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基于正交试验的摊铺机振捣压实性能影响因素分析

2018-05-24贾洁刘洪海辛强万一品

铁道科学与工程学报 2018年5期
关键词:冲程铺层摊铺机

贾洁,刘洪海,辛强,万一品

沥青混合料施工中,压实对路面成型结构的使用寿命和路用性能起到决定性的作用[1]。为了提高铺层的初始密实度,摊铺机熨平板上装有频率可调的振捣机构,对铺层产生密实作用[2]。由于存在设备结构参数、振动参数和运动参数之间不相匹配的现象,摊铺层的初始密实度较低,需要进行后续的碾压施工作业。此外铺层材料对温度极为敏感,摊铺后续的碾压工作若不能在规定的时间内进行,就要增加压实遍数来达到规定密实度[3]。若铺层温度降低到碾压终了温度以下压实仍未完成,就需要提高铺层材料的出料温度来保证密实度,这会造成混合料老化,降低施工效率。因此,需要研究摊铺机振捣机构对铺层材料的压实特性,选择合理参数,提高材料初始密实度。振捣机构的振动参数和施工中的作业参数大多可以调节,在摊铺压实过程中,振捣机构的振动特性和作业参数的选择对于提高摊铺层的初始密实度起关键性的作用[4]。刘刚等[5]通过建立由压实机构和压实介质组成的动力学模型,分析动力学参数变化对压实系统动态特性的影响。罗文军等[6]通过将振捣过程简化成简谐振动进行计算,得到振捣机构参数的调节可以获得最佳摊铺效果的结论。许庆等[7]采用复数矢量法计算振捣机构的运动参数,为振捣机构的设计提供了理论依据,但计算繁琐。研究资料和工程实践表明,振捣机构振动参数影响最终成型的路面质量,同时摊铺层密实度愈高,路面质量愈好[8-9]。以往的研究多是利用物理和数值模拟对其力学性质进行研究,通过现场检测压实质量与路用性能,而对振捣压实特性的数值计算研究较少。通过正交试验研究振捣机构的振捣频率、振捣冲程和作业速度3个因素在不同水平下对铺层材料密实度的影响规律。通过极差分析和方差分析确定3种因素对材料摊铺密实度的影响显著水平对各因素进行了显著性检验,根据各因素对材料摊铺密实度的影响显著水平,合理调整振捣频率和作业速度,可以有效提高路面施工效率与铺层材料的密实度,保证最终成型的路面耐久性与平整度。获得的不同振捣参数3因素与密实度之间的关系,为摊铺作业过程的参数选择、压实质量控制以及振捣密实度的定量预测提供理论依据和方法参考。

1 振捣压实特性

振捣压实过程中,振捣机构的振捣冲程较高,压实影响深度大,在摊铺作业过程中产生周期性作用力对铺层产生强制压缩作用,对成型路面的平整度和密实度有重要影响。摊铺机振捣机构的作业过程见图1所示。

图1 摊铺振捣作业过程图Fig. 1 Operation process of tamper

图1 中:x1为铺层捣实沉降量;h为振捣冲程,A为夯锤进料高度;Δl为2次振捣间隔摊铺机前进的距离;H为铺层厚度。由图1可知,由于摊铺机振捣梁的宽度小,铺层材料单位长度的振捣次数对摊铺机行驶速度的变化较敏感,当行驶速度降低时,铺层材料单位长度的振捣次数增多,反之,振捣次数减少。为了克服材料颗粒间的黏聚力和内摩擦阻力,获得最佳振捣密实状态,同时防止压碎集料和避免过大的振捣频率干扰熨平板上的自动调平系统,造成结构件损坏严重,需要调节振捣频率和冲程在合理的范围内。材料的振捣过程主要依赖于振捣频率,振捣冲程及摊铺机行驶速度,并且这3个参数在作业过程中是可以改变的,其参数的选择将直接影响铺层质量和压实效率。因此,本文选取振捣频率、振捣冲程以及作业速度3项参数作为试验因素进行分析。

2 正交试验设计

2.1 试验因素水平

试验目的是分析在不同振捣参数(振捣频率、冲程及作业速度)下摊铺密实度的变化情况,从而找出一组振捣密实度较高的参数组合作为摊铺机振捣压实的工艺参数。同时为避免摊铺设备作业效率下降,需要对作业参数进行限制。设置振捣频率比为因素A,作业速度为因素B,振捣冲程为因素C,综合考虑国内外已有设备的设计参数及本次试验选用的摊铺设备,遵循选用正交表的原则[10],通过分析振捣工作过程,得到如表1所示的因素水平表。

表1 试验因素与水平Table 1 Factors and levels

2.2 试验设备和材料

试验选用某型履带式摊铺机,发动机总功率182 kW,振捣频率可以在0~25 Hz范围内连续调节,振动频率可以在0~60 Hz范围内连续调节,可以单独调节振捣频率和振动频率,最大摊铺宽度13 m,最大摊铺速度20 m/min。振捣机构如图2中圆标识所示,位于熨平板的前部,悬挂在偏心轴上,液压马达通过传动装置驱动偏心轴转动,使其做往复运动,对混合料进行初捣实。

图2 摊铺机振捣机构Fig. 2 Tamper structure diagram

当振捣冲击力产生的强度足够大,能够使铺层材料中产生的剪切应力达到材料粒子间的抗剪强度,大小颗粒相互交错重新排列,从而形成致密结构。振捣压实性能试验材料选用典型的AC-20混合料。粗集料采用安山岩,细集料采用石灰岩机制砂,沥青采用90#A级道路石油沥青,沥青含量为4.5%,混合料级配见表2所示。

表2 混合料级配数据Table 2 Gradation data of mixture

2.3 正交表设计

对于表1中的3因素3水平试验,如果考虑每个因素的不同水平对振捣压实性能的影响,需要27组试验,人力、物力和时间消耗较大。采用正交试验设计来研究不同因素对试验指标的影响规律及影响程度,可以达到高效、快速、经济的试验设计目的。因此试验选取正交表L9(34),共需9组试验。试验时,振动机构频率设置为固定值,振捣机构频率和摊铺机行驶速度根据最终设计的正交表设置不同值进行摊铺作业,摊铺完成后用 PQI301型无核密度仪检测沥青混合料铺层的密度,在同一位置取3点进行测量,取平均值。为了保证无核密度仪测出的密度与压实沥青混合料的密度一致,在测试不同沥青混合料之前需对无核密度仪进行标定,以得到相应的标定值。在检测过程中,为了保证检测结果的代表性,应避开摊铺层横向中间位置和边缘位置,检测过程如图3所示[11]。

无核密度仪采用电磁法测量沥青路面的均匀性和相对密度,现场测量过程中无需进行温度校核,测量速度快,其工作原理如图4所示。

图3 密度检测过程Fig. 3 Measuring process of pavement density

根据沥青路面材料的密度与介电常数之间存在一定的比例关系,通过感应板产生探测磁场来测试压实沥青混合料的介电常数,然后利用电子部件将场信号转换成密度,在无核密度仪的设置菜单中输入所测试路面材料的标准密度(即最大理论密度或室内马歇尔密度),即可在无核密度仪显示屏上直接获得相应的压实度读数,同时,无核密度仪通过调整电磁波强度来改变穿透深度,从而合理地进行不同级配类型沥青混合料压实度的检测。测量的压实度具有很高的精准度和代表性,因此,选择摊铺结束后的铺层密实度作为振捣机构对铺层混合料压实性能的评价指标。根据正交表进行现场试验,得到结果如表3所示。

图4 无核密度仪工作原理示意图Fig. 4 Operational principle of nuclear density

表3 振捣压实正交试验方案和结果Table 3 Orthogonal experimental details and results

3 试验结果分析

3.1 极差分析

采用正交试验的极差分析法对试验结果进行分析,确定各因素对材料振捣压实特性影响的主次顺序。极差分析法通过对每一因素的平均极差R来分析问题,对各因素的影响程度进行直观判断,极差越大,表明在试验范围内该因素的改变导致试验结果的变化越大,因此极差最大的因素是影响试验指标的主要因素[12]。各因素极差 R由式(1)计算得到。

式中:i为水平数,(i=1, 2, 3);j为因素数,(j=1, 2,3);Kij为j在i水平下的各试验结果之和。

各因素的极差分析结果如表4所示。

表4 极差分析Table 4 Table of range analysis

表4中,Ki为各因素同一水平试验指标之和,K为9个试验结果指标的均值,Ki为各因素同一水平试验指标的平均值。为了更直观地进行对比分析,根据表4中的分析结果,绘制各因素水平对压实度的影响趋势,如图5所示。

图5 各因素与密实度的关系图Fig. 5 Relationship between the density and factors

由正交试验的极差分析表可以看出,在本次试验中,影响振捣机构压实特性的主次顺序为A-B-C,即:振捣频率-作业速度-振捣冲程。由各因素与振捣压实系数的关系图可以看出,在一定条件下,振捣频率越高密实度越大,作业速度越慢密实度越大。在路面施工过程中,通过调节振捣机构的频率、振幅及作业速度,以获得较高的铺层压实度。与此同时,为了保证施工效率,在保证较高压实度的前提下应尽量提高作业速度,并保持匀速行驶。

3.2 方差分析

为了确定各因素不同水平变化和试验误差对试验指标的影响是否显著及显著性的大小,同时弥补极差分析法存在的问题,采用正交试验的方差分析法对试验数据进行进一步分析。利用F分布表对各因素的显著水平进行数量评估[13],常用的显著水平 α为 0.01,0.05,0.10。各因素的偏差平方和 Sj与总偏差平方和S分别如式(2)和式(3)所示。

式中:t为每个试验因素的水平数;s为试验因素个数;n为因素j在i水平下的试验次数。

总偏差平方和减去各因素偏差和得到随机误差平方和,记为Se;各因素的自由度分别为fj,将总自由度减去各因素自由度数得到误差自由度,记为fe。各因素的均方偏差Sj随机误差的均方偏差Se分别见式(4)和式(5)所示。

式中:fj为因素j的自由度,fj=t-1。

根据正交试验结果,利用统计分析软件对数据进行处理,各因素的方差分析结果见表5所示。

表5 方差分析结果Table 5 Results of variance analysis

各因素对应的统计量Fj可由式(6)表示。

根据因素和误差自由度数查F分布表,可知F分布的临界值为:F0.25(2,2)=3,F0.10(2,2)=9,F0.05(2,2)=19。比较表4中各因素F值与临界值可知,F0.05(2,2)>FA>F0.10(2,2);F0.10(2,2)>FB>F0.25(2,2);F0.25(2,2)>FC。

由表5中F大小容易得出:各因素的影响程度排序为:振捣频率>作业速度>振捣冲程。同时显著分析结果说明,振捣冲程各因素不同水平对应的试验结果的差异主要是由因素水平不同引起,试验误差引起的差异可以忽略不计。

对于摊铺过程中的铺层密实度而言,振捣频率对其具有显著影响,作业速度对其影响较显著。这说明在振捣压实过程中,振捣频率和作业速度对铺层密实度的贡献较大。这是由于振捣冲程的调节是根据铺层厚度的变化来决定的,高的振捣冲程具有较好的压实影响深度,适合摊铺厚层路面。而对于薄层摊铺,若冲程过高,容易压碎集料,降低摊铺质量。因此对于摊铺一定厚度的路面,在选取适当的振捣冲程后,可以通过调节振捣频率和作业速度来提高铺层密实度。

4 振捣频率与作业速度的优化选择

基于正交试验的结果分析可知,作业速度与振捣频率是振捣密实度的主要影响指标,同时结合表3中的试验号4,7和8可知,在本次试验中,较高的振捣频率和较低的作业速度下,振捣密实度相对于其他试验组合是比较高。第7组试验结果密实度最高,此时的振捣频率具有最高水平,作业速度因素水平最低。由于振捣密实度与频率和速度的组合有一定的关系,而施工效率又会受到作业速度的影响,如何在保证密实度的同时提高施工效率需要进一步的分析说明。为此,针对频率与速度进行试验分析,结果如图6所示。

图6 速度-密实度比关系拟合曲线Fig. 6 Driving speed-compactness fitted curve

由图6可知,在速度的初始阶段和速度较高的位置铺层密实度的变化比较平缓,速度的变化对密实度的影响较小。当作业速度大于6 m/min时,铺层密实度的变化随着速度增大的快速增加,密实度对速度的变化比较敏感。在摊铺作业时,由于环境等因素的影响,摊铺速度很难保持恒定,为了保证铺层密实度均匀,应尽量避免摊铺机振动机构在这个频率范围内工作,若作业速度能够实现恒速控制,可根据实际工程需要将速度匹配在这个范围内。为了保证铺层密实度的均匀性同时获得较高的振捣压实质量,这里先讨论作业速度小于6 m/min的情况。

在不同的振捣频率下,摊铺速度小于一定值时,铺层密实度都会出现一个峰值转折点,当小于该点时,继续降低速度对密实度的贡献很小。振捣频率不同,该峰值点的位置不同,称这个速度为速度临界值。当摊铺机在速度临界值工作时,称铺层颗粒受到振捣机构的连续激振次数为最佳振捣次数[14]。此时,密实度较高且变化稳定,同时作业效率高,没有产生能量浪费。可根据实际工程需要,在速度临界值附近合理选择振捣频率和作业速度。根据振动压实理论[15],振动压实效率与压实效果主要取决于2个条件:一是压实机构的振动频率与材料固有频率的关系;二是足够的有效振动次数。在设计振捣机构时,为避免过大的振捣频率损坏结构件,干扰熨平板上的自动调平系统,同时由于现有技术的不足,研发高频振捣设备受到限制,因此,振捣频率一般不高,很难达到材料的共振频率。为使铺层材料具有足够的有效振捣次数,克服材料颗粒间的粘聚力和内摩擦阻力,作用于铺层材料的连续振捣次数应不小于最佳振捣次数,如式(7)所示。

式中:n为有效振动次数,;N为最佳振捣次数,。其中:fD为振捣频率,d为夯锤宽度;v为摊铺机行驶速度;V为速度临界值。

同时,当摊铺作业速度确定时,振捣频率应满足

结合图6中不同振捣频率下的速度门槛值,得到不同振捣频率下的作业速度范围,如表6所示。

表6 振捣频率与摊铺速度Table 6 Vibration frequency-driving speed relation

当摊铺作业速度小于速度门槛值,摊铺机作用于材料的捣实次数达到了最佳振捣次数N,可以获得较高的振捣压实效果。当摊铺作业速度大于门槛值时,基于式(8)中振捣参数之间关系,对图6中振捣频率10 Hz时的铺层压实度变化曲线进行拟合,得到铺层振捣压实度与摊铺作业速度间的数学关系,如式(9)所示。

式中:P0为没有振捣作用下的初始密实度;μ为压实影响系数,由振捣机构的压实能力和材料压实度决定;α为有效压实系数,由设备质量,铺层厚度和材料级配等决定,均可通过试验获得。

由以上分析可知,通过最佳振捣次数可以确定每一振捣频率下的速度门槛值。当作业速度大于门槛速度时,随摊铺速度的增加相应的压实度成指数曲线变化。当作业速度小于门槛值时,压实度变化比较稳定,压实效果好,建议将作业速度匹配在小于速度门槛值的范围内。对于本次试验用的摊铺机,振捣梁宽度d为0.04 mm,根据图5、式(7)和式(9)确定最佳振捣次数N为12。在摊铺作业过程中,可根据振捣频率与作业速度的数学关系,通过调节振捣频率与作业速度来获得较高的铺层压实度。

5 结论

1) 各因素不同水平对应的试验结果之间的差异主要是由因素水平不同引起,同时影响振捣密实度的主次顺序为:振捣频率、作业速度、振捣冲程。振捣频率对振捣密实度有显著的影响,作业速度对其影响次之。在试验参数范围内,铺层密实度与振捣频率和冲程成正比,并与作业速度成反比。

2) 通过最佳振捣次数可以确定每一振捣频率下的速度门槛值。当作业速度大于门槛速度时,随摊铺速度的增加相应的压实度成指数曲线变化。当作业速度小于门槛值时,压实度变化比较稳定,若确定了振捣梁结构,最佳振捣次数N由振捣频率和作业速度共同决定,工程施工中通过合理调整振捣频率和作业速度,在保证施工效率的同时提高铺层材料的密实度。

3) 材料的密实度随着作业速度的降低逐渐增大后趋于平缓,建议将作业速度匹配在小于门槛值的范围内,同时建立的铺层振捣密实度与摊铺作业速度间的数学关系可以为振捣密实度的定量预测与振捣机构的设计提供参考。

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