振动压实连续检测系统加速度有效值拟合分析方法研究

2019-05-14简杰强梁乃兴

重庆交通大学学报(自然科学版) 2019年5期

朱飞,简杰强,梁乃兴

(1. 湖北省城建设计院股份有限公司，湖北武汉 430051； 2. 重庆交通大学交通运输学院,重庆 400041)

0 前言

随着我国公路行业的快速发展，沥青路面被广泛应用于各个领域。在道路工程中，压实度是衡量公路路基路面质量性能的一个重要指标[1]。有效的压实可以提高沥青混合料的强度、稳定性和疲劳特性，也直接影响到沥青路面的平整度和密实度。

传统的路基路面的压实度检验方法有许多种，比如灌砂法、击石法、静载实验法等[2]。但传统的检测方法存在一定的不足，比如费工、费时、费用昂贵，取样点少、代表性较差、不能够完全反应道路压实情况，无法在道路压实过程中及时地反应道路的压实情况，不可避免的产生欠压或者过压现象。因此，学者们正在积极探索一种有效的、精确地、实时连续的检测路面压实度的方法[3]。

笔者建立“振动轮-混合料”动力学模型，分析沥青路面混合料在振动碾压作用下的力学变化，利用Labview虚拟仪器编程振动压实连续检测系统，拟合分析实测加速度不同周期数据，得到合理连续的检测周期作为计算沥青路面压实度的主要参数。

1 振动压实原理

沥青混合料在振动压实初期，填料密度较小，分散疏松，混合料的弹性刚度较低、阻尼较大，此时振动轮响应较小[4]。随着振动压路机压实遍数的不断增加，填料密度也逐渐增大，混合料的弹性刚度也随之增大、阻尼变小，此时振动轮响应也随之增大。

根据牛顿第二定律，从力的平衡角度出发，分析沥青混合料压实原理，建立“振动轮-混合料”二自由度动力学模型，模型如图1。

图1 二自由度动力学模型

根据“振动轮-混合料”动力学模型计算分析，得到振动轮加速度幅值：

(1)

式中：k2为沥青混合料刚度；c2为沥青混合料阻尼。

由式(1)可得：当振动压路机按某一固定频率和振幅进行碾压时，可认为系统中只有k2、c2是变化的。故振动轮的垂直加速度与混合料的刚度与阻尼有关，混合料的压实程度不同，刚度和阻尼则不同。因此，采用振动加速度值作为计算沥青混合料压实度的主要参数是可行的[5-6]。

2 压实检测系统

振动压实连续检测系统主要采用ICP压电式加速度传感器作为振动轮加速度信号检测元件，采用机载DH5902动态数据采集仪对信号进行A/D转换和传输，最后通过Labview虚拟语言编程处理振动轮加速度数据信号[7-8]。在振动轮作业时，该系统可以实现混合料压实状态的实时监测。

振动压实度实时分析检测系统如图2。

图2 实时分析检测系统

ICP压电式加速度传感器具有体积小、抗外界干扰小、灵敏度高、性价比高、安装方便等优点，被广泛用于各种振动测试检验中[9]。本次压实度检测采用DH-186压电式加速度传感器，压电式传感器输出的信号为电信号，实际使用时需将电压信号转化为加速度数字信号。DH-186压电式加速度传感器的具体参数如表1。

表1 DH-186传感器参数

机载DH5902数据采集系统机箱内置PC/104嵌入式工控机，用以太网与笔记本电脑连接。每个信号测试单元，由4个通道组成，每通道均采用独立的A/D转换器和独立的DSP实时信号处理系统[10]。该系统实现了多通道同步并行采样，采样速率不受通道数的限制，通道间无串扰影响，同时大大提高了系统的抗干扰能力。

图3 DH5902动态数据采集系统

振动压实连续检测系统主要通过Labview虚拟仪器编程设计对压电式加速度传感器采集到的信号进行处理得到压实度的一种方式[9-10]。

图4 数据信号处理图框

3 加速度有效值

机载DH5902动态数据采集系统是将采集到的电压信号不断地传输到计算机进行分析处理。一般情况下，振动压路机振动频率50 Hz，即振动信号的单个振动周期为0.02 s。在0.02 s时间内，压路机走的距离很短，因此每个周期测定一个加速度有效值进行计算分析不合理，且比较复杂。

3.1 加速度拟合分析

依托安徽省泗许高速公路沥青路面工程建设项目，采用机载DH5902数据采集仪实测试验路段不同压实遍数的路面振动加速度数据，分析实测加速度数据的离散性。该建设项目压实机械采用双钢轮振动压路机戴纳派克622/125 KW。

图4 沥青混合料路面振动压实施工

在安徽省泗许高速公路施工建设项目沥青混合料路面现场碾压施工现场，选取施工路面K23+425～K23+653左幅路段振动压实采集的振动加速度信号，分别按照10～22个周期的数据点进行拟合。在同一振动压路机作业和同一段加速度数据下，通过大量的数据拟合分析，得到不同周期数据的均值、标准差以及变异系数，如表2。