（机械设计及理论专业论文）振动压路机振动加速度实时检测及数据处理研究.pdf

iylllll1 1 t m119llillollllll2llltllllllllllllltl攀 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本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 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 劣竹 日期 谚们1 年 弓月反d 日 重庆交通大学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 同意学校保 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 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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 同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并进行信 息服务 包括但不限于汇编 复制 发行 信息网络传播等 同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利 学位论文作者签名 船 日期沁 年d 月抄日 指导教师签名 骺心 日期 沙i 年d 3 月叫日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊 光盘版 电子杂志社c n k i 系列 数据库中全文发布 并按 中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定 享受相关权益 指导教师签名 嘶心 日期 洳f 年d 月别日 要 要 路基路面的压实是施工组织中的一道重要工序 实践证明 压实可以使路基 及路面各结构层的材料具有一定的密实度 提高路基土和路面材料的不透水性及 强度稳定性 减少路基 路面在行车载荷作用下产生的永久变形 这对于公路的 路基 路面具有重要的意义 振动压路机是如今工程建设中的主要压实机械 振 动压路机通过振动轮偏心振子的高速旋转产生一个离心力对压实路面往复冲击 使得路基路面材料的颗粒状态不断的改变 以达到压实的目的 在传统的压实度检测方法不能满足工程需要的前提下 车载式压实度实时检 测方法成为当今研究的主要方向 试验证明 在土壤不断的压实过程中 振动压 路机振动轮的参数 振动位移 振动加速度 与土壤的压实度是正相关的 即随 着土壤压实度的不断增加 振动轮振动位移 振动加速度也在不断的变大 基于 两者之间存在的这种关系 可以在振动压路机振动轮上安装加速度传感器 通过 实时检测振动加速度的大小来判断土壤压实度的情况 在处理从传感器检测的振动加速度信号的过程中 去除检测信号的干扰噪声 分析信号的奇异点 以及表征振动加速度的特征参数是信号处理的主要内容 分 析证明 使用小波分析处理这种非平稳信号有着独特的优势 通过小波分析处理 可以很大程度上去除系统中的干扰噪声 同时能非常方便的检测出信号的奇异点 发生的位置 实测数据表明 振动加速度和土壤压实度之间虽然在土壤压实的前中期是正 相关的 但是两者之间的线性关系并不是很好 基于b p 神经网络在处理非线性映 射方面的能力和特点 使用b p 神经网络来反应两者之间的映射关系 仿真及数据 检测表明 b p 神经网络的应用是可行的 关键词 振动压路机 振动加速度 压实度 小波分析 b p 神经网络 摘要 a b s t r a c t c o m p a c t i o no fp a v e m e n ti sa ni m p o r t a n tp r o c e s si nt h ec o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o n i t sp r o v e dt h 砒 c o m p a c t i o nc o u l dm a k i n gt h ep a v e m e n tw i t he a c hl a y e rh a v ec e r t a i nd e n s i t y c 锄i m p r o v i n g t h e i n i p e m l e a b i l i 妙a n d 蜘g t ho ft h em a t e r i a l r e d u c i n gt h ep e r m a n e n td e f o r m a t i o no fp a v e m e n tw h e ni t w a sf o r c e di r a f f i cl o a d v l l 眦 a t o r yr o l l e ri st h em a i nc o m p a c t i o nc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y w i b r a t o r yr o l l e r t h r o u g hac e n t r i f u g a lf o r c ew h i c hm a k eb yt h ev i b r a t o r yw h e e l se c c e n l r i cv i b r a t o rh i g hs p e e dw h i r l i g i gt o r e c i p r o c a t i n gs h o c kt h ep a v e m e n t i tc o u l dc h a n g et h es t a t i o no fs o i lp a r t i c l e s s or e a c ht h ea r mo f c o m p a c t i o n b e c a u s eo ft h et r a d i t i o n a lm e t h o do fc o m p a c t i o n 锄 tm e e tt h er e q u i r e m e n t s v e h i c l e m o u n t e d c o m p a c t i o nd e t e c t o ri st h em a i nr e s e a r c hm e t h o d s t e s t sp r o v e dt h a t t h ep r o c e s so fs o i lc o m p a c t i n g c o n s t a n t l y v i b r a t o r yr o l l e rw h e e lv i b r a t i o np a r a m e t e r s v i b r a t i o nd i s p l a c e m e n t w i b r a t i o na c c e l e r a t i o n a n ds o i lc o m p a c t i o na 心p o s i t i v e l yc o r r e l a t e d t h a ti s w i t ht h ei n c r e a s i n gd e g r e eo fs o i lc o m p a c t i o n v i b r a t i o nw h e e lw i b r a t i o nd i s p l a c e m e n t v i b r a t i o na c c e l e r a t i o ni sc o n s t a n t l yi n c r e a s i n g s oi tc a nf i xa l l a c c e l e r a t i o ns e n s o ro nt h ev i b r a t o r yr o l l e rw h e e l t h r o u g hr e a l t i m ed e t e c t i n gv i b r a t i o na c c e l e r a t i o nt o r e a c t i n gs o i lc o m p a c t i o n i nt h ep r o c e s so fd e a l i n gw i t ht h ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o nf i o mt h es e n s o r i t sm a i nc o n t e n t sa r c r e m o v i n gi n t e r f e r e n c en o i s e a n a l y z i n gs i n g u l a r i t yo fs i n g l ea n dm a k i n gs u r et h ep a r a m e t e r so f v i b r a t i o n a c c e l e r a t i o n i ts h o w st h a tu s eo fw a v e l e ta n a l y s i st od e a lw i t ht h i sn o n s t a t i o n a r ys i g n a l sh a sau n i q u e a d v a n t a g e w a v e l e ta n a l y s i sc o u l dr e m o v et h ei n t e r f e r e n c en o i s ei nh i g hd e g r e e m e a n w h i l e c a nd e t e c t s i n g u l a r i t yo fs i g n a l sc o n v e n i e n t l y m e a s u r e dd a t as h o wt h a tt h ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o na n ds o i lc o m p a c t i o na r cp o s i t i v ei nt h e f o r m e r m e d i u mt e r mo fs o i lc o m p a c t i o n b u tt h el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e mi sn o tv e r yg o o d b a s e d o nb pn e u r a ln e t w o r k sa b i l i t ya n dc h a r a c t e r i s t i c si nt e r m so fd e a l i n gw i t hn o n l i n e a rm a p p i n g i tc o u l d u s eo fb pn e u r a ln e t w o r kt or e f l e c tt h er e l a t i o n s h i po ft h e m s i m u l a t i o na n dd a t aa n a l y z i n gs h o w e dt h a t b pn e u r a ln e t w o r ki sp o s s m l e k e y w o r d s v i b r a t o r yr o l l e r v i b r a t i o na c c e l e r a t i o n c o m p a c t i o n w a v e l e ta n a l y s i s b pn e u r a ln e t w o r k 录 录 摘要 i 第一章绪论 1 1 1 论文的研究背景及意义 1 1 2 压实技术的发展综述 2 1 2 1 压实机械的发展历程 2 1 2 2 压实技术的发展趋势 一3 1 3 振动信号处理的研究综述 4 1 3 1 信号分析处理的发展历程 4 1 3 2 信号处理的方法概述 5 1 4 本文的研究内容 6 第二章压实连续检测理论基础分析 7 2 1 土壤压实概述 7 2 1 1 土壤的密实度与压实度 7 2 1 2 土壤压实及其物理过程 7 2 1 3 土壤压实的基本方法 8 2 1 4 影响土壤压实的主要因素 9 2 2 振动压实机理 1 0 2 2 1 振动冲击下颗粒的运动 1 0 2 2 2 压实过程中土壤的不同阶段 一1 0 2 2 3 与振动压实相关的压路机参数 1 1 2 3 振动轮与土壤系统动力学分析 一1 2 2 3 1 振动轮一土壤系统建立力学分析的目的 一1 2 2 3 2 振动轮一土壤动力学模型的建立 1 2 2 3 3 用解析法求解动力学方程 一1 4 2 4 本章小节 1 5 第三章振动加速度信号检测与处理 1 6 3 1信号检测系统概述 1 6 3 1 1 检测系统的组成 1 6 3 1 2 激振加速度信号的特征 1 6 3 1 3 信号处理方法分析 1 8 3 1 4 小波理论及其时频化特性 1 9 3 2 振动加速度信号的前处理 2 1 目录 3 2 1 消除多项式趋势项 2 2 3 2 2 信号的去噪方法 2 3 3 2 3 小波阈值法对振动加速度信号去噪 2 7 3 2 4 信号的奇异点检测 3 6 3 3 振动加速度信号的特征提取方法 3 9 3 4 本章小节 一4 1 第四章基于b p 神经网络的数据处理 4 2 4 1 神经网络处理的目的 一4 2 4 2 神经网络概述 4 2 4 2 1 神经网络的发展 4 2 4 2 2 神经网络的研究内容 4 3 4 2 3 神经网络的应用 4 3 4 2 4 神经网络的特点 4 4 4 3 实验数据的神经网络处理与仿真 4 4 4 3 1 神经网络模型的确定 4 4 4 3 2b p 神经网络的特点 4 5 4 3 3 基于b p 神经网络的初步处理方案 4 7 4 3 4 改进后的b p 网络处理 5 3 4 3 5 不同级配土壤的印神经网络训练仿真 5 5 4 4 结论分析 6 1 第五章结论与展望 6 2 5 1 本文所做的工作 一6 2 5 2 本文的创新点 6 2 5 3 本文的不足和进一步设想 6 3 参考文献 6 4 致谢 6 6 在校期间发表的论文 6 7 第一章绪论 1 第一章绪论 1 1 论文的研究背景及意义 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 年年底建 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 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 到今年1 0 月份为止 贯穿我国南北线的 京珠高速 和贯穿东西 线的 沪蓉高速 已经建成通车 在国家4 万亿扩大内需 基建工程建设投资的 政策下 今后将会有更多的高等级公路修建 在公路施工中 为了加速工程的建设 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进行压实 随着交通运输量的迅速扩 大 公路建设的进一步发展 施工部门对压实机械和压实工作提出了越来越高的 要求 通常 压实工作占施工项目费用的2 设备占工程造价的o 2 而密实度 每提高1 基础承载能力就提高1 0 特别是沥青混凝土密实度每提高1 承载 能力和寿命可提高1 0 壮1 5 压实工作的重要性显而易见 同时 在公路建设 的质量问题也越来越引起人们的重视 路面达不到设计的使用寿命 出现早期破 快的事情时有发生 而压实程度不够是造成路面早期破坏的主要原因之一 公路 路面的投资费用往往占工程总投资的3 0 5 0 特别是高等级公路 其路面的投 资比重更大 因此 路面过早破坏在经济上造成的损失是非常巨大的 除了加强 路面工程的管理 在技术上按照标准要求控制路基 路面的压实是保证路面质量 最经济有效的措施之一 压实作业是使路基和路面各结构材料层获得足够密实度的重要环节 采用行 之有效的压实度检测方法是对其实行监控的重要手段 由于碾压过程控制不当 在施工中经常出现下列问题 压实遍数不够 达不到规定的压实度 因而要重新 压实 影响工期 压实遍数过多 既不经济又可能导致压实度降低 同时也是对 人力 物力的浪费 通常情况下 压实的程度都是根据人们的经验所控制的 项目验收时也只能 在压实结束后采取少量的试样材料进行试验 这种方法代表性差 同时耗费时间 和费用 基于传统压实度检测方法的缺点和不足 国内外很多工程机械公司正在 开发和完善一种车载压实度实时检测仪 其实现机理就是通过检测压实机械上的 某个参数特征来反映土壤的压实度情况 对于振动压路机而已 研究振动轮的某 些参数特征 如振动轮振幅 振动频率 振动轮位移 振动加速度等等 可以来 2 第一章绪论 间接反映土壤的压实度 已有的研究表明振动轮的位移会随着土壤 a b 阶段 压实度的增加而增加 而这个规律同样适用于振动轮加速度n 1 本文正是在这样 的前提下展开的 连续实时检测仪的开发可以使工程人员随时掌握路基路面的压 实程度 进而确定压实的遍数 这样既提高了工作效率 同时也节省了工程费用 振动加速度的实时检测与处理研究正是压实度实时检测仪的关键部分 加速度数 据的准确性是正确衡量压实度状况的关键 因此对于整个的检测过程显得至关重 要 1 2 压实技术的发展综述 1 2 1 压实机械的发展历程 压路机作为压实机械中最主要的机种经历了漫长的发展过程 按照压路机对 土壤的压实机理来分的话 压实技术的发展大概就是从静力压实到振动压实 再 到发展到现在的振荡压实和冲击压实 第一台蒸汽驱动的压路机出现在1 9 世纪中叶 第一台内燃机驱动的压路机则 诞生在2 0 世纪初期 随后出现的是轮胎压路机 这些类型的压路机都是静作用式 的 为了增加压实效果 在相当长的时间内主要依靠增加压路机的质量来实现 最大的轮胎压路机曾经重达近2 0 0 0 k n 在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飞机场 道路和堤坝等大型工程建设施工中 振动压实技术和振动压路机械的出现是压实机械发展史上一次划时代的革 命 从此压实效果的增长不再是简单地依赖于质量或静线压力的增大 世界第一 台拖式振动压路机出现在2 0 世纪4 0 年代 但真正大量投放市场是在5 0 年代初期 最初出现的振动压路机吨位较小 主要用于压实砂石粒料 且品种较少 整体性 能较差 随着振动压实理论研究的深入 减振材料和振动轴承的制造技术日臻完善 机器结构的日趋紧凑合理 振动压路机在6 0 年代迅速地占领了世界压实机械市场 其机型也从小型向中 大吨位的方向发展 同时在品种上也呈现多样性 如拖式 振动 单轮振动 双轮振动 组合振动 手扶振动及羊角式和凸块式的振动压路 机等多种品种 其应用范围也扩大到了粘性土壤及沥青混凝土压实 以及深层的 和薄层的 宽阔地段的和狭窄地段的等几乎所有的压实工作 到了7 0 年代初 振 动压路机在世界压路机市场的销售总量中已占到6 0 以上的份额 现在已突破了 7 0 成了压实机械制造厂商的主导产品 随着液压控制技术在振动压路机上的应用 使振动参数的调节成为可能 在 2 0 世纪7 0 年代末期出现了调频 调幅式的振动压路机 为压实工作参数的优化调 第一章绪论 3 节奠定了基础 2 0 世纪8 0 9 0 年代是压实技术和压实机械蓬勃发展的时期 对新 的压实技术和方法的探索 出现了许多新的技术构想 其中尤以振荡压实技术和 冲击压实技术最为成功 相应于这两种技术的产品 振荡压路机和非圆滚轮压路 机 在经过8 0 年代中期的模型原型试验阶段后 现在已经向市场提供系列产品 步入2 0 世纪末期以来 电子技术和计算机的应用给压实机械带来了一场控制革命 德国宝马 b o m a g 公司首创自动调幅压实系统 这种智能系统能根据被碾压物料 密实度的变化自动选择适宜的振幅 优化激振力的输出 从而消除材料出现压实 不足或过压实现象 提高了压实的均匀程度 避免了振动轮跳振引起的骨料破碎 和机器损伤 3 1 1 2 2 压实技术的发展趋势 现代新技术革命的兴起 特别是微电子技术 计算机技术和自动控制技术等 的迅速发展 使自动化 智能化压实技术成为主要的发展方向 1 高频振动 最新的研究结果表明 高频率 5 0 h z 左右 与低振幅 0 2 o 4 n u n 匹配 特别适合于薄沥青铺层的压实 在保护脆性骨料不被压碎和节约沥青材料方面具 有十分显著的效果 除此之外 实现高频振动还可以提高双钢轮振动压路机的碾 压速度如振动频率为5 0 h z 时 适合的碾压速度为4 k i n h 振动频率为7 0 h z 时 碾 压速度可达5 6 k m h 由此可见 在较高的碾压速度下 能够保持单位距离内的振 动冲击次数一定从而确保了与以往同等的压实效果 显著提高了压实效率 与此 同时 较高的碾压速度也有助于双钢轮振动压路机在较高的温度下完成热沥青混 合料的压实作业 进一步提高路面质量 2 多振幅与无级调幅机构 由于铺层材料千差万别 超薄与超厚铺层的巨大差异 因而对振幅的要求范 围也更宽 仅有单一振幅或高 低两种振幅的压实机械已不能适应某些特殊工况 的压实作业 目前 应用的多振幅结构 几乎都由人工直接操作调幅机构来实现 无法实现自动控制 而无级调幅技术可以实现调幅机构的可控性和智能控制的可 行性 也是振动压路机振动参数实现在线自动化控制的基础和关键 3 压实过程的自动控制 在自动控制方面 压路机主要根据土质条件自动进行振幅和压实能量的输出 由于地面接触力随着压实强度的变化而变化 钢轮的振动方向根据系统内的加速 度传感器连续测试钢轮的动态特性 并通过记录评估这些数据 进而使振动方向 在水平和垂直方向之间自动进行调整 4 第一章绪论 4 压实机械智能化技术 在压实过程和机器工作状态实时检测的基础上 压实机械进一步向智能化方向 发展 将自适应和自学习技术引入压实控制中 并在此基础上实现压实作业的最 优控制 通过一段时间的压实实践 压路机会自动对压实作业的各项参数 频率 振幅 速度和压实遍数 进行不同组合 并判断压实效果 从而决定最优施工方 案 当被压材料的性质发生变化时 它会不断的改变自身的参数 自动适应现场 状况的变化 使压实作业始终在良好的条件下进行 1 3 振动信号处理的研究综述 振动信号分析 识别与处理的理论与技术方法 是设备振动检测与诊断的基 础 在多个领域得到广泛的应用 随着现代工业及科学技术的发展 各种工业设 备日趋大型化 集成化 高速化 自动化和智能化 设备的运行状态在其工作中 起着至关重要的作用 所以设备振动信号的特征参数也显得尤为重要 如发动机 振动信号 液压振动信号 本文所要研究的振动压路机振动加速度信号等等 近 几十年来 随着数学理论的发展 分析手段的发展和工程应用方面的发展 机械 结构的振动信号分析的新理论 新技术 新方法不断出现 人们在实际工程的振 动信号分析中也做了若干应用性尝试 取得了令人瞩目的成绩 相应的某些专著 也对其中的某些新理论或方法进行了阐述 但是 由于许多新的理论或技术方法 都处于发展完善阶段 没有形成特别完善的科学体系 同时由于机械结构振动的 复杂性 特别是非平稳 非线性振动信号的复杂性 仅靠一种分析方法难以进行 完善的分析 也就难以真正解决工程中的实际问题 需要多种手段综合应用 才 能达到成功分析的目的 许多研究表明 对复杂问题 几种方法的结合比应用一 种新方法解决得好 而在某种情况下以往的常规方法反而能更好的解决问题 1 1 3 1 信号分析处理的发展历程 随着现代科学技术的不断发展 以及多学科的互相渗透 信号处理也得到了 很大了发展 尤其是m a tl a b 等信号处理软件的引入和发展 为信号处理研究带来 的巨大的好处 傅里叶变化是1 8 2 2 年法国科学家j o s e p hf o u r i e r 用三角级数求解热传导偏 微分方程时所提出的一种数学方法 它将时空信号变换成了频率信号 鉴于傅里 叶变换不含时空定位信息 匈牙利人d e n n i sg a b o r 1 9 7 1 年的诺贝尔物理学奖获 得者 于1 9 4 6 年提出窗口傅里叶变换 w i n d o wf o u r i e rt r a n s f o r m 窗口傅里叶 变换可以用于视频分析 但是窗口大小是固定的 1 9 8 4 年 法国的物理学家j e a n 第一章绪论 5 m o r l e t 和a g r o s s m a n 在进行石油勘探的地震数据处理分析时又提出了具有可变 窗口的自适应时频分析方法一小波变换 w a v e l e tt r a n s f o r m 在小波变换的 基础上又发展了谐波小波分析 谐波小波分析主要解决了在信号数据点不减少的 情况下对个频段的分析 1 9 9 6 年 美籍华人n o r d e ne h u a n g 等人在对瞬时频率的 概念进行深入研究后 创立了h i l b e r t h u a n g 变换 t 这一方法创造性的提 出了固有模态函数 i m f 的新概念以及将任意信号分解为固有模态函数的方法一 一经验模态分解法 e 如 从而赋予瞬时频率合理的定义 信号数据的处理一般都是在微观的领域被人们所了解 其中数据复杂 数学 计算公式繁多 计算发杂 让研究人员在处理上增加了许多的难度 现代科学技 术的发展 相关的信号处理软件也随之而出 如m a t l a b l a b v i e w 等软件的出现大 大的解决了信号处理复杂性 这些大型软件的出现让研究人员只需要简单的编程 便能实现 许多应用软件还开发了人机交互的界面 如m a t l a b 公司开发的小波分 析信号处理单元专门为用户提供了g u i 界面 g u i 界面的开发让初学者更快更便捷 的进入信号处理模块 甚至不需要编程就能实现信号处理的相关分析 5 1 1 3 2 信号处理的方法概述 目前常用的振动信号分析方法包括时域分析法 频域分析法 时序分析法 时频分析法等 信号的时域分析法主要是从时间概念上分析信号的变化 时域分析方法反映 的是局部时间特性和整个时间统计特性之间的关系 不涉及信号的频率成分 从 信号的时域图上可以分辨出我们所关心的振动信号随变换的特点 这其中包括信 号的均值 最大值 最小值 均方根值 斜度和崤度等 信号的频域分析方法主要是通过某种变换 将振动信号从时域变换到频域 进行频域特征提取 然后根据频率分布的特征和变化趋势来判定故障类型和故障 程度 它是目前信号分析中较常见的一种方法 这种方法在特定条件下或对某一 类故障有一定的效果 但是不适用于整体性能的判断 频域分析处理方法有古典 谱估计法和现代谱估计法 古典谱法基于f f t 快速算法 包括周期图法 相关分 析 相干分析 自谱 互谱 细化谱 倒频谱 传递函数 谱趋势分析等等 现 代谱法包括最大嫡谱估计 a 孙4 a 时序分析以及最小方差法等 时间序列分析法通过从先后有序的数据中提取有用信息 它是数理统计学的 一个分支 在其发展过程中 形成了自身的一套理论和方法 并具有一些特色和 优点 时间序列分析的理论基础是序列的平稳性 在处理平稳信号方面有独特的 优势 6第一章绪论 时频分析法是一种同时兼顾时域和频域的处理方法 它的主要特点在于时间 和频率的局部化 通过时间轴和频率轴两个坐标组成的时频平面 可以得到整体 信号在局部时域内的频率组成 或者看出整体信号各个频带在局部时间上的分布 和排列情况 因此时频分析法非常适合处理信号成分复杂 频率多变的非平稳信 擘1 8 l 了 o 1 4 本文的研究内容 本文的研究内容一共分为三个部分 l 首先分析了压实度实时检测的理论基础 进一步了解振动压路机振动轮振 动参数和土壤性质 刚度 阻尼 之间的关系 以及不同土壤压实度的关系 如 土壤的组成 含水量等的不同和压实度变化的关系 2 第二部分为振动信号的处理部分 针对实时采集振动加速度信号的过程中 出现的一些问题做了分析和了解 如信号的去噪 信号的平稳性问题 信号奇异 点的检测等 根据这些问题的特点 寻求更好的信号处理方法来处理检测信号 3 最后根据现场试验检测到的多组数据 主要是振动加速度数据和土壤压实 度数据 以及实验室检测的不同土壤的级配 土壤的含水量等 来做对比分析 结合第一部分分析的理论基础找到振动加速度和土壤压实度之间的桥梁 并通过 软件的仿真来检验方法的可行性 第二章压实连续检测理论基础分析 7 第二章压实连续检测理论基础分析 2 1 土壤压实概述 2 1 1 土壤的密实度与压实度 土壤的密实度是表示土壤密实程度的物理特性 通常可以用固体体积率或空 隙率表示 土壤的压实度是一个相对指标 它是压实现场测得的土壤干密度玩和 实验室击实实验最大干密度 比值的百分数 即 易2 去枷蝴 压实度是压实程度的标志 是检验压实效果普遍采用的检验方法之一 对给 定的压实工程 要规定最低压实度要求 以此作为压实质量标准 目前国内 国际上广泛采用的用来确定土壤最佳含水量和与其对应的最大密 实度的标准实验法为按a a s h o 标准程序规定的标准普氏实验法 a a s h o t 9 9 和修正的普氏实验法 a a s h o t 9 9 7 1 2 1 2 土壤压实及其物理过程 压实被普遍应用于工程结构基础 堤坝和路面铺装层的施工 工程基础压实 的目的在于增加土壤的压实度 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的破坏 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 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 压实的目的如下 1 消除土中的空隙 降低渗透性 减少因水的渗入而引起土的软化和膨胀 使 土及基础保持形状基本不变 2 使路堤斜面保持稳定 在填方上保持足够的强度 以支承交通运输中所产生 的负荷 3 减少填方在压力下产生下沉量 使用机械力对土壤进行压实时 将产生这样几种物理现象 迫使土壤颗粒重 新排列和相互靠近 使小颗粒嵌入到大颗粒的空隙中去 使土壤内大小颗粒相互 掺和 敲掉了大石块的棱角 从而减少了插空 挤出空气和水分 使土壤的空隙 率减小 产生这些物理现象的结果是 增加了单位体积内固体颗粒的数量 减少了空 8 第二章压实连续检测理论基础分析 隙 从而增加了土壤的密实度 在压实黏性土时 土壤往往是一些大小不一的土块 这些土块在压实载荷下 将产生破碎 掺和 以及重新排列和相互靠近 对于黏性土壤的压实 力求将全 部空气挤出来 而不是将水挤出来 各种细粒土 天然砂砾土 红土砂砾 各种级配集料 增隙碎石以及无机结 合料稳定土等路面材料 经过压实后 在单位体积内通常包括固体颗粒 水和空 气三部分 常称为三相体 盯 2 1 3 土壤压实的基本方法 压实是指通过施 r e l 力 使被压实材料密实度提高的物理过程 根据压实机 械土壤的施力方法可分为如下四种方法 l 静压力压实 静作用压力能迫使土壤颗粒相互靠近 从而提高土壤的密实度 但这种作用 力所能影响的深度是很有限的 因为随着压实过程的进行 土壤的表层产生硬化 土壤的内摩擦阻力使得这种静作用力无法向着更深处波及 随着静载荷的增加 颗粒之间的摩擦力也在增加 因此 静作用压实有一个极限的压实效果和影响深 度 无限地增加静载荷并不能得到相应的压实效果 反而会破坏表层土的结构 2 冲击压实 冲击式压路机的非圆压轮在滚过突角的一瞬间将产生坠落 这犹如利用自由 落体原理说产生的一次冲击 将对土壤产生一个压力波 压力波的冲击使土壤颗 粒处于运动状态 其内摩擦阻力减小 从而迫使它们向着低位能的方向流动 这 为压实创造了条件 3 振动压实 这是一种连续高频冲击载荷所产生的作用力 振动压路机发出的振动频率通 常为2 5 5 0 t t z 这种正弦波的振动载荷能使土颗粒处于高频振动状态 它们之间 的内摩擦力几乎完全丧失 而由压路机重量所产生的静作用力对土壤产生压应力 和剪切应力 迫使这些振动着的土壤颗粒重新排队 特别是一些小颗粒将渗入到 大颗粒的空隙中去而将空气和水分挤出来 那些较大颗粒的棱角也因受不了这种 高频冲击应力而被敲掉 致使插空减少 测试证明 振动压路机发出的激振力的 波及深度可深达5 m 4 揉搓力压实 揉搓力是柔性压轮说特有的压实效果 使用轮胎压路机压实时 这种揉搓力 能使轮胎触及区域的土壤在一个封闭空间内相互揉搓 从而使材料得以均匀地压 第二章压实连续检测理论基础分析 9 2 1 4 影响土壤压实的主要因素 一般情况下影响压实度的主要因素是材料性能 含水量 机械施加能量的方 法及其大小 1 土壤材料及其级配情况的影响 不同类型的土壤 其压实性能是不一样的 粗粒料易于压实 而且有足够的 稳定性 粉砂的压实性能差些 但比黏土要好 只是水稳定性较差 最难于压实 的土壤是黏土 它有高的黏聚性和不透水性 含有大量有机物的腐殖土 弹性很 强 无法压实 不宜作为工程建筑材料使用 集料的级配对碾压后所能达到的密实度有着明显的影响 为了提高工程结构 基础和路面结构层的强度和减少空隙率 增加其在使用过程中的稳定性 则要求 材料具有好的级配 特别是对作基础层的集料 常规定有严格的级配范围 另外 对路面各结构层的集料成分要求有足够的强度和硬度 以使能够抵抗 碾压施工和行车载荷的破坏 要防止集料中的粗骨料被细化而导致路面变形 2 含水量 以相同的压实方法 压实不同含水量的同一种土壤 会得到不同的压实效果 压实机械的施力 需要克服土颗粒间的内摩擦力和黏聚力 才能使其产生位移及 相互靠近 而这种内摩擦力和黏聚力往往是随着密实度的提高而增加的 土壤的含水量小时 土颗粒间的内摩擦阻力就大 当压实到一定程度后 此 压实功便不能继续克服土壤的变形抗力 压实所得的密实度是有限的 若增加含 水量时 由于水在颗粒间起到的润滑作用而使土壤的内摩擦阻力下降 因此会以 同样的压实功而得到较大的密实度 当含水量增加到超过某一界限后 虽然土壤 的内摩擦阻力还会下降 但土壤中水的体积却在增加 由于水的不可压缩性 致 使土壤的密实度反而下降了 各种不同土壤的最佳含水量和最大干密度是不同的 通过击实试验 对各种 天然土壤 级配土壤及无极黏结材料稳定土 都能找到一个与击实曲线上最大干 密度想对应的最佳含水量值 3 压实设备的影响n 1 压实设备的影响主要包括压实力的作用方式 压实功的大小 碾轮的状态 以及压实的工艺 其中压实工艺对土壤压实的影响是比较大的 比如本文研究的 振动压路机振动压实 压路机振动参数的选择 振动频率 振幅 碾压速度和碾 压次数都影响着土壤的压实度 1 0 第二章压实连续检测理论基础分析 在振动压路机振动压实的过程中 合理的选择振动轮振动频率和振幅对压实 效果和压实效率有着很大的影响 2 2 振动压实机理 2 2 1 振动冲击下颗粒的运动 振动压路机在作业时 由于振动轮的振动使其对铺层材料作用一个往复冲击 力 振动轮对铺层每冲击一次 被压实材料中就产生一个冲击波 同时这个冲击 波在被压实的材料内沿着纵深方向扩散和传播 被压实材料的颗粒之间的摩擦力 也由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态 可见 进行振动压实时 在被压 材料层中作用有内力和外力 内力包括颗粒间的粘结力 摩擦力和颗粒的重量 外力包括由于振动作用传递给被压材料颗粒的惯性力和上层材料的重力 材料受强迫振动后 由于各料粒的质量及所处位置的不同 所产生的惯性力 也截然不同 此时 料粒间的粘结膜发生张紧的现象 若惯性力不大 不足以克 服料粒间的摩擦力和粘结力 则各颗粒仍处于原始位置 如果惯性力很大 足以 破坏颗粒见的摩擦力和粘结力 在这种情况下 料粒在其自重力和上层物料重力 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 锲紧 挤紧 达到密实 2 2 2 压实过程中土壤的不同阶段 随着压实的进行 土壤的压实度不断的增加 根据压实度增加过程中土壤的 变形 将土壤变形分成三个阶段 a 阶段 土壤密实度小 土壤在周期作用下的动载荷作用下 产生较大的塑 性应变 并表现为土壤内阻尼性能的存在 形成载荷 变形的滞回圈 表明土壤颗 粒在压力下调整相对位置需要花费时间 并较多地吸收振动轮振实作业产生的能 量 是土样变形的第一阶段 b 阶段 土壤密实度增加 土壤在周期载荷作用下 产生以弹性变形为主的 弹塑性应力 应变关系 土样的变形量相对减少 吸收振动轮振实的能量减少 土 壤弹性增加 塑性减少 是土样变形的第二阶段 c 阶段 土壤压实度增加至一定程度 土壤在周期动载荷作用下 表现为相 对刚性的应力一应变形态 土壤不再产生变形 不再吸收振动轮的振实能量 振动 轮振动参数组合成的工作状态已对土样不产生有利的压实 该状态下振动轮的压 实潜力已充分发挥完了 应更换 调整相应的工作参数 方能产生进一步的压实 第二章压实连续检测理论基础分析 该阶段振动轮振动对橡胶减震器的副作用增加 不应长期存在 但它是判断土壤 压实特征的特殊阶段 7 1 2 2 3 与振动压实相关的压路机参数 与振动压实密切相关的是振动压路机振动轮相关参数 如振动频率 振幅 还有一些派生振动参数 如振动加速度 激振力和动作用力等 还有振动功率 它是计算振动压路机振动轮功率消耗所必需的 1 振动频率 压路机振动轮在激振力的作用下产生受迫振动 其振动频率f h z 角频率 c o r a d l s 和振动周期t s 分别按以下公式计算 其中n 为激振器转速 r m i n 厂 旦 2 1 国 2 7 r f 竺 3 0 2 2 t 一1 塾 2 3 一 一 l z j j 振动压路机振动轮振动频率与振动轮及被压实土壤的振动系统有关 针对不 同的压实土壤和使用工况 选定振动轮频率 2 振幅 振幅分为工作振幅和名义振幅 振动压路机在振动压实作业时 振动轮的实 际振幅称为振动压路机的工作振幅 用a 来表示 振动压路机的工作振幅受土壤 刚度的影响 由于受压土壤的刚度是一个随机值 因此振动压路机的工作振幅也 是一个随机参数 实际上工作振幅也是反应土壤压实度的一个重要参数 在车载 式压实度检测中 就是利用了振幅和压实度这种密切相关的关系来实现的 而名 义振幅是指把振动压路机用支撑物架起来 振动轮悬空时测得的振幅 3 振动加速度 振动轮的振动加速度a 是一个派生参数 可以由名义振幅和振动角频率求得 口 鱼生 2 4 9 8 l 式中t 口一振动加速度 4 一名义振幅 0 一振动角频率 第二章压实连续检测理论基础分析 振动压路机的振动加速度体现了频率和振幅的综合效应 振动加速度a 过小 说明振动压路机的工作频率过低或名义振幅过小 过小的振动加速度 产生的动 态冲击力就小 体现不出振动压实的优越性 反之 振动加速度a 过大 说明振 动压路机的工作频率或名义振幅取值过高 过大的振动加速度 将导致被压实材 料出现离析现象 即大质量的骨料颗粒在振动状态下产生较大垂直于地面的惯性 力 使之沉降在铺层材料的底部 而小质量的颗粒将 浮刀在面层 4 激振力和动作用力 激振力是由偏心振子激振器高速旋转时的离心力形成的 它和振子的静偏心 距和角频率有关 动作用力是土壤弹性变形抗力和阻尼力的矢量和 它与振动轮 的瞬间振幅 振动加速度及土壤的物理学特点有关 为了提高振动压路机的动作用力 一个非常重要的办法就是加大名义振幅或 工作振幅 因为激振力和名义振幅都与激振器的静偏心矩成正比 所以具有大偏 心矩激振器的振动压路机 其压实效果及压力波影响深度都由于较小静偏心距激 振器的振动压路机 7 1 2 3 振动轮与土壤系统动力学分析 2 3 1 振动轮一土壤系统建立力学分析的目的 振动压路机用于振动压实时 其振动状态和压实效果不仅仅取决于振动轮及 振动压路机的结构特征和特殊参数 也取决于压实材料的性质及所给定的使用条 件 振动压路机使用过程中效率的提高 可以通过压实的自动化 即使振动轮激 振力等工作参数对所给的使用条件的自动匹配来得到 振动压实连续检测的理论基础正是建立在对振动轮和土壤系统的力学分析来 实现的 通过对振动轮一土壤系统的分析找出振动压路机工作参数和土壤参数之 间的关系 2 3 2 振动轮一土壤动力学模型的建立 建立 振动压路机一土壤 振动系统动力学模型的原则是 首先动力学模型 应尽量与实际工程相吻合 其次模型应力求简化 使数学计算方法简单易行 振动压路机对压实工作起直接作用的是前车部分 这主要包括前车机架 减 震器和振动轮 在振动压实过程中 机架和振动轮的运动接近刚体运动 而减震 器和被振实的土壤变化比较明显 因此 机架和振动轮的运动规律可以用集中质 量的动力学模型来描述 前车机架和与之相关联的后车架部分可以近似地简化为 第二章压实连续检测理论基础分析 一个集中质量 即上车质量 振动轮也可以简化为一个集中质量 即振动质量或 下车质量 减震器则用弹簧 阻尼来描述 土体的简化及参数的确定 是建立动力学模型的关键 在 振动压路机一土 壤 振动系统中 参与振动的除振动轮质量外 还包括随其振动的一部分土的质 量 在土力学领域 用质量一弹簧一阻尼系统来等效 振动压路机的激振器实际上是旋转的偏心质量 激振力是方向旋转的横幅离 心力 因此振动轮是多方向的空间运动 但是对振动压实效果 特别是表层以下 的土体的压实效果起主要作用的是垂直振动和静重压力 为了简化问题 模型中 只研究垂直方向的运动 试验研究证明 振动轮振动的水平分量几乎全部通过与 被压实材料表面之间的相互滑动而被分散掉 没有传至土壤中n 1 如图2 1 所示 建立的振动轮一土壤系统动力学模型 9 1 m 一上车质量 朋2 一下车质量 m 一随振土体质量 毛一橡胶减振器刚度 七2 一土的刚度 c l 一橡胶减振器阻尼 c 2 一土的阻尼 e 一激振力 彩一工作频率 薯一上车瞬时位移 x 一下车瞬时位移 矗一土体瞬时位移 e 振动轮与土地的动态作用力 图2 1 振动轮一土壤动力学模型 f i g u r e2 1t h ed y n a m i c ss t u d y m o d e lo f v i b r a t i o nw h e e l s o i l 为了简化模型的复杂程度 先不分析振动轮跳振阶段的情况 假设m 和 始 终是保持在一起的 那么x 3 x 2 令他 鸭 鸭 各层之间的受力方程如式 2 5 2 6 2 7 所示 铂耳 c l 写一菇 毛 五一屯 0 2 5 码 q 爿一墨 一毛 五一而 e f f os i n c o t 2 6 鸭 c 2 乞毛 f 0 用矩阵形式表达就为 2 7 1 4 第二章压实连续检测理论基础分析 陌骥牝l c 三幢m 三赢甜嘲仫8 2 3 3 用解析法求解动力学方程 令 x l x l s i n r a t x 22 x 2 s i n c o t 将式 2 9 2 1 0 分别代入式 2 5 2 6 解得 椭 黼 i 铲局 黼 j 式中 4 毛 m l c 0 2 b l c 1 0 鸣 k l b 2 c i 0 2 9 2 1 0 c 所2 m 3 掰l 彩4 m 2 埘3 毛彩2 m l k 2 1 0 2 一c l c 2 国