振动压路机跳振状态动力学仿真及试验研究

摘要：建立了正常与“跳振”状态下振动压路机与被压材料的动力学模型，对振动轮加速度随被压材料模量的变化进行了数值仿真和试验验证。结果表明，在 “跳振”状态下振动轮振动加速度发生畸变，各次谐波分量增多，0.5次谐波分量与激振主频分量幅值比大小可以表示“跳振”程度，在压实作业时应避免压路机出现“跳振”。

关键词：跳振；振动压路机；频率；谐波

中图分类号：U415.52+1文献标志码：B

Abstract： Dynamic models of vibratory rollers in normal and double jumping conditions were established， and numerical simulation and experimental validation of vibratory wheels acceleration along with the variation of modulus of crushed material were conducted. Results show that harmonic distortion of vibratory wheel acceleration appears and harmonic component increases under double jumping condition. The amplitude ratio of 0.5 times harmonic component and vibration frequency component indicates the degree of double jumping， which should be avoided during compaction.

Key words： double jumping； vibratory roller； frequency； harmonic

0引言

振动压路机以其良好的压实效果成为了路基路面施工中最主要的压实机械，振动压实是克服颗粒材料摩擦力、减小孔隙率、增加密实度、提高承载力的过程。振动压路机振动轮与铺层材料紧密接触时，压实能量能有效作用于铺层。而出现“跳振”时，振动轮部分或完全跳离铺层表面，铺层材料受到不规则冲击，颗粒材料被击碎，铺层表层变松散，严重影响压实质量。“跳振”是一种非正常工作状态，原因复杂，有经验的工程人员可以凭感官判断是否出现“跳振”，但机器自动识别则较为困难，同时给压实度实时检测系统准确判断压实与否增加难度。

1振动压路机被压材料动力学模型

1.1正常状态下振动压路机被压材料动力学模型

振动压路机被压材料为复杂的多自由度振动系统，“振动压路机被压材料”系统二自由度数学模型[1]在一定程度上可以反映实际动态响应而被广泛采用。如图1、2所示。

系统响应的初始值，对系统进行求解。

2振动轮与被压材料动力学特性数值仿真

振动轮加速度信号包含了比较全面的压实信息，是对压实过程中振动压路机与被压材料动力学特性的直接反映。振动压路机振动频率、振幅一定时，随着铺层材料刚度增加，Fs增大，振动轮的振动加剧；当铺层刚度较大时，振动轮和机架都将出现剧烈振动，出现跳离地面的现象，严重者振动轮将出现不规则振动或者混沌振动，降低铺层压实质量。

以某20 t单钢轮振动压路机作为仿真对象，振动频率为28 Hz，名义振幅为1.8 mm，轮宽2 m；被压材料为沙性土，泊松比ν为0.25，给定材料剪切模量后仿真得到振动轮加速信号特征如图3所示。

在上述仿真结果中，剪切模量为35 MPa时（可认为材料密实度不高、刚度小，还可继续压实），振动轮加速度信号为正弦曲线，振动轮表现为以激振频率为主频的受迫振动。当剪切模量为45 MPa时，由于材料刚度较大，仿真结果中振动轮加速度信号出现明显畸变，幅值变化较大，且比剪切模量为35 MPa时偏大。

3“跳振”状态下的振动轮动力学响应试验

为验证上述分析和仿真结果，选用某20 t单钢轮振动压路机进行现场试验，振动频率为28 Hz，振幅分别为0.9 mm、1.8 mm。选用压电式加速度传感器，安装于振动轮钢轮与机架连接部位的未减振横梁上，完成加速度信号的实时采集和实时频谱分析。

铺层材料较为松散时，在振动压实作用下，有较大的沉降，材料以塑性变形为主，振动能量大部分被铺层吸收，振动轮主要表现为以激振频率为主频的受迫振动，谐波分量成分较少，仅有二次谐波分量出现；当材料密实度变高时，铺层刚度变大，阻尼变小，材料对振动轮作用反力Fs变大，振动轮振动幅度加大，当压路机与被压材料出现非紧密接触状态或部分跳离地面时，振动轮加速度频谱中0.5次、1.5次、2次、2.5次、3次谐波分量幅值增大，机架振动幅度加大，机架和驾驶室将出现剧烈振动。

0.5次谐波分量幅值在“跳振”状态下比正常状态下大，以0.5次谐波幅值与基频幅值之比可以表示振动轮“跳振”程度，作为压路机识别“跳振”的方法，压实度随车检测系统或智能压路机可以采用此方法。

4结语

（1） 材料密实程度或刚度阻尼不同，振动轮动力学响应则不同，振动轮加速度正是这种动力学响应的表现。

（2） “跳振”往往发生在材料已被压实的状态下，或是压路机工作在强度较高的路面上以及压路机工作参数如频率、振幅等选择不合理的情况下。“跳振”一般伴随着机架和驾驶室的剧烈振动，较严重时会出现振动轮在铺层表面滑移，甚至“混沌”振动。

（3） 在“跳振”时振动轮加速度信号谐波分量成分增加，出现0.5次、1.5次、2次、3次谐波分量，将0.5次谐波分量幅值与主频分量幅值的比值作为判断“跳振”的方法，具体比值大小区间可通过试验确定。

参考文献：

[1]何建和.振动压路机动力学特性及新型密实度仪研究开发[D].福州：福州大学，2003.

[2]辛丽丽，梁继辉，闻邦椿. 振动轮跳振现象的振动压路机系统的动力学特性分析[J].中国工程机械学报，2008，6（2）：161166.