龐瀛洲，田建濤，冉寶山

(長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

壓實(shí)方法可以分為靜壓、振動(dòng)、揉搓和沖擊這四類(lèi)。最早期的壓路機(jī)是人力或畜力牽引的光輪碾，19世紀(jì)的工業(yè)革命之后出現(xiàn)了蒸汽動(dòng)力的自行式三輪壓路機(jī)，1919年美國(guó)出現(xiàn)了以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的壓路機(jī)，1930年德國(guó)人最先使用了振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)，在20世紀(jì)80年代德國(guó)悍馬（HAMM）公司又首先開(kāi)發(fā)出振蕩壓路機(jī)，1999年日本酒井株式會(huì)社（Sakai）又開(kāi)發(fā)出頻率為4 000次/m in（約66.67Hz）高頻振動(dòng)壓路機(jī)[1～2]。

高頻振動(dòng)壓路機(jī)是隨著壓實(shí)技術(shù)不斷發(fā)展產(chǎn)生的新型壓實(shí)技術(shù)。

1 高頻振動(dòng)壓實(shí)原理

1.1 振動(dòng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)及變幅原理

振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪由輪體、激振器和減震器3個(gè)主要部件構(gòu)成，此外還包括傳動(dòng)軸、軸承和軸承座等。一般情況下，振動(dòng)軸上裝有2個(gè)固定偏心塊，并橫穿1個(gè)擋銷(xiāo)，中間有1個(gè)空套的活動(dòng)偏心塊，振動(dòng)軸支撐在2個(gè)調(diào)心滾子軸承上。振動(dòng)馬達(dá)輸入動(dòng)力驅(qū)動(dòng)激振軸，激振軸帶動(dòng)偏向片產(chǎn)生離心力即為壓路機(jī)的激振力。通過(guò)改變振動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)向，在擋銷(xiāo)作用下固定偏心塊和活動(dòng)偏塊產(chǎn)生2種不同組合來(lái)產(chǎn)生2組激振力和振幅，激振器的不同狀態(tài)如圖1所示。

圖1 振動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

在振動(dòng)方向激振力F表達(dá)式如下式

其中，M為偏心塊偏心質(zhì)量，r為偏心距；激振力F隨時(shí)間變化規(guī)律如圖2所示，為周期變化的正弦曲線。在高頻振動(dòng)下，壓路機(jī)偏心塊轉(zhuǎn)速大于普通模式壓路機(jī)的偏心塊轉(zhuǎn)速，反應(yīng)在式(1)中則為ω較大。由式(1)可知，一方面，激振力F與ω的二次方成正比，ω增大使激振力F迅速增大；另一方面，ω增大代表著振動(dòng)頻率增大，即產(chǎn)生高頻振動(dòng)。

圖2 振力F隨時(shí)間變化規(guī)律

1.2 與作業(yè)介質(zhì)相互作用原理

如圖3所示，振動(dòng)壓實(shí)時(shí)，壓路機(jī)鋼輪產(chǎn)生的重力即靜壓力和振動(dòng)產(chǎn)生的豎直方向的激振力作用于被壓實(shí)材料。大顆粒材料由于質(zhì)量大會(huì)得到較大的慣性力，它們將首先脫離周?chē)牧舷蛳逻\(yùn)動(dòng)，而小顆粒在大顆粒向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，一方面在外力作用下也緩慢向下運(yùn)動(dòng)，另一方面在自身重力作用下填補(bǔ)大顆粒向下運(yùn)動(dòng)的空隙。這個(gè)過(guò)程中（圖4）大小顆粒重新排列、相互“融合”，擠出水分和空氣，與此同時(shí)，部分顆粒的棱角被磨掉，進(jìn)一步加劇了密實(shí)過(guò)程。整個(gè)壓實(shí)過(guò)程應(yīng)在壓實(shí)材料達(dá)到最大密實(shí)度以及大小顆粒排列均勻、相互填滿空隙時(shí)結(jié)束。

圖3 振動(dòng)鋼輪與壓實(shí)介質(zhì)相互作用示意圖

圖4 實(shí)前后物料顆粒位置對(duì)比圖

高頻振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中，鋼輪以大于3 600次/m in（60Hz）的頻率快速、連續(xù)沖擊待壓實(shí)物料，使物理顆粒處于高頻振動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)“土壤液化學(xué)說(shuō)”和“土壤共振學(xué)說(shuō)”，此時(shí)物料顆粒間內(nèi)摩擦力減小甚至喪失，在此狀態(tài)下物料密實(shí)過(guò)程更容易進(jìn)行；其次，顆粒棱角在高頻振動(dòng)和沖擊作用下更容易被敲掉，也有利于密實(shí)過(guò)程；再次，高頻振動(dòng)對(duì)應(yīng)更大的激振力，即鋼輪對(duì)待壓實(shí)物理的沖擊力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通振動(dòng)壓路機(jī)；此外，振動(dòng)頻率越高，壓實(shí)后路面平整度越好（圖5)；與此同時(shí)，高頻振動(dòng)和橋梁的固有頻率相差更大，對(duì)橋梁幾乎沒(méi)有影響，故高頻振動(dòng)壓路機(jī)可以更安全地進(jìn)行橋面壓實(shí)施工。

圖5 振動(dòng)頻率與平整度的關(guān)系

2 頻率選取及振幅匹配

由表1可知，市場(chǎng)上的小噸位高頻振動(dòng)壓路機(jī)多采用單一的高頻低幅模式，大噸位的高頻振動(dòng)壓路機(jī)多采用高頻低幅+低頻高幅模式。傳統(tǒng)的雙頻率雙振幅雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)頻率和振幅的組合難以適應(yīng)各種復(fù)雜工況，而現(xiàn)行的高頻雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)則能夠很好解決上述問(wèn)題——工程實(shí)用性更強(qiáng)，施工效率更高。高頻低幅工作模式，特別適用于薄層和橋梁面層壓實(shí)，面層平整度好；低頻高幅模式相當(dāng)于傳統(tǒng)的振動(dòng)壓路機(jī)，可用于厚層壓實(shí)[3]。

衡量壓路機(jī)壓實(shí)效果的重要參數(shù)是壓實(shí)度，故高頻振動(dòng)壓路機(jī)頻率的選取應(yīng)該使得壓實(shí)度最大。相關(guān)文獻(xiàn)表明[4～5]，壓實(shí)度與振動(dòng)壓路機(jī)的振動(dòng)參數(shù)和工作參數(shù)有以下函數(shù)關(guān)系

式中 E——壓實(shí)度，%；

PL——振動(dòng)壓路機(jī)鋼輪線載荷，N/cm；

A——振動(dòng)壓路機(jī)工作振幅，mm；

ω——振動(dòng)壓路機(jī)角頻率，rad/s；

v——振動(dòng)壓路機(jī)工作速度，m/s；

n——碾壓次數(shù)。

由式(2)可知：①當(dāng)壓路機(jī)的工作參數(shù)PL、v、n及振動(dòng)參數(shù)A一定時(shí)，壓實(shí)度E是振動(dòng)參數(shù)ω的單值函數(shù)，故可通過(guò)試驗(yàn)找出壓實(shí)度E與振動(dòng)參數(shù)ω的關(guān)系，并繪制壓實(shí)度E與振動(dòng)頻率ω的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖；②當(dāng)壓路機(jī)的工作參數(shù)PL、v及振動(dòng)參數(shù)A一定，在振動(dòng)參數(shù)ω取不同值時(shí)，壓實(shí)度E是碾壓次數(shù)n的單值函數(shù)，故可通過(guò)試驗(yàn)找出不同振動(dòng)頻率ω下，壓實(shí)度E與碾壓次數(shù)n的關(guān)系，并繪制不同振動(dòng)頻率ω下，壓實(shí)度E與碾壓次數(shù)n的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖。

圖6所示為壓實(shí)度與振動(dòng)頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖，由圖6可知：①壓實(shí)度隨著壓實(shí)頻率的升高先增大后減??；②當(dāng)壓實(shí)頻率為70Hz左右時(shí)，對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度最大。

圖6 壓實(shí)頻率與壓實(shí)度對(duì)應(yīng)曲線圖

圖7所示為70Hz和40Hz振動(dòng)頻率下，壓實(shí)度與碾壓次數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖，由圖7可知：①相同碾壓次數(shù)下，70Hz對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度大于40Hz對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度；②40Hz碾壓8次對(duì)應(yīng)的最終壓實(shí)度僅與70Hz碾壓4次對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度相當(dāng)；③70Hz碾壓8次對(duì)應(yīng)的最終壓實(shí)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于40Hz碾壓8次對(duì)應(yīng)的最終壓實(shí)度。

圖7 不同壓實(shí)頻率壓實(shí)度與碾壓次數(shù)對(duì)應(yīng)曲線圖

綜上所述，試驗(yàn)結(jié)果表明：高頻振動(dòng)壓路機(jī)高頻應(yīng)該選取70Hz左右，此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度值最大，即壓實(shí)效果最好，通常情況下，高頻一般取 67Hz或 70Hz。

將被壓實(shí)材料視為彈性體，則振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)過(guò)程可視為該彈性體與壓路機(jī)上、下車(chē)組成的一個(gè)共同的振動(dòng)系統(tǒng)。建立振動(dòng)壓路機(jī)整機(jī)與作業(yè)介質(zhì)組成的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖8所示[6]，其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

式中 K1、K2—— 減震器和被壓實(shí)材料的剛度系

數(shù)N/mm；

C1、C2—— 減震器和被壓實(shí)材料的阻尼系

數(shù)(Ns)/mm；

m1、m2——上車(chē)和下車(chē)質(zhì)量；kg；

x1、x2—— 上車(chē)和下車(chē)的瞬時(shí)位移，mm；

ω、F0——激振力的角頻率和幅值rad/s，N。

解微分方程(3)可得

式中

由微分方程的解可知壓路機(jī)振幅的表達(dá)式為

上述理論分析奠定了振幅選取的基礎(chǔ)，但是通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)得到的結(jié)論實(shí)際參考意義并不理想，故下面通過(guò)試驗(yàn)研究探討振動(dòng)壓路機(jī)振幅A的選取的合理選取。試驗(yàn)采取“控制變量法”——在保持其他參數(shù)（包括壓路機(jī)參數(shù)和介質(zhì)參數(shù)）不變的情況下，只改變振幅來(lái)研究隨著碾壓次數(shù)的增加，振幅與壓實(shí)度的關(guān)系。由于高頻振動(dòng)壓力機(jī)適合壓實(shí)面層，故以上層壓實(shí)度為壓實(shí)效果的衡量值。

試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。根據(jù)表2可繪制各碾壓次數(shù)下不同幅值下的上層壓實(shí)度對(duì)比圖(圖9)。

表2 不同振幅對(duì)應(yīng)上層壓實(shí)度值

由圖9可知：①相同碾壓次數(shù)時(shí)，高幅對(duì)應(yīng)的上層壓實(shí)度值高；②隨著碾壓次數(shù)的增加，高幅對(duì)應(yīng)的最終壓實(shí)度大于低幅對(duì)應(yīng)的最終壓實(shí)度；③高幅時(shí)，隨著碾壓次數(shù)的增加當(dāng)碾壓次數(shù)大于8時(shí)，壓實(shí)度反而降低，到12時(shí)又增大。

故根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得出以下結(jié)論：①為取得較好壓實(shí)效果，在振動(dòng)壓路機(jī)技術(shù)條件允許的情況下，振幅應(yīng)取大值，但由于受到材料、軸承、減振等技術(shù)的制約，振幅的上限受到限制，現(xiàn)今市場(chǎng)上常見(jiàn)的產(chǎn)品振幅取值為0.3～0.4mm；②振幅取大值時(shí)應(yīng)該對(duì)壓路機(jī)壓實(shí)度—碾壓次數(shù)曲線進(jìn)行測(cè)定，并根據(jù)測(cè)定結(jié)果制定合適的碾壓工藝。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)高頻振動(dòng)壓路機(jī)的高頻低幅和低頻高幅組合模式可使高頻振動(dòng)壓路機(jī)能適應(yīng)各種復(fù)雜的工況，高頻低幅模式壓實(shí)效果好、壓實(shí)效率高、平整度高，且尤其適合面層和橋面的壓實(shí)。

2)高頻振動(dòng)壓路機(jī)的頻率一般取70Hz左右，此時(shí)壓實(shí)度值最高，對(duì)應(yīng)壓實(shí)效果做好；振幅應(yīng)該在技術(shù)條件允許的情況下取大值，并對(duì)壓實(shí)工藝進(jìn)行合理規(guī)劃，現(xiàn)今高頻壓路機(jī)產(chǎn)品振幅一般為0.3～0.4mm。

3)目前振動(dòng)壓實(shí)理論存在多個(gè)學(xué)說(shuō)，還沒(méi)有任何一個(gè)與實(shí)際情況完美匹配并能指導(dǎo)實(shí)踐工作的學(xué)說(shuō)，故壓實(shí)理論有待廣大學(xué)者進(jìn)一步研究；與此同時(shí)，由于受材料、軸承、減振等技術(shù)的限制，高頻振動(dòng)壓路機(jī)振幅有待進(jìn)一步提高，相關(guān)領(lǐng)域的研究也值得廣大學(xué)者探究。 O

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