姜右良

江蘇駿馬壓路機(jī)械有限公司，江蘇 靖江 214501

振蕩壓路機(jī)壓實(shí)機(jī)理再探討

姜右良

江蘇駿馬壓路機(jī)械有限公司，江蘇 靖江 214501

導(dǎo)語(yǔ)：振蕩壓路機(jī)是近幾年開(kāi)始受到重視的一種多功能壓實(shí)機(jī)械，2016年本刊曾刊出萬(wàn)漢馳撰寫(xiě)的一篇《振蕩壓路機(jī)深剖簡(jiǎn)析》，介紹了振蕩作用到底是怎樣的表現(xiàn)方式。那么振蕩壓路機(jī)是怎樣作用于土壤顆粒的？土壤顆粒的受力狀態(tài)是如何變化的？振蕩壓實(shí)的本質(zhì)是什么？振蕩壓實(shí)和水平振動(dòng)、輪胎壓實(shí)的區(qū)別與聯(lián)系是什么？這次就讓我們一探究竟。

振蕩壓路機(jī)從誕生至今已有30多年的歷史，振蕩輪的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特征已被相關(guān)單位、科研人員研究的比較透徹和深入[1-2]，其壓實(shí)機(jī)理可用一句話(huà)進(jìn)行概括：在交變力矩的作用下，振蕩輪以“揉搓”的方式作用于路面，使得土壤顆粒重新排列，進(jìn)而提高路面密實(shí)度。大部分文獻(xiàn)對(duì)振蕩壓實(shí)機(jī)理的解釋止乎于此，而壓實(shí)必然與被壓實(shí)的土壤有關(guān)，僅通過(guò)分析振蕩輪的運(yùn)動(dòng)特性并不足以表征振蕩壓實(shí)的本質(zhì)，本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，從振蕩輪“宏觀(guān)”運(yùn)動(dòng)和土壤顆粒的“微觀(guān)”受力兩個(gè)方面闡述了振蕩壓實(shí)的工作過(guò)程，對(duì)壓實(shí)機(jī)理的本質(zhì)做了更加深入的討論與分析，即是文章標(biāo)題“振蕩壓路機(jī)壓實(shí)機(jī)理再探討”中“再”字的由來(lái)。

關(guān)于振蕩壓路機(jī)振蕩輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、蕩幅計(jì)算、實(shí)現(xiàn)方式等內(nèi)容，江蘇駿馬壓路機(jī)械有限公司技術(shù)人員曾在內(nèi)部展開(kāi)過(guò)激烈的討論。筆者向萬(wàn)漢馳先生進(jìn)行了虛心的請(qǐng)教，尤其是研讀了萬(wàn)漢池先生的《振蕩壓路機(jī)深剖簡(jiǎn)析》一文，進(jìn)一步加深了對(duì)振蕩壓路機(jī)“振蕩作用到底是怎樣的表現(xiàn)方式”這個(gè)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)[3]，由此想到往復(fù)運(yùn)動(dòng)的振蕩輪是怎樣作用于土壤顆粒的、土壤顆粒的受力狀態(tài)是如何變化的、振蕩壓實(shí)的本質(zhì)是什么等一系列問(wèn)題。無(wú)論何種壓實(shí)方式（包括圓周振動(dòng)、垂直振動(dòng)、振蕩及靜碾壓實(shí)等），最終要著眼于路面壓實(shí)效果，因此從振蕩輪與土壤顆粒間相互作用著手是研究振蕩壓實(shí)理論的切入點(diǎn)，以此切入分析可解釋上述疑問(wèn)，進(jìn)一步闡述振蕩壓實(shí)機(jī)理，在討論爭(zhēng)辯中產(chǎn)生思想的火花，所謂“百家爭(zhēng)鳴”才能夠“百花齊放”，道理亦是如此。

言歸正傳，振蕩壓路機(jī)振蕩作用對(duì)周邊環(huán)境振動(dòng)影響較小，尤其適用于橋梁、古建筑等對(duì)振動(dòng)較敏感的場(chǎng)合，對(duì)于瀝青面層的平整度和壓實(shí)度具有較好效果，這些方面已然在實(shí)際應(yīng)用中得到證實(shí)[4-5]，在未來(lái)道路施工中，振蕩壓路機(jī)的作用和地位必然呈上升趨勢(shì)。對(duì)振蕩輪結(jié)構(gòu)特征、運(yùn)動(dòng)方式、壓實(shí)機(jī)理等方面的認(rèn)知不但是專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)研究人員所應(yīng)具備的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)，同時(shí)也可為施工方選型提供依據(jù)，所謂“知其然知其所以然”。本文在振蕩壓實(shí)三要素的前提下分析了振蕩輪對(duì)土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，在振蕩輪滾動(dòng)工作狀態(tài)下研究壓實(shí)作用機(jī)理，研究結(jié)論對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用振蕩壓路機(jī)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖1 振蕩輪三軸結(jié)構(gòu)

振蕩壓路機(jī)振蕩理論

不少文獻(xiàn)在闡述振蕩輪結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)原理時(shí)標(biāo)題普遍稱(chēng)作“振蕩壓實(shí)原理”、“振蕩壓實(shí)機(jī)理”等[6-7]，而描述內(nèi)容多半是振蕩輪自身的運(yùn)動(dòng)特征，輪體與被壓路面之間的相互作用以及土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)特性甚少提及，嚴(yán)格來(lái)講這一類(lèi)稱(chēng)呼是不確切的；壓實(shí)必然與被壓實(shí)的介質(zhì)有關(guān)，因此在描述振蕩發(fā)生機(jī)構(gòu)的原理性?xún)?nèi)容時(shí)標(biāo)題中去掉“壓實(shí)”兩字，稱(chēng)作“振蕩理論”或“振蕩原理”更為貼切。

（1）振蕩發(fā)生機(jī)構(gòu)。

振蕩運(yùn)動(dòng)是利用繞輪體軸芯的扭振力矩作用激勵(lì)輪體，產(chǎn)生往復(fù)性的扭擺運(yùn)動(dòng)。振蕩輪內(nèi)部發(fā)生機(jī)構(gòu)通常采用成本較低的三軸結(jié)構(gòu)，如圖1所示，中間輸入軸為動(dòng)力輸入軸，2套相同的偏心機(jī)構(gòu)繞軸芯對(duì)稱(chēng)安裝，相位差為180°，在同步帶的傳動(dòng)作用下2個(gè)偏心機(jī)構(gòu)同步同向高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生2組大小相等方向相反的離心力，繞輪體軸芯形成力偶矩，如圖2所示。

圖2 偏心機(jī)構(gòu)位置變化與交變力矩關(guān)系

當(dāng)2個(gè)偏心機(jī)構(gòu)的離心力方向與兩者旋轉(zhuǎn)中心連線(xiàn)相互垂直時(shí)，力偶矩達(dá)到最大值M（或－M）；當(dāng)離心力方向與兩者旋轉(zhuǎn)中心連線(xiàn)相互平行時(shí)，力偶矩為零，偏心機(jī)構(gòu)每旋轉(zhuǎn)1周，力矩方向改變1次，勻速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中力矩按正（余）弦規(guī)律變化，交變力矩的作用迫使輪體繞軸芯產(chǎn)生往復(fù)性扭擺運(yùn)動(dòng)。需要注意的是：為清楚表達(dá)力矩大小和方向的變化情況，圖2中的偏心機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中輪體處于原地運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即無(wú)滾動(dòng)前進(jìn)速度，而在壓實(shí)工況下，偏心機(jī)構(gòu)在高速繞自身軸芯以角速度ω“自轉(zhuǎn)”的同時(shí)，輪體持續(xù)滾動(dòng)碾壓前進(jìn)，偏心機(jī)構(gòu)繞輪體軸芯產(chǎn)生角速度ω1的“公轉(zhuǎn)”，如圖3所示；力矩的作用中心繞輪體軸芯，與輪體滾動(dòng)中心線(xiàn)重合，因此“公轉(zhuǎn)”現(xiàn)象對(duì)力矩的影響只是相位的提前或滯后，對(duì)其大小和方向無(wú)實(shí)質(zhì)性影響。

圖3 振蕩輪滾動(dòng)工作示意

（2）名義蕩幅的數(shù)學(xué)計(jì)算。

振蕩輪作為整體運(yùn)動(dòng)的剛性體，交變力矩的作用迫使輪體繞其軸芯產(chǎn)生往復(fù)性扭擺運(yùn)動(dòng)，在輪體設(shè)計(jì)尺寸定型的條件下，扭擺運(yùn)動(dòng)的角度決定了輪體外圓質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍，即振蕩輪蕩幅幅值。關(guān)于振蕩輪名義蕩幅的推導(dǎo)與計(jì)算，文獻(xiàn)[3]、[8]中做了詳細(xì)透徹的介紹，設(shè)振蕩輪扭擺角度為2θ（單位為rad，見(jiàn)圖4），名義蕩幅A0（mm）計(jì)算公式為如下。

在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，θ值較小，式（1）可簡(jiǎn)化為

式中：R為振蕩輪外圓半徑（mm）；me為單個(gè)偏心機(jī)構(gòu)的靜偏心矩（kg·m）；L為兩偏心機(jī)構(gòu)“自轉(zhuǎn)”中心間的距離（m）；J為振蕩輪參與運(yùn)動(dòng)的剛形體繞軸芯的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）。

由式（2）可知，名義蕩幅A0與輪體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J成反比，與輪體外圓半徑R成正相關(guān)關(guān)系，與偏心機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)me、L兩者的乘積存在正相關(guān)關(guān)系，設(shè)計(jì)人員可參照此關(guān)系并根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整變量，得到滿(mǎn)足要求的名義蕩幅幅值。

圖4 振蕩輪扭擺運(yùn)動(dòng)示意

關(guān)于名義幅值的討論

（1）關(guān)于名義幅值的定義。

名義振幅與名義蕩幅統(tǒng)稱(chēng)為名義幅值，《土方機(jī)械壓路機(jī)和回填壓實(shí)機(jī)術(shù)語(yǔ)和商業(yè)規(guī)格》（GB/T 7920.5—2003）中對(duì)振動(dòng)壓路機(jī)名義振幅的定義為：偏心矩乘1000除以振動(dòng)部分質(zhì)量；名義蕩幅的定義暫無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)明確給出，其中緣由可能是行業(yè)內(nèi)關(guān)于振蕩壓路機(jī)的研究尚不成熟，振蕩結(jié)構(gòu)形式多變，理論方面的復(fù)雜推導(dǎo)和計(jì)算仍存在爭(zhēng)議，在未有統(tǒng)一公認(rèn)的定論之前不可盲目定義。參照國(guó)標(biāo)對(duì)名義振幅的描述，可以確定名義蕩幅的定義是其計(jì)算公式的描述，若式（2）被業(yè)內(nèi)認(rèn)可并用于指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用，其公式組成的描述就是名義蕩幅的定義。在諸多書(shū)籍或期刊文獻(xiàn)中名義幅值的定義被描述為“把壓路機(jī)用支撐物支撐起來(lái)，壓輪懸空時(shí)測(cè)得的幅值”，此描述與國(guó)標(biāo)中的定義有著本質(zhì)的區(qū)別。

國(guó)標(biāo)中對(duì)名義幅值的定義描述為理論計(jì)算公式，進(jìn)一步理解可發(fā)現(xiàn)其計(jì)算的前提是振動(dòng)輪/振蕩輪處于自身保守系統(tǒng)內(nèi)，即輪體運(yùn)動(dòng)不受外界條件的任何約束，純粹是自身激振發(fā)生機(jī)構(gòu)引起輪體的運(yùn)動(dòng)[9]；眾所周知，此條件在有引力的地球環(huán)境中是不存在的，因此才稱(chēng)其為名義振幅（也稱(chēng)理論振幅），如同牛頓第一定律，是理想條件下的理論值。壓輪懸空只是解除了地面作用約束，車(chē)架減振器對(duì)輪體的約束依然存在，偏心旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)間的摩擦不可避免，通過(guò)儀器檢測(cè)到的幅值受到多方面約束因素的影響，因此把懸空檢測(cè)方法作為名義振幅的定義是欠妥當(dāng)?shù)?，況且檢測(cè)值和理論計(jì)算值的大小也不相等。不少文獻(xiàn)在計(jì)算名義幅值時(shí)首先建立受約束的動(dòng)力學(xué)模型，經(jīng)方程推導(dǎo)得出較復(fù)雜的計(jì)算結(jié)論，最后再忽略約束簡(jiǎn)化公式，得到正確的推導(dǎo)結(jié)論，看似推導(dǎo)無(wú)誤，實(shí)則自圓其說(shuō)；建立受約束的數(shù)學(xué)模型這個(gè)前提就是錯(cuò)誤的，名義幅值計(jì)算的前提是理想下的保守系統(tǒng)內(nèi)，增加約束再忽略約束，似乎是為了計(jì)算而計(jì)算。懸空檢測(cè)方法在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，其約束相對(duì)較少，檢測(cè)值與名義幅值接近，因而在應(yīng)用中可校對(duì)設(shè)計(jì)理論值的準(zhǔn)確性，檢測(cè)值因受約束條件限制，幅值比理論計(jì)算值略小。名義幅值的不可測(cè)量性決定了采用公式描述作為定義更加貼切。

（2）名義幅值與工作幅值的關(guān)系。

理論計(jì)算的名義幅值可指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，壓路機(jī)工作壓實(shí)過(guò)程中的幅值為工作幅值，工作幅值受到約束作用，與名義幅值的差距必然增大，差值的大小與被壓實(shí)土壤的特性存在關(guān)系。對(duì)于振動(dòng)壓路機(jī)而言，振動(dòng)輪以位移性沖擊的方式作用于地面，由于地面的反彈作用，工作振幅高于名義振幅，隨著地面密實(shí)度的增大，工作振幅與名義振幅的差值會(huì)增大，根據(jù)對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果的分析，一般情況下工作振幅A與名義振幅A0存在以下關(guān)系[10]。

關(guān)于振蕩壓路機(jī)中工作蕩幅和名義蕩幅的比較，暫無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明其數(shù)學(xué)關(guān)系，但可通過(guò)分析確定其大小。振蕩輪的扭擺運(yùn)動(dòng)特征決定了輪體在壓實(shí)過(guò)程中與路面時(shí)刻保持接觸，輪體作為壓實(shí)的主動(dòng)方揉搓土壤，路面對(duì)其往復(fù)扭擺運(yùn)動(dòng)起到阻礙作用，由此可知工作蕩幅低于名義蕩幅，在相同級(jí)配的環(huán)境里，隨著土壤密實(shí)度的增加，土壤顆粒位移變小，輪體與路面的接觸面積減小，工作蕩幅與名義蕩幅的差值會(huì)減小，與振動(dòng)壓路機(jī)振幅的變化規(guī)律相反，工作蕩幅A與名義蕩幅A0存在以下關(guān)系。

比例系數(shù)k值與土壤級(jí)配、路面密實(shí)度等因素有關(guān)，需經(jīng)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)確定其取值范圍。

振蕩壓實(shí)理論

（1）振蕩壓實(shí)的必要條件。

振蕩壓路機(jī)正常壓實(shí)工作的必要條件包括工作質(zhì)量、碾壓速度和振蕩運(yùn)動(dòng)，同時(shí)具備此三要素是振蕩壓實(shí)的前提，工作質(zhì)量是機(jī)器本身的固有屬性，碾壓速度和振蕩運(yùn)動(dòng)是機(jī)器的特有屬性，三者對(duì)振蕩影響至關(guān)重要。某些研究振蕩壓實(shí)數(shù)學(xué)模型的文獻(xiàn)忽略碾壓速度的作用，使得輪體約束與實(shí)際不符，分析數(shù)據(jù)存在較大偏差，如圖5（b）、（d）所示，無(wú)碾壓速度狀態(tài)即原地起振，輪體兩側(cè)約束對(duì)稱(chēng)，普遍簡(jiǎn)化為水平受力，正常工作狀態(tài)下被碾壓過(guò)的路面與輪體接地點(diǎn)中心處相切，約束只在前進(jìn)方向一側(cè)，且接觸面積只是原地起振的一半，輪體受力方向和大小均有差別。

針對(duì)上述分析可能存在的疑問(wèn)是碾壓路面鋪層前后的高度差h較小，輪體對(duì)土壤作用的水平受力遠(yuǎn)大于豎直受力，簡(jiǎn)化為純水平受力有何不可？如果只是研究振蕩輪自身的運(yùn)動(dòng)特征完全可以忽略豎直受力，因?yàn)檩嗴w運(yùn)動(dòng)的振源在其內(nèi)部，外界約束作用對(duì)其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)無(wú)實(shí)質(zhì)性影響。當(dāng)研究振蕩壓實(shí)對(duì)路面土壤的響應(yīng)特性時(shí)，此簡(jiǎn)化過(guò)程忽略了工作質(zhì)量（包括壓路機(jī)上車(chē)質(zhì)量和輪體自身質(zhì)量）對(duì)壓實(shí)的影響，工作質(zhì)量反映到壓路機(jī)外在表征是其一項(xiàng)重要技術(shù)參數(shù)，即靜線(xiàn)壓力。無(wú)工作質(zhì)量狀態(tài)下輪體與路面之間只是線(xiàn)接觸，如圖5（a）所示，無(wú)面接觸無(wú)相互作用力，因此無(wú)壓實(shí)效應(yīng)，工作質(zhì)量作為固有屬性時(shí)刻存在并發(fā)揮作用，是振蕩壓實(shí)的必要條件。

圖5 壓實(shí)三要素對(duì)振蕩壓實(shí)的影響

無(wú)碾壓速度狀態(tài)下的振蕩壓實(shí)見(jiàn)圖5（b），輪體只是在原地繞軸芯往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同樣只是適用于振蕩輪自身運(yùn)動(dòng)特征的研究，壓實(shí)的對(duì)象是具有平面面積特征的路面，滾動(dòng)前進(jìn)是正常施工的前提，因此碾壓速度也是振蕩壓實(shí)的必要條件。此外，振蕩壓實(shí)的本質(zhì)是要發(fā)生振蕩運(yùn)動(dòng)，否則“振蕩壓實(shí)”不能稱(chēng)之為“振蕩”，圖5（c）所示為無(wú)振蕩運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這是靜碾壓實(shí)，已不屬于振蕩壓實(shí)的范疇。

工作質(zhì)量、碾壓速度和振蕩運(yùn)動(dòng)作為振蕩壓實(shí)的必要條件都可進(jìn)行量化設(shè)計(jì)與評(píng)估，3個(gè)參數(shù)之間匹配合理可有效提高壓實(shí)效率和壓實(shí)質(zhì)量，具體匹配取值范圍需對(duì)振蕩壓實(shí)做進(jìn)一步研究和試驗(yàn)。

（2）振蕩壓實(shí)機(jī)理。

振蕩發(fā)生機(jī)構(gòu)的交變力矩作用使得輪體產(chǎn)生繞軸芯的往復(fù)扭擺運(yùn)動(dòng)，輪體與路面保持接觸，無(wú)位移性沖擊，依靠的完全是輪體與土壤顆粒間的相對(duì)滑動(dòng)作用。輪體外圓面對(duì)土壤顆粒施加切線(xiàn)方向的作用力，迫使顆粒發(fā)生較大的動(dòng)量變化（包括大小和方向），瞬間的大加速度可迅速破壞掉顆粒間摩擦阻力。根據(jù)土壤力學(xué)理論，當(dāng)土壤的抗剪強(qiáng)度不足以抵抗某一面上的剪切力作用時(shí)，土壤將沿該剪切力方向產(chǎn)生急劇變形。物體間接觸性質(zhì)的切向作用力產(chǎn)生的原因是摩擦，振蕩輪與土壤顆粒間的摩擦作用是振蕩壓實(shí)所利用的物理學(xué)理論；假若無(wú)相互摩擦作用，振蕩輪的扭擺運(yùn)動(dòng)對(duì)顆粒位移毫無(wú)影響，出現(xiàn)圖5（c）所示狀態(tài)，振蕩特征不復(fù)存在，成為靜碾壓實(shí)。高頻運(yùn)動(dòng)的輪體反復(fù)作用在土壤鋪層，顆粒受到往復(fù)的切向摩擦作用力，致使土壤材料沿剪切面破壞或滑移互相填充和楔緊而提高密實(shí)度，振蕩壓實(shí)機(jī)理闡述中所謂“揉搓”作用形象的描述由此而來(lái)。

克服土壤顆粒間的摩擦約束阻力需要振蕩輪做功，消耗的是振蕩輪的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，能量的損耗必然削弱其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，反饋到外在表征是工作蕩幅幅值的降低，從能量的角度可驗(yàn)證式（4）的正確性。

振蕩輪與土壤顆粒之間的最終作用是力的作用，在具備振蕩壓實(shí)三要素的前提下，土壤顆粒從接觸輪體到被碾壓完成離開(kāi)輪體過(guò)程中的受力狀態(tài)變化體現(xiàn)了振蕩壓實(shí)的響應(yīng)特征，如圖6所示，在振蕩工作狀態(tài)下取壓實(shí)接觸點(diǎn)A、壓實(shí)過(guò)程點(diǎn)B、壓實(shí)離去點(diǎn)C三點(diǎn)處的微觀(guān)顆粒作為研究對(duì)象，3處的受力狀態(tài)反應(yīng)了土壤顆粒在壓實(shí)周期內(nèi)的受力變化情況。從動(dòng)振蕩輪對(duì)土壤顆粒施加作用力如圖7所示，圖中FM表示振蕩輪對(duì)顆粒施加的切向摩擦力，大小隨輪體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律而變化；Fv表示向前的推動(dòng)力，F(xiàn)m表示輪體對(duì)顆粒的重力作用；土壤顆粒受到的其他顆粒的摩擦作用力均與輪體施加的作用力相反，圖中未標(biāo)注。

圖6 土壤顆粒取點(diǎn)位置

圖7 從動(dòng)振蕩輪對(duì)土壤顆粒施加的作用力

振蕩輪與路面土壤的接觸面是圓弧曲面（圖6），壓實(shí)前后產(chǎn)生高度差h，高度差的存在使振蕩切向力FM與水平推力Fv之間形成夾角β（圖7），隨著輪體的滾動(dòng)前進(jìn)，壓實(shí)接觸點(diǎn)A發(fā)生位移變化，高度差h減小，β值減小，當(dāng)A點(diǎn)處于離去點(diǎn)C狀態(tài)時(shí)，β值為0，F(xiàn)M水平作用在C點(diǎn)；β值相對(duì)較小，F(xiàn)M水平方向的分力對(duì)振蕩壓實(shí)作用較大，即“揉搓作用”。FM是切向摩擦力，在土壤級(jí)配均勻的條件下摩擦系數(shù)恒定，正壓力值決定了FM的大小，正壓力是Fv與Fm的合力下的分支，接觸點(diǎn)A與輪體剛剛接觸，處于被壓實(shí)最高位置，相對(duì)于B、C兩點(diǎn)，A點(diǎn)處Fv值最大，且Fm處于上升階段，顆粒在碾壓過(guò)程中的某點(diǎn)受最大Fm作用，離去點(diǎn)C處Fm最小；因顆粒被碾壓下沉逐漸遠(yuǎn)離輪體中心的水平面，A、B、C三點(diǎn)所受水平推力Fv依次減小。

經(jīng)上述分析可知，土壤顆粒在壓實(shí)周期內(nèi)受到多個(gè)方向的作用力，且各個(gè)作用力的大小和方向時(shí)刻在變化，如圖8所示，振蕩輪振蕩運(yùn)動(dòng)周期遠(yuǎn)小于顆粒壓實(shí)周期，在壓實(shí)周期內(nèi)顆粒受到振蕩切向力的多次往復(fù)摩擦作用。振蕩壓實(shí)過(guò)程中，輪體的振蕩運(yùn)動(dòng)主要作用在顆粒的水平方向，輪體對(duì)顆粒的重力作用主要作用在豎直方向，重力作用是振蕩壓實(shí)的前提，振蕩運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)了重力作用的效果，兩者的共同作用能夠更加迅速地克服顆粒間摩擦力，促使顆粒產(chǎn)生位移變化，提高壓實(shí)效率。

圖8 土壤顆粒在壓實(shí)周期內(nèi)的受力曲線(xiàn)

當(dāng)振蕩輪作為主動(dòng)輪時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩繞輪體軸芯線(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪體轉(zhuǎn)動(dòng)，輪體與土壤之間的切向摩擦力（驅(qū)動(dòng)力）促使輪體滾動(dòng)前進(jìn)，驅(qū)動(dòng)力與輪體對(duì)土壤顆粒的振蕩切向力FM共線(xiàn)，起到加強(qiáng)“揉搓”壓實(shí)的作用；主動(dòng)輪滾動(dòng)前進(jìn)過(guò)程中或多或少存在滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象雖然影響了整車(chē)動(dòng)力性能，但卻使輪體與土壤之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即會(huì)產(chǎn)生摩擦力，促使土壤顆粒發(fā)生切向位移，同樣起到加強(qiáng)“揉搓”壓實(shí)的作用。壓路機(jī)作為一種用于提高路面密實(shí)度的設(shè)備，其主動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)摩擦作用和不可避免的輪體滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象均可加強(qiáng)土壤顆粒的切向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，尤其對(duì)于振蕩壓路機(jī)而言，輪體與路面保持接觸有利于提高壓實(shí)效率。

（3）振蕩壓實(shí)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)土壤顆粒振蕩響應(yīng)的分析，并結(jié)合振蕩運(yùn)動(dòng)特征，可知振蕩壓實(shí)具有以下特點(diǎn)。

（a）振蕩輪與路面始終保持接觸，變向的輪體運(yùn)動(dòng)時(shí)刻作用于土壤顆粒，可充分利用振蕩能量，能量利用率高。

（b）揉搓壓實(shí)對(duì)整機(jī)和地面振動(dòng)影響較小，機(jī)器無(wú)共振現(xiàn)象存在，駕駛員操作更加舒適。

（c）振蕩壓實(shí)對(duì)地面無(wú)位移性垂直運(yùn)動(dòng)沖擊，路面鋪層材料無(wú)骨料損傷現(xiàn)象。

（d）不會(huì)對(duì)已壓實(shí)的路面材料產(chǎn)生松散破壞影響，新舊路面接縫的壓實(shí)效果較好。

（e）揉搓壓實(shí)減少了被壓實(shí)材料內(nèi)部的“離析”現(xiàn)象，提高了表面層的防水滲透能力，能夠獲得更好的面層密封效果。

（f）振蕩輪對(duì)鋪層材料的持續(xù)揉壓作用，對(duì)路面鋪層具有提漿作用，保證表面平整光滑，提高路面壓實(shí)質(zhì)量。

振蕩壓路機(jī)具有壓實(shí)效率高、壓實(shí)質(zhì)量好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了振動(dòng)壓路機(jī)在施工中產(chǎn)生的負(fù)面影響，在橋梁建設(shè)、古建筑、城市小區(qū)等對(duì)振動(dòng)比較敏感的場(chǎng)合應(yīng)用較為適宜。盡管壓實(shí)影響深度相對(duì)較小，但這恰好對(duì)瀝青混合料面層的壓實(shí)十分有利，事實(shí)表明振蕩壓實(shí)對(duì)于難以壓實(shí)的瀝青鋪層，比如石屑封層、排水瀝青、改性瀝青SMA等具有較理想的壓實(shí)效果，對(duì)于低溫混合料（混合料溫度不小于100 ℃時(shí)）也能獲得理想的壓實(shí)效果[4]。

振蕩壓實(shí)與其他壓實(shí)方式的區(qū)別

（1）振蕩與水平振動(dòng)。

振蕩、圓周振動(dòng)、垂直振動(dòng)、水平振動(dòng)、傾斜振動(dòng)等名詞作為定語(yǔ)修飾壓路機(jī)，描述的均是壓路機(jī)輪體的運(yùn)動(dòng)特征，其中振蕩和水平振動(dòng)兩者常被混淆為同一種運(yùn)動(dòng)方式，甚至不少?gòu)氖聣郝窓C(jī)設(shè)計(jì)研究的專(zhuān)業(yè)人員在解說(shuō)振蕩運(yùn)動(dòng)特征時(shí)仍然采用“水平振動(dòng)”或“水平振蕩”作為描述[10]。在混淆理解中最常見(jiàn)的是把振蕩和“水平”兩字聯(lián)系起來(lái)，誤解的根源在于對(duì)振蕩特征認(rèn)識(shí)不足，認(rèn)為振蕩壓實(shí)是輪體接地點(diǎn)水平揉搓路面，因而特意增加“水平”作為定語(yǔ)描述。事實(shí)上振蕩與水平振動(dòng)的發(fā)生機(jī)構(gòu)和外在表現(xiàn)特征都有著本質(zhì)區(qū)別。

振蕩壓路機(jī)是具有往復(fù)性扭擺運(yùn)動(dòng)特征壓路機(jī)的專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)，振蕩輪作為整體運(yùn)動(dòng)的剛性體繞輪體軸芯往復(fù)擺動(dòng)，振蕩發(fā)生機(jī)構(gòu)作用于輪體的是交變力矩作用。如圖9（a）所示，輪體徑向上每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位移大小不同，外圓面上的質(zhì)點(diǎn)具有最大蕩幅，軸芯線(xiàn)處蕩幅為零，運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)類(lèi)似生活中見(jiàn)到的掛鐘鐘擺，外圓面接地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡呈圓弧狀。

圖9 振蕩與水平振動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)

水平振動(dòng)屬于定向振動(dòng)，應(yīng)用于壓路機(jī)屬于振動(dòng)壓路機(jī)的范疇。按輪體在平行于地面的平面內(nèi)振動(dòng)方向的不同，可分為徑向水平振動(dòng)和軸向水平振動(dòng)，如圖9（b）、（c）所示，2種振動(dòng)形式的輪體都是作為剛性體進(jìn)行整體運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)發(fā)生機(jī)構(gòu)作用于輪體的是往復(fù)力的作用，參振主體上每個(gè)質(zhì)點(diǎn)具有相同的運(yùn)動(dòng)位移（包括大小和方向）。水平振動(dòng)的方向與地面平行，徑向水平振動(dòng)對(duì)土壤顆粒同時(shí)施加水平方向的位移性沖擊力和摩擦性質(zhì)的接觸作用力，沖擊力主要作用在顆粒壓實(shí)周期前段，摩擦力主要作用在顆粒壓實(shí)周期后段。軸向水平振動(dòng)則完全依靠摩擦力作用于路面鋪層。宏觀(guān)上振蕩與水平振動(dòng)的振源激勵(lì)方式不同，但從微觀(guān)土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)角度分析，均是通過(guò)力的作用增加土壤密實(shí)度，只不過(guò)不同特征決定了適用于不同場(chǎng)合和鋪層材料，殊途同歸。

（2）振蕩壓實(shí)與輪胎壓實(shí)。

振蕩壓實(shí)是振動(dòng)壓實(shí)中的特例，輪胎壓實(shí)屬于靜碾壓實(shí)，2種類(lèi)型壓路機(jī)最主要的區(qū)別在于壓輪，振蕩輪是能夠產(chǎn)生繞輪體軸芯線(xiàn)高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)的剛性體，輪體時(shí)刻與路面保持接觸，依靠外圓面的切向摩擦力引起土壤顆粒產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)；輪胎壓路機(jī)的壓輪是可變形的彈性光面橡膠輪胎，壓實(shí)過(guò)程中輪胎同樣時(shí)刻與路面保持接觸，在整機(jī)質(zhì)量的作用下與路面接觸部分的輪胎發(fā)生彈性變形，輪胎變形擴(kuò)張產(chǎn)生平行于路面的發(fā)散式橫向剪切力，進(jìn)而推動(dòng)土壤顆粒產(chǎn)生位移性變化，可見(jiàn)2種截然不同的壓實(shí)方式對(duì)路面土壤均有切向“揉搓”的壓實(shí)作用。

壓輪與路面土壤之間的摩擦作用是保證正常壓實(shí)工作的前提，若無(wú)此摩擦作用，圓周振動(dòng)、垂直振動(dòng)等這類(lèi)依靠豎直方向上的位移性沖擊壓實(shí)的設(shè)備仍可通過(guò)輪體位移施力于地面，但接觸性質(zhì)的切向作用力不復(fù)存在，振蕩壓實(shí)與輪胎壓實(shí)都將變?yōu)榧兇庖揽恐亓Φ撵o碾壓實(shí)。振蕩輪同時(shí)作為驅(qū)動(dòng)輪時(shí)，正常范圍內(nèi)的輪體滑轉(zhuǎn)利于剪切土壤，輪胎壓輪作為驅(qū)動(dòng)輪時(shí)，滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象使輪胎產(chǎn)生縱向的彈性變形，輪胎與路面的接觸面積較大，具有較好的密封壓實(shí)效果，彈性輪胎變形后產(chǎn)生的“彈性遲滯”現(xiàn)象可加長(zhǎng)輪胎對(duì)路面鋪層揉搓力的作用時(shí)間，利于提高壓實(shí)效率和壓實(shí)質(zhì)量。高頻運(yùn)動(dòng)的振蕩輪將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為土壤顆粒的動(dòng)能，彈性變形的輪胎將彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為土壤顆粒的動(dòng)能，切向“揉搓”特征決定了振蕩壓實(shí)與輪胎壓實(shí)對(duì)地面作用的深度相比位移性振動(dòng)壓實(shí)要小，兩種類(lèi)型壓路機(jī)應(yīng)用于路面表層壓實(shí)更為適宜。

結(jié)語(yǔ)

（1）振蕩輪利用繞軸芯的力矩作用迫使輪體產(chǎn)生往復(fù)性的扭擺運(yùn)動(dòng)，輪體滾動(dòng)前進(jìn)的“公轉(zhuǎn)”作用對(duì)振蕩運(yùn)動(dòng)的影響只是相位的提前或滯后，對(duì)其大小和方向無(wú)實(shí)質(zhì)性影響。

（2）名義幅值是在輪體自身保守系統(tǒng)內(nèi)推導(dǎo)計(jì)算得出的理論值，輪體懸空測(cè)量值只可檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確性，名義幅值的不可測(cè)量性決定了其定義采用公式描述方式更為貼切。

（3）振動(dòng)壓路機(jī)工作振幅大于名義振幅，隨著土壤密實(shí)度的增加，工作振幅與名義振幅的差值增加；振蕩壓路機(jī)工作蕩幅小于名義蕩幅，隨著土壤密實(shí)度的增加，工作蕩幅與名義蕩幅的差值減小。

（4）工作質(zhì)量、碾壓速度和振蕩運(yùn)動(dòng)三要素是振蕩壓實(shí)的必要條件，3個(gè)參數(shù)均可進(jìn)行量化設(shè)計(jì)與評(píng)估，相互合理匹配可有效提高壓實(shí)質(zhì)量和壓實(shí)效率。

（5）振蕩輪與土壤顆粒間的摩擦作用是振蕩壓實(shí)的本質(zhì)。土壤顆粒在振蕩壓實(shí)周期內(nèi)受到多個(gè)方向的作用力，且各個(gè)作用力的大小和方向時(shí)刻發(fā)生變化，在綜合作用力下顆粒被迫發(fā)生位移性運(yùn)動(dòng)；主動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)摩擦作用和不可避免的輪體滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象加強(qiáng)了土壤顆粒的切向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，有利于提高壓實(shí)效率。

（6）振蕩壓實(shí)具有能量利用率高、振動(dòng)影響小、無(wú)骨料壓碎現(xiàn)象、平整度較高、面層封層效果好等優(yōu)勢(shì)，在道路壓實(shí)施工中將會(huì)起到不可替代的作用。

（7）振蕩和水平振動(dòng)作為定語(yǔ)修飾壓路機(jī)描述是均是輪體的運(yùn)動(dòng)特征，2種壓路機(jī)發(fā)生機(jī)構(gòu)的激勵(lì)方式和外在運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)特征有著本質(zhì)區(qū)別，振蕩和水平振動(dòng)無(wú)直接聯(lián)系，屬于不同類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)方式。

（8）振蕩壓實(shí)和輪胎壓實(shí)屬于不同的壓實(shí)范疇，相比位移性沖擊的振動(dòng)壓實(shí)，兩者對(duì)土壤顆粒均具有切向揉搓作用，對(duì)路面鋪層影響深度相對(duì)較小，應(yīng)用于路面表層壓實(shí)更為適宜。

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特稿

為了解決應(yīng)用煤炭資源所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，學(xué)者們研發(fā)出了潔凈煤技術(shù)，煤直接液化技術(shù)是其中的一種。煤直接液化技術(shù)可以生產(chǎn)汽油、柴油、液化石油氣以及芳香烴等工業(yè)產(chǎn)品，但是會(huì)有20%~30%的副產(chǎn)品——煤直接液化殘?jiān)―CLR）。對(duì)DCLR的利用程度直接影響煤液化技術(shù)的轉(zhuǎn)化效率以及經(jīng)濟(jì)性，所以這種副產(chǎn)品備受研究者關(guān)注。

本期約稿綜述了國(guó)內(nèi)外對(duì)于DCLR的高附加值利用方式，重點(diǎn)介紹作為道路瀝青改性劑方面的應(yīng)用；探討了DCLR和廢舊膠粉（RP）的高附加值利用——DCLR-RP復(fù)合改性瀝青的制備方法和基本性能。結(jié)果表明：DCLR-RP復(fù)合改性瀝青的高溫性能和低溫性能均比基質(zhì)瀝青有所提高，而且水穩(wěn)定性也符合規(guī)范的要求。因此，DCLR和RP作為瀝青改性劑應(yīng)用于瀝青路面，可極大地提高廢舊資源的利用率并改善路面使用性能。