陳晨

1 前言

壓實(shí)機(jī)械是在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮著重大的作廣泛用于地基、道路、飛機(jī)場(chǎng)、堤壩等工程。而振動(dòng)壓路機(jī)是目前壓實(shí)機(jī)械市場(chǎng)中的主流產(chǎn)品，而振動(dòng)壓路機(jī)的振動(dòng)和減振性能直接關(guān)系到振動(dòng)壓路機(jī)的產(chǎn)品作業(yè)性能、操作舒適性和安全性能。

本文通過研究氣墊變形量與氣墊充氣壓力、振動(dòng)輪橋荷、振動(dòng)輪振幅之間的關(guān)系，確定符合要求的氣墊變形量，以滿足壓路機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的要求。以往該項(xiàng)目的測(cè)試均采用鋼輪墊輪胎的方法，由于輪胎的剛度和彈性無法實(shí)現(xiàn)無級(jí)可調(diào)，勢(shì)必影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用氣墊代替輪胎后，氣墊的變形量和充氣壓力將決定測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此需研究氣墊變形量與氣墊充氣壓力、振動(dòng)輪橋荷、振動(dòng)輪振幅之間的關(guān)系，以滿足測(cè)試要求。

2 振動(dòng)輪振動(dòng)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

2.1 振動(dòng)傳感器

目前國(guó)內(nèi)外在機(jī)械振動(dòng)測(cè)試中，振動(dòng)加速度傳感器均采用ICP結(jié)構(gòu)的，該類型的傳感器根據(jù)其本身靈敏度的不同，輸出的是抗干擾能力強(qiáng)的電壓信號(hào)，適合較遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸。壓路機(jī)振動(dòng)參數(shù)實(shí)際測(cè)試時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)干擾源較多，而且被測(cè)機(jī)器離測(cè)試系統(tǒng)距離較遠(yuǎn)，信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)。ICP結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度傳感器可以滿足壓路機(jī)等工程機(jī)械現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求。

2.2 信號(hào)調(diào)理器

由于傳感器輸出的是電壓信號(hào)，所以，信號(hào)調(diào)理電路就是對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大。為了適合座椅振動(dòng)，鋼輪振動(dòng)，車架振動(dòng)這三種不同的振動(dòng)工況，采用了程控濾波器，測(cè)試軟件根據(jù)不同的測(cè)試工況，設(shè)置不同的低通截?cái)囝l率。以此來配合軟件濾波，完成對(duì)有用信號(hào)的選取，屏蔽干擾信號(hào)。提好了測(cè)量的精度。根據(jù)測(cè)量加速度值的范圍不同，系統(tǒng)采用了程控放大器，根據(jù)測(cè)量值的不同，來設(shè)置測(cè)量值的范圍，提高了測(cè)量的精度。

2.3 PC機(jī)

目前測(cè)試軟件都安裝的筆記本，但筆記本在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，存在很多不便之處。比如，抗振動(dòng)能力、防塵能力差，而且在司機(jī)室內(nèi)部測(cè)試時(shí)，由于體積大，不便于攜帶。一般采用了工控機(jī)代替筆記本的方案。選擇3寸低功耗的主板，該主板的功能滿足測(cè)試系統(tǒng)的最低要求。把該主板和信號(hào)調(diào)理器集成在一個(gè)機(jī)箱中，選用一個(gè)5寸的顯示器，再附加觸摸屏。這樣集成的系統(tǒng)，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，便于攜帶，抗振動(dòng)能力得到提高。方便了使用。

2.4 測(cè)試軟件

測(cè)試軟件是在虛擬儀器的平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)的。測(cè)試軟件采用了模塊化結(jié)構(gòu)。針對(duì)座椅振動(dòng)、鋼輪振動(dòng)、車架振動(dòng)，設(shè)計(jì)了專用的數(shù)據(jù)處理模型。鋼輪振動(dòng)數(shù)據(jù)處理模型是根據(jù)壓路機(jī)鋼輪實(shí)際工作時(shí)是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，所以，對(duì)采集到的鋼輪振動(dòng)信號(hào)在頻域處理時(shí)，在每個(gè)數(shù)據(jù)處理塊中，采用整周期處理的方式。每個(gè)數(shù)據(jù)處理塊之間采用平均，得到最終值。車架烈度（速度）的處理處理，采用了軟件積分的方法。對(duì)采集到的加速度信號(hào)首先進(jìn)行零均值處理，然后再進(jìn)行積分運(yùn)算。得到烈度（速度）值。軟件操作界面友好，簡(jiǎn)單，適合測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)操作。

3 研究方法

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法。它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是分析因式設(shè)計(jì)的主要方法是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

本文之所以選擇正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，正是因?yàn)樗c本文的自身特點(diǎn)相適應(yīng)。本文的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是氣墊的變形量試驗(yàn)因素為氣墊壓力、振動(dòng)輪橋荷和振幅。試驗(yàn)水平則是通過以往積累的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理劃分，每項(xiàng)試驗(yàn)因素都至少具有兩個(gè)水平。

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，得到如下正交試驗(yàn)表：

表1 正交試驗(yàn)表

表1中的數(shù)字“1、2、3”的含義是每項(xiàng)試驗(yàn)因素的水平。在本文中，“1”代表“較小、較低的”水平，“2”代表“中間的”水平，“3”代表“較大、較高的”水平。例如，試驗(yàn)因素“氣墊壓力”的試驗(yàn)水平“1”代表較低的壓力值，“3”代表較高的壓力值，“2”表示它的壓力值在“1”和“3”之間。

3.2 試驗(yàn)方法

在設(shè)計(jì)完成正交試驗(yàn)表后，針對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)因素準(zhǔn)備相應(yīng)的試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法。在試驗(yàn)準(zhǔn)備完成后，按照正交試驗(yàn)表的順序進(jìn)行每次試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）對(duì)兩個(gè)氣墊進(jìn)行充氣以后，當(dāng)試驗(yàn)所需要的壓力達(dá)到了一定要求的時(shí)候，兩個(gè)氣墊壓力相等。

（2）在承受振動(dòng)輪橋荷以前，測(cè)量出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，對(duì)氣墊頂端到地面的垂直距離、振動(dòng)輪橋荷質(zhì)量和氣墊壓力記錄好，如圖1所示。

（3）兩個(gè)氣墊分別平行放置，并且在振動(dòng)輪兩端的正下方，其高度不能超出振動(dòng)輪外側(cè)端面，一定要保證振動(dòng)輪底端和氣墊的接觸面在其中間區(qū)域，如圖2所示。

（4）把振動(dòng)輪壓在氣墊上，然后松開起吊鉤，這時(shí)進(jìn)行測(cè)量并記錄振動(dòng)輪最低端到地面的垂直距離。

（5）在振動(dòng)輪頂端安裝采集振動(dòng)輪振幅的傳感器，并且連接到壓路機(jī)振動(dòng)測(cè)試儀。

（6）壓路機(jī)操作人員將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到振動(dòng)輪工作時(shí)的設(shè)定值，然后進(jìn)行振動(dòng)。

（7）把壓路機(jī)振動(dòng)測(cè)試儀采集到的振幅相關(guān)的數(shù)據(jù)記錄好，如圖3所示。

圖1 氣壓表

圖2 試驗(yàn)中的振動(dòng)輪與氣墊

圖3 壓路機(jī)振動(dòng)測(cè)試儀

（8）按照上面的步驟，完成表1正交試驗(yàn)表所列出的所有試驗(yàn)。

3.3 數(shù)據(jù)的整理和分析

在完成試驗(yàn)后，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，填入正交試驗(yàn)表內(nèi)。本文運(yùn)用Minitab統(tǒng)計(jì)分析軟件數(shù)據(jù)分析。本文應(yīng)用該軟件對(duì)進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了一般線性模型統(tǒng)計(jì)分析，并確定了試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和試驗(yàn)因素的函數(shù)關(guān)系式，即氣墊變形量與氣墊充氣壓力、振動(dòng)輪橋荷、振動(dòng)輪振幅之間的函數(shù)關(guān)系式。

3.3.1 方差分析

一般線性模型是指使用最小二乘回歸方法執(zhí)行計(jì)算的方差分析過程。目的是描述多個(gè)因子與連續(xù)響應(yīng)變量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。本文的分析結(jié)果如表2。

表2 試驗(yàn)因子信息

因子的類型之所以為固定，是因?yàn)橐蜃拥乃竭x擇是特別選取，且結(jié)果僅適用于分析中考慮的因子水平，所以各項(xiàng)因子為固定類型的因子。

表3 氣墊變形量方差分析

方差分析表中最重要的統(tǒng)計(jì)量是P值。模型中的每項(xiàng)都有P值（誤差項(xiàng)除外）。每項(xiàng)的p值表明對(duì)該項(xiàng)的效應(yīng)是否顯著：

（1）如果P小于或等于已選的α水平，則說明項(xiàng)的效應(yīng)顯著。

（2）如果P大于已選的α水平，則說明效應(yīng)不顯著。

（3）如果固定因子的效應(yīng)顯著，那么該因子的水平均值之間存在顯著差異。

通過觀察表3中的P值，振動(dòng)輪橋荷和氣墊壓力的P值都為0，效應(yīng)顯著。振幅的P值為1，則說明效應(yīng)不顯著。振動(dòng)輪橋荷和氣墊壓力這兩個(gè)因子對(duì)響應(yīng)氣墊變形量的影響，通過圖4可清晰地表現(xiàn)出來。這是因?yàn)橹餍?yīng)和主效應(yīng)圖通常與方差分析和試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合在一起使用，以檢查一個(gè)或多個(gè)因子的水平均值之間的差值。

圖4中的兩條線越陡峭，說明這兩個(gè)因子的主效應(yīng)的量值越大。

圖4 氣墊變形量主效應(yīng)圖

進(jìn)行方差分析或試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中的交互作用直觀的表現(xiàn)出來。如圖5所示。

圖5氣墊變形量交互作用圖

圖5 交互作用圖中的兩條線幾乎平行，這表示不存在交互作用。因?yàn)榫€與線之間的斜率差別越大，表示交互作用程度越高。

3.3.2 建立回歸方程

本文應(yīng)用Minitab軟件生成了預(yù)測(cè)變量系數(shù)表，以建立回歸方程。如表4所示。

表4 預(yù)測(cè)變量系數(shù)表

回歸方程為：

氣墊變形量=103＋6.22×振動(dòng)輪橋荷＋0.00×振幅－17.5×氣墊壓力

經(jīng)過整理，得到如下公式：

氣墊變形量=103＋6.22×振動(dòng)輪橋荷－17.5×氣墊壓力

4 結(jié)束語(yǔ)

本文歷經(jīng)研究方法的確定、試驗(yàn)前的準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)采集，到最后的數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行了大了大量的工作。在一定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。確定了氣墊變形量與氣墊充氣壓力、振動(dòng)輪橋荷、振動(dòng)輪振幅之間的函數(shù)關(guān)系，提高標(biāo)準(zhǔn)的可操作性和科學(xué)性。

[1]申自名.振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2017.

[2]謝欣然.振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版），2016（17）：58～62.

[3]周保剛，謝立揚(yáng).振動(dòng)壓路機(jī)連續(xù)壓實(shí)儀及控制指標(biāo)研究[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2016，33（04）：108～111.