振動壓路機參數對壓實性能的影響分析

王 偉

（長安大學，陜西 西安710064）

振動壓路機參數對壓實性能的影響分析

王 偉

（長安大學，陜西 西安710064）

在分析傳統壓路機振動輪結構形式基礎上，基于振動壓實理論，面向模式可調的智能壓實過程，構建“振動輪-土體”動力學模型，分析振動壓路機設計參數和工作參數對振動輪加速度的動態影響，得到壓路機參數對壓實效果的影響規律（構建數學模型），進而探究新型智能化振動壓路機的壓實能量傳遞機理。

機械工程；壓實性能分析；數學建模；智能壓實；壓實度

隨著電子信息技術、物聯網技術以及衛星通信技術的發展，智能化振動壓路機已經成為了未來振動壓路機的發展方向。智能化壓路機實際上就是一個以材料、機器、信息、人工決策為一體的一個系統。壓路機通過對材料的碾壓，輸出壓實度、土壤特性等信息，然后再通過這些信息來對壓路機的工作過程進行監控，實現壓實效果的最優化。但是我們要想實現智能化壓路機這一系列的功能，我們首先要做的就是要分析壓路機的設計參數和工作參數，并研究這些參數對壓實性能的影響，建立相關的數學模型。

1 壓路機的設計參數

1.1 壓路機的工作重量

壓路機的工作重量就是包括壓路機的車架、振動輪、油箱、修理設備等在內的總體重量。壓路機的工作重量對地面會產生靜載荷，因此靜載荷的大小是取決于工作重量的大小。靜荷載的計算公式如下：

式中：G為壓路機的工作重量；B為振動輪的寬度cm.

1.2 振動輪的寬度及直徑

振動輪的寬度和直徑也是影響壓實度的重要因素。合適的寬度，會防止壓路機在壓實松散路面時的下沉，可提高壓實過程中的行駛穩定性。合適的直徑，既能產生較大的激振力，也能保證高質量的壓實度。

2 壓路機的工作參數

壓路機的工作參數是影響壓實度的主要因素，主要包括振動頻率、振動幅度、行駛速度。2.1振動頻率

振動頻率指的是壓路機在單位時間內對地面沖壓的次數。由于土料自身也具有一定的頻率，當壓路機的激勵器產生具有一定頻率的載荷時，會帶動土粒振動，從而縮小了土粒之間的空隙，達到壓實的目的。如圖1中所示，在振動幅度一定的情況下，振動頻率越大，壓實度的增長趨勢是先增加后減小，由于土體本身存在固有頻率，當激振器的頻率與土體本身的固有頻率相近時，此時的壓實效果是最好的。如果振動頻率過小，壓實效果不明顯；而當振動頻率過大時，不但會破壞土體結構，還會使得振動強度過大，振動輪會跳離地面，造成壓實的不均勻，也可能會造成過度壓實。

圖1 振動頻率與壓實度的關系

2.2 振動幅度

振動幅度（A0）是指壓路機振動時離開平衡位置的最大值，是影響壓實度的重要因素。振幅的表達式為：

其中：me為激振器的偏心距，M是振動輪的質量。

振動幅度越小，帶動的被壓材料就越少，壓實效果差；振動幅度越大，對地面產生的作用力也就越大，壓實效果越好。但是振動幅度并不是越大越好，過大的振幅也會導致壓實過度，集料嵌擠遭到破壞。因此，合理選擇振動幅度，保證壓實度的合理性。

2.3 行走速度

這里行走速度指的是壓路機在碾壓過程中的速度，合適的碾壓速度對壓實也有很大的影響。對于瀝青混合料，由于其具有粘彈性或粘塑性，而且這種材料在高溫的時候更加明顯所以為了防止瀝青混合料的溫度下降過快，在施工過程中更需要保證合理的行走速度。但是行走速度并不是越快越好，過快的行走速度會對被壓材料產生推移力，不利于壓實進程的進行。

3 構建動力學模型

3.1 振動輪—土體模型建立的理論依據

研究振動壓路機振動輪土體系統動力學模型，必然先要涉及到的是土體本構模型，根據物理學原理，如果被壓實土體的固有頻率和激振結構的振動頻率相一致，則振動壓實效果是最佳。由于土是自然界歷史產物，是由固體顆粒、水和氣體組成的多相組合體，其復雜性和不均勻性，造就了本身的應力應變關系比一般的金屬材料要復雜的多。

3.2 振動輪—土體模型的建立過程

首先，根據地質力學的相關知識，我們把振動輪朝向地面的方向視為正向，記為+z（見圖2）.在構建動力學模型之前，我們首先要注意的是由于車架和振動輪的剛性遠大于連接機架與振動輪之間的橡膠減震器的剛性，所以我們把振動壓路機看成是一個集中質量塊，而且只有一個豎直自由度，zd；既然壓路機是一個集中質量塊，那么zd代表的是在振動輪與土壤表面接觸時的豎向偏差；我們會將機架的質量考慮進去，但是鋼架對輪的作用力對我們來說是不重要的，可以忽略。為了得到地面剛度，我們需要實時測得壓路機的位置以及振動輪的豎直位移，zd.

圖2 振動輪的受力情況

由圖2建立的動力學模型，可得出以下公式：

其中：md代表振動輪的質量，mf代表車架的質量，Zd代表振動輪的位移，Z¨d代表振動輪的加速度，m0e0代表偏心質量塊的力矩，ω代表激振力的頻率，g代表重力加速度。

在壓實過程中，壓路機與地面的動態接觸力Fc越大，壓實效果越好。m0e0cos（ωt）在公式（3）中，代表的是壓路機的激振力F0，我們在這里引進RT作為壓實的有效率，公式為：

由此公式可看出，在激振力F0一定時，RT越大，作用力Fc越大。而RT的值與振動頻率ω和振幅有關。因此，選擇合適的振頻和振幅，以提升壓實效果。

4 結語

通過分析，影響壓實度的因素有很多，在具體的施工過程中應根據被壓實材料的性質，對振動壓路機的各個參數進行具體調整。通過建立“機架-振動輪-地面”的動力學模型，得出壓路機與地面的動態接觸力的表達式，進而分析影響壓實效果的各因素，并得到這些因素對壓實效果的影響規律，為下一步在智能壓實中對壓實度的實時監測奠定基礎。

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[4]劉亞非，徐紅玉.智能化振動壓路機振動系統動力學模型研究[J].建筑機械，2009（17）：61-64.

Analysis of Influence of Vibratory Roller Parameters on Compaction Performance

WANG Wei
（Chang’an University ，Shaanxi,Xi’an 710064，China）

Based on the analysis of the vibration wheel structure of traditional roller，based on the theory of vibration compaction，the dynamic model of“ vibration wheel-soil”is built，and the dynamic effect of design parameters and working parameters of vibratory roller on the acceleration of vibration is analyzed，and the influence law（ building mathematical model）of roller parameters on compaction effect is obtained，and then the compaction energy transfer mechanism of new intelligent vibratory roller is explored.

mechanical engineering；analysis of compaction performance；mathematical modeling intelligent compaction；compactness

TV53

A

1672-545X（2017）08-0282-02

2017-05-10

王 偉（1992－），男，山東萊蕪人，碩士學位，研究方向：機械制造及其自動化。