振动压路机参数对压实性能的影响分析

王 伟

（长安大学，陕西 西安710064）

振动压路机参数对压实性能的影响分析

王 伟

（长安大学，陕西 西安710064）

在分析传统压路机振动轮结构形式基础上，基于振动压实理论，面向模式可调的智能压实过程，构建“振动轮-土体”动力学模型，分析振动压路机设计参数和工作参数对振动轮加速度的动态影响，得到压路机参数对压实效果的影响规律（构建数学模型），进而探究新型智能化振动压路机的压实能量传递机理。

机械工程；压实性能分析；数学建模；智能压实；压实度

随着电子信息技术、物联网技术以及卫星通信技术的发展，智能化振动压路机已经成为了未来振动压路机的发展方向。智能化压路机实际上就是一个以材料、机器、信息、人工决策为一体的一个系统。压路机通过对材料的碾压，输出压实度、土壤特性等信息，然后再通过这些信息来对压路机的工作过程进行监控，实现压实效果的最优化。但是我们要想实现智能化压路机这一系列的功能，我们首先要做的就是要分析压路机的设计参数和工作参数，并研究这些参数对压实性能的影响，建立相关的数学模型。

1 压路机的设计参数

1.1 压路机的工作重量

压路机的工作重量就是包括压路机的车架、振动轮、油箱、修理设备等在内的总体重量。压路机的工作重量对地面会产生静载荷，因此静载荷的大小是取决于工作重量的大小。静荷载的计算公式如下：

式中：G为压路机的工作重量；B为振动轮的宽度cm.

1.2 振动轮的宽度及直径

振动轮的宽度和直径也是影响压实度的重要因素。合适的宽度，会防止压路机在压实松散路面时的下沉，可提高压实过程中的行驶稳定性。合适的直径，既能产生较大的激振力，也能保证高质量的压实度。

2 压路机的工作参数

压路机的工作参数是影响压实度的主要因素，主要包括振动频率、振动幅度、行驶速度。2.1振动频率

振动频率指的是压路机在单位时间内对地面冲压的次数。由于土料自身也具有一定的频率，当压路机的激励器产生具有一定频率的载荷时，会带动土粒振动，从而缩小了土粒之间的空隙，达到压实的目的。如图1中所示，在振动幅度一定的情况下，振动频率越大，压实度的增长趋势是先增加后减小，由于土体本身存在固有频率，当激振器的频率与土体本身的固有频率相近时，此时的压实效果是最好的。如果振动频率过小，压实效果不明显；而当振动频率过大时，不但会破坏土体结构，还会使得振动强度过大，振动轮会跳离地面，造成压实的不均匀，也可能会造成过度压实。

图1 振动频率与压实度的关系

2.2 振动幅度

振动幅度（A0）是指压路机振动时离开平衡位置的最大值，是影响压实度的重要因素。振幅的表达式为：

其中：me为激振器的偏心距，M是振动轮的质量。

振动幅度越小，带动的被压材料就越少，压实效果差；振动幅度越大，对地面产生的作用力也就越大，压实效果越好。但是振动幅度并不是越大越好，过大的振幅也会导致压实过度，集料嵌挤遭到破坏。因此，合理选择振动幅度，保证压实度的合理性。

2.3 行走速度

这里行走速度指的是压路机在碾压过程中的速度，合适的碾压速度对压实也有很大的影响。对于沥青混合料，由于其具有粘弹性或粘塑性，而且这种材料在高温的时候更加明显所以为了防止沥青混合料的温度下降过快，在施工过程中更需要保证合理的行走速度。但是行走速度并不是越快越好，过快的行走速度会对被压材料产生推移力，不利于压实进程的进行。

3 构建动力学模型

3.1 振动轮—土体模型建立的理论依据

研究振动压路机振动轮土体系统动力学模型，必然先要涉及到的是土体本构模型，根据物理学原理，如果被压实土体的固有频率和激振结构的振动频率相一致，则振动压实效果是最佳。由于土是自然界历史产物，是由固体颗粒、水和气体组成的多相组合体，其复杂性和不均匀性，造就了本身的应力应变关系比一般的金属材料要复杂的多。

3.2 振动轮—土体模型的建立过程

首先，根据地质力学的相关知识，我们把振动轮朝向地面的方向视为正向，记为+z（见图2）.在构建动力学模型之前，我们首先要注意的是由于车架和振动轮的刚性远大于连接机架与振动轮之间的橡胶减震器的刚性，所以我们把振动压路机看成是一个集中质量块，而且只有一个竖直自由度，zd；既然压路机是一个集中质量块，那么zd代表的是在振动轮与土壤表面接触时的竖向偏差；我们会将机架的质量考虑进去，但是钢架对轮的作用力对我们来说是不重要的，可以忽略。为了得到地面刚度，我们需要实时测得压路机的位置以及振动轮的竖直位移，zd.

图2 振动轮的受力情况

由图2建立的动力学模型，可得出以下公式：

其中：md代表振动轮的质量，mf代表车架的质量，Zd代表振动轮的位移，Z¨d代表振动轮的加速度，m0e0代表偏心质量块的力矩，ω代表激振力的频率，g代表重力加速度。

在压实过程中，压路机与地面的动态接触力Fc越大，压实效果越好。m0e0cos（ωt）在公式（3）中，代表的是压路机的激振力F0，我们在这里引进RT作为压实的有效率，公式为：

由此公式可看出，在激振力F0一定时，RT越大，作用力Fc越大。而RT的值与振动频率ω和振幅有关。因此，选择合适的振频和振幅，以提升压实效果。

4 结语

通过分析，影响压实度的因素有很多，在具体的施工过程中应根据被压实材料的性质，对振动压路机的各个参数进行具体调整。通过建立“机架-振动轮-地面”的动力学模型，得出压路机与地面的动态接触力的表达式，进而分析影响压实效果的各因素，并得到这些因素对压实效果的影响规律，为下一步在智能压实中对压实度的实时监测奠定基础。

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[4]刘亚非，徐红玉.智能化振动压路机振动系统动力学模型研究[J].建筑机械，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 伟（1992－），男，山东莱芜人，硕士学位，研究方向：机械制造及其自动化。