振動壓路機跳振的原因及解決方案

夏磐夫　林棟冰

摘要：針對振動壓路機的跳振問題，基于“機土“振動系統(tǒng)的二自由度振動數(shù)學模型，通過比較分析各種跳振現(xiàn)象下的壓實對象狀態(tài)和壓路機參數(shù)，得出壓路機跳振的原因是由于振動系統(tǒng)功率不足、施工工藝不合理、工作頻率異常及減振系統(tǒng)破壞等，并結(jié)合部分典型案例，提出了具有參考價值的解決方案。

關(guān)鍵詞：振動壓路機；跳振；二自由度振動模型；固有頻率

中圖分類號：U415.5文獻標志碼：B

Abstract： Aimed at the jump vibration of vibratory roller， parameters and two inherent frequencies which might affect the compaction were put forward with a two degree of freedom mathematical model of rollersoil vibration system. According to the analysis of compacted object states and roller parameters， the main reason for jump vibration is that the vibration system does not work as designed， caused by some reasons such as insufficient power， unreasonable construction techniques， abnormal operating frequency and damping system malfunction. And solutions were proposed combined with some typical cases in the market.

Key words： vibratory roller； jump vibration； vibration model with two degree of freedom； inherent frequency

0引言

壓路機是以增加土壤密實度為主要用途的施工機械。其中，振動壓路機利用振動使土壤處于高頻振動狀態(tài)，然后通過對地作用力迫使土壤顆粒重新排列而密實，壓實效率遠超靜碾壓路機。然而，在實際壓實過程中，壓路機振動輪產(chǎn)生的跳振使振動輪的連續(xù)滾動壓實變成了沖擊式壓實，極大地降低了駕駛員操作舒適性并降低了壓實質(zhì)量。為此，本文利用壓路機二自由度振動數(shù)學模型解釋了發(fā)生跳振的原因并提出了相應的現(xiàn)場解決方案。

1壓路機二自由度振動數(shù)學模型

土壤、振動輪、壓路機上車3個因素組成了一個共同有效的“機土”振動系統(tǒng)。通常把“機土”振動系統(tǒng)簡化為具有2個自由度的數(shù)學模型，經(jīng)驗證明，這個二自由度的數(shù)學模型基本上能反映“機土”振動系統(tǒng)的實際動態(tài)響應[1]。

圖1為振動壓路機的二自由度振動數(shù)學模型。模型包含了設計中需要考慮的所有重要參數(shù)，如上車質(zhì)量mf、減振器剛度kp、減振器阻尼cp、振動質(zhì)量md、土壤剛度ks、土壤阻尼cs、工作頻率ω和激振力F等。

數(shù)學模型的動態(tài)響應分析結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，“機土”振動系統(tǒng)具有2個固有頻率ω1、ω2，當工作頻率ω與固有頻率相等時，振動系統(tǒng)將處于共振狀態(tài)，上車或振動輪急劇振動。2個固有頻率中較低的ω1被稱為一階固有頻率，其大小主要取決于上車質(zhì)量、減振器剛度和減振器阻尼，設計基本可控；較高的固有頻率ω2被稱為二階固有頻率，該固有頻率主要取決于參振質(zhì)量、土壤剛度和土壤阻尼。通常參振質(zhì)量是可控的，但不同壓實材料固有頻率的可變性較大，同一種材料在壓實度不同時，其固有頻率也有差異，且固有頻率會隨著壓實遍數(shù)和密實度的增加增大[2]，即不同壓實工況下的二階固有頻率會發(fā)生變化。

通常，根據(jù)土壤類型的不同，壓路機工作頻率會設定為不同值。如雙鋼輪主要用于壓實瀝青混合料，工作頻率在40～70 Hz之間；單鋼輪主要用于壓實土或水泥穩(wěn)定土，工作頻率在26～35 Hz之間。

理想狀態(tài)下，激振力不斷向系統(tǒng)輸入能量，系統(tǒng)阻尼不斷消耗能量，若前者大于后者，振幅將增大；若前者小于后者，振幅將減小。直到兩者平衡后振幅穩(wěn)定，系統(tǒng)出現(xiàn)新的恒幅振動[3]，此時“機土”振動系統(tǒng)成為相對穩(wěn)態(tài)的能實現(xiàn)連續(xù)壓實的系統(tǒng)。

2幾種跳振原因分析及解決方案

在實際壓實過程中，部分用戶會反饋振動輪跳振問題，即振動系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過現(xiàn)場了解壓路機使用條件，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、壓實工況、振動工作頻率、液壓振動系統(tǒng)壓力等因素后發(fā)現(xiàn)這些反饋有不同的外在表現(xiàn)，見表1。

從表1可知，跳振時“機土”振動系統(tǒng)已工作在非正常狀態(tài)，某些值未能工作在設計狀態(tài)導致外在表現(xiàn)異常，用戶最終無法接受上車、振動輪或整機的大振幅振動。

2.1后備功率不足產(chǎn)生跳振

跳振1的工作頻率和振動壓力波動不正常，說明系統(tǒng)未達到穩(wěn)定狀態(tài)，工作頻率非常低說明系統(tǒng)未越過共振區(qū)，發(fā)動機工作在額定轉(zhuǎn)速下說明發(fā)動機功率輸出無異常，系統(tǒng)溢流說明系統(tǒng)工作超出設計。主要原因是制造廠家過分追求經(jīng)濟性，采用小泵小馬達，振動系統(tǒng)輸出功率不足以滿足壓實要求。當壓路機起振時，工作頻率ω由0增加到設計值，需要越過一階固有頻率ω1和二階固有頻率ω2所在的共振區(qū)。通常壓路機起振時間約3 s左右，如果振動系統(tǒng)后備功率小，則起振速度慢，在共振區(qū)停留的時間就長，共振點的振幅就越大；當振幅增大到一定程度，振動系統(tǒng)全功率運行仍不足以支持該振幅下的振動時，壓路機的工作頻率就無法越過共振區(qū)，振動輪在超高振幅和非常低的頻率下振動就帶來跳振問題。解決方案是制造廠家更改系統(tǒng)配置，加大振動系統(tǒng)后備功率。

2.2施工工藝不合理產(chǎn)生跳振

跳振2的工作頻率等于銘牌值（或誤差不超過10%）說明系統(tǒng)能達到穩(wěn)定狀態(tài)，壓路機本身正常；壓實工況為硬地面、振動壓力接近溢流說明負載大。帶來該問題的主要原因可能是施工工藝不合理，未能及時切換大、小振或靜壓模式。實際壓實過程中，隨著土壤密實程度的增加，土壤的剛度不斷增大、阻尼不斷減小[45]，系統(tǒng)的二階固有頻率不斷靠近設定的工作頻率。工作頻率下的振幅不斷偏離名義振幅，導致地面的反作用力越來越大，使振動輪跳離地面，出現(xiàn)跳振。因此，壓路機一般設置2種工作模式，即低頻高幅模式和高頻低幅模式，通過切換模式來改變振動輪名義振幅和工作頻率下的振幅來減小地面反力。相應的施工工藝也提出了“當土壤強度足以支撐振動壓實時，先強振再弱振”的壓實要求。如果不遵循這種要求，在地面剛度非常大時仍采用高幅壓實，整機就會劇烈振動。

在一個案例中，施工人員反饋壓路機振動輪跳振。維修人員在現(xiàn)場首先檢查了振動系統(tǒng)設計參數(shù)，實測輪胎支撐時的振動工作頻率在設計要求范圍內(nèi)，無論是輪胎上壓實還是路面上壓實，振動與不振動的發(fā)動機轉(zhuǎn)速均不大，分析認為發(fā)動機功率能滿足要求。

檢查壓路機在工地路面上振動的情況，發(fā)現(xiàn)高頻低幅模式下壓路機運行正常，低頻高幅模式下振動輪跳振且液壓系統(tǒng)平穩(wěn)壓力達到30 MPa，接近溢流壓力。據(jù)此判斷低頻高幅時壓路機負載過大，懷疑是路面剛度過大引起跳振。直接使用鐵釬敲擊部分路面，僅能砸出小坑。檢查被壓實路面，觀察到部分地面上石子被振碎，出現(xiàn)過壓現(xiàn)象。咨詢用戶需要壓實的工地路基是直接挖方后整平得到，監(jiān)理要求的壓實工藝是6次大振后再6次小振。

分析認為，用戶所使用的壓路機壓實能力極強，由于挖方路基本身的密實度就很高，3遍大振后路面密實度已經(jīng)極高，繼續(xù)大振，必然出現(xiàn)跳振現(xiàn)象。用戶在已經(jīng)跳振的情況下繼續(xù)大振，不但起不到繼續(xù)密實的效果，反而會將已壓實的土壤再次振動導致局部松散，從而密實度的降低。

通過現(xiàn)場勘察，路面壓實度已經(jīng)很高，壓路機仍采用低頻高幅的工作模式必然出現(xiàn)跳振，解決方案是調(diào)整壓實施工工藝，適時切換大、小振及靜壓方式。

2.3振動工作頻率超差產(chǎn)生跳振

在硬地面進行壓實時，振動壓力接近溢流，說明負載大，工作頻率出現(xiàn)異常。導致跳振3的主要原因是維修時未校準振動工作頻率或用戶操作不當。按二自由度振動數(shù)學模型分析，如果土壤能無限的吸收振動能量，工作頻率超過二階固有頻率并繼續(xù)增大時，上車和振動輪的振幅會越來越趨向于一個定值，其中振動輪的振幅傾向于名義振幅，系統(tǒng)仍然能穩(wěn)定運行。但是此時振動輪的振動加速度會隨著工作頻率的增大而增大，振動系統(tǒng)的輸出能量也會增大。

實際壓實過程中，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提下，增大工作頻率能增加振動輪的輸出功率，從而使土壤快速密實。此時，繼續(xù)按正常施工工藝進行壓實，就可能會出現(xiàn)如2.2所描述的地面剛度非常大時仍采用強振壓實導致的跳振問題。

在某案例中，用戶反饋振動壓路機壓實水穩(wěn)層時駕駛室振動大，駕駛員無法操作。從現(xiàn)場施工情況來看，該項目的水穩(wěn)層壓實工藝為大振、小振、大振、小振、大振、小振共6次壓實，第3次大振時駕駛室振動劇烈至駕駛員無法忍受。檢測該機發(fā)動機轉(zhuǎn)速正常，檢查發(fā)現(xiàn)高幅激振頻率為333 Hz，超出設計頻率（28 Hz）19%。計算可知該機最大輸出功率已超出設計輸出功率415%，因此造成駕駛室劇烈振動。咨詢用戶后發(fā)現(xiàn)，該機振動泵維修過，維修后未調(diào)整振動頻率參數(shù)。解決方案是將頻率校正到出廠狀態(tài)。

2.4減振系統(tǒng)破壞產(chǎn)生跳振

跳振4中壓路機各項指標檢查均正常，說明系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定，上車振動異常應該是振動輪與上車之間的減振器剛度不合理導致。減振器老化或損壞后，減振系統(tǒng)的剛度發(fā)生變化，減振效果達不到預期。上車因減振效果變差而振動異常，解決方案是定期檢查并更換失效的減振器。如果新車就出現(xiàn)問題或更換減振器后仍不能解決問題，原因可能是原車減振系統(tǒng)設計不合理。典型的例子是減振器剛度過大，車架和振動輪近似固接，此時一階固有頻率可能提高到接近振動頻率。因此，該問題只在設計水平極低或質(zhì)量完全失控的情況下發(fā)生，解決方案是更換其他剛度的減振器。

2.5壓路機適應性差或工作條件異常產(chǎn)生跳振

壓路機壓實有一些常規(guī)要求，當被壓實土壤要達到一定剛度，就要進行試驗來確定壓實工藝，且發(fā)動機轉(zhuǎn)速要調(diào)整到額定轉(zhuǎn)速，還應定期檢查機器狀況。如果壓路機本身的適應性差或壓實過程不能滿足這些要求，跳振5的情況就可能會發(fā)生。

典型的例子是壓路機在壓實橡皮土時，土壤就像彈性蓄能器，壓實功無法作用至土壤深層，振動壓實無法進行，導致壓路機振動異常。解決方案首先應使用凸塊輪將土填切割成許多小塊，使其失去彈性后再使用振動壓路機進行壓實。另一典型的例子是發(fā)動機處于怠速運轉(zhuǎn)時進行振動壓實，此時實際振動頻率為設計振動頻率的1/3，接近系統(tǒng)固有頻率且發(fā)動機輸出功率不足，系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行，也會產(chǎn)生劇烈的振動。解決方案是保證發(fā)動機工作在額定轉(zhuǎn)速下。

3結(jié)語

本文基于“機土”振動系統(tǒng)的二自由度振動數(shù)學模型，結(jié)合振動壓實原理和振動系統(tǒng)設計參數(shù)分析了振動輪跳振的原因，認為壓路機跳振大多是由壓路機實際工作狀態(tài)與設計狀態(tài)差別大導致。其產(chǎn)生原因有振動系統(tǒng)功率不足、施工工藝不合理、振動頻率異常、減振系統(tǒng)破壞等，對應提出規(guī)范設計、適時切換大小振、規(guī)范工作頻率、適時維護減振系統(tǒng)等解決方案，并提供了一些解決典型跳振案例的方法供同行借鑒參考。

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[責任編輯：杜敏浩]