垂直振動(dòng)壓路機(jī)滾輪－土壤動(dòng)力學(xué)模型的臺(tái)架試驗(yàn)

楊 杰，姚運(yùn)仕，，張良奇，姚琳寧，陳立明

（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，陜西 西安 710064；2．河南萬(wàn)里交通科技集團(tuán)股份有限公司，河南 許昌 461000；3．臨沂市公路局蘭山區(qū)公路管理局，山東 臨沂 276000；4．西部機(jī)場(chǎng)集團(tuán)建設(shè)工程（西安）有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)外通常采用環(huán)刀法、灌砂法及無(wú)核密度儀等方法抽樣檢測(cè)壓實(shí)度來(lái)評(píng)價(jià)壓實(shí)質(zhì)量，由于此類方法是離散點(diǎn)檢測(cè)，其結(jié)果只能反映道路局部壓實(shí)情況，對(duì)道路整體壓實(shí)均勻程度無(wú)法作出精確評(píng)價(jià)［1－2］。針對(duì)這一情況，國(guó)外部分工程機(jī)械廠家研發(fā)壓實(shí)度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)用于壓實(shí)度連續(xù)檢測(cè)，在壓實(shí)均勻程度控制方面取得了良好的效果。國(guó)內(nèi)在壓實(shí)度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方面也進(jìn)行了基礎(chǔ)理論研究，如張青哲等建立了二自由度振動(dòng)壓路機(jī)－土壤動(dòng)力學(xué)模型，分析了土壤參數(shù)變化對(duì)壓實(shí)效果的影響［3］；向亮建立了振動(dòng)壓路機(jī)及土壤三維模型，利用ADAMS軟件從動(dòng)力學(xué)角度分析了壓路機(jī)振動(dòng)加速度信號(hào)與土壤剛度、阻尼間的變化關(guān)系，認(rèn)為隨著壓實(shí)過(guò)程的進(jìn)行，振動(dòng)加速度會(huì)不斷增大［4］。本文根據(jù)壓路機(jī)－土壤動(dòng)力學(xué)模型搭建垂直振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)臺(tái)，以試驗(yàn)手段探究垂直振動(dòng)加速度與土壤參數(shù)之間的關(guān)系，同時(shí)利用壓實(shí)度在線檢測(cè)方法將采集的加速度信號(hào)進(jìn)行處理，分析滾輪的垂直振動(dòng)加速度與土壤壓實(shí)度之間的關(guān)系，為壓實(shí)度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

1 垂直振動(dòng)原理及壓實(shí)度在線檢測(cè)方法

1．1 垂直振動(dòng)原理

在壓路機(jī)滾輪內(nèi)部，沿滾輪旋轉(zhuǎn)中心對(duì)稱布置2根完全相同的偏心軸，并同步反向旋轉(zhuǎn)；在任意時(shí)刻2根偏心軸所產(chǎn)生的水平方向分力相互抵消，豎直方向分力相互疊加，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)垂直振動(dòng)［5］，如圖1所示。相比傳統(tǒng)振動(dòng)壓路機(jī)，垂直振動(dòng)壓路機(jī)能將更多壓實(shí)能傳遞至被壓實(shí)鋪層，工作效率更高；與同噸位圓周振動(dòng)壓路機(jī)相比，垂直振動(dòng)壓路機(jī)擁有更大的激振力，有效壓實(shí)厚度更大；此外，垂直振動(dòng)壓路機(jī)行駛過(guò)程更平穩(wěn)，能夠減小被壓實(shí)材料的推移，被壓實(shí)后的鋪層不存在擁包等現(xiàn)象。

1．2 壓實(shí)度在線檢測(cè)方法

國(guó)外研究人員在研究了壓路機(jī)滾輪振動(dòng)加速度隨土壤壓實(shí)程度變化的規(guī)律后，確定了壓實(shí)度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)的無(wú)量綱檢測(cè)指標(biāo)——CCV值、CMV值［6］，認(rèn)為CCV值或CMV值的變化與壓實(shí)程度相關(guān)，可用于反映壓實(shí)過(guò)程中壓實(shí)度的變化。CCV值、CMV值具體計(jì)算方法如下。

圖1 垂直振動(dòng)不同時(shí)刻激振力合成示意

式中：CCV為 CCV 值；CMV為 CMV 值；A0．5、A1、A1．5、A2、A2．5、A3分 別為垂直 振動(dòng)加速 度 信 號(hào) 的0．5次、1次、1．5次、2次、2．5次、3次諧波分量幅值（m·s－2）；S為常量，通常取300。

2 垂直振動(dòng)壓路機(jī)滾輪－土壤動(dòng)力學(xué)模型試驗(yàn)臺(tái)

法國(guó)學(xué)者M(jìn)achet J M建立了分階段的二自由度動(dòng)力學(xué)模型，該模型將壓路機(jī)機(jī)架和滾輪分別等效為質(zhì)量為m1、m2的質(zhì)量塊，兩者間的減振器等效為一個(gè)剛度為k1、阻尼為c1的彈簧阻尼系統(tǒng)；隨振土與滾輪底部接觸，其質(zhì)量為m3，隨振土下部土壤等效為一個(gè)剛度為k2、阻尼為c2的彈簧阻尼系統(tǒng)。就上述模型而言，在土壤壓實(shí)過(guò)程中，主要變化參數(shù)分別為土壤剛度、阻尼及動(dòng)態(tài)變化的垂直激振力F，其余參數(shù)如k1、c1在壓實(shí)過(guò)程中不發(fā)生變化。因此，本文將上述動(dòng)力學(xué)模型中k1、c1省略，進(jìn)而將m1、m2簡(jiǎn)化成1個(gè)整體質(zhì)量塊mc，并且在工作時(shí)由mc提供垂直方向激振力，模型其余部分則保持不變［7］。根據(jù)上述簡(jiǎn)化思路，搭建出圖2所示的垂直振動(dòng)壓路機(jī)滾輪－土壤動(dòng)力學(xué)模型壓實(shí)試驗(yàn)臺(tái)。

垂直振動(dòng)壓路機(jī)滾輪－土壤動(dòng)力學(xué)模型壓實(shí)試驗(yàn)臺(tái)具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 垂直振動(dòng)壓路機(jī)滾輪－土壤動(dòng)力學(xué)模型試驗(yàn)臺(tái)

表1 試驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)

3 振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)及結(jié)果分析

本文將壓實(shí)試驗(yàn)臺(tái)的剛度、阻尼作為自變量來(lái)模擬壓實(shí)過(guò)程中土壤剛度、阻尼的變化情況，用垂直激振器振動(dòng)來(lái)模擬垂直振動(dòng)壓路機(jī)滾輪振動(dòng)情況。大量理論研究表明，隨著土壤壓實(shí)程度不斷提高，土壤剛度不斷增加，同時(shí)土壤阻尼逐漸減?。?－11］。因此，按照上述規(guī)律選取4組不同的剛度、阻尼工況進(jìn)行試驗(yàn)，研究激振器垂直振動(dòng)加速度的變化規(guī)律，具體工況見(jiàn)表2。

表2 臺(tái)架試驗(yàn)工況

試驗(yàn)時(shí)，由2個(gè)水平對(duì)稱安裝且同步反向旋轉(zhuǎn)的同型號(hào)振動(dòng)電機(jī)提供頻率為27Hz的垂直激振力F，激振力F通過(guò)質(zhì)量塊mc下部觸頭傳遞至臺(tái)架底部的隨振土質(zhì)量塊及其下方的彈簧和阻尼器，迫使質(zhì)量塊mc在豎直方向產(chǎn)生周期振動(dòng)，同時(shí)利用數(shù)據(jù)采集儀檢測(cè)質(zhì)量塊mc在垂直方向的振動(dòng)加速度。加速度傳感器布置位置如圖3所示。將數(shù)據(jù)采集儀測(cè)得的振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)經(jīng)過(guò)傅里葉變換得到頻域信號(hào)，不同工況下各頻率分量結(jié)果如表3、圖4所示。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)點(diǎn)布置

表3 臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖4 加速度基頻均值隨試驗(yàn)臺(tái)剛度、阻尼的變化

由圖4可知，激振器垂直振動(dòng)加速度基頻幅值隨試驗(yàn)臺(tái)剛度的增加、阻尼的減小而增加，并且加速度基頻幅值的增長(zhǎng)趨勢(shì)近似線性。結(jié)合表3可知，試驗(yàn)臺(tái)剛度由1．02×106N·m－1增加至1．80×106N·m－1、阻尼由0．72×102N·s·m－1減小至0．41×102N·s·m－1時(shí)，測(cè)得激振器振動(dòng)加速度基頻幅值由25．81m·s－2逐漸增加到28．60m·s－2。這可能是因?yàn)?，試?yàn)臺(tái)彈簧和阻尼器在激振器作用下同時(shí)產(chǎn)生壓縮變形，此時(shí)阻尼器起耗能作用，阻礙彈簧回到平衡位置［12－13］。在工況1時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)剛度較小、阻尼較大，對(duì)激振器的反作用力較小，激振力變化速度較慢，因此檢測(cè)到的加速度值較??；到工況4時(shí)，隨著試驗(yàn)臺(tái)剛度增加、阻尼減小，振動(dòng)加速度逐漸增大。

利用壓實(shí)度在線檢測(cè)方法對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到試驗(yàn)臺(tái)剛度、阻尼與壓實(shí)度在線檢測(cè)指標(biāo)CCV值、CMV值之間的關(guān)系，見(jiàn)表4。

表4 不同工況下壓實(shí)度在線檢測(cè)指標(biāo)值

由表4可知，隨著振動(dòng)臺(tái)剛度增加、阻尼減小，壓實(shí)度在線檢測(cè)指標(biāo)CCV值、CMV值都存在不同程度的增加，與文獻(xiàn)［2］結(jié)論一致，說(shuō)明臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果可反映振動(dòng)加速度與壓實(shí)度之間的關(guān)系。

對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的激振器振動(dòng)加速度基頻均值與壓實(shí)度在線檢測(cè)指標(biāo)值進(jìn)行一元線性回歸分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，振動(dòng)加速度基頻均值與CCV、CMV值正相關(guān)，且振動(dòng)加速度基頻均值隨CCV、CMV值增大而增大，表明當(dāng)CCV、CMV值增加時(shí)，激振器垂直振動(dòng)加速度增大。由于CCV、CMV值與壓實(shí)度相關(guān)，說(shuō)明垂直振動(dòng)加速度隨土壤密實(shí)程度的增加而增大。

圖5 基頻加速度均值與連續(xù)壓實(shí)控制檢測(cè)值的關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

本文搭建了垂直振動(dòng)壓路機(jī)滾輪－土壤動(dòng)力學(xué)模型的試驗(yàn)臺(tái)，研究了試驗(yàn)臺(tái)激振器的垂直振動(dòng)加速度與試驗(yàn)臺(tái)剛度、阻尼之間的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：隨著試驗(yàn)臺(tái)剛度增加、阻尼減小，垂直振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)鋼輪的振動(dòng)加速度隨之增大；一元回歸結(jié)果證明垂直振動(dòng)加速度隨土壤密實(shí)程度的增加而近似線性增大。