振動壓路機跳振狀態動力學仿真及試驗研究

黃杰

摘要：建立了正常與“跳振”狀態下振動壓路機與被壓材料的動力學模型，對振動輪加速度隨被壓材料模量的變化進行了數值仿真和試驗驗證。結果表明，在 “跳振”狀態下振動輪振動加速度發生畸變，各次諧波分量增多，0.5次諧波分量與激振主頻分量幅值比大小可以表示“跳振”程度，在壓實作業時應避免壓路機出現“跳振”。

關鍵詞：跳振；振動壓路機；頻率；諧波

中圖分類號：U415.52+1文獻標志碼：B

Abstract： Dynamic models of vibratory rollers in normal and double jumping conditions were established， and numerical simulation and experimental validation of vibratory wheels acceleration along with the variation of modulus of crushed material were conducted. Results show that harmonic distortion of vibratory wheel acceleration appears and harmonic component increases under double jumping condition. The amplitude ratio of 0.5 times harmonic component and vibration frequency component indicates the degree of double jumping， which should be avoided during compaction.

Key words： double jumping； vibratory roller； frequency； harmonic

0引言

振動壓路機以其良好的壓實效果成為了路基路面施工中最主要的壓實機械，振動壓實是克服顆粒材料摩擦力、減小孔隙率、增加密實度、提高承載力的過程。振動壓路機振動輪與鋪層材料緊密接觸時，壓實能量能有效作用于鋪層。而出現“跳振”時，振動輪部分或完全跳離鋪層表面，鋪層材料受到不規則沖擊，顆粒材料被擊碎，鋪層表層變松散，嚴重影響壓實質量。“跳振”是一種非正常工作狀態，原因復雜，有經驗的工程人員可以憑感官判斷是否出現“跳振”，但機器自動識別則較為困難，同時給壓實度實時檢測系統準確判斷壓實與否增加難度。

1振動壓路機被壓材料動力學模型

1.1正常狀態下振動壓路機被壓材料動力學模型

振動壓路機被壓材料為復雜的多自由度振動系統，“振動壓路機被壓材料”系統二自由度數學模型[1]在一定程度上可以反映實際動態響應而被廣泛采用。如圖1、2所示。

系統響應的初始值，對系統進行求解。

2振動輪與被壓材料動力學特性數值仿真

振動輪加速度信號包含了比較全面的壓實信息，是對壓實過程中振動壓路機與被壓材料動力學特性的直接反映。振動壓路機振動頻率、振幅一定時，隨著鋪層材料剛度增加，Fs增大，振動輪的振動加劇；當鋪層剛度較大時，振動輪和機架都將出現劇烈振動，出現跳離地面的現象，嚴重者振動輪將出現不規則振動或者混沌振動，降低鋪層壓實質量。

以某20 t單鋼輪振動壓路機作為仿真對象，振動頻率為28 Hz，名義振幅為1.8 mm，輪寬2 m；被壓材料為沙性土，泊松比ν為0.25，給定材料剪切模量后仿真得到振動輪加速信號特征如圖3所示。

在上述仿真結果中，剪切模量為35 MPa時（可認為材料密實度不高、剛度小，還可繼續壓實），振動輪加速度信號為正弦曲線，振動輪表現為以激振頻率為主頻的受迫振動。當剪切模量為45 MPa時，由于材料剛度較大，仿真結果中振動輪加速度信號出現明顯畸變，幅值變化較大，且比剪切模量為35 MPa時偏大。

3“跳振”狀態下的振動輪動力學響應試驗

為驗證上述分析和仿真結果，選用某20 t單鋼輪振動壓路機進行現場試驗，振動頻率為28 Hz，振幅分別為0.9 mm、1.8 mm。選用壓電式加速度傳感器，安裝于振動輪鋼輪與機架連接部位的未減振橫梁上，完成加速度信號的實時采集和實時頻譜分析。

鋪層材料較為松散時，在振動壓實作用下，有較大的沉降，材料以塑性變形為主，振動能量大部分被鋪層吸收，振動輪主要表現為以激振頻率為主頻的受迫振動，諧波分量成分較少，僅有二次諧波分量出現；當材料密實度變高時，鋪層剛度變大，阻尼變小，材料對振動輪作用反力Fs變大，振動輪振動幅度加大，當壓路機與被壓材料出現非緊密接觸狀態或部分跳離地面時，振動輪加速度頻譜中0.5次、1.5次、2次、2.5次、3次諧波分量幅值增大，機架振動幅度加大，機架和駕駛室將出現劇烈振動。

0.5次諧波分量幅值在“跳振”狀態下比正常狀態下大，以0.5次諧波幅值與基頻幅值之比可以表示振動輪“跳振”程度，作為壓路機識別“跳振”的方法，壓實度隨車檢測系統或智能壓路機可以采用此方法。

4結語

（1） 材料密實程度或剛度阻尼不同，振動輪動力學響應則不同，振動輪加速度正是這種動力學響應的表現。

（2） “跳振”往往發生在材料已被壓實的狀態下，或是壓路機工作在強度較高的路面上以及壓路機工作參數如頻率、振幅等選擇不合理的情況下。“跳振”一般伴隨著機架和駕駛室的劇烈振動，較嚴重時會出現振動輪在鋪層表面滑移，甚至“混沌”振動。

（3） 在“跳振”時振動輪加速度信號諧波分量成分增加，出現0.5次、1.5次、2次、3次諧波分量，將0.5次諧波分量幅值與主頻分量幅值的比值作為判斷“跳振”的方法，具體比值大小區間可通過試驗確定。

參考文獻：

[1]何建和.振動壓路機動力學特性及新型密實度儀研究開發[D].福州：福州大學，2003.

[2]辛麗麗，梁繼輝，聞邦椿. 振動輪跳振現象的振動壓路機系統的動力學特性分析[J].中國工程機械學報，2008，6（2）：161166.

[責任編輯：杜衛華]endprint

摘要：建立了正常與“跳振”狀態下振動壓路機與被壓材料的動力學模型，對振動輪加速度隨被壓材料模量的變化進行了數值仿真和試驗驗證。結果表明，在 “跳振”狀態下振動輪振動加速度發生畸變，各次諧波分量增多，0.5次諧波分量與激振主頻分量幅值比大小可以表示“跳振”程度，在壓實作業時應避免壓路機出現“跳振”。

關鍵詞：跳振；振動壓路機；頻率；諧波

中圖分類號：U415.52+1文獻標志碼：B

Abstract： Dynamic models of vibratory rollers in normal and double jumping conditions were established， and numerical simulation and experimental validation of vibratory wheels acceleration along with the variation of modulus of crushed material were conducted. Results show that harmonic distortion of vibratory wheel acceleration appears and harmonic component increases under double jumping condition. The amplitude ratio of 0.5 times harmonic component and vibration frequency component indicates the degree of double jumping， which should be avoided during compaction.

Key words： double jumping； vibratory roller； frequency； harmonic

0引言

振動壓路機以其良好的壓實效果成為了路基路面施工中最主要的壓實機械，振動壓實是克服顆粒材料摩擦力、減小孔隙率、增加密實度、提高承載力的過程。振動壓路機振動輪與鋪層材料緊密接觸時，壓實能量能有效作用于鋪層。而出現“跳振”時，振動輪部分或完全跳離鋪層表面，鋪層材料受到不規則沖擊，顆粒材料被擊碎，鋪層表層變松散，嚴重影響壓實質量。“跳振”是一種非正常工作狀態，原因復雜，有經驗的工程人員可以憑感官判斷是否出現“跳振”，但機器自動識別則較為困難，同時給壓實度實時檢測系統準確判斷壓實與否增加難度。

1振動壓路機被壓材料動力學模型

1.1正常狀態下振動壓路機被壓材料動力學模型

振動壓路機被壓材料為復雜的多自由度振動系統，“振動壓路機被壓材料”系統二自由度數學模型[1]在一定程度上可以反映實際動態響應而被廣泛采用。如圖1、2所示。

系統響應的初始值，對系統進行求解。

2振動輪與被壓材料動力學特性數值仿真

振動輪加速度信號包含了比較全面的壓實信息，是對壓實過程中振動壓路機與被壓材料動力學特性的直接反映。振動壓路機振動頻率、振幅一定時，隨著鋪層材料剛度增加，Fs增大，振動輪的振動加劇；當鋪層剛度較大時，振動輪和機架都將出現劇烈振動，出現跳離地面的現象，嚴重者振動輪將出現不規則振動或者混沌振動，降低鋪層壓實質量。

以某20 t單鋼輪振動壓路機作為仿真對象，振動頻率為28 Hz，名義振幅為1.8 mm，輪寬2 m；被壓材料為沙性土，泊松比ν為0.25，給定材料剪切模量后仿真得到振動輪加速信號特征如圖3所示。

在上述仿真結果中，剪切模量為35 MPa時（可認為材料密實度不高、剛度小，還可繼續壓實），振動輪加速度信號為正弦曲線，振動輪表現為以激振頻率為主頻的受迫振動。當剪切模量為45 MPa時，由于材料剛度較大，仿真結果中振動輪加速度信號出現明顯畸變，幅值變化較大，且比剪切模量為35 MPa時偏大。

3“跳振”狀態下的振動輪動力學響應試驗

為驗證上述分析和仿真結果，選用某20 t單鋼輪振動壓路機進行現場試驗，振動頻率為28 Hz，振幅分別為0.9 mm、1.8 mm。選用壓電式加速度傳感器，安裝于振動輪鋼輪與機架連接部位的未減振橫梁上，完成加速度信號的實時采集和實時頻譜分析。

鋪層材料較為松散時，在振動壓實作用下，有較大的沉降，材料以塑性變形為主，振動能量大部分被鋪層吸收，振動輪主要表現為以激振頻率為主頻的受迫振動，諧波分量成分較少，僅有二次諧波分量出現；當材料密實度變高時，鋪層剛度變大，阻尼變小，材料對振動輪作用反力Fs變大，振動輪振動幅度加大，當壓路機與被壓材料出現非緊密接觸狀態或部分跳離地面時，振動輪加速度頻譜中0.5次、1.5次、2次、2.5次、3次諧波分量幅值增大，機架振動幅度加大，機架和駕駛室將出現劇烈振動。

0.5次諧波分量幅值在“跳振”狀態下比正常狀態下大，以0.5次諧波幅值與基頻幅值之比可以表示振動輪“跳振”程度，作為壓路機識別“跳振”的方法，壓實度隨車檢測系統或智能壓路機可以采用此方法。

4結語

（1） 材料密實程度或剛度阻尼不同，振動輪動力學響應則不同，振動輪加速度正是這種動力學響應的表現。

（2） “跳振”往往發生在材料已被壓實的狀態下，或是壓路機工作在強度較高的路面上以及壓路機工作參數如頻率、振幅等選擇不合理的情況下。“跳振”一般伴隨著機架和駕駛室的劇烈振動，較嚴重時會出現振動輪在鋪層表面滑移，甚至“混沌”振動。

（3） 在“跳振”時振動輪加速度信號諧波分量成分增加，出現0.5次、1.5次、2次、3次諧波分量，將0.5次諧波分量幅值與主頻分量幅值的比值作為判斷“跳振”的方法，具體比值大小區間可通過試驗確定。

參考文獻：

[1]何建和.振動壓路機動力學特性及新型密實度儀研究開發[D].福州：福州大學，2003.

[2]辛麗麗，梁繼輝，聞邦椿. 振動輪跳振現象的振動壓路機系統的動力學特性分析[J].中國工程機械學報，2008，6（2）：161166.

[責任編輯：杜衛華]endprint

摘要：建立了正常與“跳振”狀態下振動壓路機與被壓材料的動力學模型，對振動輪加速度隨被壓材料模量的變化進行了數值仿真和試驗驗證。結果表明，在 “跳振”狀態下振動輪振動加速度發生畸變，各次諧波分量增多，0.5次諧波分量與激振主頻分量幅值比大小可以表示“跳振”程度，在壓實作業時應避免壓路機出現“跳振”。

關鍵詞：跳振；振動壓路機；頻率；諧波

中圖分類號：U415.52+1文獻標志碼：B

Abstract： Dynamic models of vibratory rollers in normal and double jumping conditions were established， and numerical simulation and experimental validation of vibratory wheels acceleration along with the variation of modulus of crushed material were conducted. Results show that harmonic distortion of vibratory wheel acceleration appears and harmonic component increases under double jumping condition. The amplitude ratio of 0.5 times harmonic component and vibration frequency component indicates the degree of double jumping， which should be avoided during compaction.

Key words： double jumping； vibratory roller； frequency； harmonic

0引言

振動壓路機以其良好的壓實效果成為了路基路面施工中最主要的壓實機械，振動壓實是克服顆粒材料摩擦力、減小孔隙率、增加密實度、提高承載力的過程。振動壓路機振動輪與鋪層材料緊密接觸時，壓實能量能有效作用于鋪層。而出現“跳振”時，振動輪部分或完全跳離鋪層表面，鋪層材料受到不規則沖擊，顆粒材料被擊碎，鋪層表層變松散，嚴重影響壓實質量。“跳振”是一種非正常工作狀態，原因復雜，有經驗的工程人員可以憑感官判斷是否出現“跳振”，但機器自動識別則較為困難，同時給壓實度實時檢測系統準確判斷壓實與否增加難度。

1振動壓路機被壓材料動力學模型

1.1正常狀態下振動壓路機被壓材料動力學模型

振動壓路機被壓材料為復雜的多自由度振動系統，“振動壓路機被壓材料”系統二自由度數學模型[1]在一定程度上可以反映實際動態響應而被廣泛采用。如圖1、2所示。

系統響應的初始值，對系統進行求解。

2振動輪與被壓材料動力學特性數值仿真

振動輪加速度信號包含了比較全面的壓實信息，是對壓實過程中振動壓路機與被壓材料動力學特性的直接反映。振動壓路機振動頻率、振幅一定時，隨著鋪層材料剛度增加，Fs增大，振動輪的振動加劇；當鋪層剛度較大時，振動輪和機架都將出現劇烈振動，出現跳離地面的現象，嚴重者振動輪將出現不規則振動或者混沌振動，降低鋪層壓實質量。

以某20 t單鋼輪振動壓路機作為仿真對象，振動頻率為28 Hz，名義振幅為1.8 mm，輪寬2 m；被壓材料為沙性土，泊松比ν為0.25，給定材料剪切模量后仿真得到振動輪加速信號特征如圖3所示。

在上述仿真結果中，剪切模量為35 MPa時（可認為材料密實度不高、剛度小，還可繼續壓實），振動輪加速度信號為正弦曲線，振動輪表現為以激振頻率為主頻的受迫振動。當剪切模量為45 MPa時，由于材料剛度較大，仿真結果中振動輪加速度信號出現明顯畸變，幅值變化較大，且比剪切模量為35 MPa時偏大。

3“跳振”狀態下的振動輪動力學響應試驗

為驗證上述分析和仿真結果，選用某20 t單鋼輪振動壓路機進行現場試驗，振動頻率為28 Hz，振幅分別為0.9 mm、1.8 mm。選用壓電式加速度傳感器，安裝于振動輪鋼輪與機架連接部位的未減振橫梁上，完成加速度信號的實時采集和實時頻譜分析。

鋪層材料較為松散時，在振動壓實作用下，有較大的沉降，材料以塑性變形為主，振動能量大部分被鋪層吸收，振動輪主要表現為以激振頻率為主頻的受迫振動，諧波分量成分較少，僅有二次諧波分量出現；當材料密實度變高時，鋪層剛度變大，阻尼變小，材料對振動輪作用反力Fs變大，振動輪振動幅度加大，當壓路機與被壓材料出現非緊密接觸狀態或部分跳離地面時，振動輪加速度頻譜中0.5次、1.5次、2次、2.5次、3次諧波分量幅值增大，機架振動幅度加大，機架和駕駛室將出現劇烈振動。

0.5次諧波分量幅值在“跳振”狀態下比正常狀態下大，以0.5次諧波幅值與基頻幅值之比可以表示振動輪“跳振”程度，作為壓路機識別“跳振”的方法，壓實度隨車檢測系統或智能壓路機可以采用此方法。

4結語

（1） 材料密實程度或剛度阻尼不同，振動輪動力學響應則不同，振動輪加速度正是這種動力學響應的表現。

（2） “跳振”往往發生在材料已被壓實的狀態下，或是壓路機工作在強度較高的路面上以及壓路機工作參數如頻率、振幅等選擇不合理的情況下。“跳振”一般伴隨著機架和駕駛室的劇烈振動，較嚴重時會出現振動輪在鋪層表面滑移，甚至“混沌”振動。

（3） 在“跳振”時振動輪加速度信號諧波分量成分增加，出現0.5次、1.5次、2次、3次諧波分量，將0.5次諧波分量幅值與主頻分量幅值的比值作為判斷“跳振”的方法，具體比值大小區間可通過試驗確定。

參考文獻：

[1]何建和.振動壓路機動力學特性及新型密實度儀研究開發[D].福州：福州大學，2003.

[2]辛麗麗，梁繼輝，聞邦椿. 振動輪跳振現象的振動壓路機系統的動力學特性分析[J].中國工程機械學報，2008，6（2）：161166.

[責任編輯：杜衛華]endprint