高頻振動壓路機壓實機理及參數選取探討

龐瀛洲，田建濤，冉寶山

(長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點試驗室，陜西 西安 710064)

壓實方法可以分為靜壓、振動、揉搓和沖擊這四類。最早期的壓路機是人力或畜力牽引的光輪碾，19世紀的工業革命之后出現了蒸汽動力的自行式三輪壓路機，1919年美國出現了以內燃機為動力的壓路機，1930年德國人最先使用了振動壓實技術，在20世紀80年代德國悍馬（HAMM）公司又首先開發出振蕩壓路機，1999年日本酒井株式會社（Sakai）又開發出頻率為4 000次/m in（約66.67Hz）高頻振動壓路機[1～2]。

高頻振動壓路機是隨著壓實技術不斷發展產生的新型壓實技術。

1 高頻振動壓實原理

1.1 振動機構振動及變幅原理

振動壓路機振動輪由輪體、激振器和減震器3個主要部件構成，此外還包括傳動軸、軸承和軸承座等。一般情況下，振動軸上裝有2個固定偏心塊，并橫穿1個擋銷，中間有1個空套的活動偏心塊，振動軸支撐在2個調心滾子軸承上。振動馬達輸入動力驅動激振軸，激振軸帶動偏向片產生離心力即為壓路機的激振力。通過改變振動馬達的轉向，在擋銷作用下固定偏心塊和活動偏塊產生2種不同組合來產生2組激振力和振幅，激振器的不同狀態如圖1所示。

圖1 振動機構示意圖

在振動方向激振力F表達式如下式

其中，M為偏心塊偏心質量，r為偏心距；激振力F隨時間變化規律如圖2所示，為周期變化的正弦曲線。在高頻振動下，壓路機偏心塊轉速大于普通模式壓路機的偏心塊轉速，反應在式(1)中則為ω較大。由式(1)可知，一方面，激振力F與ω的二次方成正比，ω增大使激振力F迅速增大；另一方面，ω增大代表著振動頻率增大，即產生高頻振動。

圖2 振力F隨時間變化規律

1.2 與作業介質相互作用原理

如圖3所示，振動壓實時，壓路機鋼輪產生的重力即靜壓力和振動產生的豎直方向的激振力作用于被壓實材料。大顆粒材料由于質量大會得到較大的慣性力，它們將首先脫離周圍材料向下運動，而小顆粒在大顆粒向下運動的同時，一方面在外力作用下也緩慢向下運動，另一方面在自身重力作用下填補大顆粒向下運動的空隙。這個過程中（圖4）大小顆粒重新排列、相互“融合”，擠出水分和空氣，與此同時，部分顆粒的棱角被磨掉，進一步加劇了密實過程。整個壓實過程應在壓實材料達到最大密實度以及大小顆粒排列均勻、相互填滿空隙時結束。

圖3 振動鋼輪與壓實介質相互作用示意圖

圖4 實前后物料顆粒位置對比圖

高頻振動壓實過程中，鋼輪以大于3 600次/m in（60Hz）的頻率快速、連續沖擊待壓實物料，使物理顆粒處于高頻振動狀態，根據“土壤液化學說”和“土壤共振學說”，此時物料顆粒間內摩擦力減小甚至喪失，在此狀態下物料密實過程更容易進行；其次，顆粒棱角在高頻振動和沖擊作用下更容易被敲掉，也有利于密實過程；再次，高頻振動對應更大的激振力，即鋼輪對待壓實物理的沖擊力遠遠高于普通振動壓路機；此外，振動頻率越高，壓實后路面平整度越好（圖5)；與此同時，高頻振動和橋梁的固有頻率相差更大，對橋梁幾乎沒有影響，故高頻振動壓路機可以更安全地進行橋面壓實施工。

圖5 振動頻率與平整度的關系

2 頻率選取及振幅匹配

由表1可知，市場上的小噸位高頻振動壓路機多采用單一的高頻低幅模式，大噸位的高頻振動壓路機多采用高頻低幅+低頻高幅模式。傳統的雙頻率雙振幅雙鋼輪振動壓路機頻率和振幅的組合難以適應各種復雜工況，而現行的高頻雙鋼輪振動壓路機則能夠很好解決上述問題——工程實用性更強，施工效率更高。高頻低幅工作模式，特別適用于薄層和橋梁面層壓實，面層平整度好；低頻高幅模式相當于傳統的振動壓路機，可用于厚層壓實[3]。

衡量壓路機壓實效果的重要參數是壓實度，故高頻振動壓路機頻率的選取應該使得壓實度最大。相關文獻表明[4～5]，壓實度與振動壓路機的振動參數和工作參數有以下函數關系

式中 E——壓實度，%；

PL——振動壓路機鋼輪線載荷，N/cm；

A——振動壓路機工作振幅，mm；

ω——振動壓路機角頻率，rad/s；

v——振動壓路機工作速度，m/s；

n——碾壓次數。

由式(2)可知：①當壓路機的工作參數PL、v、n及振動參數A一定時，壓實度E是振動參數ω的單值函數，故可通過試驗找出壓實度E與振動參數ω的關系，并繪制壓實度E與振動頻率ω的對應關系曲線圖；②當壓路機的工作參數PL、v及振動參數A一定，在振動參數ω取不同值時，壓實度E是碾壓次數n的單值函數，故可通過試驗找出不同振動頻率ω下，壓實度E與碾壓次數n的關系，并繪制不同振動頻率ω下，壓實度E與碾壓次數n的對應關系曲線圖。

圖6所示為壓實度與振動頻率的對應關系曲線圖，由圖6可知：①壓實度隨著壓實頻率的升高先增大后減小；②當壓實頻率為70Hz左右時，對應的壓實度最大。

圖6 壓實頻率與壓實度對應曲線圖

圖7所示為70Hz和40Hz振動頻率下，壓實度與碾壓次數的對應關系曲線圖，由圖7可知：①相同碾壓次數下，70Hz對應的壓實度大于40Hz對應的壓實度；②40Hz碾壓8次對應的最終壓實度僅與70Hz碾壓4次對應的壓實度相當；③70Hz碾壓8次對應的最終壓實度遠遠大于40Hz碾壓8次對應的最終壓實度。

圖7 不同壓實頻率壓實度與碾壓次數對應曲線圖

綜上所述，試驗結果表明：高頻振動壓路機高頻應該選取70Hz左右，此時對應的壓實度值最大，即壓實效果最好，通常情況下，高頻一般取 67Hz或 70Hz。

將被壓實材料視為彈性體，則振動壓路機壓實過程可視為該彈性體與壓路機上、下車組成的一個共同的振動系統。建立振動壓路機整機與作業介質組成的系統動力學模型如圖8所示[6]，其運動學方程為

式中 K1、K2—— 減震器和被壓實材料的剛度系

數N/mm；

C1、C2—— 減震器和被壓實材料的阻尼系

數(Ns)/mm；

m1、m2——上車和下車質量；kg；

x1、x2—— 上車和下車的瞬時位移，mm；

ω、F0——激振力的角頻率和幅值rad/s，N。

解微分方程(3)可得

式中

由微分方程的解可知壓路機振幅的表達式為

上述理論分析奠定了振幅選取的基礎，但是通過計算機仿真技術得到的結論實際參考意義并不理想，故下面通過試驗研究探討振動壓路機振幅A的選取的合理選取。試驗采取“控制變量法”——在保持其他參數（包括壓路機參數和介質參數）不變的情況下，只改變振幅來研究隨著碾壓次數的增加，振幅與壓實度的關系。由于高頻振動壓力機適合壓實面層，故以上層壓實度為壓實效果的衡量值。

試驗結果統計如表2所示。根據表2可繪制各碾壓次數下不同幅值下的上層壓實度對比圖(圖9)。

表2 不同振幅對應上層壓實度值

由圖9可知：①相同碾壓次數時，高幅對應的上層壓實度值高；②隨著碾壓次數的增加，高幅對應的最終壓實度大于低幅對應的最終壓實度；③高幅時，隨著碾壓次數的增加當碾壓次數大于8時，壓實度反而降低，到12時又增大。

故根據試驗結果可得出以下結論：①為取得較好壓實效果，在振動壓路機技術條件允許的情況下，振幅應取大值，但由于受到材料、軸承、減振等技術的制約，振幅的上限受到限制，現今市場上常見的產品振幅取值為0.3～0.4mm；②振幅取大值時應該對壓路機壓實度—碾壓次數曲線進行測定，并根據測定結果制定合適的碾壓工藝。

3 結 語

1)高頻振動壓路機的高頻低幅和低頻高幅組合模式可使高頻振動壓路機能適應各種復雜的工況，高頻低幅模式壓實效果好、壓實效率高、平整度高，且尤其適合面層和橋面的壓實。

2)高頻振動壓路機的頻率一般取70Hz左右，此時壓實度值最高，對應壓實效果做好；振幅應該在技術條件允許的情況下取大值，并對壓實工藝進行合理規劃，現今高頻壓路機產品振幅一般為0.3～0.4mm。

3)目前振動壓實理論存在多個學說，還沒有任何一個與實際情況完美匹配并能指導實踐工作的學說，故壓實理論有待廣大學者進一步研究；與此同時，由于受材料、軸承、減振等技術的限制，高頻振動壓路機振幅有待進一步提高，相關領域的研究也值得廣大學者探究。 O

[1] 王占海，楊 峰．壓路機新技術及其發展趨勢[J].工程機械文摘，2011，(4)：35-37．

[2] 熊燕舞，趙 娟．高頻振動壓路機——振幅和頻率搭配的藝術[J]．交通世界，2005，（1):101-104+57.[3] 曹 婷．高頻雙鋼輪振動壓路機液壓系統特性與柔性啟動技術探討[D]．陜西：長安大學，2013．

[4] 龔創先．振動壓路機壓實性能研究與優化[D]．湖北：湘潭大學，2013．

[5] 龔 濤．振動壓路機動態特性分析及振動舒適性研究[D]．湖北：湘潭大學，2013．

[6] 寧 鵬，張 敏，魏文瀾．振動壓路機振幅的探討[J]．山東：山東交通學院學報，2012，(4):75-77+82.