振动压路机最佳压实频率研究
张中华1 王莉2
（1.长安大学工程机械学院陕西西安 710064; 2.陕西黄河集团有限公司陕西西安 710064）
[摘要] 由于被压实材料的多样性及其物理力学性能的变异性大, 使得振动压实作业过程中的盲目性大，经济性较差。本文根据压实材料自振频率随不同材料及同一种材料密实度不同而变化的规律，采用从地面上提取振动压实作业中的实时振动信号，对振动压路机压实频率控制的方法，对一种砂性土压实过程中进行变频压实试验，实现在压实作业中每遍采用不相同的最佳压实频率。实验进行了压实效果的对比试验，研究了振动压路机的振动频率对压实作业的影响，验证了根据地面振动信号对振动压路机压实频率进行控制的方法的可行性。
[关键词]振动压路机，地面信号，振动频率，压实度
Research on Best compaction frequency of vibratory roller
Zhang-Zhonghua1 Wang-Li2
1. College of Engineering Machinery, Chang’an University, Xi’an710064,Shaanxi,China;2.Shanxi Huanghe Group Co., Ltd. Xi’an 710064,Shanxi,China)
振动压路机是将静力碾压和振动压实相结合的压实设备，它借助偏心块旋转运动所产生的能量来完成压实作业。振动压实要取得最佳的压实效果和最高的压实效率，主要取决于以下两个因素[1]:①静重产生的静压力和压力波形成的动压力对被压材料产生压实的效果;振动压实对被压实材料产生的剪应力和压应力;②被压实材料内部颗粒的运动状态。
1.振动压路机的主要技术参数
振动压路机的振动参数主要是振幅和频率，还有一些是派生振动参数，如碾压行进速度、振动加速度、激振力和动作用力等。
1.1振动压路机的振幅
研究表明[2]，对于土壤压实效果起决定性作用的是振动压路机给予地面的动、静作用力。振幅越大，振动轮对地面的冲击能量就越大，土壤颗粒运动的瞬时位移就会增加，振动产生的冲击波在土壤中传播距离亦随之增加。但是过大的工作振幅，会引起压路机自身的剧烈振动或者造成被压实材料出现离析现象。同时振动压路机的工作振幅是受被压实材料刚度影响的，同一振动压路机在不同的压实材料刚度条件下，工作振幅会不同，压实材料的刚度越大，工作振幅越大。由于被压实材料的刚度是一个随机性变化的参数，所以工作振幅也是随机变化的。
1.2振动压路机的振动频率
振动压路机在激振力的作用下使振动轮产生受迫振动，振动频率是指激振器的振动轴每分钟转动的次数，液压振动轴由液压马达驱动，在变量泵—定量马达液压系统中改变了输入液压马达的流量就改变了激振器的振动频率。振动频率太小，压实效果不好，但过高的频率将导致振动轮跳离地面而失偶，又降低了压路机对地面的动作用力[3]。由于被压实材料的固有频率是随机变化的，振动压路机振动频率的选择受限于被压实材料本身的固有共振频率，导致了振动压路机的频率选择复杂多变。
2.振动压路机压实频率试验
2.1本研究的目的
根据土壤共振学说及其物理学原理，当被压实土壤的固有频率和激振机构的振动频率相一致时，可以得到最佳的压实效果。本试验研究要验证土壤共振学说及其物理学原理在振动压实中能采用简单而适用的方法实现，为自动变频压路机的设计提供初步的试验基础和理论基础。
2.2试验研究方法
由于目前还没有能严格实现无级变频的振动压路机，本试验通过调节振动压路机发动机的转速改变振动频率，并用安装在振动轴上的传感器测得的频率进行比较验证，以压实的密实度评定振动压实效果，研究振动压实过程中振动频率对压实效果的影响。先以重型击实的最佳含水量作为该试验的统一含水量，对振动频率进行单因素试验；然后根据实时检测的振动信号，找出振动过程中的最佳压实频率；最后，选用最佳压实频率进行压实，测得密实度，进行压实效果的比较。实验结果表明此方法是可行的，并取得了较好的效果。
2.3试验装置与仪器
本试验用自行设计的跟随压路机行走的地面振动信号检测装置（如图1、图2所示），通过调节振动压路机的转速研究振动压实过程中振动压路机的最佳压实频率，并且对比试验比较振动频率对压实效果的影响。设计的原理是:把所设计出来的振动加速度信号采集装置安装在振动压路机上，在振动压路机对路面进行压实的过程中，将土壤的竖直方向的振动加速度信号实时采集出来，通过对所采集的振动加速度信号的分析找出能够反映在压实过程中振幅最大处所对应的压实频率。
图1 振动加速度信号采集装置原理图
图2 跟随压路机行走的振动检测装置
试验仪器是一套能够实时检测土壤最佳压实频率的装置，其工作原理为：由滚轮、导向杆和加速度传感器把采集来的振动信号通过数据采集仪在频域，幅值上的分析得出土壤最佳的压实频率；此间要求装置的拖带部分和减震部分要能很好的工作。另外还有DEWE-2010型数据采集仪、加速度传感器及其他土工实验仪器和工具等。
试验场地为长安大学“道路施工技术与装备”教育部重点实验室的大型土槽。试验用土的级配良好，严格控制试验条件，尽量减少人为因素的影响。
2.4试验方案
1)实验用土:准备30mx6m实验用土四块，分为l#、2#、3#、4#
2)加速度传感器:由于对传感器的精度要求不高，只是为了在同条件下压实的时发现振动压实的最大幅值，本次实验采用的传感器为ARF-500A电阻式加速度传感器，选择量程为5O0m/S2，灵敏度为556，其测量电路为全桥测量。采用4个传感器，分别利用磁力座竖直安装在有振动马达一侧的振动轴上、连接机架上和两个导向杆上，用以测量振动轮、连接机架和滚轮竖直方向上的振动加速度信号，如图3所示。
图3信号采集拖带装置
3)数据采集仪:DEWE-2010动态数据采集仪，采样率为10兆，分辨率为16位，有16个DAQ/PAD模块插槽，提供16通道动态信号输入，测量时选用4个通道，采集时间视装置行驶速度而定。如图4所示。
图4 DEWE-2010动态数据采集仪
4)振动压路机与装置装配:本试验用国产XG6131D型号振动压路机对地面进行压实，并采集连续信号。该机型压路机为全液压驱动，为避免发动机转速与激振器转速之间的相互影响，应选用比较平整的场地进行试验。振动压路机与拖带装置的连接如图3所示。
5)滚轮与导向杆:滚轮与地面紧密接触，整个装置在导向杆的作用下保证加速度传感器能够采集到竖直方向上的振动加速度信号，如图5所示。
图5滚轮与导向杆连接图
2.5 试验步骤：
(1)做好试验的前期准备工作，将实验室内的土槽进行整理。具体工作:先将进行试验的整块土进行浇湿并浇透，待水渗透好达到前期所做击实实验最佳含水量的左右，对其进行深翻平整。
(2)将数据采集仪的通道和传感器连接起来，并用手逐个晃动传感器，以检查传感器和数据采集仪是否连接正常，并将数据采集仪地线接地。
(3)将磁座与传感器连接起来，然后将连接好传感器的磁座粘附在钢轴上，在粘吸传感器时，必须保证传感器上的箭头方向与所测量的振动方向一致，然后将于传感器相连的各通道调零。
(4)将实验土道内的含水量固定的控制在前期击实实验所确定的最佳含水量附近。
(5)先对整个土道进行2次静压实，在进行2次低定频压实(频率为11赫兹)，使得土道有一定的密实度，保证滚轮行走土道上没有压痕。
(6)振动压路机行驶档位放在3档。
(7)在l#土道上，压路机行驶档位不变时，做振动压路机的振动轮频率和油门转速的随机对应实验，采集数据，分析并记录，为下面的实验做准备。表1为对应数据。如图6所示，发动机转数与振动频率标定曲线相关性高达0.9513，根据发动机转数与振动频率标定曲线方程Y=0.0162X-7.9756可通过调节发动机转数实现变频的目的。
表1发动机转数与振动频率对应关系
频率（HZ） | 转速（r/min) |
23.44 | 1930 |
25.39 | 2100 |
26.36 | 2120 |
27.34 | 2150 |
28.32 | 2240 |
图6发动机转数与振动频率标定曲线
(8)把2#土道平均分成三段：每段为10m×6m。在2#土道分别采用23HZ、30HZ、35HZ定频压5遍(其中振动压路机前进和后退算作一遍)，每遍取2-3个土样，测量并记录其压实度。
(9)分别把3#、4#土道平均分成三段：每段为10m×6m，共6段土道。在第1段土道作变频第1遍碾压，确定碾压过程中幅值最大时对应的频率a，然后采用频率a对剩下的5段土道进行第1遍碾压；再在第2段土道作变频第2遍碾压，确定碾压过程中幅值最大时对应的频率b，然后采用频率b对剩下的4段土道进行第2遍碾压；再在第3段土道作变频第3遍碾压，确定碾压过程中幅值最大时对应的频率c，然后采用频率c对剩下的3段土道进行第3遍碾压；再在第4段土道作变频第4遍碾压，确定碾压过程中幅值最大时对应的频率d，然后采用频率d对剩下的2段土道进行第4遍碾压；再在第5段土道作变频第5遍碾压，确定碾压过程中幅值最大时对应的频率e，然后采用频率e对剩下的1段土道进行第5遍碾压；每遍取2-3个土样，记录和测量其压实度。
3.数据采集与振动信号处理
3.1 数据采样振动信号处理
利用传感器将振动量转换成模拟信号，再通过数据采样将模拟信号转换为数字信号。原始信号是一种dsd格式的数据，要对其进行精确的处理，先从图形中读出我们所需要的信息，并将其转化为其他格式的文件，本文将其转化为excel表格的形式。如图7所示：为原始采集和记录的加速度信号。根据傅里叶变换去除试验信号的直流分量，预处理结果如图8所示。
图8信号的预处理结果
3.2信号处理结果分析
试验结果表明：土壤在每遍压实后，其物理特性都会发生随机性的复杂变化，随着碾压遍数的增加，其固有频率也相应的提高，为了使振动压路机有足够的能量，能进一步把己被压实的材料密实度再次提高，振动压路机工作频率应设定为压实接近终了时的土壤的固有频率。
图9表示在信号采集装置的同一位置处分别测得的连续3遍压实过程中，地面土壤信号的振动情况，从图9可以看出，压实第一遍时幅值最大所对应的频率为27.34Hz，压实第二遍时幅值最大所对应的频率为28.32Hz，压实第三遍时幅值最大所对应的频率为29.3Hz。分析和总结图9中三条曲线的变化趋势，可以得到:随着碾压遍数的增加，土壤密实度的增大，地面振动信号幅值最大处对应最佳压实频率也随之增大。这样的变化趋势与文献[4]的结论—“土壤共振频率随着压实遍数和密实度的增加也会增大”是相吻合的。
通过压实度的对比试验，不仅验证了试验测试数据和信号处理的可靠性和正确性，而且还进一步论证了最佳压实频率及其变化规律。在含水量相同、压实遍数也相同的情况下，根据所测得的数据（如表2）显示，土壤的压实度都是随着压实遍数的增加而增大的，由前面的击实试验可知土壤的最佳含水量是8.873%，从图10中压实度随压实遍数变化的趋势，可以明显看出，采用变化频率土道的压实效果明显比采用23Hz、30Hz、35Hz定频土道的压实效果要好，同时要达到相同的效果，采用变频压实的土道的碾压遍数相对较少。
表2 不同频率和不同碾压遍数下的压实度
遍数 | 23hz | 30hz | 30hz | 变频 |
第一遍 | 87.798 | 83.096 | 83.157 | 86.422 |
第二遍 | 88.583 | 85.036 | 86.327 | 88.488 |
第三遍 | 89.874 | 85.160 | 87.458 | 89.127 |
第四遍 | 89.171 | 88.605 | 88.650 | 90.149 |
第五遍 | 90.052 | 88.148 | 88.216 | 92.170 |
图9不同碾压遍数地面信号频率-幅值曲线
图10不同频率和不同碾压遍数下压实度变化曲线
4.结论
(1) 由于不同压实材料固有频率的可变性大，同一种材料在压实度不同时其固有频率有差异，其固有频率随着压实遍数和密实度的增加会增大；
(2) 振动压路机振动压实作业过程中振动能量在地面作用后的反射波可作为控制振动频率的信号；
(3) 用振动压路机压实作业时的地面振动信号，可实现振动压路机的最佳压实频率的机载控制与适时控制；
(4) 根据现场特定材料测得试验段每遍的最佳压实频率，利用测得的最佳压实频率进行每遍精确压实，不仅可以提高压实效果，而且可以提高压实效率；
(5) 需采用可变频变幅振动压路机对不同材料进行相关验证实验。
参考文献
【1】李美江.道路材料振动压实特性研究[M].硕士论文.2002.
【2】杨尚田.单钢轮振动压路机的选用[J].山东交通学院学报.2007.9.55-5
【3】尹继瑶.振动压路机的振动参数及其取值[J] 建设机械技术与管理.2007.2
【4】公路路基施工技术规范(JTJ033-95).1995
【5】张汉.闻邦春.振动压路机压实机理的研究[J].建筑机械.2000.3.25-27
【6】 Lars Forssblad. 《VIBRATORYSOILANDROCKFILLCOMPACTION》.Robert Lsson TryekeriAB.Stoekholm，Sweden
【7】郭军卫等.振动压路机压实度检测及分析[J] 建筑机械.2007.8
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