王 偉

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安710064）

振動(dòng)壓路機(jī)參數(shù)對(duì)壓實(shí)性能的影響分析

王 偉

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安710064）

在分析傳統(tǒng)壓路機(jī)振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上，基于振動(dòng)壓實(shí)理論，面向模式可調(diào)的智能壓實(shí)過(guò)程，構(gòu)建“振動(dòng)輪-土體”動(dòng)力學(xué)模型，分析振動(dòng)壓路機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和工作參數(shù)對(duì)振動(dòng)輪加速度的動(dòng)態(tài)影響，得到壓路機(jī)參數(shù)對(duì)壓實(shí)效果的影響規(guī)律（構(gòu)建數(shù)學(xué)模型），進(jìn)而探究新型智能化振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)能量傳遞機(jī)理。

機(jī)械工程；壓實(shí)性能分析；數(shù)學(xué)建模；智能壓實(shí)；壓實(shí)度

隨著電子信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，智能化振動(dòng)壓路機(jī)已經(jīng)成為了未來(lái)振動(dòng)壓路機(jī)的發(fā)展方向。智能化壓路機(jī)實(shí)際上就是一個(gè)以材料、機(jī)器、信息、人工決策為一體的一個(gè)系統(tǒng)。壓路機(jī)通過(guò)對(duì)材料的碾壓，輸出壓實(shí)度、土壤特性等信息，然后再通過(guò)這些信息來(lái)對(duì)壓路機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)壓實(shí)效果的最優(yōu)化。但是我們要想實(shí)現(xiàn)智能化壓路機(jī)這一系列的功能，我們首先要做的就是要分析壓路機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)和工作參數(shù)，并研究這些參數(shù)對(duì)壓實(shí)性能的影響，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。

1 壓路機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 壓路機(jī)的工作重量

壓路機(jī)的工作重量就是包括壓路機(jī)的車架、振動(dòng)輪、油箱、修理設(shè)備等在內(nèi)的總體重量。壓路機(jī)的工作重量對(duì)地面會(huì)產(chǎn)生靜載荷，因此靜載荷的大小是取決于工作重量的大小。靜荷載的計(jì)算公式如下：

式中：G為壓路機(jī)的工作重量；B為振動(dòng)輪的寬度cm.

1.2 振動(dòng)輪的寬度及直徑

振動(dòng)輪的寬度和直徑也是影響壓實(shí)度的重要因素。合適的寬度，會(huì)防止壓路機(jī)在壓實(shí)松散路面時(shí)的下沉，可提高壓實(shí)過(guò)程中的行駛穩(wěn)定性。合適的直徑，既能產(chǎn)生較大的激振力，也能保證高質(zhì)量的壓實(shí)度。

2 壓路機(jī)的工作參數(shù)

壓路機(jī)的工作參數(shù)是影響壓實(shí)度的主要因素，主要包括振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度、行駛速度。2.1振動(dòng)頻率

振動(dòng)頻率指的是壓路機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)地面沖壓的次數(shù)。由于土料自身也具有一定的頻率，當(dāng)壓路機(jī)的激勵(lì)器產(chǎn)生具有一定頻率的載荷時(shí)，會(huì)帶動(dòng)土粒振動(dòng)，從而縮小了土粒之間的空隙，達(dá)到壓實(shí)的目的。如圖1中所示，在振動(dòng)幅度一定的情況下，振動(dòng)頻率越大，壓實(shí)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)是先增加后減小，由于土體本身存在固有頻率，當(dāng)激振器的頻率與土體本身的固有頻率相近時(shí)，此時(shí)的壓實(shí)效果是最好的。如果振動(dòng)頻率過(guò)小，壓實(shí)效果不明顯；而當(dāng)振動(dòng)頻率過(guò)大時(shí)，不但會(huì)破壞土體結(jié)構(gòu)，還會(huì)使得振動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大，振動(dòng)輪會(huì)跳離地面，造成壓實(shí)的不均勻，也可能會(huì)造成過(guò)度壓實(shí)。

圖1 振動(dòng)頻率與壓實(shí)度的關(guān)系

2.2 振動(dòng)幅度

振動(dòng)幅度（A0）是指壓路機(jī)振動(dòng)時(shí)離開(kāi)平衡位置的最大值，是影響壓實(shí)度的重要因素。振幅的表達(dá)式為：

其中：me為激振器的偏心距，M是振動(dòng)輪的質(zhì)量。

振動(dòng)幅度越小，帶動(dòng)的被壓材料就越少，壓實(shí)效果差；振動(dòng)幅度越大，對(duì)地面產(chǎn)生的作用力也就越大，壓實(shí)效果越好。但是振動(dòng)幅度并不是越大越好，過(guò)大的振幅也會(huì)導(dǎo)致壓實(shí)過(guò)度，集料嵌擠遭到破壞。因此，合理選擇振動(dòng)幅度，保證壓實(shí)度的合理性。

2.3 行走速度

這里行走速度指的是壓路機(jī)在碾壓過(guò)程中的速度，合適的碾壓速度對(duì)壓實(shí)也有很大的影響。對(duì)于瀝青混合料，由于其具有粘彈性或粘塑性，而且這種材料在高溫的時(shí)候更加明顯所以為了防止瀝青混合料的溫度下降過(guò)快，在施工過(guò)程中更需要保證合理的行走速度。但是行走速度并不是越快越好，過(guò)快的行走速度會(huì)對(duì)被壓材料產(chǎn)生推移力，不利于壓實(shí)進(jìn)程的進(jìn)行。

3 構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型

3.1 振動(dòng)輪—土體模型建立的理論依據(jù)

研究振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪土體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，必然先要涉及到的是土體本構(gòu)模型，根據(jù)物理學(xué)原理，如果被壓實(shí)土體的固有頻率和激振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率相一致，則振動(dòng)壓實(shí)效果是最佳。由于土是自然界歷史產(chǎn)物，是由固體顆粒、水和氣體組成的多相組合體，其復(fù)雜性和不均勻性，造就了本身的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系比一般的金屬材料要復(fù)雜的多。

3.2 振動(dòng)輪—土體模型的建立過(guò)程

首先，根據(jù)地質(zhì)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，我們把振動(dòng)輪朝向地面的方向視為正向，記為+z（見(jiàn)圖2）.在構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型之前，我們首先要注意的是由于車架和振動(dòng)輪的剛性遠(yuǎn)大于連接機(jī)架與振動(dòng)輪之間的橡膠減震器的剛性，所以我們把振動(dòng)壓路機(jī)看成是一個(gè)集中質(zhì)量塊，而且只有一個(gè)豎直自由度，zd；既然壓路機(jī)是一個(gè)集中質(zhì)量塊，那么zd代表的是在振動(dòng)輪與土壤表面接觸時(shí)的豎向偏差；我們會(huì)將機(jī)架的質(zhì)量考慮進(jìn)去，但是鋼架對(duì)輪的作用力對(duì)我們來(lái)說(shuō)是不重要的，可以忽略。為了得到地面剛度，我們需要實(shí)時(shí)測(cè)得壓路機(jī)的位置以及振動(dòng)輪的豎直位移，zd.

圖2 振動(dòng)輪的受力情況

由圖2建立的動(dòng)力學(xué)模型，可得出以下公式：

其中：md代表振動(dòng)輪的質(zhì)量，mf代表車架的質(zhì)量，Zd代表振動(dòng)輪的位移，Z¨d代表振動(dòng)輪的加速度，m0e0代表偏心質(zhì)量塊的力矩，ω代表激振力的頻率，g代表重力加速度。

在壓實(shí)過(guò)程中，壓路機(jī)與地面的動(dòng)態(tài)接觸力Fc越大，壓實(shí)效果越好。m0e0cos（ωt）在公式（3）中，代表的是壓路機(jī)的激振力F0，我們?cè)谶@里引進(jìn)RT作為壓實(shí)的有效率，公式為：

由此公式可看出，在激振力F0一定時(shí)，RT越大，作用力Fc越大。而RT的值與振動(dòng)頻率ω和振幅有關(guān)。因此，選擇合適的振頻和振幅，以提升壓實(shí)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析，影響壓實(shí)度的因素有很多，在具體的施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)被壓實(shí)材料的性質(zhì)，對(duì)振動(dòng)壓路機(jī)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行具體調(diào)整。通過(guò)建立“機(jī)架-振動(dòng)輪-地面”的動(dòng)力學(xué)模型，得出壓路機(jī)與地面的動(dòng)態(tài)接觸力的表達(dá)式，進(jìn)而分析影響壓實(shí)效果的各因素，并得到這些因素對(duì)壓實(shí)效果的影響規(guī)律，為下一步在智能壓實(shí)中對(duì)壓實(shí)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

[1]韓 丁，黃曉明，高 英.振動(dòng)壓路機(jī)不同參數(shù)對(duì)土基壓實(shí)效果的分析[J].公路交通科技，2009，26（8）：1-5.

[2]高 峰，王 娜.振動(dòng)壓路機(jī)參數(shù)對(duì)壓實(shí)質(zhì)量的影響[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2015（4）：65-67.

[3]陳 超.振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)施工參數(shù)與控制方法研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015，12（5）.

[4]劉亞非，徐紅玉.智能化振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型研究[J].建筑機(jī)械，2009（17）：61-64.

Analysis of Influence of Vibratory Roller Parameters on Compaction Performance

WANG Wei
（Chang’an University ，Shaanxi,Xi’an 710064，China）

Based on the analysis of the vibration wheel structure of traditional roller，based on the theory of vibration compaction，the dynamic model of“ vibration wheel-soil”is built，and the dynamic effect of design parameters and working parameters of vibratory roller on the acceleration of vibration is analyzed，and the influence law（ building mathematical model）of roller parameters on compaction effect is obtained，and then the compaction energy transfer mechanism of new intelligent vibratory roller is explored.

mechanical engineering；analysis of compaction performance；mathematical modeling intelligent compaction；compactness

TV53

A

1672-545X（2017）08-0282-02

2017-05-10

王 偉（1992－），男，山東萊蕪人，碩士學(xué)位，研究方向：機(jī)械制造及其自動(dòng)化。