熨平板振動壓實特性與攤鋪密實度控制方法研究

羅清云, 吳 平, 劉洪海, 賈 潔

(1.長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,西安 710064;2.內蒙古路橋集團有限責任公司,呼和浩特 010051)

在瀝青路面施工過程中,攤鋪機將瀝青混合料攤鋪、整形,得到一定尺寸和密實度的鋪層[1]。熨平板是攤鋪機工作裝置的重要組成部分,熨平板工作參數對鋪層材料密實度有重要的影響[2]。

國內外的研究表明,鋪層材料密實度與熨平板振幅密切相關。羅丹建立了熨平板剛柔耦合的動力學模型,研究了熨平板橫向振幅不均勻性對鋪層橫向密實度的影響[3];劉洪海等[4]基于共振理論,建立了鋪層材料密實度與振動參數、系統參數之間關系的模型,得出熨平板振動頻率與熨平板振幅、鋪層材料密實度之間的關系;殷超等[5]通過虛擬樣機仿真技術,研究振動器頻率對熨平板箱體振幅響應的影響,確定了鋪層密實度均勻性與平整度最佳時熨平板的工作參數;賈潔等[6]提出了夯錘和熨平板與鋪層材料相互作用的動力學模型,得出了鋪層材料密實度與夯錘頻率、熨平板振動頻率、鋪層材料特性之間的關系;孫志剛[7]對加寬熨平板進行試驗研究,采用ODS(operational deflection shape)形態、壓力分布和加速度對熨平板系統的橫向振動特性進行評價,提出了以壓力分布為指標的鋪層平整度、密實度的評價方法;Sun等[8]對雙偏心軸熨平板振動機構進行研究,分析了熨平板工作參數對熨平板振動特性和壓實特性的影響;Nguyen等[9-10]對熨平板系統建立非線性動力學模型,研究了熨平板振動的平穩性影響因素,優化了熨平板振動性能,提升鋪層材料密實度的均勻性;Jia等[11]基于熨平板二自由度動力學模型,研究了熨平板振幅對鋪層材料密實度的影響;以上研究通過對熨平板進行動力學分析,以熨平板的振幅為基礎,得出鋪層材料密實度隨熨平板工作參數的變化規律。

攤鋪機工作裝置由振搗器和熨平板振動器構成,振搗器行程較大,其與混合料有周期性的接觸分離,因此需對振搗器與混合料的相互作用進行研究。在已有研究的基礎上,考慮振搗器與鋪層材料的相互作用力對熨平板振動的影響,建立熨平板動力學模型;基于共振振動理論,提出鋪層材料密實度與熨平板振幅的關系模型,給出鋪層材料密實度的控制方法,通過工程試驗對模型進行驗證。

1 熨平板結構與工作原理

攤鋪機工作裝置的核心是熨平板,位于攤鋪機后端,其功能是對混合料進行攤鋪、抹平和初步振實。振動熨平板主要由振搗機構、振動器和箱體等組成,如圖1所示。

1-箱體;2-偏心軸;3-振動機構;4-熨平板;5-振搗器。

振搗機構位于攤鋪機熨平板前端,由振搗器和偏心軸等構成。液壓馬達通過傳動裝置驅動偏心軸轉動,帶動振搗梁做上下往復運動,對混合料產生搗固密實作用。振搗機構基于沖擊振搗原理,對混合料進行密實。沖擊振搗原理是通過低頻高幅沖擊作用對材料進行強制壓縮,當沖擊力產生的強度足夠大時,鋪層材料中產生的剪切力大于混合料之間的抗剪強度,能使材料顆粒相互交錯重新排列,從而形成致密結構。

熨平板振動機構是一種平板型振動裝置,位于攤鋪機熨平板底部,通過液壓馬達驅動偏心軸轉動,偏心軸轉動產生離心力,離心力通過軸承座傳遞給箱體,使熨平板做上下往復運動,實現對混合料的熨平與振動密實。振動壓實是在外載荷的重復作用下,激起被壓實瀝青混合料顆粒的振動,混合料產生的振動加速度減小了顆粒間的黏結和摩擦作用,在高頻振動的作用下,被壓瀝青混合料重新進行排列,互相靠近,混合料內的空氣被排除,密實度增加。

2 熨平板振動模型建立

2.1 夯錘振搗分析

振搗器安裝在偏心軸上,偏心軸帶動夯錘上下運動,對混合料進行搗實,因此可將夯錘簡化為豎直方向的無約束平行運動,振搗器下部的混合料簡化具有黏性阻尼的彈簧-質量模型,振搗器對混合料的搗實過程,如圖2所示[12-14]。

圖2 振搗機構

圖2中:o為偏心軸旋轉中心;β為振搗器與混合料接觸時振搗軸的旋轉角;xs(t)為熨平板位移;x(t)為振搗器下部混合料位移;kd、cd為振搗器下部混合料的剛度系數與阻尼系數。

振搗機構對混合料進行振搗壓實,在單次振搗過程中,振搗沖程較大,振搗器與混合料周期性的接觸分離;當振搗軸旋轉角為β時,振搗器與混合料接觸,振搗器對混合料進行沖擊搗實;由于振搗器的行程一定,與混合料接觸的時間較短,混合料被快速壓縮,因此可將振搗過程中混合料的壓縮量簡化為方波,如圖3所示。

圖3 周期性矩形波

振搗過程中混合料的壓縮量如下

(1)

采用傅里葉級數對混合料的壓縮量進行展開,得到

(2)

式中,ωd為振搗器的偏心軸角速度,rad/s。

由于振搗器對混合料的壓縮量為熨平板位移xs與振搗器位移xd之和,由式(2)可得振搗器位移、速度、加速度

(3)

對振搗機構進行受力分析,考慮振搗機構慣性力對熨平板的作用,得到振搗機構的動力學方程

(4)

式中:md為振搗器質量,kg;Fd為振搗器對偏心軸的力,N。

將式(3)代入式(4),可得振搗器對偏心軸的力

(5)

(6)

2.2 熨平板振動機構分析

熨平板振動機構由偏心軸、振動器與箱體構成,根據熨平板振動機構工作原理,對熨平板振動機構簡化,并進行受力分析,如圖4所示。

由于熨平板質量較大,水平方向受牽引大臂的約束,忽略熨平板的前后擺動,僅考慮熨平板在豎直方向的運動,得到熨平板振動機構的動力學微分方程

(7)

將式(5)、式(6)代入式(7),化簡后得

(8)

式中:m為熨平板系統質量,m=ms+2me-md,kg;c為熨平板系統阻尼,c=cs-cd,N·s/m;k=ks-kd,N/m。

根據線性系統疊加原理,由式(8)可求得熨平板穩態的位移、加速度

(9)

(10)

由式(9)和式(10)可知,熨平板的振動特性與熨平板質量、振搗器結構參數、鋪層材料剛度與阻尼、熨平板振動頻率及振搗器頻率等因素有關;熨平板的位移、速度、加速度由熨平板振動頻率、振搗頻率與振搗頻率倍頻等多個頻率分量構成;振搗器頻率分量的幅值與振搗頻率、鋪層材料特性有關;隨著振搗頻率降低,熨平板振動頻率的增加,振搗器主頻與熨平板振動主頻幅值比減小,振搗器對熨平板振動的影響減小。

3 熨平板振幅與攤鋪密實度關系模型

攤鋪機攤鋪瀝青混合料時,通過夯錘的低頻振搗,松散混合料初步形成骨架結構;熨平板振動機構采用高頻振動的方式,對混合料進一步壓實。根據混合料在攤鋪過程中呈現的狀態,可將攤鋪壓實過程分為塑性階段和彈塑性階段:在塑性階段,混合料較為松散,此時宜采用低頻高幅的振搗方式,對混合料產生強制壓縮作用,減小混合料空隙率,使混合料的粗骨料相互接觸,形成基本骨架;在彈塑性階段,混合料具有一定的彈性模量和剪切模量,熨平板的振動能量可傳遞到混合料內部,在熨平板高頻振動作用下,混合料內部的粗集料和細集料隨著熨平板振動產生高頻顫振,集料顆粒重新排列,粗集料間的空隙被細集料和瀝青膠漿填滿,混合料被逐步密實,材料塑性降低,彈性增大[15-19]。

方波傅里葉變換的前三項占據了方波總能量的80%,因此將n取為2,由式(9)可得熨平板各個頻率分量的幅值

(11)

(12)

(13)

式中:As為熨平板振動頻率分量的幅值,m;Ad1為熨平板位移中振搗頻率分量的幅值,m;Ad2為熨平板位移中二倍振搗頻率分量的幅值,m。

由式(9)、式(11)～式(13)可知,熨平板位移包含多個頻率分量,與各因素關系復雜,可通過數值計算方法求取。將熨平板幅值A與振動頻率、阻尼比、固有頻率的變化規律如下

A=f(ωs,ζ,ωm)

(14)

共振壓實理論認為,當壓實設備與被壓材料共振時,被壓材料的振幅最大,壓實效果最好,被壓材料的密實度較高。基于共振壓實理論,結合式(9)、式(14),可建立熨平板振幅與鋪層材料密實度P之間的關系

P=P0+P1A

(15)

式中:P0為常數項;P1為熨平板振幅對鋪層材料密實度的影響系數。

4 熨平板仿真分析

以中大DT1600型瀝青攤鋪機為研究對象,將振搗頻率設為定值,對熨平板進行振動仿真,分析熨平板的振動特性,研究熨平板壓實特性與振動頻率、鋪層材料剛度和阻尼之間的關系。

4.1 熨平板振動仿真

熨平板仿真參數通過參考文獻和現場試驗確定,如表1所示。

表1 仿真參數

對熨平板振動模型進行仿真,可得熨平板的位移、加速度,并對熨平板加速度進行傅里葉變換,仿真結果如圖5所示。

(a) 熨平板位移

由圖5(a)可知,熨平板位移仿真結果可知,熨平板實際振幅較小,約為1.82×10-4m。該型攤鋪機的振搗器行程為0.006 m,熨平板振幅占振搗器行程的3.03%,熨平板振動對振搗器運動的影響較小,因此可以通過解耦的方式,對振搗器與熨平板振動機構進行分析,建立熨平板振動模型。由圖5(c)可知,熨平板加速度傅里葉變換結果可知,熨平板振動頻譜包含了熨平板振動頻率、振搗主頻及其倍頻分量。

當振搗頻率一定,熨平板振動頻率增加時,得到熨平板加速度傅里葉變換結果,如圖6所示。

圖6 振動頻率35 Hz,熨平板加速度傅里葉變換

由圖5(c)與圖6可知,當振搗頻率一定時,隨著熨平板振動頻率增加,振搗頻率主頻及其倍頻的幅值與熨平板主頻幅值比減小,振搗器對熨平板振動的影響降低。

4.2 熨平板壓實特性仿真研究

熨平板壓實特性與壓實系統的固有頻率及阻尼有關:混合料的瀝青用量越多,鋪層材料的阻尼越大,壓實系統的阻尼比越高;粗集料占比越大,壓實系統的固有頻率越低;因此需對鋪層材料特性對熨平板振動情況進行仿真研究。

對于固有頻率為32 Hz的壓實系統,阻尼比變化時,對熨平板的振動特性進行仿真,由式(14)可得到熨平板振幅與振動頻率之間的關系,如圖7所示。

圖7 固有頻率一定,熨平板振幅與振動頻率關系

由圖7可知,壓實系統的阻尼比較小時,熨平板振幅隨振動頻率的增加而增大,在最佳壓實頻率附近達到最大值,熨平板的振動頻率繼續增加,熨平板振幅有一定的減小,熨平板振幅會出現明顯的峰值,熨平板對鋪層材料有一段高效壓實區域;隨著阻尼比的增加,熨平板振幅隨振動頻率增加而增大,沒有明顯的高效壓實區域,當振動頻率大于35 Hz,熨平板振幅趨于穩定,熨平板壓實效果最佳。

壓實系統的阻尼比為0.49,固有頻率變化時,熨平板振幅與振動頻率之間的關系如圖8所示。

圖8 阻尼比一定,熨平板振幅與振動頻率關系

由圖8可知,壓實系統阻尼比一定,粗集料比例減小,固有頻率增大,對應的最佳壓實頻率增加;當鋪層材料粗集料含量較少,系統固有頻率較高時,采用較高的振動頻率可提升鋪層材料壓實效果;當系統固有頻率為32 Hz時,熨平板振幅的最大位置在42 Hz處,熨平板振幅最大處對應的頻率大于系統固有頻率,攤鋪施工時,熨平板的壓實頻率應大于系統固有頻率,以實現鋪層材料的高效壓實。

由圖7、圖8可知,當熨平板振動頻率由10 Hz增加到35 Hz時,熨平板振幅隨之增大,通過調整熨平板的振動頻率,可以改變熨平板振幅,實現鋪層材料密實度的控制。

熨平板質量較重,在振動過程中始終與混合料接觸,因此將熨平板對混合料的壓實作用簡化為彈簧單自由度的黏彈性的熨平板子系統;在混合料的搗實過程中,振搗器行程較大,與混合料周期性的接觸與分離,導致系統產生了非線性;為了簡化振搗器受到的混合料周期性沖擊力作用,通過對熨平板振動分析,熨平板的振幅較小,為1×10-4m量級,振搗器的行程為 6×10-3m,熨平板振幅比夯錘行程低了一個量級,因此忽略了熨平板位移對振搗器與混合料接觸的影響,將混合料的壓縮量簡化為方波形式,計算出振搗器對熨平板的作用力Fd,最終建立了熨平板振動模型,見式(8);模型中的誤差為熨平板振動對振搗器與混合料接觸的影響,為了分析該影響,熨平板最大振幅約為4×10-4m,因此將混合料的壓縮量E由2×10-3m增加至2.4×10-3m(見圖7),得出熨平板振幅與振動頻率的關系曲線,如圖9所示。

圖9 混合料壓縮量與熨平板振幅關系

圖10 瀝青混合料級配曲線

由圖9可知,混合料壓縮量的增大對熨平板振幅與熨平板振動頻率變化趨勢影響較小;熨平板振動頻率較低時,熨平板振幅較小,此時可參考E取2.15×10-3m的曲線,以E=2.00×10-3m的熨平板振幅為基準,估算振幅誤差,熨平板振動頻率取為10 Hz,熨平板振幅絕對誤差為6.10×10-6m,相對誤差為5.09%;熨平板振動頻率較高時,熨平板振幅較大,此時參考E為2.40×10-3m的曲線,熨平板振動頻率取為50 Hz,熨平板振幅絕對誤差為1.65×10-5m,相對誤差為4.43%;以上研究表明,振搗器搗實混合料對熨平板的振動影響較小,因此可對振搗器和熨平板解耦,分別對振搗器和熨平板進行分析。

5 試驗研究

攤鋪機熨平裝置的振動狀態與鋪層材料和熨平板工作參數有關,是熨平板裝置與鋪層材料組成系統的特性,因此熨平板裝置的振動特性需通過現場試驗確定。以中大DT1600型瀝青攤鋪機為試驗對象,振搗器的工作頻率范圍為0～20 Hz,熨平板振動機構的工作頻率范圍為0～50 Hz。試驗材料為AC25,瀝青選用90#A級道路瀝青,含量為4.3%,瀝青混合料的級配如圖9所示。

攤鋪速度設定為2.5 m/min,振搗器的工作頻率為8.7 Hz,熨平板的振動頻率在10～45 Hz范圍內進行調整。

5.1 熨平板振動特性試驗研究

在攤鋪施工過程中,熨平板振動頻率設定為18 Hz,采用壓電加速度傳感器檢測熨平板振動加速度,通過采集卡采集熨平板加速度信號,對采集的信號濾波處理,進行傅里葉變換,得到熨平板加速度信號的頻譜圖。攤鋪試驗現場如圖11所示。

圖11 試驗現場

加速度傳感器采用磁吸底座,吸附在攤鋪機熨平板后沿,安裝位置如圖12所示。

對采集的加速度信號進行濾波處理,熨平板的試驗加速度與仿真加速度的對比如圖13所示。

圖13 熨平板振動加速度仿真結果與現場試驗對比

對熨平板加速度進行傅里葉變換,仿真加速度與試驗加速度傅里葉變換結果如圖14所示。

(a) 仿真結果

由圖13可知,熨平板試驗加速度與仿真加速度的變化情況基本一致。由圖14可知,現場試驗中熨平板加速度信號的傅里葉變換結果包含振搗主頻、振搗頻率兩倍頻多個頻率;由式(10)與熨平板加速度仿真結果可知,熨平板系統包含多個頻率;試驗得到的加速度頻譜圖與仿真結果較為一致,表明模型具有實用性,模型參數取值有效。

5.2 熨平板壓實特性試驗研究

熨平裝置的壓實效果與熨平板工作參數和鋪層材料有關,是熨平板與鋪層材料相互作用的結果,需通過現場試驗進行研究。試驗過程中,攤鋪速度設定為2.5 m/min,熨平板的振動頻率在10～45 Hz范圍內進行調整。使用已標定的PQI301型無核密度儀對同一位置鋪層材料進行4次測量,取平均值,得到鋪層材料密實度。采用最小二乘法對試驗數據與仿真數據進行擬合,求取模型參數,得到式(15)中P0=79.92,P1=2.09×104。鋪層材料密實度、熨平板振幅與熨平板振動頻率之間的關系如圖15所示。

圖15 材料密實度、熨平板振幅與振動頻率的關系

由圖15可知,隨著熨平板振動頻率的增加,熨平板振幅增大,鋪層材料的密實度變大;當熨平板振動頻率超過最佳壓實頻率時,熨平板振幅有一定程度的降低,鋪層材料密實度隨之減小;熨平板振動頻率在10～35 Hz范圍時,對熨平板振動頻率與鋪層材料密實度進行線性擬合分析,擬合優度為0.99,熨平板振動頻率每增加5 Hz,鋪層材料密實度提升1.09%;試驗結果與仿真結果相符,通過調整熨平板的振動頻率,可實現鋪層材料密實度的控制。

6 結 論

對振搗器與熨平板振動機構進行解耦,建立了熨平板振動模型,研究了熨平板的振動特性;基于共振理論,得出了鋪層材料密實度與熨平板振幅、振動頻率之間的關系,提出了鋪層材料密實度控制方法;通過現場試驗,對熨平板振動模型和鋪層材料密實度控制方法進行了驗證,得出以下結論:

(1) 根據熨平板與振搗器之間的相互作用關系,建立熨平裝置的振動模型,分析結果包含熨平板振動頻率和多個振搗頻率分量,模型仿真結果與現場試驗一致。

(2) 熨平裝置-鋪層材料系統的壓實特性與混合料阻尼比、固有頻率、熨平板振動頻率有關;混合料阻尼比較小時,熨平裝置對混合料有明顯的高效壓實區,將熨平裝置振動頻率設置在高效壓實區,可提升熨平裝置的壓實效率;混合料阻尼較大,熨平板振動頻率位于高頻區段時,熨平板振幅較大,鋪層材料密實度較高。

(3) 當鋪層材料為AC25,熨平板振動頻率在10～35 Hz的非高效壓實區時,熨平板振幅隨著振動頻率的增加而增大;通過調整熨平板振動頻率,改變熨平板振幅,可實現攤鋪密實度控制。

(4) 熨平裝置-鋪層材料系統的固有頻率、阻尼比與混合料類型有關,對熨平板的振動特性有一定的影響,因此需針對不同材料,得出具體鋪層密實度與熨平板頻率的變化規律。