 为了迎合压路机一机多用的发展趋势，压实机还要能够实现参数变化和振动 形式变化，从而能满足多种试验研究的目的，例如参数优化的正交试验、不同振 动形式的对比试验和不同被压实材料的适应性试验。 根据双频振动前期研究和需要完善的工作，提出本文研究内容和研究方法： 探讨新的压实理论和方法，做到技术创新。本文将继续完成双频振动压实 理论的试验验证工作； 改进、设计和制造试验样机。该样机在满足试验需要的基础上，采用工业 设计的方法，力求结构紧凑、外观新颖、易于试验过程中进行动力学参数的调节。 开展试验工作，测试样机的各项性能。一方面验证双频合成振动压路机在 单频振动、振荡、振动+ 振荡、双频振动等方式作业时的压实效果。另外对样机 进行多种被压实材料的试验，验证样机对材料的适应性。 第二章压实机设计方案 2 1 双频压实的理论分析 对路基压实、次基层压实、路面层压实时，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。激振频率的多样性可以使压实机械的工作适应性更 广泛，所以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 频率值n ”。激振频率的多样性亦即要求依据被压材料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，依据上述分析，提出多频合成振动压实方法，来适 应工况及被压实材料的变化。 2 1 1 频率合成分析 设有两个简谐振动为： 五- 4 s i n ( 吐+ 讫) ，屯一4 s i i 巾哆+ 伤) ( 2 1 ) 如果这两个简谐振动在同一直线方向上，那么它们合成时，直接将它们相加 为： 工一葺+ 毛一4 s i n + 砚) + 4 s i n ( n + ) ( 2 2 ) 由式2 2 可以看到，在一般情况下，两个简谐振动在同一方向上的合成振动， 不再是一个简谐振动，而是一个复杂的运动。若两个频率q 和是可以通约的， 合成振动是一个周期振动。若两个频率相等，合成振动是一个简谐振动。随着两 个简谐振动的振幅比4 4 、频率比q 吡及相位差妒- 吼一讫的不同，可以得到 不同波形的合成振动。下面分别讨论两个振动频率之间可能存在的三种不同情 况。 1 两频率相等 当q 一吨= 时，由式( 2 2 ) 得到： x 一“c o s 吼+ 4 8 ) s i n 耐+ “s i n + 4 s i n 仍) s 甜 = 爿s i n ( 删+ 妒) ( 2 3 ) 式中： f a - 4 1 2 + 4 2 + 嫩c o s ( 一讫) 1 。1 笨糍 q q 式( 2 3 ) 表明，两个相同频率的简谐振动在同一个方向上合成后的振动， 仍旧是简谐振动，振动频率与原来的两个简谐振动的频率相等，振幅彳及相位妒 由式( 2 4 ) 确定。 在特殊情况下有： ( 1 ) 两个简谐振动的振幅相等，即4 4 ，由式( 2 - 4 ) 得到合成振动的 振幅4 及相位伊为： 彳- 弛c o s 学护半 ( 2 - 5 ) ( 2 ) 若两个简谐振动的相位相等，即吼一妒：，则由式( 2 4 ) 得到合成振动 的振幅4 及相位妒为： 彳一4 + 爿2 ，妒一吼一妒2 ( 2 6 ) ( 3 ) 若两个简谐振动的相位差万，即钆一妒：一万，则由式( 2 4 ) 得到合成振 动的振幅4 和相位妒为： 当4 爿2 时： 4 4 一a 2 ，9 一妒l ( 2 7 ) 当4 c 4 2 时：爿一爿2 4 ，妒- 妒2 ( 2 8 ) 2 两频率不等，频率比值q 哆为一有理数 当两个简谐振动的频率不相等，频率比。：为一个有理数时，由式( 2 2 ) 所表示的振动是一个周期运动，周期等于两个简谐振动的周期的最小公倍数。不 同的振幅比值爿1 阴2 及相位差妒= 妒。一妒：，可以得到不同波形的合成振动。如图 2 1 和图2 2 所示。 2 订0 2 2 口0 - 2 5 u0 石 墨4 s i n 3 耐屯一4s i n 耐墨一o 5 s i n ( 2 甜+ 力屯一s i n 耐 a ) 4 ，呜- 1 ，2b ) 4 ，4 - l a ) 妒0b ) 妒石，6 c ) 4 ，4 - 2c ) 妒一石，3d ) 妒- 石2 图2 1 不同振幅比时合成振动的波形图2 - 2 不同相位差时合成振动的波形 从图2 1 和图2 2 可得，不同振幅比和相位差的简谐振动合成后的振动波形 是有差别的。同理，不同的频率比的简谐振动合成后的振动波形也是不一样的。 不同的波形对土壤压实效果也是不一样的，所以为了使多频振动压实有最好的压 实效果，我们找出压实效果最好的合成振动波形，从而推出波形叠加前的两个简 谐振动。 3 两个频率不相等，频率差是一个小值 当q 一，2 - + ， 的规定协1 ，结合样机实际压实工作面加以确定的。采样点分布和 表面沉降量瀑点分布见图3 9 0 耻一疗、一 v 黄土 v 将土这是因为粉土的内摩擦角比级配土、黄土的内摩擦角大，对 振动轮的摩擦力也较大。 从工作速度随压实遍数的变化规律分析所得出的这几点结论，为进一步完善 压实机结构和建立“压实机一土”系统动力学模型，提供了重要的参考。 2 功率测试 测试数据详见附表，为了其直观性，绘制了各工况平均功率直方图和功率随 压实遍数的变化曲线，见图3 3 8 至图3 4 1 。 薰 * 挥 压实遍数o l23 45678 9l o l l1 21 3 一鬻一工况l _ r 一工况2 一一- 工况3 _ _ 一工况4 一。一工况5 - * - 工况6 图3 3 8各工况功率变化曲线( 级配土)图3 3 9 功率变化曲线( 黄土) i i i 4 3 2 l 5 4 5 4 睡3 5 芒3 蒜2 嚏 1 5 1 o 5 压实遍数 o12 345 6 78 91 0 1 11 2 一一工况3 一工况4 一。一工况5 - 一工况6 圈3 一柏功率壹化曲终瀚土) 图3 4 l功率和激摄力瞳工况变化曲缝 从各图中，可以得到以下几点结论： 无论何种工况，压实机前进平均功率和后退平均功率值之差不是很大，某 一工况下对应于各压实遍数的功率变化趋势也是比较平缓的，这表明压实机行驶 的稳定性较好。 同一工况下，功率随压实遍数的增加，呈先减小后基本稳定的变化趋势， 但变化幅值不大，说明样机激振系统比较稳定，这和工作速度随压实遍数的变化 趋势所反映的情况是一致的。 从图图3 3 8 中可看到，无论是双频合成振动还是振动振荡复合所消耗的 功率要比单频振动的功率，这也是双频振动压实的一个不足之处。 不同工况的振动功率差别较大，说明各参数对功率的影响较大；由功率、 激振力随工况变化曲线图可知，当激振力越大，所需功率也就越大，这时压实机 前进和后退所需的功率波动变大。这说明了激振力的加大对压实机性能的影响加 剧。由3 2 4 图中可以看到，对于三种材料而言，同种工况下所消耗的功率差别 不大，说明样机消耗功率与材料关系不大。在双频合成振动的3 个工况中，工况 6 所消耗的功率是最小的，工况4 所消耗的工况最大，就是因为激振器角度变化， 使得样机的激振力也发生了变化。 振动振荡复合压实与3 个双频合成振动相比较，功率较小是因为其高、低频 率都相等而高频振动变成了振荡。 3 表面沉降量和压实度测试 综合分析各工况的沉降量和压实度试验结果，结合图3 4 2 图3 4 9 ，综合 表面沉降量和压实度两个评判指标，同时考虑工作速度和功率因素，对各工况进 行比较分析，可以得出如下结论： 压实土壤的表面沉降量和压实度存在着一定的对应关系。压实度和沉降量 跟样机的激振方式有着直接的联系，样机的工况决定了压实度、沉降量的大小。 因为各种压实方法，其压实度、沉降量随压实遍数的变化规律是不一样的。 ( a ) 圆周+ 振荡 ( b ) 双频合成0 。 ( c ) 双频合成9 0 。 ( d ) 双频合成。 图3 - 4 2 黄土相对沉降量与压实遗数的关系 ( a ) 圆周+ 振荡 ( b ) 双频合成0 。 k ( c ) 双频合成。 一 ? 7 竺? o ( d ) 双频合成9 0 。 圈3 峭糟土相对沉降量与压实遍教的关系 圈3 一“黄土压实度随压实追教的变化规律曲线圈3 4 5 耪土压实度随压实追披的变化规律曲线 图4 一撕黄土各工况压赛鹰比较直方田( 第8 追) 图4 4 7 黄土各工况压实度比较直方围( 第1 2 遍) 田4 一艟将土备工况压实虞比较直方田( 簟a )圈4 一曲着土鲁工舅压魑比较直方( 蕾1 2 蕾) 在合理的工作压实遍数范围内，振动压实遍数越多，压实度和累计沉降量 越大，土壤的压实效果越好。 在压实的前几遍。相对沉降量越大，则对应的压实度增加幅度越大，而后 期压实过程中，虽然沉降量还在增加，但表层压实度变化已不是很明显，这说明， 压实机在某种工况下很快便会使表层土壤密实到稳定状态，而更深土壤需要更长 的压实作用时间。 在压实1 6 遍过程中，土壤的压实度和沉降量增加十分明显。在压实7 1 2 遍时，土壤的表面沉降量和表层压实度变化较小。但在大部分工况中，最后 一次测得的相对沉降量值与前面测得的相对沉降量值下降的变化趋势不一致。原 因可能在于：前四次相对沉降量值均是在压实机压实两遍问隔测得的，测量期间 压实机停止作业，这时土壤的弹性变形会趁机得到一定的恢复，而最后一次测量， 压实机连续压实了四遍，土壤的弹性变形恢复时间变短。1 ，这样有助于压力波 向土壤更深层处传播并使之密实。 几种工况下，压实机都有比较深的压实影响深度，对于双频合成振动压实， 激振力增大会增强这种作用，但表层压实度却不随着激振力加大而一直加大。 参见图3 4 2 、图3 4 3 ，比较4 、5 、6 三种工况压实度随压实遍数的变 化情况可以看出，双频振动激振器相位差的不同，对压实效果的影响是相当显著 的，仅对这三种工况而言，压实机激振器相位差为0 。这一工况的压实效果最好。 对于级配土、黄土、粉土三种不同材料的压实，可以看到粉土的压实效果是 最好的，工况4 的平均压实度达到9 2 ，单点甚至达到了9 6 ，其次是黄土的 压实效果较好，压实度也达到了9 0 级配土的压实度最低。 综合评判认为，双频合成振动压实机在4 种不同激振方式作用下，其压实 效果均较显著；并能对不同的材料进行压实，达到良好的压实效果。就本文的6 种工况在压实效果方面的比较而言： a 对于路基压实，双频振动压实效果好于单频振动压实效果。通过4 、5 、 6 和1 、2 、3 六种工况的比较，可知双频合成振动压实具有较快速地使被压实土 壤密实和影响深度大的特点，即工作效率高。 b 共况3 ( 振动振荡复合压实) 相对于工况4 ，5 ，6 ，压实度要稍小，但 其表面较平整。 c 双频合成振动时，激振器的相位角对于压实效果影响很大，当相位角为 o 度时，压实效果是最好的，4 5 度时最差。 3 7 第四章动态响应信号分析 4 1 信号分析的目的 为了从测试信号中提取有用信号，必须对信号进行分析与处理，工程当中的 信号基本上都是通过传感器获取的测试信号。 信号分析是将一复杂信号分解为若干简单信号分量叠加，并从这些分量的组 成情况去考察信号的特性咖1 。这样的分解可以抓住信号的主要成分进行分析、 处理和传输，是复杂问题简单化。实际上，这也是解决所有复杂问题最基本、最 常用的方法。信号分析中一个最基本的方法就是信号的频谱分析，即把频率作为 信号的自变量，在频域里进行信号的频谱分析。信号的频谱主要有两类谱：幅度 谱和相位谱。在测量与控制工程领域，信号分析技术有广泛的应用。在动态测试 中，必须通过对被测信号的频谱分析，掌握其频谱特性，这些都需要用到频谱分 析和快速傅立叶变换( h 呵) 3 “。 信号处理是指对信号进行某种变换或运算，广义的信号处理也可以包括信号 分析。信号处理包括时域和频域处理，时域最典型的是波形分析。把信号从时域 变换到频域进行分析和处理，可以获得更多的信息，因而频域处理更为重要。 本文信号分析的目的： 研究样机工作状态时振动轮加速度，以便对振动压实进行特征识别，分析 加速度信号的频率成分及各成分加速度功率谱值的关系，并研究加速度随压实遍 数的增加而变化的规律。 研究样机工作状态时机架加速度，以便确定样机的减振系统是否合理，满 足试验要求。 研究样机各工况下压力信号功率谱，以便分析土壤内应力的分布规律。 对比实测信号与仿真信号，以便对土壤参数进行识别，并进行系统的动态 响应分析和工作参数的优化。 4 2 信号分析的方法 现场试验中测试的信号数据包括六个通道土壤压力信号和两个通道加速度 信号。土压力传感器埋设时按表3 4 的规定，能较好的反映压力沿前进方向和轴 向的均匀性及沿深度方向的变化规律。动态信号测试内容包括：静压两遍时的六 个通道的土压力信号；每遍振压时的全部八个通道的信号：压实机置于橡胶轮胎 上时振动轮水平和垂直方向的加速度信号；压实机置于橡胶轮胎上时上车水平和 垂直方向的加速度信号；压实机置于已压实的地面上时振动轮水平和垂直方向的 加速度信号；压实机置于已压实的地面上时上车水平和垂直方向的加速度信号。 在试验过程中，利用数采仪同时记录各通道的信号，便于后续的数据处理。本文 信号处理采用数采仪自带的处理软件，主要分析时域、频域和功率谱变化规律。 加速度信号和土壤应力信号的采样频率设定为1 0 2 4 k ，采样时间7 8 1 m s 。 4 3 信号处理结果分析 4 3 1 加速度信号结果分析 根据试验研究的需要，试验分为6 个工况1 4 组试验，每组试验有1 1 6 个数 据，记录在1 8 个数据文件里，因此试验数据量大，但处理的过程基本一致。 为了了解加速度信号的特性，首先需要进行一定周期的时域采样，运用快速 傅立叶变换( f f t ) ，得出信号的频域响应曲线，读出工作频率值。 1 单频激振 至 f黼u v捡： 挝 辩 捌：科 蓄f 暴 b i 擎 吒 v ；w y# 8 5 3 时 1 s 崩1 s 肌 5 3 皓 s 3 哥兰 s s 叠 5 ，“ 5 抽 ，5 * ； ( a ) 时域曲线( a ) 时域曲线 目霉 耍蓄3 ： 。一一 融 ：t 霉 # i 。一 d z m 7 3m m o 肿茑5 6 2 碍抽 1 肿e ( b ) 频域曲线( b ) 频域曲线 弱 器 萎 撩 5 鳕 呈 l 要 b i 肿 葛肿5 瞬”碍脚1 加圣 舞 曼 o 茑5 昏2 h7 5 1 舯壬 ( c ) 功率谱( c ) 功率谱 图4 一l 高频圆周压实6 遍通道7 信号处理图4 2 高频圆周压实6 遍通道8 信号处理 j 剂帮 落h辩 公：酶 差 c ， 擎 吒 hvl 毽 1 1 _ 口1 1 w1 2 m 21 2 2 ； 1 1 j 1 w 2 m 21 2 面 t 2 m 2 ； ( a ) 时域曲线( a ) 时域曲线 ； ； - 要 ， 呈吊 ! f i 呈 l 。 * 口i 心 。山止 l 茑 口 加球 措 虺 毛 ( b ) 频域曲线( b ) 频域曲线 嚣。 器 l 搀i 蠹 量 呈 1 l l 葛舯。瞰孢符 加三。舯笛加。瞄乃档舯 1 肿兰 ( c ) 功率谱( c ) 功率谱 图4 3 高频圆周压实1 2 遍通道7 信号处理图4 4 高频圆周压实1 2 遍通道8 信号处理 基 ： 、： 烈卅_ ， 喜 2 一上。弋一 f ：辫 搿科埘刍 岛 珏q 罚ff 卜q 争 一； 擎 6 91 b m 0 j e 白i e _ ； 1 1 j 幅1 舯t 1 舶o 1 a o 兰 ( a ) 时域曲线( a ) 时域曲线 一目 ： l i 2争 廿 l 上一l 九i 1 。上 一l l。 】舯葛抽s 陬7 3两肿 1 舯三 o 篇o 瞳j 3巧加 1 舯三 ( b ) 频域曲线( b ) 频域曲线 塑 黯 ； ； 誊誊 霎是 墨暑 ；t 至 量 鬓 凳 霉u ii 霉 o mz 如嫦7 37 5 1 三 - “ 口葛抽s 瞰7 5 曲 ( c ) 功率谱( c ) 功率谱 图4 5 振荡压实6 遍通道7 信号处理图4 6 振荡压实6 遍通道8 信号处理 ： i 再 雌 切d 毛 蹲尊 塾 ! 铲奄地!：溉蕊 奄 酽 v l o m1 抽l l m j 1 2 i1 2 瑚 2 舶i 2 置s 1 2 置5 三 ( a ) 时域曲线( a ) 时域曲线 孛 一 雩 篓蓄 驴 量r 萎 k ； l j 一 i 笛柚9 噼7 3砖 1 加三 m s 瞬h 1 m ( b ) 频域曲线( b ) 频域曲线 器器 l i 品i 蠹 e l。 呈 ii “ o 篇肿o 7 5 m 舶 o 肿篇9 瞰巧肿 壬 ( c ) 功率谱( c ) 功率谱 图4 7 振荡压实1 2 遍通道7 信号处理图4 8 振荡压实1 2 遍通道8 信号处理 从部分信号采样的时域、频域和功率谱的分析，可以总结出如下几点结论： 对于振荡、高频圆周振动压实，第七、第八两个通道采样信号的工作频率 值基本一致，其主要频率成分是设计频率，且能量也集中在设计频率处。 分析第七通道和第八通道的加速度信号以及功率谱信号可知，对于高频振 动，其垂直方向的能量信号明显强于水平方向的能量信号；而对于振荡，刚好相 反，水平方向的能量信号明显强于垂直方向的能量信号。这也是振荡压实时，其 面层压实度较高，表面平整度较好的原因。最根本的原因在于振动、振荡压实对 土壤作用方式不同。 分析两工况的时域波形，可以看出第1 2 遍的波形与第6 遍的波形大致一 样，只是第1 2 遍时的时域曲线有较多的小“毛刺”，原因可能是随着压实遍数的 增加，土壤变得密实，刚度增大，导致加速度信号变化激烈。 第7 通道测量机架过振动轮轴心的垂直方向加速度，其时域信号稳定，说 明样机工作时未出现“跳振”现象，其行驶方向性和工作稳定性较好。 第8 通测量机架过振动轮轴心的水平方向加速度，由于与行驶速度的方向 4 1 平行，受速度影响较大。 由表4 1 单频激振压实信号表可知，在压实过程中，随着压实遍数的增加， 土壤的刚度k 在增大，这势必因为压实机一土壤的相互作用关系而反映在加速 度信号上，其规律为：在压实机不发生跳振和激振频率一定的情况下，信号应该 只是在幅值上有所变化，即k 。越大，加速度信号幅值越大。当土壤变得密实后， 幅值基本稳定。 表4 一l 单频激振压实信号表 工况加速度信号幅值( m ，s 2 ) 功率谱信号幅值( m ，s 2 珊k 2 ) 高频圆周振荡高频圆周振荡 压实垂直水平垂直水平垂直水平垂直水平 遍数方向方向方向方向方向方向方向方向 11 9 61 0 81 0 21 6 73 7 81 3 06 5 92 1 8 21 9 51 1 1 1 0 2 1 6 84 4 51 3 0 7 5 2 二强 32 11 1 4 1 0 4 1 7 24 7 41 3 57 8 92 二撂 42 1 71 1 5 1 0 5 1 7 95 4 61 3 6 7 9 4 2 3 2 52 2 91 1 61 0 618 75 5 71 4 37 9 42 3 4 62 3 31 1 81 11 8 45 6 21 4 58 3 92 4 3 72 3 41 2 11 1 21 9 1 35 6 81 4 79 5 32 6 1 82 3 81 2 11 1 81 9 65 9 21 5 49 6”6 92 3 91 2 61 2 1 2 0 15 9 3 1 5 79 6 6 筋叮 1 0 2 4 1 31 2 32 0 76 0 71 8 81 0 33 0 4 1 12 4 91 4 21 2 32 0 8砷91 9 31 鸺3 2 4 1 22 5 21 3 91 4 62 0 46 2 71 9 41 1 13 7 8 2 双频合成振动 - q j j 群蒯 f 蕊嗣 麓 恝 扩 吒 蛊 0 5 m，71 0 - 口1 0 m 1 0 a s ； o j 糟1 0 尉71 啉 ，口脚 o 瑙兰 ( a ) 时域曲线( a ) 时域曲线 鲁 r f 6l i 圭| ：j 一凳i ：一：| 。 筝一j 酗 。_ 音。 ! ( b ) 频域曲线( b ) 频域曲线 4 2 强 il；l 器 ： “ 簟 i_ | 【i i。l。 ， 强 呈 l毒。 蟊 霉 h ( c ) 功率谱( c ) 功率谱 图4 - 9 工况4 压实级配土6 遍通道7 信号处理图4 1 0 工况4 压实级配土6 遍通道8 信号处理 n li 鼻 ： ：j 触脚 。0r 矿_ 1 蛰 删辨 ：；：醐 耋 驴 擎 雄 。： # ： c 眦鼻盯s9 痢bo ，9 j 疗要 9 m9 m 幽oo ； ( a ) 时域曲线( a ) 时域曲线 ￥ 3 岛 ； 詈 l 重 争 j 1 “ 置r fi k k 且。i f 。j!j d 珊 期轴 轴加住如 面三 o m”“ ”氇1 ( b ) 频域曲线( b ) 频域曲线 ： 娶 i 野删 l i i 暑抽 呈 i 量 1“1 l 5 o 肿 翔 抽7 2 2 加 1 肿壬 。舯j a肿7 2 珈 1 棚三 ( c ) 功率谱( c ) 功率谱 图4 1 l 工况4 压实级配土1 2 遍通道7 信号处理 图 1 2 工况4 压实级配土1 2 遍通道8 信号处理 j n 8 ， j 剃 薹 1 j ：p 拶裂始 琢 i 擎 w _1 1 i m ； 蜡 舯 置2捌 舶d 苎 ( 8 ) 时域曲线( a ) 时域曲线 ； ￥ f 喜 l 争 ，矗 li 争 1 要 且。i 。| 。j ki d 。 且。 上l 一删 o 珊 h 7 37 i 1 m 三 o 謤 频域曲线频域曲线 器 嚣 耳 曹 9 菩 器 珏 ，；il 竹 呈 星 ，当 ：lil：冒 。舶 矾舢 翱n 抽 1 呻面三 h l ：b 冒 ( c ) 功率谱( c ) 功率谱 图4 一1 3 工况4 压实黄土6 遍通道7 信号处理图4 1 4 工况4 压实黄土6 遍通道8 信号处理 h n ，i k 辩嗣 苫 崦芒至：剿邋 2 2 a d1 ” 2 2 j ； 奢 呈竹 冕号 曼