压路机参数对压实性能影响的仿真研究

邓均成 陶柳 龚创先

摘要：本文从土体刚度、阻尼和频率、振幅两个不同方面探究土体压实度与振动轮加速度的内在联系，分析了压路机参数对振动轮加速度的影响来探讨压路机参数对土体压实度的影响。仿真得出了压路机参数对地面动作用力和土体吸收能量的影响曲线，为压路机的设计提供了一定的理论依据。

Abstract： This paper explores the internal relationship between soil compaction and vibrating wheel acceleration from two different aspects of soil stiffness， damping， frequency and amplitude， and analyzes the influence of roller parameters on the acceleration of vibrating wheel， so as to explore the influence of roller parameters on soil compaction. The simulation has obtained the influence curve of the roller parameters on the ground action force and the energy absorbed by the soil， which provides a certain theoretical basis for the design of the roller.

关键词：压路机;刚度;阻尼;振幅;仿真

Key words： roller;stiffness;damping;amplitude;the simulation

中图分类号：U415.521                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）30-0135-04

0  引言

压实被普遍应用于铁路修建、港口兴建、机场建设、道路施工、城市扩建及矿山开采等基础建设之中。压实能很好地提升土基填方与路面材料的强度和刚度，使被压实材料的不透水性和整体稳定性得到显著改善，以防止路面、路基在自身重力和行驶动作用力或者其他因素影响下产生变形，迫使土体的结构发生毁坏。道路施工反馈信息统计表明：对路面与路基进行压实作业，是使路面与土基达到应有稳定性和强度非常有效而且经济的技术措施[1-2]。

振动压路机的参数有很多，而与压实度密切相关的重要参数有：线载荷、激振振幅、激振频率和碾压速度等因素[3]。

本文用Dd表示土体压实度，它是静压实与振动压实的效果之和，Dd与压路机其他参数的函数关系可以表示为如公式（1）[4]：

（1）

式中：q—线载荷，单位N/cm;A—激振振幅，mm;ω—激振角频率，rad/s;v—碾压速度，m/s。

利用Matlab10.0计算机仿真软件，对“机架—振动轮—土体”动力学模型进行仿真，分析压路机参数对被压实材料压实度的影响规律。经过理论仿真，可以为压路机设计提供更加合理的参数参考。某型号12吨智能化振动压路机的基本参数如表1所示。

研究智能化振动压路机的自身参数、工作参数和土体参数对振动轮加速度的影响[5-6]，为压路机样机的设计以及根据不同土体和不同压实阶段下的土体参数自动调整压路机自身参数，使其以最佳压实状态进行压实有着重要的意义。

为了更好的研究振动压路机的压实性能，本文从振动轮加速度、对地面动作用力和土体吸收能量三个性能指标全面分析各参数对压实度的影响。表1给出了压路机参数与土体模拟参数，在仿真中通过改变其中一个参数，保持其他参数不变来分析压路机参数对振动轮加速度的影响。由于激振频率与工作振幅保持是一一对应的关系，故可分析名义振幅取代工作振幅。对于振动质量一定的压路机，名义振幅就等同于偏心机构的静偏心距，故本文把对工作振幅的分析转化成为对偏心机构静偏心距的研究。为了探索压路机机架与振动轮的质量大小对a1、Fs、Wt曲线的影响，在保证整机质量不变的情况下，分别使上下车质量比λ=m1/m2为0.8、1.0、1.2来研究其變化对曲线的影响。

由于本文主要是针对土体初始状况下模拟参数对振动轮加速度的影响进行探讨分析，而压路机在施工初始阶段主要是垂直方向上的振动压实为主，故对振动轮加速度的分析探讨时只考虑垂直方向上的即可，水平方向上的影响可以忽略。

1  振动加速度动态响应分析与仿真

利用Matlab进行理论仿真，得到振动加速度的动态响应曲线，如图1～图5。

对图1～图5展开分析有：

①随着压实的深入，土体压实度的增长，刚度值的增长使振动轮加速度幅值也随之变大;土体阻尼值的降低，振动轮加速度幅值几乎保持不变。振动轮加速度在零时刻的大小并非为零是因为激振力和振动轮位移存在相位角，土体刚度和阻尼的变化对相位角大小无影响，说明土体模拟参数不是引起激振系统与整机振动系统存在振动相位偏差的因素。

②土体刚度和阻尼的改变对整机振动系统的一阶共振频率f1无影响。土体刚度增大使二阶共振频率以外激振频率下的振动轮加速度增大，但增幅不明显，并且使二阶共振频率右移;土体阻尼的减小使发生在二阶共振频率左右的振动轮加速度增大，其他激振频率下的值几乎不变。出现上述现象是因为当振动系统达到二阶共振时，振动轮的加速度受土体参数变化极为敏感。