姜右良　萬(wàn)漢馳

摘要：為了直觀地表征振動(dòng)/振蕩壓路機(jī)對(duì)路面土壤的振動(dòng)影響，建立了圓周振動(dòng)、垂直振動(dòng)、扭擺振蕩、復(fù)式水平振蕩4種壓路機(jī)鋼輪接地點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程。在真實(shí)參數(shù)的條件下進(jìn)行建模仿真，得到了各類型壓路機(jī)鋼輪接地點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線以及加速度曲線；分析了鋼輪運(yùn)動(dòng)對(duì)土壤顆粒動(dòng)態(tài)性能的響應(yīng)；比較了壓路機(jī)在選擇參數(shù)、使用場(chǎng)合等方面的特征。研究對(duì)壓路機(jī)鋼輪設(shè)計(jì)以及施工方選型均具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)；壓路機(jī)；仿真；運(yùn)動(dòng)軌跡

中圖分類號(hào)：U415.521文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to characterize the impact of the vibration of vibratory roller and oscillatory roller on the soil， the kinematic trajectory equation of the steel wheel grounding point was established for circular vibration， vertical vibration， torsional oscillation and double horizontal oscillation. The motion trajectory curve and the acceleration curve of the grounding point of each type of roller were obtained with parameters applied in practice. The response of the wheel movement to the dynamic performance of the soil particles was analyzed， and the rollers were compared in aspects of the characteristics of the parameters selection and the application. The study provides reference for the design of the roller wheel and the selection of rollers.

Key words： vibration； roller； simulation； motion trajectory

0引言

路面壓實(shí)質(zhì)量的好壞是判定壓路機(jī)性能優(yōu)劣的主要因素，振動(dòng)/振蕩壓路機(jī)以其特有的運(yùn)動(dòng)特征提高了路面壓實(shí)效率和質(zhì)量[14]。因此，從壓路機(jī)鋼輪與土壤之間的相互作用著手是研究壓路機(jī)壓實(shí)性能的主要途徑。

振動(dòng)/振蕩壓路機(jī)鋼輪內(nèi)部均設(shè)有激振發(fā)生機(jī)構(gòu)，按激振機(jī)構(gòu)差異進(jìn)行分類，主要有圓周振動(dòng)壓路機(jī)、垂直振動(dòng)壓路機(jī)、扭擺振蕩壓路機(jī)和復(fù)式水平振蕩壓路機(jī)4種類型[5]。圓周振動(dòng)壓路機(jī)最先誕生，通常被作為其他3種機(jī)型的比較對(duì)象；垂直振動(dòng)壓路機(jī)激振力在鋼輪豎直方向上疊加，具有大振幅、大激振力、高壓實(shí)效率的優(yōu)勢(shì)；扭擺振蕩壓路機(jī)以揉搓的方式壓實(shí)路面，產(chǎn)生較小的振動(dòng)影響，用于橋梁壓實(shí)，壓實(shí)質(zhì)量高；復(fù)式水平振蕩壓路機(jī)對(duì)土壤進(jìn)行多方位壓實(shí)，具有振幅大、振動(dòng)破壞小以及路面平整度好等優(yōu)勢(shì)。基于研究需要，建立4種類型壓路機(jī)鋼輪接地點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程，并通過(guò)Matlab軟件仿真得到鋼輪接地點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性曲線，進(jìn)而分析土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)特征。

1振動(dòng)壓實(shí)理論和建模依據(jù)

振動(dòng)/振蕩壓路機(jī)不同的激振形式反映到鋼輪上是不同運(yùn)動(dòng)方向的，即運(yùn)動(dòng)軌跡不同。鋼輪與路面土壤顆粒直接接觸，對(duì)于被壓實(shí)的土壤顆粒而言，一切位移變動(dòng)均是由鋼輪的運(yùn)動(dòng)引起；壓實(shí)機(jī)理的本質(zhì)是土壤顆粒受迫運(yùn)動(dòng)進(jìn)而相互填充重新排列，使路面密實(shí)度得到提高[68]。偏心激振機(jī)構(gòu)的規(guī)律性運(yùn)轉(zhuǎn)使鋼輪具有振幅和振動(dòng)頻率2種重要的外在表征參數(shù)。振幅是指鋼輪在壓實(shí)過(guò)程中偏離平衡位置的最大位移，它決定了土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)范圍，范圍越大壓實(shí)效率相對(duì)越高；振動(dòng)頻率是指鋼輪在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)地面的沖擊次數(shù)，它決定了土壤顆粒在單位時(shí)間內(nèi)達(dá)到位移峰值的次數(shù)，反映了土壤顆粒加速度的大小，加速度越大顆粒間的碰撞越劇烈，相互填充效果越好。

壓路機(jī)實(shí)際的壓實(shí)工作是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程，壓實(shí)質(zhì)量與土壤級(jí)配、自身重量、壓實(shí)速度以及鋼輪的振幅、振動(dòng)頻率等因素密切相關(guān)，而鋼輪是一切振動(dòng)的起源，其振動(dòng)狀態(tài)直接決定了土壤顆粒和壓路機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)。因此，鋼輪振動(dòng)狀態(tài)可直接反映與之相關(guān)的振動(dòng)響應(yīng)。

基于上述振動(dòng)源響應(yīng)理論，可以用鋼輪自身保守系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反映土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，鋼輪接地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡可被數(shù)值曲線化，使土壤顆粒動(dòng)態(tài)特征表現(xiàn)得更加直觀。本文主要探究鋼輪對(duì)土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，而對(duì)與鋼輪相關(guān)聯(lián)的上車部分運(yùn)動(dòng)不做討論。

2壓路機(jī)鋼輪接地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程

2.1圓周振動(dòng)壓路機(jī)

圓周振動(dòng)壓路機(jī)是市場(chǎng)上常見(jiàn)的振動(dòng)壓路機(jī)，鋼輪軸芯線方向上設(shè)置有激振機(jī)構(gòu)，激振機(jī)構(gòu)多種多樣，不管是單振幅還是由多振幅形式，振動(dòng)原理均是激振機(jī)構(gòu)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力（激振力）迫使鋼輪發(fā)生振動(dòng)，圓周振動(dòng)壓路機(jī)鋼輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2垂直振動(dòng)壓路機(jī)

垂直振動(dòng)壓路機(jī)是日本酒井重工業(yè)株式會(huì)社為縮短大壩施工工期開發(fā)的新型振動(dòng)壓路機(jī)，其鋼輪內(nèi)部繞軸芯對(duì)稱安裝2套相同的激振機(jī)構(gòu)[911]，如圖2（a）所示；其相位差為零，同步反向的旋轉(zhuǎn)方式可使激振機(jī)構(gòu)在水平方向上的激振力相互抵消，豎直方向上的激振力相互疊加，如圖2（b）所示。

在激振力的作用下，鋼輪作為整體的剛性體，每個(gè)質(zhì)點(diǎn)具有相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則與土壤接觸部分鋼輪的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

2.3扭擺振蕩壓路機(jī)

扭擺振蕩壓路機(jī)鋼輪內(nèi)繞軸芯對(duì)稱布置2套完全一致的激振機(jī)構(gòu)，如圖3（a）所示；安裝相位差為180°，同步同向運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中水平和豎直方向上的激振力大小相等、方向相反，合力沿鋼輪圓周徑向始終為零[12]，如圖3（b）所示。而圍繞鋼輪軸芯產(chǎn)生激振力矩，兩激振機(jī)構(gòu)每旋轉(zhuǎn)1周，力矩方向改變1次，交變力矩的作用迫使鋼輪繞其軸芯線產(chǎn)生往復(fù)性圓周扭擺運(yùn)動(dòng)，與路面接觸部分的鋼輪以揉搓運(yùn)動(dòng)的方式作用于土壤顆粒[13]。

2.4復(fù)式水平振蕩壓路機(jī)

復(fù)式水平振蕩壓路機(jī)是日本酒井工程機(jī)械有限公司特有的一款壓路機(jī)，鋼輪內(nèi)的激振機(jī)構(gòu)布置不同于其他類型壓路機(jī)軸線的安裝方向；其內(nèi)部設(shè)置2套相同的激振機(jī)構(gòu)，垂直鋼輪軸芯且以180°相位差放置，兩者之間由2個(gè)同參數(shù)齒輪嚙合傳動(dòng)，旋向相反，轉(zhuǎn)速相同，如圖4（a）所示。從振動(dòng)輪側(cè)面觀察鋼輪運(yùn)動(dòng)，激振力在鋼輪徑向上相互抵消，繞軸芯形成激振力矩，在周期性交變力矩作用下鋼輪繞軸芯產(chǎn)生往復(fù)性圓周扭擺運(yùn)動(dòng)。圖4（b）顯示了鋼輪在2個(gè)極限位置時(shí)的受力狀態(tài)。從振動(dòng)輪后方觀察鋼輪運(yùn)動(dòng)，在鋼輪軸芯方向上，兩激振機(jī)構(gòu)的激振力相互疊加，隨著機(jī)構(gòu)周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，軸芯方向的激振力隨之變化。圖4（c）顯示了鋼輪在軸芯向上2個(gè)極限位置時(shí)的受力狀態(tài)。

由上述分析可知，復(fù)式水平振蕩壓路機(jī)的鋼輪具有繞軸芯的往復(fù)圓周扭擺運(yùn)動(dòng)和沿軸芯的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。扭擺運(yùn)動(dòng)時(shí)鋼輪在其徑向平面內(nèi)有2個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，水平運(yùn)動(dòng)時(shí)鋼輪作為剛性體垂直于鋼輪徑向平面運(yùn)動(dòng)，由此可見(jiàn)鋼輪接地點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是垂直軸芯平行于地面運(yùn)動(dòng)（設(shè)為x向）、垂直于地面運(yùn)動(dòng)（設(shè)為y向）和沿軸芯方向運(yùn)動(dòng)（垂直于xOy平面，設(shè)為z向）的合成。2種運(yùn)動(dòng)方式同時(shí)由鋼輪內(nèi)的激振機(jī)構(gòu)產(chǎn)生，當(dāng)振動(dòng)塊處于A、B位置時(shí)，圓周扭擺運(yùn)動(dòng)達(dá)到極限位置，而鋼輪軸芯方向受力為零，水平運(yùn)動(dòng)處于平衡位置；當(dāng)振動(dòng)塊處于C、D位置時(shí)，水平運(yùn)動(dòng)達(dá)到極限位置；而扭擺運(yùn)動(dòng)的交變力矩為零，處于平衡位置，2種運(yùn)動(dòng)存在90° 的相位差。因此，鋼輪與土壤接地點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

在實(shí)際振蕩輪設(shè)計(jì)中，比例系數(shù)k>1。由此可知，復(fù)式水平振蕩壓路鋼輪扭擺運(yùn)動(dòng)幅值大于整體水平運(yùn)動(dòng)幅值。

3鋼輪接地點(diǎn)軌跡仿真與分析

3.1仿真取值參數(shù)

為直觀模擬鋼輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，選取了市場(chǎng)上具有代表性的振動(dòng)/振蕩壓路機(jī)作為建模仿真依據(jù)，工作質(zhì)量為11～13 t。采用準(zhǔn)確參數(shù)進(jìn)行Matlab/Simulink建模仿真，軌跡更加接近實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不同類型壓路機(jī)的技術(shù)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

3.2圓周振動(dòng)鋼輪運(yùn)動(dòng)軌跡

取表1中圓周振動(dòng)壓路機(jī)振幅為0.69 mm，頻率為40 Hz，根據(jù)式（1）進(jìn)行建模仿真，得到鋼輪運(yùn)動(dòng)軌跡曲線（圖5）和加速度曲線（圖6）。

由圖5、6可知，圓周振動(dòng)壓路機(jī)工作時(shí)鋼輪作以振幅值為半徑的圓周運(yùn)動(dòng)，加速度同樣以圓周分布規(guī)律變化，峰值約4g。鋼輪對(duì)地面各個(gè)角度施加大小相同的振幅和作用力，可見(jiàn)地面土壤的受力是圓周均布的（圖7），圖7中實(shí)線箭頭指向表示鋼輪對(duì)土壤的作用力方向。

壓路機(jī)在正常壓實(shí)速度范圍內(nèi)，與鋼輪接觸的土壤顆粒受到多個(gè)方向力的作用，既有水平力，也有豎直力[14]。壓路機(jī)工作時(shí)，每遍壓實(shí)致使路面產(chǎn)生下沉量h，通常的理解是豎直力對(duì)地面作用的大小和面積都比水平力占優(yōu)勢(shì)，因此圓周振動(dòng)主要關(guān)注的是豎直方向上的受力。這種理解是錯(cuò)誤的。水平力最先作用于與鋼輪接觸的土壤顆粒，使之產(chǎn)生水平方向的運(yùn)動(dòng)，隨著鋼輪滾動(dòng)前進(jìn)，豎直力作用加強(qiáng)，兩者共同作用下路面壓實(shí)質(zhì)量和效率均得到提高[15]。

3.3垂直振動(dòng)鋼輪運(yùn)動(dòng)軌跡

取表1中垂直振動(dòng)壓路機(jī)振幅為1.5 mm，頻率為41 Hz，根據(jù)式（2）進(jìn)行建模仿真，得到鋼輪運(yùn)動(dòng)軌跡曲線（圖8）和加速度曲線（圖9）。

由圖8、9以及式（2）可知，垂直振動(dòng)壓路機(jī)工作時(shí)鋼輪在水平方向上的運(yùn)動(dòng)量為零，在豎直方向上按余弦規(guī)律運(yùn)動(dòng)，峰值為其振幅值，加速度只在鋼輪豎直方向上存在變化，峰值約10g。隨著鋼輪滾動(dòng)碾壓土壤，豎直力持續(xù)不斷地作用于地面（圖10），在大振幅和大加速度作用下，土壤顆粒被迫運(yùn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相互填充，提高土壤密實(shí)度。

3.4扭擺振蕩鋼輪運(yùn)動(dòng)軌跡

取表1中扭擺振蕩壓路機(jī)振幅為1.2 mm，頻率為36 Hz，鋼輪半徑為700 mm，根據(jù)式（3）進(jìn)行建模仿真，得到鋼輪運(yùn)動(dòng)軌跡曲線（圖11）和加速度曲線（圖12）。

由圖11、12可知，鋼輪在豎直方向上的位移較小，數(shù)量級(jí)為10-3 mm，水平方向上的最大位移量為蕩幅值，豎直方向上加速度峰值約0013g，水平方向上加速度峰值約8g，可見(jiàn)扭擺振蕩鋼輪在豎直方向上對(duì)土壤顆粒位移、受力的影響均遠(yuǎn)小于水平方向。因此，可忽略鋼輪豎直方向上的作用，鋼輪在水平方向上按正弦規(guī)律對(duì)地面施加作用力（圖13）。扭擺振蕩壓路機(jī)對(duì)地面的作用力如圖14所示，在水平方向反復(fù)揉搓的作用下土壤顆粒趨于堆積。

3.5復(fù)式水平振蕩鋼輪運(yùn)動(dòng)軌跡

取表1中復(fù)式水平振蕩壓路機(jī)水平振幅為074 mm，頻率為517 Hz，鋼輪半徑為635 mm，激振機(jī)構(gòu)到鋼輪軸芯的距離L=400 mm（此值為估測(cè)值，非廠家真實(shí)數(shù)值，估測(cè)值對(duì)仿真分析結(jié)論無(wú)影響）。復(fù)式水平振蕩壓路機(jī)同時(shí)具有水平運(yùn)動(dòng)振幅與圓周扭擺振幅，根據(jù)式（3）、（4）進(jìn)行建模仿真，得到鋼輪運(yùn)動(dòng)軌跡（圖15）和加速度曲線（圖16）。由于y方向上振幅數(shù)量級(jí)為10-4 mm，加速度峰值約為0015g，相對(duì)于x、z方向上的變量值可忽略。忽略y方向的位移量后鋼輪運(yùn)動(dòng)軌跡與加速度曲線見(jiàn)圖17、18。

由圖15～18可知，復(fù)式水平振蕩壓路機(jī)工作時(shí)，土壤顆粒的受力是多方向的，y方向的作用力較小，主要是在平行于地面的平面內(nèi)作橢圓形運(yùn)動(dòng)，橢圓長(zhǎng)軸與短軸大小取決于Ax與Ay兩種振幅設(shè)計(jì)值，加速度峰值為8g～10g；鋼輪對(duì)地面的作用力如圖19所示，地面受到平行的x、y、z方向的作用力，由于豎直y方向上的位移量較小，鋼輪時(shí)刻與地面保持接觸，可充分發(fā)揮其余2個(gè)方向?qū)Φ孛娴娜啻曜饔?，加速土壤顆粒間的相互填充和重新排列。

3.6不同類型壓路機(jī)性能特征比較

垂直振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)地面只有豎直方向的作用力，扭擺振蕩壓路機(jī)對(duì)地面主要是水平方向的作用力，2種作用力方向的不同導(dǎo)致其使用場(chǎng)合不同。垂直振動(dòng)壓路機(jī)具有較大的振幅（1.5 mm）和加速度（10g），鋼輪對(duì)地面影響深度較深，對(duì)周邊建筑物產(chǎn)生較大影響[16]，不適合對(duì)已完成初壓的路面施工，適用于碾壓巖石填方、大壩基礎(chǔ)等變形量較大基礎(chǔ)層，可獲得較高的壓實(shí)效率和密實(shí)度。扭擺振蕩壓路機(jī)鋼輪對(duì)地面的垂直作用力較小，水平方向的大振幅（1.2 mm）和加速度（8g）對(duì)地面影響深度較小，適合碾壓瀝青路面，尤其適用于對(duì)振動(dòng)較敏感的橋梁、古建筑等施工場(chǎng)合。

圓周振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)地面既有水平方向的作用力，也有豎直方向的作用力，兼有垂直振動(dòng)壓路機(jī)和扭擺振蕩壓路機(jī)的特點(diǎn)，可用大噸位設(shè)備壓實(shí)基礎(chǔ)層，也可選擇中小噸位壓實(shí)瀝青層。垂直振動(dòng)壓路機(jī)和扭擺振蕩壓路機(jī)鋼輪內(nèi)均有2套激振機(jī)構(gòu)，疊加狀態(tài)下可獲得更大的振幅和加速度，而圓周振動(dòng)壓路機(jī)普遍只有1套激振機(jī)構(gòu)，因軸承受力、激振機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等條件限制，不具有其他2種壓路機(jī)的優(yōu)勢(shì)，只能根據(jù)噸位和場(chǎng)合需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，如壓實(shí)基礎(chǔ)層時(shí)振幅可適當(dāng)加大，壓實(shí)瀝青面層時(shí)振幅要適當(dāng)減小。

相比扭擺振蕩壓路機(jī)，復(fù)式水平振蕩壓路機(jī)具有2個(gè)方向的揉搓作用，路面壓實(shí)效率和壓實(shí)質(zhì)量均有優(yōu)勢(shì)。

4結(jié)語(yǔ)

（1）壓路機(jī)鋼輪的振幅和振動(dòng)頻率決定了其運(yùn)動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)加速度，是表征壓路機(jī)壓實(shí)能力的重要參數(shù)。

（2）根據(jù)鋼輪結(jié)構(gòu)差異，建立了圓周振動(dòng)、垂直振動(dòng)、扭擺振蕩、復(fù)式水平振蕩4種壓路機(jī)鋼輪接地點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程，選取真實(shí)參數(shù)建模仿真，得到各類型鋼輪運(yùn)動(dòng)軌跡以及加速度曲線，分析了不同鋼輪的運(yùn)動(dòng)特征以及對(duì)地面土壤的動(dòng)態(tài)影像，進(jìn)一步闡述了不同類型壓路機(jī)的土壤壓實(shí)機(jī)理。

（3）通過(guò)橫向比較，分析了4種振動(dòng)/振蕩壓路機(jī)在參數(shù)設(shè)計(jì)、使用范圍、使用場(chǎng)合等方面的特征差異，為有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)制造和施工選型提供了參考依據(jù)。

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[責(zé)任編輯：黨卓鈺]