壓路機(jī)振動(dòng)加速度與壓實(shí)度關(guān)系的研究

王凱凱 WANG Kai-kai；董琴琴 DONG Qin-qin；陳作 CHEN Zuo

（①南充科技職業(yè)學(xué)院工程與應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，南充637200；②四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司成都卷煙廠，成都 610066）

0 引言

振動(dòng)壓路機(jī)是目前首選的壓實(shí)設(shè)備，因其壓實(shí)度佳，壓實(shí)深度深，適用要求條件更少，是目前壓實(shí)工作的首要選擇和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備。為了能夠?qū)崟r(shí)并準(zhǔn)確的得知壓實(shí)土壤的壓實(shí)情況和判斷壓路機(jī)工作過程中是否出現(xiàn)故障，需要得知壓實(shí)度和壓路機(jī)振動(dòng)加速度之間的關(guān)系。多項(xiàng)研究得出結(jié)果表明，在壓實(shí)過程中壓實(shí)度與振動(dòng)輪加速度成正相關(guān)。在振動(dòng)加速度的現(xiàn)場(chǎng)采集中，由于外界干擾一直存在，無法阻止其進(jìn)入到傳感器中，從而導(dǎo)致信號(hào)特征提取出現(xiàn)誤差。因此需要把采集到的信號(hào)中的噪音剔除，提高信號(hào)特征準(zhǔn)確度。

在振動(dòng)測(cè)試信號(hào)中，常采用濾波技術(shù)和小波分析等方法來過濾噪音信號(hào)，提取出真實(shí)有用的部分信號(hào)，進(jìn)而可得到振動(dòng)加速度有效值，再測(cè)出相應(yīng)的壓實(shí)度，最后采用最小二乘法對(duì)加速度有效值與壓實(shí)度進(jìn)行線性擬合。

1 振動(dòng)加速度信號(hào)的采集

1.1 傳感器安裝位置

在本文實(shí)驗(yàn)中，為了獲得更加準(zhǔn)確且合理的加速度信號(hào)，將DH186 壓電式加速度傳感器布置在壓路機(jī)機(jī)架的中心位置上。DH186 壓電式加速度傳感器具有較佳的抗干擾性，對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集亦有幫助。

1.2 數(shù)據(jù)采集

DH186 傳感器采集到的信號(hào)需要在DH5902 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)一步處理，得到需要的數(shù)據(jù)及相關(guān)圖形。

①具有較佳的密封特性及溫度適應(yīng)性，適用于溫度條件較差區(qū)域；具有較佳的抗振、抗沖擊性，適用于條件惡劣區(qū)域；具有外接電源及內(nèi)置電池兩種供電方式，適用于能量獲取不方便區(qū)域。

②具有簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)分析功能，可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)輸出、現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)調(diào)整；具有實(shí)時(shí)通訊功能，借助無線網(wǎng)絡(luò)等手段上傳采集到的數(shù)據(jù)到具有計(jì)算分析能力的終端設(shè)備，加以存儲(chǔ)、分析和保存。

③后續(xù)數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)易，在常用Windows 操作系統(tǒng)中均可處理數(shù)據(jù)，得出結(jié)論；可實(shí)現(xiàn)多通道同時(shí)運(yùn)行，前端和后臺(tái)同時(shí)采集、處理，得出結(jié)果更快、更便捷；適用范圍更廣。

2 振動(dòng)加速度信號(hào)分析

在信號(hào)采集過程中，振動(dòng)和噪音都會(huì)以信號(hào)的形式輸入到采集器中。噪音有高頻和低頻兩種，同時(shí)還有來自于施工現(xiàn)場(chǎng)的噪音；收集到的振動(dòng)信號(hào)還有來自于摩擦、擠壓和碰撞產(chǎn)生的振動(dòng)干擾信號(hào)。所以，加速度信號(hào)還需要進(jìn)一步分析，得到信號(hào)和噪聲，確定所測(cè)信號(hào)中的有用信號(hào)以便下一步分析和反映路面壓實(shí)狀況。

在采集信號(hào)時(shí)，由信號(hào)采樣相關(guān)規(guī)定可知，為了完整錄入采集到的信號(hào)，做到信號(hào)的不失真，越高的采樣頻率更有利于采樣的完整性。由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，路面在被壓實(shí)時(shí)，最佳頻率大致為26～54Hz，所以相應(yīng)的振動(dòng)壓路機(jī)的頻率也在此范圍內(nèi)。由廠商設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，DH5902 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析儀內(nèi)置的采樣頻率范圍是200～1000Hz。

本文中采用500Hz 和1000Hz 兩個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行采集。經(jīng)多次實(shí)際測(cè)試，在相關(guān)數(shù)據(jù)中表明，在46～54Hz 范圍內(nèi)應(yīng)采用1000Hz 的采樣頻率，在26～45Hz 范圍內(nèi)應(yīng)采用500Hz 的采樣頻率。并在垂直于地面、左側(cè)45 度和右側(cè)45度三個(gè)方向分別采集三組振動(dòng)加速度信號(hào)，隨機(jī)選取其中一段時(shí)間的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，采集信號(hào)波形及頻譜分析如圖1 及圖2 所示。

圖1 采集信號(hào)波形圖

由圖1 和圖2 可知結(jié)果可知：在左側(cè)45 度和右側(cè)45度兩處采集到的加速度信號(hào)在基頻處的幅值明顯小于垂直于地面位置采集到的幅值。將數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換后得到的圖2 中得到最大幅值為27.1548m/s2。在基頻處，左側(cè)幅值為21.5726m/s2，右側(cè)幅值為21.7965m/s2。從數(shù)值上看，左側(cè)45 度和右側(cè)45 度在基頻處的幅值大小相近，但進(jìn)一步分析得出，二者在分量諧波來看二者在二次分量諧波及其他的分量諧波相差顯著。因此通過傳感器在垂直方向加速度更為準(zhǔn)確，更加有利于加速度信號(hào)的準(zhǔn)確采集，故選擇此位置作為傳感器安裝位置。

圖2 頻譜分析圖

3 振動(dòng)加速度信號(hào)濾波去噪

本文根據(jù)采集到的加速度信號(hào)的特性，選取采樣頻率為1000Hz，截止頻率為70Hz，窗函數(shù)為巴特利特的IIR 低通濾波器。在實(shí)際振動(dòng)加速度信號(hào)中，隨機(jī)選取一段包含有500 個(gè)采樣點(diǎn)，壓路機(jī)行駛時(shí)間為1s 的信號(hào)。信號(hào)原始波形如圖3 所示，通過該濾波器濾波之后得到如圖4 所示的波形。

圖3 原始波形

圖4 IIR 濾波后波形

4 振動(dòng)加速度信號(hào)數(shù)字?jǐn)M合

4.1 加速度有效值的獲取

在本文的測(cè)量方法中，由于DH186 傳感器工作原理是輸出電荷量信號(hào)，所以需要再DH5902 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀中轉(zhuǎn)化成更好量化和測(cè)量的電壓信號(hào)。再將電壓信號(hào)輸入到加速度傳感器中，采用加速度傳感器的靈敏度，可換算成加速度的信號(hào)值。

由加速度傳感器原理以及電壓靈敏度Sv和電荷靈敏度SQ兩者的關(guān)系可以得到[2]：

式中：

U——信號(hào)電壓，V；

c——加速度傳感器電容量，F(xiàn)；

k——儀器放大系數(shù)；

SQ——電荷靈敏度，pC/（m/s2）。

通過對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算得到[3]：

通過以上兩式的計(jì)算及換算從而得到真實(shí)的加速度數(shù)值?？筛鶕?jù)式（1）和式（2）來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以得到實(shí)際的加速度數(shù)值。

4.2 壓實(shí)度與振動(dòng)加速度的關(guān)系

經(jīng)過大量研究表明，振動(dòng)加速度周期與壓路機(jī)振動(dòng)周期同步，通常只有0.02 到0.05 秒，因此，用每個(gè)周期的加速度信號(hào)峰值來研究壓實(shí)度會(huì)造成非常巨大的計(jì)算量[4]。故本文選取0.4s 內(nèi)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行平均值計(jì)算作為瀝青路面壓實(shí)度的加速度有效值。

本文隨機(jī)選取6 組加速度信號(hào)，并進(jìn)行有效值計(jì)算，同時(shí)測(cè)出其壓實(shí)度值，并在Excel 軟件內(nèi)進(jìn)行二者的相關(guān)曲線擬合并輸出關(guān)系式。通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集與處理，測(cè)出相應(yīng)點(diǎn)的壓實(shí)度，得到如表1 所示的數(shù)據(jù)。

表1 壓實(shí)度與對(duì)應(yīng)加速度有效值

根據(jù)相關(guān)系數(shù)公式（3）可以求得相關(guān)系數(shù)R=0.9647，說明振動(dòng)加速度有效值與壓實(shí)度的相關(guān)性良好。

式中：

R——相關(guān)系數(shù)；

Xi——加速度有效值；

Yi——壓實(shí)度；

X——加速度有效值均值；

Y——壓實(shí)度均值。

然后將其擬合得到如圖5 所示壓實(shí)度與加速度的相關(guān)關(guān)系曲線。擬合后得到如下的相關(guān)關(guān)系式：

圖5 壓實(shí)度與加速度擬合曲線

5 結(jié)論

本文主要探究壓路機(jī)壓實(shí)度與振動(dòng)加速度的關(guān)系，在振動(dòng)壓實(shí)測(cè)量中，由于DH186 傳感器工作原理是輸出電荷量信號(hào)，需要在DH5902 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀中轉(zhuǎn)化成更好量化和測(cè)量的電壓信號(hào)。再將電壓信號(hào)通過經(jīng)IIR 低通濾波器進(jìn)行濾波后輸入到加速度傳感器中，采用加速度傳感器的靈敏度，可換算成加速度的信號(hào)值。測(cè)得相應(yīng)的壓實(shí)度后，通過與振動(dòng)加速度有效值的擬合即可得出兩者的關(guān)系。由上可知，壓路機(jī)壓實(shí)度和振動(dòng)加速度之間存在一定的線性關(guān)系，路面壓實(shí)度的好壞一定程度上取決于壓路機(jī)的振動(dòng)加速度。