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酒井双钢轮压路机(酒井双钢轮压路机)

振动压路机顾名思义是可以产生振动的压路机,由静碾压路机衍生而来,当其不振动时可具有静碾压路机一样的静压功能,振动时比静碾压路机具有更高的压实质量和工作效率,因而得到了市场的认可和广泛应用。振动压路机振动参数主要包括振动频率、振幅和碾压速度,三者从各自的生成角度看是孤立的,但从整机路面压实效果看是相辅相成缺一不可的。密实度和平整度是评价路面压实质量最重要的两项指标,振动频率和振幅决定了路面的密实度,碾压速度决定了路面的平整度,本文由理论分析出发,联系实际应用,对各个振动参数的取值以及匹配关系进行了探究。

振动压实机理

压路机的振动是由钢轮内的偏心机构旋转产生的,偏心机构高速旋转产生较大的离心力,迫使钢轮在地面上产生竖直方向上的运动,振动钢轮以连续反复冲击土壤(这里的土壤并非地理学与农业科学中所讲的土壤,而是泛指压路机可以碾压的路面材料,包括粘土、粉土、砂子、砾石、填方岩石以及沥青等)的方式进行压实工作,使得压力波从土壤的表面向深处传播,土壤颗粒处于运动状态,颗粒间的摩擦力被消除,在这种状态下,小的土壤颗粒填充到大的土壤颗粒的孔隙中,土壤处于容积尽量缩小的状态。关于土壤振动压实理论主要有以下几种学说。

(1)土壤共振学说。根据物理学原理,当被压实土壤的固有频率和压路机钢轮的振动频率一致时,振动压实能得到最佳效果,但是由于土壤的级配多种多样,物理特性不尽相同,固有频率是随机变化的,因此要使一机多用且达到较好的压实效果,振动钢轮的频率需要有一个无级调节范围以适应不同固有频率的土壤。

(2)重复冲击学说。利用振动钢轮在土壤上所产生的周期性压缩运动作用使土壤压实,为此就需要增大钢轮与土壤接触前一瞬间的动量,这就要求振动钢轮具有较大振幅和较大振动部分的质量。

(3)内摩擦减少学说。土壤的内摩擦因振动作用而急剧减小,使其剪切强度下降到只要很小的负荷就能够进行压实,为此需要钢轮在振动过程中始终保持与土壤接触,使土壤的振动频率、振幅与振动钢轮的振动频率、振幅相同,就能得到较好的压实效果,在这种情况下,振动钢轮传递给土壤的纯粹是振动能量,为使钢轮达到这样一种工作状态,就必须使振幅减小使它不脱离地面。

(4)土壤液化学说。在振动波的作用下,土壤颗粒呈现高频受迫振动状态,其内部的粘聚力和摩擦力急剧下降,使之仿佛处于流动状态,此即称之为“液化现象”,液化现象使得土壤颗粒之间相互填充,并且由于受自身重力作用而向低势能方向流动,这就为压实创造了条件,为了使土壤液化更充分,就必须施加足够的振动加速度。

以上四种学说从不同的角度解释了振动压实机理,土壤共学说从振动频率的角度,重复冲击学说从振幅的角度,内摩擦减少学说从振动频率和振幅的综合角度,土壤液化学说可归纳为振动频率的角度,由此可见振动频率和振幅是影响振动压路机压实能力的重要参数,这就对振动频率和振幅参数数值提出了要求,即振动频率要接近土壤颗粒的固有频率,振幅理论上是越大越好,然而振幅偏大会使振动钢轮跳离地面,使得钢轮与土壤的接触时间减少,影响压实效果,所以只有在振动频率和振幅同时满足要求时才能够达到理想的压实要求。

振动参数的选择

振动频率的选择

振动钢轮内的偏心机构在驱动力的作用下受迫绕定轴进行旋转运动,液压振动压路机是由液压马达驱动偏心机构,机械振动压路机是由链条装置驱动偏心机构,振动频率f:

ω—偏心机构的旋转角速度/(rad/s)。

按照土壤共振学说,当被压实土壤的固有频率与压路机振动频率一致时,能得到最佳的振动压实效果,然而在现实情况中,土壤的级配、结构以及物理特性各不相同,要确定振动频率的具体参数数值是困难的,即使确定了也只是针对特定的土壤,压路机的使用范围受到限制,即便同一施工区域的土壤,随着密实度的增大,土壤的力学参数刚度呈上升趋势,阻尼呈下降趋势,固有频率呈上升趋势,因此为充分利用振动能量,提高工作效率,振动频率应稍大于土壤固有频率。

为选择合理的振动频率,需要对振动压路机的使用场合进行分类,针对不同的场合进行实验进而得相应的频率值,从而出现了吨位大小不等、碾压形式各不相同的振动压路机。每一层阶的土壤材料不同,要求压实的深度不同,决定了每个层次使用的压路机种类不同。

路基是路面的基础,是路面的支撑结构物,铺层较厚,组成材料广泛,从粗大的石块到含有细小颗粒的粘土,大小不一,千差万别,被压实过后的下沉量较大,对路面平整度的要求相对较低。实践证明,采用重型振动压路机是压实岩石填方最有效的方法,振动频率为25~30Hz之间为宜。

次基层和颗粒基础层的材料主要是砂、砾石以及细小土颗粒,压实要求比路基高,因此常采用吨位稍大的单钢轮振动压路机或10吨级以上的双钢轮振动压路机进行压实,实验表明振动频率在25~40Hz范围内能够得到较好的压实效果。

沥青基础层以及面层由摊铺机洒布后压路机紧跟进行压实,对密实度以及路面平整度均有较高要求,研究资料表明,多数沥青混合材料的固有频率大于40Hz,铺层越薄固有频率越高,因此在通常情况下选择10吨级左右的双钢轮振动压路机进行压实,振动频率选择在40~50Hz之间为宜,对于路面薄层可选择振动频率50~70Hz之间。

振幅的选择

通常所说的压路机振幅是指名义振幅,所谓名义振幅是指把振动钢轮用支撑物架起来,振动轮悬空时测得的振幅,也成为“空载振幅”;振动压路机在实际振动压实作业时的振幅为压路机的工作振幅,由于受到机器本身重力和路面土壤刚度的影响,工作振幅是一个随机变化的值,与名义振幅存在一定的差值,但差值较小,名义振幅仍能够反映出振动压路机的实际

压实性能,所以为了评价和比较不同机型的振动压路机的振动压实性能,引入了名义振幅的概念。

名义振幅A0的大小只与振动轮本身的参振质量以及振动钢轮内偏心机构的静偏心矩有关,而不受外部工况条件的约束,是理想状态下的振动,可进行计算。

参振质量是指参与振动压实工作所有零部件质量的总和,包括振动钢轮本身、偏心机构、振动液压马达、钢轮两侧的支撑板等,甚至还应计入减振器质量的一半。

与振动频率相对而言,压路机振幅的变化对路面压实效果有着更显著地效果。

振动频率在25~50Hz范围内的压实效果较好,且压实曲线变化相对较平缓,说明在这段区域内振动频率对压实效果的影响不大;而在25~50Hz的频率范围内,当振幅增加一倍时,压实效果则发生了跳跃性变化。

振幅增大,土壤颗粒运动的位移随之增大,振动钢轮对地面作用的冲击能量增大,振动冲击波在土壤中传播的距离增加,因而可得到更好的压实效果。但过大的振幅将会导致压路机上车的振动幅度加剧,对驾驶员的舒适性以及机器零部件的使用寿命均有不利影响。并且过大振幅会造成路面“过压实现象”,使得土壤材料产生酥松,级配材料分层离析,被压实表面呈现“搓板形”等压实缺陷,路面压实质量反而降低了。

对压实沥青混合料的振动压路机,由于沥青的粘滞作用,振幅大小对混合料中骨料颗粒的运动位移影响不大,所以应选择小一些的振幅,而为了使沥青能够较充分的与各种骨料渗透及揉合,振动频率应取得偏高一些。

综上可知,不同的压实介质、不同的施工工况应选择与其相匹配的振幅,以保证振动压路机的压实质量和工作效率。

振动频率和振幅是振动压路机技术参数中成对出现的,两者同时影响着对地面压实效果,因此两者的组合共同决定了压路机的使用范围和场合,又因为土壤的物理和力学特性的随机性,所以只能通过大量实验和统计的方法来确定压路机的振动参数。

碾压速度的选择

土壤密实度决定了路面的使用寿命,而路面平整度决定了使用人群的舒适性,道路的最终使用评价对象是人群,所以平整度是评价路面质量的另一个重要指标。振动压路机的碾压速度对路面压实质量和工作效率有直接影响,施工实践证明,碾压速度过低,会使摊铺和压实工序间断,影响压实质量;碾压速度过高,会产生推移、横向裂纹或波纹等现象。碾压速度的选择原则是在保证压实质量的前提下,最大限度地提高碾压速度,从而减少碾压遍数,提高工作效率。

振动压路机在进行碾压工作时,振动钢轮内的偏心机构也在高速旋转,振动频率不变的前提下压路机碾压速度决定了钢轮冲击地面的振动冲击间距,冲击间距过大,压实表面会产生像洗衣板一样的波纹现象,路面的平整度较差,而且波纹顶部的密实度低,底部的密实度高,说明路面的密实度分布不均匀;冲击间距过小,会产生过压现象。因此,合理的振动冲击间距是保证压实质量的重要因素。

与静作用压路机相比,振动压路机的碾压速度对压实效果的影响更加明显,因为在振动压实时,土壤颗粒由静止的初始状态变化为运动状态需要一个过程,这个过程持续时间的长短与土壤颗粒之间的粘聚力、吸附力的大小有关,也与振动压路机的静线载荷有关,振动压路机经振动压实过后的路面会存在下沉量。

实验证明,土壤颗粒被高效压实的基础是钢轮通过某点时,至少对该点施加不少于3次的连续激振,否则就不足以使土壤颗粒由静止的初始状态进入运动状态。

可知,压路机振动工作时的碾压速度最大允许值与振动钢轮半径、振动频率以及碾压材料的下沉量有关,钢轮半径和振动频率越大,碾压速度越大,工作效率越高。振动钢轮半径和振动频率在进行压路机设计时便已确定,而路面经碾压后的下沉量h是一个随机变量,难以给出一个准确的值,因此导致碾压速度不能够精确计算,经验表明,在一个振动周期内振动钢轮行走距离在3厘米左右时可克服土壤颗粒之间的粘聚力和吸附力,由此可得v(km/h)。

根据振动频率范围可得到不同类型振动压路机的碾压速度范围。

为达到压实度、平整度以及工作效率的综合要求,不同类型压路机的振动参数存在的规律为:随着机型质量的增大,振动频率呈减小趋势,振幅呈上升趋势,碾压速度呈下降趋势,符合压路机振动参数设计中的高频低幅、低频高幅搭配原则。

发展趋势和方向

随着工程建设的需要以及现代化技术的不断发展,压路机的品种规格越来越多,如何实现“多快好省”的达到施工标准是压路机生产厂家和施工单位的共同要求。我国对压路机生产制造的研究起步较晚,从20世纪80年代起到2003年末是我国压路机大发展时期,从仿制、技术引进、消化吸收到研制开发,压路机自主技术方面取得了较大的进展,然而与国外压路机相比仍存在较大差距。

传统振动压路机以单频单幅、双频双幅为主,碾压速度需要人为的进行掌握控制,压实质量和工作效率难以满足要求,使用场合、范围均也到一定的限制,因此多级调频调幅、无极调频调幅以及可实时进行路面压实度检测控制的智能压路机应运而生。

酒井的SW系列振动压路机具有3种振动频率、2种振幅,选择范围更加广泛;沃尔沃DD系列振动压路机具有8级可调振幅,且配备了振动步频表,振动步频表内的绿色区域范围是振动频率、振幅和碾压速度三者之间最佳的匹配关系,驾驶员只要保证指针在此区域内进行振动压实即可取得较好的路面压实效果;美国英格索兰公司的DD-130双钢轮串联式振动压路机,它在每个振动轮中都具有自动反向的偏心装置,可实现从7225~16330kg的8种不同激振力输出,即存在8级调幅,基本上可以满足所有土壤类型路面的碾压需要;宝马格公司独家研制出了具有自动控制压实系统的(variomatic)智能振动压路机,配备密实度仪,实时检测、控制调节振幅,保证压实具有最大能量,达到路面最理想的压实要求。多级调频调幅的振动压路机需要计算机、自动化、智能化等多方面先进技术的支持,技术含量高,制造成本偏大,目前主要是外国几家技术力量雄厚的厂家在研发制造,这种能够实时监测并能够反馈调整压路机振动参数来满足路面压实需要的智能振动压路机符合高效节能、绿色环保、操作简便、人性化设计的要求,是未来振动压路机发展的必然趋势。

小结

(1)对振动压实机理的四种学说进行分析得到了压路机振动频率和振幅是影响路面密实度的主要因素。

(2)由振动频率、振幅以及碾压速度的定义和计算公式可知三种参数之间是独立互不影响的,但从压路机工作效果角度分析,三者之间相辅相成共同决定了整机使用性能。

(3)基于路面密实度、平整度以及工作效率的要求,分别对三种振动参数进行了相关经验计算和数据统计,针对不用施工工况分析得到了不同类型压路机的振动频率、振幅和碾压速度的取值范围,为压路机设计人员和施工单位合理选择振动参数提供了理论和数据支持。

(4)能够根据压实要求进行反馈调节的多级调频调幅智能化振动压路机是未来发展的方向。

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