振動壓路機(jī)在壓實過程中的瞬態(tài)響應(yīng)

徐冉++宋年波

摘 要：為解決振動壓路機(jī)因建模不精確和設(shè)計時數(shù)學(xué)分析不足而導(dǎo)致的智能壓實系統(tǒng)精確度低的問題，對壓路機(jī)的動態(tài)特性進(jìn)行了研究。根據(jù)智能壓實中瀝青路面壓實能量變化，對壓路機(jī)的振幅和頻率進(jìn)行適時調(diào)整，并采用試驗方法確定了路面的厚度、瀝青混合料的種類等對響應(yīng)特性的影響，分析了振動壓路機(jī)壓實過程中的瞬態(tài)響應(yīng)。該響應(yīng)特性可以用來深入研究反饋控制從而改善智能壓實系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：智能壓實；振動加速度；信號處理；瞬態(tài)響應(yīng)

中圖分類號：U415.521 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Transient Response of Vibratory Roller During Compaction

XU Ran1， SONG Nian- bo2

（1. School of Construction Machinery， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China；

2. Military Transportation Department， Logistics University of Peoples Armed Police Force， Tianjin 300309， China）

Abstract： In order to solve the problem of low accuracy of the intelligent compaction system due to imprecise modeling and lack of mathematical analysis in design， the dynamic characteristics of vibratory roller were studied. The amplitude and frequency were timely tuned according to the compaction energy change. The impact of the thickness of the pavement and the types of asphalt mixture on response characteristics was determined by running tests. The transient response of vibratory roller during compaction was analyzed， which could be used to study the feedback control and improve the intelligent compaction system.

Key words： intelligent compaction； vibratory acceleration； signal processing； transient response

0 引 言

截止2013年，中國高速公路里程已達(dá)9.6萬km，其中瀝青路面占90%以上。如果能夠提高瀝青路面施工的質(zhì)量，便可以大大降低每年對路面的維護(hù)費用。在路面施工中，良好的壓實能使瀝青路面在強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐用性和使用壽命上均有所提高，并有效減少車轍、低溫開裂和老化現(xiàn)象。如將瀝青混合料的壓實度提高1%，其承載能力可增加10%～15%。瀝青混合料的壓實受很多因素的影響，要想獲得均勻的壓實效果，則需根據(jù)不同路面區(qū)域的壓實需要施加不同的壓實力[1- 2]。

智能壓實是壓實技術(shù)發(fā)展的里程碑，通常是指運用配備了現(xiàn)場實時測量、顯示和反饋控制系統(tǒng)的振動壓路機(jī)進(jìn)行壓實。智能壓實設(shè)備能在壓實過程中測量和記錄壓實質(zhì)量，隨著壓實過程的進(jìn)行根據(jù)被壓材料以及機(jī)械運行的狀況自行判斷、調(diào)節(jié)壓實性能參數(shù)，從而實現(xiàn)最佳壓實效果。然而壓實性能參數(shù)的實時控制、自動調(diào)節(jié)卻仍有缺陷，運用智能壓實系統(tǒng)對路面質(zhì)量進(jìn)行閉環(huán)控制時，制約其因素之一便是對振動壓路機(jī)的開環(huán)響應(yīng)特性知之不足。為了了解現(xiàn)有壓路機(jī)的功能和不足，并確定其動力學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓實效果的影響，這些響應(yīng)特性是不可或缺的。本文分析了振動壓路機(jī)在壓實過程中的瞬態(tài)響應(yīng)，對現(xiàn)有的一些智能壓路機(jī)進(jìn)行了分析。

1 振動壓實原理

振動壓路機(jī)是依靠機(jī)械自身質(zhì)量以及激振裝置產(chǎn)生的激振力共同作用，用以降低被壓材料顆粒間的內(nèi)摩擦力，將材料顆粒楔緊，達(dá)到壓實的目的。振動輪中的振動軸上裝有偏心塊，當(dāng)振動馬達(dá)輸入動力帶動振動軸旋轉(zhuǎn)時，因偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，即壓路機(jī)的激振力。激振力僅與振子的靜偏心距及角頻率有關(guān)。因此激振力的振幅和振動輪振動的振幅可以通過調(diào)節(jié)軸上的偏心塊來改變。激振力的激振頻率隨著偏心塊旋轉(zhuǎn)速度變化，這也影響振幅的變化。在垂直方向上，偏心塊的離心力可以看做一個正弦力的模型，如圖1所示。

式中：Fecc為偏心塊的離心力；F為合力；m0為偏心塊的質(zhì)量；e0為偏心距；ω0為角頻率；md為振動輪的質(zhì)量；mf為機(jī)架質(zhì)量。

圖1 振動壓路機(jī)的振動機(jī)構(gòu)

2 智能壓實

智能壓實技術(shù)系統(tǒng)可概括為以振動參數(shù)自動調(diào)節(jié)控制技術(shù)為核心，以計算機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)和GPS技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行壓實信息實時采集、處理、分析和管理的綜合技術(shù)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能根據(jù)筑路材料和壓實程度的變化使激振力自動實現(xiàn)無級調(diào)整，防止過度壓實或者壓實不足，還能對所壓實瀝青面層的剛度和表面溫度進(jìn)行自動檢測，集檢測路面壓實質(zhì)量和自動調(diào)整振動能量于一身[3- 4]。智能壓路機(jī)一般包括4部分組成：實時測量壓實程度和路面表層溫度的綜合測量系統(tǒng)；

基于GPS，能夠連續(xù)記錄機(jī)器位置和相應(yīng)壓實程度的數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)；用彩圖顯示實時壓實參數(shù)的面板，包括壓實程度、路面溫度、壓路機(jī)方向、GPS定位等；根據(jù)實測剛度調(diào)整頻率、振幅、激振力和速度的反饋控制裝置。

智能壓實技術(shù)具有很多優(yōu)點：對路面監(jiān)控和壓實參數(shù)的控制更加精確；增加壓路機(jī)的壓實深度，提高壓實效率；提高壓實度及其均勻性，并防止過壓實；記錄每一次完整的壓實過程，而且方便保存報告；自動識別不適合壓實的區(qū)域，提高生產(chǎn)效率；降低路面的鋪筑和維修費用；減少路面施工人員，提高道路施工監(jiān)督的安全系數(shù)；連續(xù)記錄被壓實材料的壓實度或剛度值，不需要額外評定。

3 試驗方法

使用傳統(tǒng)的振動壓路機(jī)在瀝青路面施工時，壓路機(jī)的行駛速度、振動頻率以及其它的工作參數(shù)均保持不變，因此操作者只能通過改變碾壓遍數(shù)來改變壓實功。然而，在智能壓實中，可以根據(jù)瀝青路面每一時刻受到壓實能量的變化，對壓路機(jī)的振幅和頻率進(jìn)行實時調(diào)整。因此，在施工過程中改變壓路機(jī)的工作參數(shù)，必須對路面剛度進(jìn)行瞬時測量。目前的智能壓實系統(tǒng)采用一些相對質(zhì)量測量或者密度估計的方法來測量路面剛度，然而這些方法沒有將壓路機(jī)的動態(tài)特性考慮在內(nèi)。由于慣性，偏心塊要經(jīng)過一段時間才可以達(dá)到所需要的轉(zhuǎn)速（或角頻率）。為了改進(jìn)這種含反饋控制的智能壓實系統(tǒng)，首先要研究振動壓路機(jī)在壓實過程中的動態(tài)特性。本文對壓路機(jī)的振動加速度進(jìn)行了測量和分析，以深入了解其動態(tài)響應(yīng)特性。

圖2 加速度計

3.1 設(shè)備

通過測量振動輪的振動加速度來分析其振動特性，故在振動壓路機(jī)上安裝加速度計和數(shù)據(jù)采集計算機(jī)來記錄振動數(shù)據(jù)[5]。在振動輪的軸上安裝COLIBRYS VS9100.D的加速度計，如圖2所示，以1 kHZ為頻率進(jìn)行采樣。在壓路機(jī)的頂部安裝GPS Pathfinder ProXT 接收器。所有的傳感器都連接到一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)實時收集數(shù)據(jù)并存儲進(jìn)行分析，使用xTabletT8700強(qiáng)固型平板電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.2 數(shù)據(jù)分析

測量的數(shù)據(jù)來自傳統(tǒng)壓路機(jī)，振動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)部分可以忽略，僅對瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究。瞬態(tài)響應(yīng)時間應(yīng)從不同規(guī)格、不同型號的壓路機(jī)中測得的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，測得的振動加速度是時間的函數(shù)。同時，需要將測得的振動數(shù)據(jù)用離散傅里葉變換（特別是短時傅里葉變換）轉(zhuǎn)化為頻域分析[6]。

3.3 短時傅里葉變換（STFT）

短時傅里葉變換是用于分析非平穩(wěn)信號的強(qiáng)大的信號處理工具。短時傅里葉變換也叫短時譜（加窗的方式）。信號x（n）短時傅里葉變換的定義為

3.4 時間頻率曲線

時間頻率曲線表示壓路機(jī)在每一時刻的工作頻率。通過采集加速度計中的振動數(shù)據(jù)，使用短時傅里葉變換（STFT）進(jìn)行分析，最終得到時間頻率曲線，如圖4所示。短時傅里葉變換給出了每個很小的時間間隔中各頻率成分的幅值，工作頻率即每個小區(qū)間內(nèi)最高幅值的頻率便可由STFT來確定。最終，可確定工作頻率和時間關(guān)聯(lián)的陣列[8]。在時間頻率曲線圖中，可以根據(jù)每個時間指標(biāo)顯示出相應(yīng)的工作頻率。

圖4 時間振動頻率曲線

4 結(jié)果和討論

從頻率響應(yīng)曲線中得出2類響應(yīng)時間。

（1） 頻率上升時間。壓路機(jī)從一個頻級上升到另一個頻級所需的時間。

（2） 調(diào)節(jié)時間。壓路機(jī)從無振動模式達(dá)到工作頻率并保持波動在1 Hz范圍內(nèi)所用的總時間。

在壓實過程中，壓路機(jī)需要碾壓若干遍以達(dá)到所需密度。在每一遍的開始，壓路機(jī)的初始速度為0，通常不振動。當(dāng)壓路機(jī)保持在穩(wěn)定的速度時，振動輪開始振動，轉(zhuǎn)速增加。壓路機(jī)的振動頻率控制機(jī)構(gòu)根據(jù)轉(zhuǎn)速控制頻率的大小，直到其達(dá)到要求的工作頻率。

表1給出了國外幾種不同品牌、型號壓路機(jī)的調(diào)節(jié)時間和頻率上升時間。不同的壓路機(jī)具有不同的規(guī)格和特性，如機(jī)器的質(zhì)量和尺寸、振動輪尺寸、振動特性等。從表1中可以看出調(diào)節(jié)時間和頻率上升時間取決于壓路機(jī)的品牌和型號，壓路機(jī)的偏心馬達(dá)從靜止到穩(wěn)定振動需要2～10 s不等，工作頻率從27 Hz增加到35 Hz需要200～800 ms不等。

表2給出1輛英格索蘭 DD110壓路機(jī)在充分壓實中，底基層、基層和瀝青混合料的種類對調(diào)節(jié)時間響應(yīng)的影響[9]。從表2中可以看出，瞬態(tài)響應(yīng)時間與底基層、基層和瀝青混合料種類基本無關(guān)。

這些結(jié)果表明：壓路機(jī)對其任何參數(shù)（如工作頻率）改變時的動態(tài)響應(yīng)，都需要一段時間。振動壓路機(jī)壓實過程中的瞬態(tài)響應(yīng)時間和機(jī)器的型號有關(guān)，而瀝青混合料、底基層、基層對壓路機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)并無影響。最后，任何帶有反饋控制的智能壓路機(jī)必須考慮壓路機(jī)的響應(yīng)時間。

5 結(jié) 語

在本文中，解決了振動壓路機(jī)在壓實過程中瞬態(tài)響應(yīng)的測量和分析，使用振動數(shù)據(jù)的短時傅里葉變換（STFT）分析計算壓路機(jī)的響應(yīng)時間。瀝青混合料、底基層、基層對壓路機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)的影響可以忽略不計。此外，振動壓路機(jī)在壓實過程中的瞬態(tài)響應(yīng)與機(jī)器本身有關(guān)。同樣可以得出壓路機(jī)對任何改變其操作參數(shù)（如振動頻率）指令的動態(tài)響應(yīng)都需要一段時間，這會影響智能壓實系統(tǒng)的運作。上述結(jié)論為深入了解和改進(jìn)帶有反饋控制的智能壓實系統(tǒng)提供了幫助。

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[責(zé)任編輯：高 甜]