双钢轮振动压路机双轮土壤压路机
姜右良 万汉驰
摘要：為了直观地表征振动/振荡压路机对路面土壤的振动影响，建立了圆周振动、垂直振动、扭摆振荡、复式水平振荡4种压路机钢轮接地点的运动轨迹方程。在真实参数的条件下进行建模仿真，得到了各类型压路机钢轮接地点的运动轨迹曲线以及加速度曲线；分析了钢轮运动对土壤颗粒动态性能的响应；比较了压路机在选择参数、使用场合等方面的特征。研究对压路机钢轮设计以及施工方选型均具有参考价值。
关键词：振动；压路机；仿真；运动轨迹
中图分类号：U415.521文献标志码：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
路面压实质量的好坏是判定压路机性能优劣的主要因素，振动/振荡压路机以其特有的运动特征提高了路面压实效率和质量[14]。因此，从压路机钢轮与土壤之间的相互作用着手是研究压路机压实性能的主要途径。
振动/振荡压路机钢轮内部均设有激振发生机构，按激振机构差异进行分类，主要有圆周振动压路机、垂直振动压路机、扭摆振荡压路机和复式水平振荡压路机4种类型[5]。圆周振动压路机最先诞生，通常被作为其他3种机型的比较对象；垂直振动压路机激振力在钢轮竖直方向上叠加，具有大振幅、大激振力、高压实效率的优势；扭摆振荡压路机以揉搓的方式压实路面，产生较小的振动影响，用于桥梁压实，压实质量高；复式水平振荡压路机对土壤进行多方位压实，具有振幅大、振动破坏小以及路面平整度好等优势。基于研究需要，建立4种类型压路机钢轮接地点的运动轨迹方程，并通过Matlab软件仿真得到钢轮接地点的运动特性曲线，进而分析土壤颗粒的运动特征。
1振动压实理论和建模依据
振动/振荡压路机不同的激振形式反映到钢轮上是不同运动方向的，即运动轨迹不同。钢轮与路面土壤颗粒直接接触，对于被压实的土壤颗粒而言，一切位移变动均是由钢轮的运动引起；压实机理的本质是土壤颗粒受迫运动进而相互填充重新排列，使路面密实度得到提高[68]。偏心激振机构的规律性运转使钢轮具有振幅和振动频率2种重要的外在表征参数。振幅是指钢轮在压实过程中偏离平衡位置的最大位移，它决定了土壤颗粒的运动范围，范围越大压实效率相对越高；振动频率是指钢轮在单位时间内对地面的冲击次数，它决定了土壤颗粒在单位时间内达到位移峰值的次数，反映了土壤颗粒加速度的大小，加速度越大颗粒间的碰撞越剧烈，相互填充效果越好。
压路机实际的压实工作是一个复杂的随机过程，压实质量与土壤级配、自身重量、压实速度以及钢轮的振幅、振动频率等因素密切相关，而钢轮是一切振动的起源，其振动状态直接决定了土壤颗粒和压路机的振动响应。因此，钢轮振动状态可直接反映与之相关的振动响应。
基于上述振动源响应理论，可以用钢轮自身保守系统的运动状态反映土壤颗粒的运动响应，钢轮接地点运动轨迹可被数值曲线化，使土壤颗粒动态特征表现得更加直观。本文主要探究钢轮对土壤颗粒的运动响应，而对与钢轮相关联的上车部分运动不做讨论。
2压路机钢轮接地点运动轨迹方程
2.1圆周振动压路机
圆周振动压路机是市场上常见的振动压路机，钢轮轴芯线方向上设置有激振机构，激振机构多种多样，不管是单振幅还是由多振幅形式，振动原理均是激振机构高速旋转产生的离心力（激振力）迫使钢轮发生振动，圆周振动压路机钢轮结构如图1所示。
2.2垂直振动压路机
垂直振动压路机是日本酒井重工业株式会社为缩短大坝施工工期开发的新型振动压路机，其钢轮内部绕轴芯对称安装2套相同的激振机构[911]，如图2（a）所示；其相位差为零，同步反向的旋转方式可使激振机构在水平方向上的激振力相互抵消，竖直方向上的激振力相互叠加，如图2（b）所示。
在激振力的作用下，钢轮作为整体的刚性体，每个质点具有相同的运动状态，则与土壤接触部分钢轮的运动轨迹方程为
2.3扭摆振荡压路机
扭摆振蕩压路机钢轮内绕轴芯对称布置2套完全一致的激振机构，如图3（a）所示；安装相位差为180°，同步同向运转过程中水平和竖直方向上的激振力大小相等、方向相反，合力沿钢轮圆周径向始终为零[12]，如图3（b）所示。而围绕钢轮轴芯产生激振力矩，两激振机构每旋转1周，力矩方向改变1次，交变力矩的作用迫使钢轮绕其轴芯线产生往复性圆周扭摆运动，与路面接触部分的钢轮以揉搓运动的方式作用于土壤颗粒[13]。
2.4复式水平振荡压路机
复式水平振荡压路机是日本酒井工程机械有限公司特有的一款压路机，钢轮内的激振机构布置不同于其他类型压路机轴线的安装方向；其内部设置2套相同的激振机构，垂直钢轮轴芯且以180°相位差放置，两者之间由2个同参数齿轮啮合传动，旋向相反，转速相同，如图4（a）所示。从振动轮侧面观察钢轮运动，激振力在钢轮径向上相互抵消，绕轴芯形成激振力矩，在周期性交变力矩作用下钢轮绕轴芯产生往复性圆周扭摆运动。图4（b）显示了钢轮在2个极限位置时的受力状态。从振动轮后方观察钢轮运动，在钢轮轴芯方向上，两激振机构的激振力相互叠加，随着机构周期性转动，轴芯方向的激振力随之变化。图4（c）显示了钢轮在轴芯向上2个极限位置时的受力状态。
由上述分析可知，复式水平振荡压路机的钢轮具有绕轴芯的往复圆周扭摆运动和沿轴芯的水平往复运动。扭摆运动时钢轮在其径向平面内有2个方向的运动，水平运动时钢轮作为刚性体垂直于钢轮径向平面运动，由此可见钢轮接地点的运动轨迹是垂直轴芯平行于地面运动（设为x向）、垂直于地面运动（设为y向）和沿轴芯方向运动（垂直于xOy平面，设为z向）的合成。2种运动方式同时由钢轮内的激振机构产生，当振动块处于A、B位置时，圆周扭摆运动达到极限位置，而钢轮轴芯方向受力为零，水平运动处于平衡位置；当振动块处于C、D位置时，水平运动达到极限位置；而扭摆运动的交变力矩为零，处于平衡位置，2种运动存在90° 的相位差。因此，钢轮与土壤接地点的运动轨迹方程为
在实际振荡轮设计中，比例系数k>1。由此可知，复式水平振荡压路钢轮扭摆运动幅值大于整体水平运动幅值。
3钢轮接地点轨迹仿真与分析
3.1仿真取值参数
为直观模拟钢轮的运动轨迹，选取了市场上具有代表性的振动/振荡压路机作为建模仿真依据，工作质量为11～13 t。采用准确参数进行Matlab/Simulink建模仿真，轨迹更加接近实际运动状态，不同类型压路机的技术参数取值见表1。
3.2圆周振动钢轮运动轨迹
取表1中圆周振动压路机振幅为0.69 mm，频率为40 Hz，根据式（1）进行建模仿真，得到钢轮运动轨迹曲线（图5）和加速度曲线（图6）。
由图5、6可知，圆周振动压路机工作时钢轮作以振幅值为半径的圆周运动，加速度同样以圆周分布规律变化，峰值约4g。钢轮对地面各个角度施加大小相同的振幅和作用力，可见地面土壤的受力是圆周均布的（图7），图7中实线箭头指向表示钢轮对土壤的作用力方向。
压路机在正常压实速度范围内，与钢轮接触的土壤颗粒受到多个方向力的作用，既有水平力，也有竖直力[14]。压路机工作时，每遍压实致使路面产生下沉量h，通常的理解是竖直力对地面作用的大小和面积都比水平力占优势，因此圆周振动主要关注的是竖直方向上的受力。这种理解是错误的。水平力最先作用于与钢轮接触的土壤颗粒，使之产生水平方向的运动，随着钢轮滚动前进，竖直力作用加强，两者共同作用下路面压实质量和效率均得到提高[15]。
3.3垂直振动钢轮运动轨迹
取表1中垂直振动压路机振幅为1.5 mm，频率为41 Hz，根据式（2）进行建模仿真，得到钢轮运动轨迹曲线（图8）和加速度曲线（图9）。
由图8、9以及式（2）可知，垂直振动压路机工作时钢轮在水平方向上的运动量为零，在竖直方向上按余弦规律运动，峰值为其振幅值，加速度只在钢轮竖直方向上存在变化，峰值约10g。随着钢轮滚动碾压土壤，竖直力持续不断地作用于地面（图10），在大振幅和大加速度作用下，土壤颗粒被迫运动进而实现相互填充，提高土壤密实度。
3.4扭摆振荡钢轮运动轨迹
取表1中扭摆振荡压路机振幅为1.2 mm，频率为36 Hz，钢轮半径为700 mm，根据式（3）进行建模仿真，得到钢轮运动轨迹曲线（图11）和加速度曲线（图12）。
由图11、12可知，钢轮在竖直方向上的位移较小，数量级为10-3 mm，水平方向上的最大位移量为荡幅值，竖直方向上加速度峰值约0013g，水平方向上加速度峰值约8g，可见扭摆振荡钢轮在竖直方向上对土壤颗粒位移、受力的影响均远小于水平方向。因此，可忽略钢轮竖直方向上的作用，钢轮在水平方向上按正弦规律对地面施加作用力（图13）。扭摆振荡压路机对地面的作用力如图14所示，在水平方向反复揉搓的作用下土壤颗粒趋于堆积。
3.5复式水平振荡钢轮运动轨迹
取表1中复式水平振荡压路机水平振幅为074 mm，频率为517 Hz，钢轮半径为635 mm，激振机构到钢轮轴芯的距离L=400 mm（此值为估测值，非厂家真实数值，估测值对仿真分析结论无影响）。复式水平振荡压路机同时具有水平运动振幅与圆周扭摆振幅，根据式（3）、（4）进行建模仿真，得到钢轮运动轨迹（图15）和加速度曲线（图16）。由于y方向上振幅数量级为10-4 mm，加速度峰值约为0015g，相对于x、z方向上的变量值可忽略。忽略y方向的位移量后钢轮运动轨迹与加速度曲线见图17、18。
由图15～18可知，复式水平振荡压路机工作时，土壤颗粒的受力是多方向的，y方向的作用力较小，主要是在平行于地面的平面内作椭圆形运动，椭圆长轴与短轴大小取决于Ax与Ay两种振幅设计值，加速度峰值为8g～10g；钢轮对地面的作用力如图19所示，地面受到平行的x、y、z方向的作用力，由于竖直y方向上的位移量较小，钢轮时刻与地面保持接触，可充分发挥其余2个方向对地面的揉搓作用，加速土壤颗粒间的相互填充和重新排列。
3.6不同类型压路机性能特征比较
垂直振动压路机对地面只有竖直方向的作用力，扭摆振荡压路机对地面主要是水平方向的作用力，2种作用力方向的不同导致其使用场合不同。垂直振动压路机具有较大的振幅（1.5 mm）和加速度（10g），钢轮对地面影响深度较深，对周边建筑物产生较大影响[16]，不适合对已完成初压的路面施工，适用于碾压岩石填方、大坝基础等变形量较大基础层，可获得较高的压实效率和密实度。扭摆振荡压路机钢轮对地面的垂直作用力较小，水平方向的大振幅（1.2 mm）和加速度（8g）对地面影响深度较小，适合碾压沥青路面，尤其适用于对振动较敏感的桥梁、古建筑等施工场合。
圆周振动压路机对地面既有水平方向的作用力，也有竖直方向的作用力，兼有垂直振动压路机和扭摆振荡压路机的特点，可用大吨位设备压实基础层，也可选择中小吨位压实沥青层。垂直振动压路机和扭摆振荡压路机钢轮内均有2套激振机构，叠加状态下可获得更大的振幅和加速度，而圆周振动压路机普遍只有1套激振机构，因轴承受力、激振机构转动惯量等条件限制，不具有其他2种压路机的优势，只能根据吨位和场合需要进行设计，如压实基础层时振幅可适当加大，压实沥青面层时振幅要适当减小。
相比扭摆振荡压路机，复式水平振荡压路机具有2个方向的揉搓作用，路面压实效率和压实质量均有优势。
4结语
（1）压路机钢轮的振幅和振动频率决定了其运动范围和运动加速度，是表征压路机压实能力的重要参数。
（2）根据钢轮结构差异，建立了圆周振动、垂直振动、扭摆振荡、复式水平振荡4种压路机钢轮接地点的运动轨迹方程，选取真实参数建模仿真，得到各类型钢轮运动轨迹以及加速度曲线，分析了不同钢轮的运动特征以及对地面土壤的动态影像，进一步阐述了不同类型压路机的土壤压实机理。
（3）通过横向比较，分析了4种振动/振荡压路机在参数设计、使用范围、使用场合等方面的特征差异，为有针对性地进行设计制造和施工选型提供了参考依据。
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[责任编辑：党卓钰]
