賈 潔， 劉洪海， 辛 強(qiáng)， 萬(wàn)一品

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064； 2. 內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，呼和浩特 010010)

瀝青混合料攤鋪?zhàn)鳂I(yè)過(guò)程中，壓實(shí)對(duì)成型路面結(jié)構(gòu)的使用壽命和路用性能起到?jīng)Q定性的作用[1]。瀝青攤鋪機(jī)作為路面成型過(guò)程中重要的機(jī)械設(shè)備之一，對(duì)松散瀝青混合料進(jìn)行整平和壓實(shí)成型，使鋪層具有一定的初始密實(shí)度和平整度。攤鋪層密實(shí)度越高，最終成型的路面耐久性與平整度越好，并可以減少后續(xù)的碾壓作業(yè)，降低能源消耗，節(jié)約施工成本[2-4]。為了提高路面的初始密實(shí)度，熨平板上安裝了頻率可調(diào)的振搗機(jī)構(gòu)和振動(dòng)機(jī)構(gòu)，但是機(jī)構(gòu)的振動(dòng)往往引起壓實(shí)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，影響壓實(shí)質(zhì)量。

針對(duì)熨平板壓實(shí)系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開(kāi)展了研究。羅文軍等[5]建立了振動(dòng)壓實(shí)機(jī)構(gòu)4自由度振動(dòng)系統(tǒng)的微分方程，通過(guò)分析系統(tǒng)的固有頻率來(lái)提高鋪層密實(shí)度。羅丹等[6]通過(guò)優(yōu)化配置振動(dòng)器偏心質(zhì)量與偏心距，提高了熨平板攤鋪密實(shí)度的均勻性。Plati 等[7]研究不同的壓實(shí)方式及作用于材料的壓實(shí)次數(shù)影響路面性能的影響。嚴(yán)世榕等[8]研究了振搗器，壓實(shí)梁和熨平板的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并未研究振動(dòng)器對(duì)熨平板的影響。田晉躍等[9]研究了雙振搗器、單振動(dòng)器的熨平板的振動(dòng)特性，但是單個(gè)偏心塊的振動(dòng)器會(huì)產(chǎn)生水平分力，影響攤鋪機(jī)的作業(yè)過(guò)程，同時(shí)為了增強(qiáng)熨平板作用于鋪層材料的壓實(shí)力，提出了雙偏心塊的振動(dòng)壓實(shí)機(jī)構(gòu)，通過(guò)同速反向旋轉(zhuǎn)，抵消水平力。劉洪海等[10]基于共振理論建立了攤鋪機(jī)振動(dòng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)與鋪層材料密實(shí)度之間關(guān)系，以指導(dǎo)工程施工。上述研究多將振搗壓實(shí)作用簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，或是將振搗與振動(dòng)對(duì)熨平板的作用分別進(jìn)行分析計(jì)算，忽略了振動(dòng)與振搗的耦合壓實(shí)效果，同時(shí)對(duì)于雙振搗和雙偏心塊振動(dòng)的研究還很少。而在實(shí)際應(yīng)用中振搗的壓實(shí)作用既包含簡(jiǎn)諧振動(dòng)又包含振搗機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)對(duì)鋪層產(chǎn)生強(qiáng)制壓縮作用，在振搗頻率較大時(shí)，振搗對(duì)熨平板的反作用不容忽視，因此需要研究振搗和振動(dòng)同時(shí)作用于熨平板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

本文針對(duì)攤鋪機(jī)熨平板上的振搗和振動(dòng)壓實(shí)裝置與材料組成的動(dòng)力學(xué)壓實(shí)系統(tǒng)，考慮振搗對(duì)熨平板的作用，使用傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)振搗激勵(lì)進(jìn)行了表達(dá)，結(jié)合仿真分析與試驗(yàn)研究，分析了振搗作用對(duì)熨平板動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律及振搗與振動(dòng)的耦合作用對(duì)鋪層密實(shí)度的影響，利用熨平板壓實(shí)系統(tǒng)對(duì)鋪層材料的共振作用，提高鋪層密實(shí)度，獲得高密實(shí)壓實(shí)效果，為攤鋪?zhàn)鳂I(yè)過(guò)程的工藝參數(shù)選擇與壓實(shí)質(zhì)量控制提供依據(jù)。

1 振搗機(jī)構(gòu)和振動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和功用

振動(dòng)熨平板由箱體、振搗梁、振動(dòng)器等部分組成[11]，本文研究的振動(dòng)熨平板壓實(shí)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 振動(dòng)熨平板壓實(shí)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of vibratory screed

振搗機(jī)構(gòu)位于熨平板的前部，是熨平板的主要組成部分之一，它采用雙振搗結(jié)構(gòu)，懸掛在偏心軸上，液壓馬達(dá)通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使振搗梁做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)混合料進(jìn)行初搗實(shí)。雙振搗機(jī)構(gòu)由并排安裝在一根驅(qū)動(dòng)軸上的兩個(gè)振搗器(主振搗器和副振搗器)組成，直接由一個(gè)液壓馬達(dá)和三根V帶驅(qū)動(dòng)。副振搗器具有預(yù)壓實(shí)的作用，主振搗器可以達(dá)到最終壓實(shí)，能夠使路面獲得很高的初始攤鋪密實(shí)度。根據(jù)不同的攤鋪厚度、攤鋪材料，振搗頻率無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。沖擊振搗壓實(shí)原理是通過(guò)低頻高幅沖擊作用對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)制壓縮，當(dāng)沖擊力產(chǎn)生的強(qiáng)度足夠大，能夠使鋪層材料中產(chǎn)生的剪切應(yīng)力達(dá)到材料粒子間的抗剪強(qiáng)度，大小顆粒相互交錯(cuò)重新排列，從而形成致密結(jié)構(gòu)。

振動(dòng)機(jī)構(gòu)由振動(dòng)偏心軸、液壓馬達(dá)和振動(dòng)座組成，振動(dòng)偏心軸為長(zhǎng)軸表面，振動(dòng)軸上裝有偏心塊，用螺栓固定偏心塊結(jié)構(gòu)，偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生離心力，離心力通過(guò)軸承座傳遞給箱體使熨平板振動(dòng)。振動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)主要是由做圓周運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)器產(chǎn)生的。振動(dòng)器直接由一個(gè)液壓馬達(dá)和V帶驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制流過(guò)振動(dòng)馬達(dá)的油流量，從而控制振動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，獲得不同的振動(dòng)頻率。振動(dòng)壓實(shí)是在外載荷的重復(fù)作用下，激起被壓實(shí)瀝青混合料顆粒的振動(dòng)，混合料顆粒產(chǎn)生的振動(dòng)加速度減弱了顆粒間的黏結(jié)和摩擦作用，瀝青裹覆在骨料顆粒表面，為被壓瀝青混合料顆粒的運(yùn)動(dòng)提供了有利條件。在高頻振動(dòng)作用下，被壓瀝青混合料顆粒重新進(jìn)行排列，互相靠近，混合料內(nèi)的空氣被排除，密實(shí)度增加。

2 沖擊加振動(dòng)耦合模型的建立

2.1 熨平板振動(dòng)源分析

(1)

已有研究表明[12]，振搗兼有擊實(shí)和振動(dòng)壓實(shí)的特點(diǎn)，只是振動(dòng)能量較弱，單次振搗的能量衰減很快，同時(shí)振搗沖程高、沖擊間隔大，因而將多次振搗看作間斷周期矩形沖擊波，如圖2所示。

圖2 周期振搗沖擊波Fig.2 Periodic shock wave

圖1中α為脈寬系數(shù)， 脈沖高度為E， 振搗周期為T(mén)。分析振搗沖擊作用對(duì)鋪層的振動(dòng)壓實(shí)效果，根據(jù)文獻(xiàn)可知，處理非簡(jiǎn)諧周期激振的基本思想是：將周期矩形波利用傅里葉級(jí)數(shù)分解為與基本頻率成整倍數(shù)關(guān)系的若干個(gè)簡(jiǎn)諧激振函數(shù)，然后逐項(xiàng)求解響應(yīng)，再利用線(xiàn)性疊加原理把逐項(xiàng)響應(yīng)疊加起來(lái)，即為非簡(jiǎn)諧周期激振的響應(yīng)[13]。使用傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)振搗激勵(lì)進(jìn)行了表達(dá)，見(jiàn)式(2)所示。該級(jí)數(shù)的頻譜如圖3所示。

(2)

圖3 周期振搗沖擊波頻譜Fig.3 Periodic shock wave spectrum

由圖3可知，振搗機(jī)構(gòu)在沖擊的瞬間集中了絕大部分能量，由頻譜的收斂性可知，沖擊功率集中在低頻段，對(duì)鋪層混合料的壓實(shí)作用類(lèi)似靜力沖擊壓實(shí)，壓實(shí)作用直接且短暫。根據(jù)振搗機(jī)構(gòu)的工作原理，可取脈寬系數(shù)α為1/3T。在振搗壓實(shí)過(guò)程中，周期性的沖擊產(chǎn)生不同倍頻的簡(jiǎn)諧激振力對(duì)鋪層進(jìn)行壓實(shí)作用。經(jīng)計(jì)算，前3次諧波占據(jù)了沖擊能量的80%以上。

主副振搗器的分別鉸接在主回轉(zhuǎn)體兩側(cè)的不同偏心位置，且偏心位置相差180°，可以近似認(rèn)為振搗錘在豎直方向上作無(wú)約束的平行運(yùn)動(dòng)[14]，振搗器模型可簡(jiǎn)化為如圖4所示。

圖4 雙振搗壓實(shí)機(jī)構(gòu)模型Fig.4 Double-tamper mechanism model

圖4中，O1和O2分別為主副偏心套的形心；O是偏心軸的旋轉(zhuǎn)中心，為振搗系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)；θ1為副振搗的初始相位角；θ2為主振搗的初始相位角；r1為偏心軸上副振搗的偏心距；r2為偏心軸上主振搗的偏心距；m1為副振搗器質(zhì)量；m2為主振搗器質(zhì)量；ωd為偏心軸轉(zhuǎn)速；x為熨平板的位移；x1為副振搗器的位移，x1=x+r1sin(ωdt)；x2為主振搗器的位移，x2=x+r2sin(ωdt+2π)。

由牛頓第二定律及振搗沖擊作用的傅里葉變換，得到振搗器的動(dòng)力學(xué)方程，如式(3)所示。

(3)

式中：fd1和fd2分別為偏心軸作用于主、副振搗器上的力；k1、c1、k2、c2分別為主、副振搗器下方鋪層材料的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)。

(4)

(5)

(6)

根據(jù)振搗機(jī)構(gòu)與熨平板之間的相互作用原理，結(jié)合式(3)，可得振搗器對(duì)熨平板的作用力R(t) ，如式(7)所示。

(7)

2.2 振動(dòng)壓實(shí)機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型

根據(jù)振動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理，建立如圖5所示的振動(dòng)壓實(shí)機(jī)構(gòu)模型。

圖5 振動(dòng)壓實(shí)機(jī)構(gòu)模型Fig.5 Vibration compaction mechanism model

圖5中：m為熨平板箱體質(zhì)量；m0為兩個(gè)同速反向旋轉(zhuǎn)的偏心軸質(zhì)量；ω為振動(dòng)器的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；t為時(shí)間。

對(duì)模型中有關(guān)參數(shù)和條件作如下假設(shè)：①兩個(gè)偏心軸回轉(zhuǎn)中心對(duì)稱(chēng)線(xiàn)與熨平板慣性中心重合；②彈簧與阻尼的合力通過(guò)熨平板質(zhì)心，激振力與支承力構(gòu)成的力系對(duì)質(zhì)心力矩為零。根據(jù)拉格朗日方程得熨平板的動(dòng)力學(xué)微分方程，如式(8)所示。

(8)

式中：k為介質(zhì)的支承剛度系數(shù)；c為阻力系數(shù)；x為熨平板的縱向位移；Q(t)是由偏心質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的激勵(lì)，Q(t)=2m0rω2sin(ωt)；r為轉(zhuǎn)動(dòng)半徑；R(t)為振搗器對(duì)熨平板的作用力。

將式(7)代入式(8)，簡(jiǎn)化后如式(9)所示。

(9)

3 沖擊加振動(dòng)耦合動(dòng)力學(xué)分析

3.1 熨平板耦合響應(yīng)分析

通過(guò)對(duì)圖4和圖5模型的計(jì)算及試驗(yàn)的反求解分析得到各剛度及阻尼系數(shù)，同時(shí)根據(jù)式(8)求得作用于熨平板的外激振力幅值。攤鋪機(jī)振動(dòng)與振搗耦合壓實(shí)模型基本參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 壓實(shí)系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)

為了分析振搗器和振動(dòng)器的振動(dòng)參數(shù)變化對(duì)熨平裝置的影響，其余仿真條件不變，采樣時(shí)間2 s，設(shè)置振動(dòng)器頻率為40 Hz，振搗頻率為35 Hz、23 Hz、14 Hz和6 Hz時(shí)，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 振搗頻率變化仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of vibration frequency of tamper

其余仿真條件不變，設(shè)置振搗頻率為28 Hz，調(diào)整振動(dòng)器頻率為50 Hz、40 Hz、35 Hz和20 Hz時(shí)，采樣時(shí)間3 s，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 振動(dòng)頻率變化仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of vibration frequency of vibrator

在振搗和振動(dòng)的共同作用下，熨平板的響應(yīng)呈現(xiàn)復(fù)雜的振動(dòng)狀態(tài)。振搗器和振動(dòng)的參數(shù)變化對(duì)熨平板的影響都比較明顯，對(duì)圖6和圖7的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，提取出熨平板在不同激振頻率下的響應(yīng)峰值，分別見(jiàn)表2和表3所示。

表2 不同振搗頻率下的結(jié)果分析

表3 不同振動(dòng)頻率下的結(jié)果分析

由表2可知，振搗頻率對(duì)熨平板的影響程度隨著頻率的增大一直增加。振搗頻率高于23 Hz時(shí)，熨平板的響應(yīng)峰值均較大，在28 Hz和35 Hz時(shí)熨平板的響應(yīng)峰值大小相近，此時(shí)振搗頻率的變化對(duì)響應(yīng)幅值影響很小。由表3可知，隨著振動(dòng)頻率的增加，響應(yīng)峰值逐漸增大。在40 Hz時(shí)出現(xiàn)最大值，之后隨著頻率的增加，熨平板的響應(yīng)幅值反而減小。為了更加詳盡的對(duì)二者動(dòng)力學(xué)參數(shù)的匹配進(jìn)行分析，結(jié)合表2和表3的分析結(jié)果，選取振搗與振動(dòng)參數(shù)對(duì)壓實(shí)系統(tǒng)影響明顯的幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行組合分析，對(duì)振搗器和振動(dòng)器的頻率變化進(jìn)行多次仿真，通過(guò)峰值載荷分析和FFT分析，歸納出振搗器和振動(dòng)不同頻率組合下，壓實(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)果如圖表4所示。

表4 不同振搗與振動(dòng)組合下的結(jié)果分析

由表4可知，在其它參數(shù)不變時(shí)，振搗器的激振頻率應(yīng)該小于27 Hz，振動(dòng)器的激振頻率應(yīng)該大于40 Hz。由于振動(dòng)頻率較低時(shí)，激振力較小，熨平板對(duì)鋪層的壓實(shí)作用不顯著，隨著振動(dòng)頻率的增加，激振力逐漸增大。在40 Hz時(shí)出現(xiàn)最大值，此時(shí)，熨平板對(duì)鋪層的壓實(shí)作用顯著。之后隨著頻率的增加，熨平板的響應(yīng)幅值反而減小。振動(dòng)頻率在45 Hz時(shí)，響應(yīng)幅值相比于最大峰值降低了23%。此時(shí)對(duì)鋪層的壓實(shí)作用明顯，同時(shí)減弱了激振力對(duì)熨平板產(chǎn)生的有害振動(dòng)。

3.2 鋪層密實(shí)度耦合壓實(shí)效果分析

振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中，鋪層的密實(shí)度與熨平板振動(dòng)參數(shù)密切相關(guān)，其中振幅是影響壓實(shí)效果的重要參數(shù)。分析熨平裝置的振動(dòng)參數(shù)對(duì)鋪層材料壓實(shí)效果的影響，引入振幅放大因子β。根據(jù)已有研究可知，鋪層材料顆粒振幅越大，顆粒之間的內(nèi)摩擦阻力越小，壓實(shí)效率越高，獲得的壓實(shí)效果越好，發(fā)生共振時(shí)，振幅達(dá)到最大值。攤鋪機(jī)攤鋪過(guò)后的密實(shí)度由熨平板上的振搗器和振動(dòng)器作用產(chǎn)生，根據(jù)式(9)可建立熨平板在振搗和振動(dòng)激勵(lì)下的振幅放大因子表達(dá)式，見(jiàn)式(11)～式(13)。

(10)

(11)

(12)

式中：λi為外激勵(lì)頻率與系統(tǒng)不考慮阻尼固有頻率的比值(簡(jiǎn)稱(chēng)頻率比)，(i=1,2,3)；ζ為介質(zhì)的阻尼比；其余參數(shù)均為壓實(shí)影響系數(shù)，可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得。

根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)各級(jí)分量的系數(shù)及表1中的參數(shù)，各因子統(tǒng)一量綱后，振搗機(jī)構(gòu)沖擊對(duì)鋪層混合料的密實(shí)度頻率特性曲線(xiàn)如圖8所示，振搗頻率一般較低，因此取振搗頻率比在0～1.2之間。沖擊與振動(dòng)對(duì)鋪層混合料的密實(shí)度頻率特性曲線(xiàn)，如圖9所示。

圖8 振搗密實(shí)度頻率特性曲線(xiàn)Fig.8 Frequency characteristic curve of tamper

由圖8可知，當(dāng)阻尼較小時(shí)，隨著振搗頻率的增加，振搗密實(shí)度頻率特性曲線(xiàn)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率為一級(jí)分量與二級(jí)分量的最佳振搗頻率，在工程應(yīng)用中若將激振頻率匹配在最佳振搗頻率附近可以使材料獲得較高的壓實(shí)效果。其中，一級(jí)振搗分量的最佳振搗頻率比約為1.1，二級(jí)振搗分量的最佳振搗頻率比約為0.6。當(dāng)阻尼較大時(shí)，在黏性阻力的影響下，高幅沖擊作用在頻率較高時(shí)，振動(dòng)響應(yīng)來(lái)不及產(chǎn)生變化，響應(yīng)峰值不明顯，當(dāng)頻率比大于振搗二級(jí)分量的最佳振搗頻率時(shí)，幅值響應(yīng)趨于平穩(wěn)。同時(shí)由圖9可知，在振搗與振動(dòng)的共同作用下，隨著振動(dòng)頻率的增大，鋪層的較高密實(shí)度出現(xiàn)在高于共振頻率的區(qū)段，即振動(dòng)的高頻和振搗的低頻組合區(qū)。

圖9 振搗與振動(dòng)密實(shí)度頻率特性曲線(xiàn)Fig.9 Frequency characteristic curve of tamper and vibrator

瀝青混合料的組成顆粒大小不一，被瀝青裹覆量不同，其共振頻率與阻尼系數(shù)存在差異，因此所需的最佳激振頻率是不一樣的。對(duì)于大顆粒固有頻率低可采用振搗振動(dòng)，小顆粒固有頻率高可采用振動(dòng)壓實(shí)，同時(shí)利用振搗沖擊的諧波壓實(shí)作用進(jìn)一步增強(qiáng)鋪層材料的密實(shí)效果。

4 振動(dòng)參數(shù)對(duì)鋪層密實(shí)度與熨平裝置試驗(yàn)

試驗(yàn)選用VOLVO ABG8820型履帶式高密實(shí)熨平板攤鋪機(jī)，可以單獨(dú)調(diào)節(jié)振搗頻率和振動(dòng)頻率。在攤鋪過(guò)程中使用振動(dòng)頻率測(cè)試儀檢測(cè)攤鋪機(jī)的振動(dòng)參數(shù)。攤鋪完成后采用PQI301型無(wú)核密度儀對(duì)鋪層進(jìn)行密實(shí)度檢測(cè)。為了驗(yàn)證由振搗器和振動(dòng)器共同作用對(duì)熨平裝置的影響，采用振動(dòng)頻率測(cè)試儀數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、濾波、頻譜分析，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)狀態(tài)下，振搗頻率17 Hz與振動(dòng)頻率38 Hz聯(lián)合作用下的熨平裝置的FFT分析圖，見(jiàn)圖10。對(duì)相同振動(dòng)參數(shù)下的仿真結(jié)果進(jìn)行FFT變換，采樣點(diǎn)取10 000，分析結(jié)果如圖11所示。

圖10 耦合作用下試驗(yàn)分析FFT圖Fig.10 FFT diagram under test coupling effect

圖11 耦合作用下仿真分析FFT圖Fig.11 FFT diagram under simulation coupling effect

圖10和圖11的對(duì)比分析表明：通過(guò)式(9)數(shù)學(xué)模型仿真振搗和振動(dòng)共同作用下對(duì)熨平裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果整體相符。圖10中作用于熨平裝置的頻率成分主要有振動(dòng)頻率和振搗頻率各成分組成，第一個(gè)峰值點(diǎn)為振搗一級(jí)分量頻率，第二個(gè)峰值點(diǎn)為振搗二級(jí)分量頻率，第三個(gè)峰值為振動(dòng)頻率，其余各點(diǎn)由振搗與振動(dòng)的耦合作用產(chǎn)生。結(jié)合圖11可知，根據(jù)式(9)的數(shù)學(xué)模型可以得到振搗和振動(dòng)作用于熨平裝置的主要頻率成分，模型具有有效性和實(shí)用性。在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)過(guò)程中，在任一瞬時(shí)，作用于鋪層材料的頻率成分越多，越容易激起被壓材料中不同固有頻率的復(fù)雜成分，產(chǎn)生多方位共振，增強(qiáng)壓實(shí)效果[16]。

對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件分析后可得振動(dòng)頻率振搗與振動(dòng)共同作用下的密實(shí)度變化如圖12所示。

圖12 振動(dòng)密實(shí)度變化曲線(xiàn)Fig.12 Vibration compaction curve

由圖12可知，當(dāng)振搗頻率一定時(shí)，鋪層材料密實(shí)度在0～30 Hz內(nèi)隨著振動(dòng)頻率的增加，增長(zhǎng)速率較快，在30～40 Hz內(nèi)密實(shí)度增長(zhǎng)速率減緩，高于40 Hz后，密實(shí)度達(dá)到峰值逐漸趨于平緩，此時(shí)振動(dòng)頻率接近鋪層共振頻率，屬于高效壓實(shí)階段。在密實(shí)度平穩(wěn)變化的頻率范圍內(nèi)，壓實(shí)效果好，同時(shí)結(jié)合圖7的仿真結(jié)果可知，此時(shí)熨平板受到的動(dòng)載荷逐漸在降低。若將攤鋪機(jī)振動(dòng)頻率匹配在高于共振頻率區(qū)段，在振搗與振動(dòng)的耦合共振壓實(shí)作用下，鋪層密實(shí)度可以達(dá)到90%以上。

此外通過(guò)對(duì)圖12中的數(shù)據(jù)分析可知，振動(dòng)頻率變化對(duì)鋪層密度的影響因子為0.169，振搗頻率變化對(duì)鋪層密度的影響因子為0.505，密實(shí)度對(duì)振搗頻率的變化較為敏感，振搗機(jī)構(gòu)對(duì)鋪層的密實(shí)程度優(yōu)于振動(dòng)機(jī)構(gòu)的。因此在研究高密實(shí)振動(dòng)熨平板對(duì)鋪層混合料的振動(dòng)密實(shí)特性時(shí)，除了要分析振動(dòng)頻率接近于鋪層的固有頻率的主共振以外，還應(yīng)注意振搗器振動(dòng)參數(shù)的變化對(duì)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的影響。

5 結(jié) 論

對(duì)攤鋪機(jī)熨平板壓實(shí)裝置的振搗與振動(dòng)系統(tǒng)的耦合壓實(shí)特性仿真模型與試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1) 在振搗器和振動(dòng)器的同時(shí)工作時(shí)，作用于熨平板的激勵(lì)存在3個(gè)主頻成分，在研究高密實(shí)振動(dòng)熨平板對(duì)鋪層混合料的振動(dòng)密實(shí)特性時(shí)，除了要分析振動(dòng)頻率接近于鋪層的固有頻率的主共振以外，更應(yīng)注意振搗器的沖擊作用并考慮振動(dòng)與振搗的耦合對(duì)鋪層混合料的壓實(shí)效果。

(2) 為防止熨平板的劇烈振動(dòng)，振動(dòng)機(jī)構(gòu)的激振頻率應(yīng)避開(kāi)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的共振頻率，若將攤鋪機(jī)振動(dòng)頻率匹配在高于共振頻率區(qū)段，此時(shí)熨平板受到的動(dòng)載荷降低，同時(shí)鋪層材料獲得較高的壓實(shí)效果。

(3) 仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，攤鋪?zhàn)鳂I(yè)過(guò)程中的任一瞬時(shí)，作用于鋪層材料的頻率成分較多，可以激起被壓材料中不同固有頻率的復(fù)雜成分，為鋪層壓實(shí)過(guò)程產(chǎn)生多方位共振提供了可能。研究結(jié)論可為機(jī)械-材料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效壓實(shí)振動(dòng)參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)。

(4) 在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)過(guò)程中，隨著振搗頻率的增加，作用于鋪層混合料的振搗激勵(lì)載荷會(huì)產(chǎn)生變化，下一階段將對(duì)振搗激勵(lì)載荷變化對(duì)“沖擊-振動(dòng)”耦合壓實(shí)系統(tǒng)的影響規(guī)律做進(jìn)一步研究。