杨 杰，姚运仕，，张良奇，姚琳宁，陈立明

（1．长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2．河南万里交通科技集团股份有限公司，河南 许昌 461000；3．临沂市公路局兰山区公路管理局，山东 临沂 276000；4．西部机场集团建设工程（西安）有限公司，陕西 西安 710075）

0 引 言

目前，国内外通常采用环刀法、灌砂法及无核密度仪等方法抽样检测压实度来评价压实质量，由于此类方法是离散点检测，其结果只能反映道路局部压实情况，对道路整体压实均匀程度无法作出精确评价［1－2］。针对这一情况，国外部分工程机械厂家研发压实度实时在线检测系统用于压实度连续检测，在压实均匀程度控制方面取得了良好的效果。国内在压实度实时在线检测方面也进行了基础理论研究，如张青哲等建立了二自由度振动压路机－土壤动力学模型，分析了土壤参数变化对压实效果的影响［3］；向亮建立了振动压路机及土壤三维模型，利用ADAMS软件从动力学角度分析了压路机振动加速度信号与土壤刚度、阻尼间的变化关系，认为随着压实过程的进行，振动加速度会不断增大［4］。本文根据压路机－土壤动力学模型搭建垂直振动压实试验台，以试验手段探究垂直振动加速度与土壤参数之间的关系，同时利用压实度在线检测方法将采集的加速度信号进行处理，分析滚轮的垂直振动加速度与土壤压实度之间的关系，为压实度实时在线检测的后续研究奠定基础。

1 垂直振动原理及压实度在线检测方法

1．1 垂直振动原理

在压路机滚轮内部，沿滚轮旋转中心对称布置2根完全相同的偏心轴，并同步反向旋转；在任意时刻2根偏心轴所产生的水平方向分力相互抵消，竖直方向分力相互叠加，进而实现垂直振动［5］，如图1所示。相比传统振动压路机，垂直振动压路机能将更多压实能传递至被压实铺层，工作效率更高；与同吨位圆周振动压路机相比，垂直振动压路机拥有更大的激振力，有效压实厚度更大；此外，垂直振动压路机行驶过程更平稳，能够减小被压实材料的推移，被压实后的铺层不存在拥包等现象。

1．2 压实度在线检测方法

国外研究人员在研究了压路机滚轮振动加速度随土壤压实程度变化的规律后，确定了压实度实时在线检测系统的无量纲检测指标——CCV值、CMV值［6］，认为CCV值或CMV值的变化与压实程度相关，可用于反映压实过程中压实度的变化。CCV值、CMV值具体计算方法如下。

图1 垂直振动不同时刻激振力合成示意

式中：CCV为 CCV 值；CMV为 CMV 值；A0．5、A1、A1．5、A2、A2．5、A3分 别为垂直 振动加速 度 信 号 的0．5次、1次、1．5次、2次、2．5次、3次谐波分量幅值（m·s－2）；S为常量，通常取300。

2 垂直振动压路机滚轮－土壤动力学模型试验台

法国学者Machet J M建立了分阶段的二自由度动力学模型，该模型将压路机机架和滚轮分别等效为质量为m1、m2的质量块，两者间的减振器等效为一个刚度为k1、阻尼为c1的弹簧阻尼系统；随振土与滚轮底部接触，其质量为m3，随振土下部土壤等效为一个刚度为k2、阻尼为c2的弹簧阻尼系统。就上述模型而言，在土壤压实过程中，主要变化参数分别为土壤刚度、阻尼及动态变化的垂直激振力F，其余参数如k1、c1在压实过程中不发生变化。因此，本文将上述动力学模型中k1、c1省略，进而将m1、m2简化成1个整体质量块mc，并且在工作时由mc提供垂直方向激振力，模型其余部分则保持不变［7］。根据上述简化思路，搭建出图2所示的垂直振动压路机滚轮－土壤动力学模型压实试验台。

垂直振动压路机滚轮－土壤动力学模型压实试验台具体参数见表1。

图2 垂直振动压路机滚轮－土壤动力学模型试验台

表1 试验台主要参数

3 振动台架试验及结果分析

本文将压实试验台的刚度、阻尼作为自变量来模拟压实过程中土壤刚度、阻尼的变化情况，用垂直激振器振动来模拟垂直振动压路机滚轮振动情况。大量理论研究表明，随着土壤压实程度不断提高，土壤刚度不断增加，同时土壤阻尼逐渐减小［8－11］。因此，按照上述规律选取4组不同的刚度、阻尼工况进行试验，研究激振器垂直振动加速度的变化规律，具体工况见表2。

表2 台架试验工况

试验时，由2个水平对称安装且同步反向旋转的同型号振动电机提供频率为27Hz的垂直激振力F，激振力F通过质量块mc下部触头传递至台架底部的随振土质量块及其下方的弹簧和阻尼器，迫使质量块mc在竖直方向产生周期振动，同时利用数据采集仪检测质量块mc在垂直方向的振动加速度。加速度传感器布置位置如图3所示。将数据采集仪测得的振动加速度时域信号经过傅里叶变换得到频域信号，不同工况下各频率分量结果如表3、图4所示。

图3 试验台测点布置

表3 台架试验测试结果

图4 加速度基频均值随试验台刚度、阻尼的变化

由图4可知，激振器垂直振动加速度基频幅值随试验台刚度的增加、阻尼的减小而增加，并且加速度基频幅值的增长趋势近似线性。结合表3可知，试验台刚度由1．02×106N·m－1增加至1．80×106N·m－1、阻尼由0．72×102N·s·m－1减小至0．41×102N·s·m－1时，测得激振器振动加速度基频幅值由25．81m·s－2逐渐增加到28．60m·s－2。这可能是因为，试验台弹簧和阻尼器在激振器作用下同时产生压缩变形，此时阻尼器起耗能作用，阻碍弹簧回到平衡位置［12－13］。在工况1时，试验台刚度较小、阻尼较大，对激振器的反作用力较小，激振力变化速度较慢，因此检测到的加速度值较小；到工况4时，随着试验台刚度增加、阻尼减小，振动加速度逐渐增大。

利用压实度在线检测方法对表3数据进行处理，得到试验台刚度、阻尼与压实度在线检测指标CCV值、CMV值之间的关系，见表4。

表4 不同工况下压实度在线检测指标值

由表4可知，随着振动台刚度增加、阻尼减小，压实度在线检测指标CCV值、CMV值都存在不同程度的增加，与文献［2］结论一致，说明台架试验结果可反映振动加速度与压实度之间的关系。

对试验测得的激振器振动加速度基频均值与压实度在线检测指标值进行一元线性回归分析，结果如图5所示。由图5可知，振动加速度基频均值与CCV、CMV值正相关，且振动加速度基频均值随CCV、CMV值增大而增大，表明当CCV、CMV值增加时，激振器垂直振动加速度增大。由于CCV、CMV值与压实度相关，说明垂直振动加速度随土壤密实程度的增加而增大。

图5 基频加速度均值与连续压实控制检测值的关系

4 结 语

本文搭建了垂直振动压路机滚轮－土壤动力学模型的试验台，研究了试验台激振器的垂直振动加速度与试验台刚度、阻尼之间的变化规律。研究结果表明：随着试验台刚度增加、阻尼减小，垂直振动压路机振动钢轮的振动加速度随之增大；一元回归结果证明垂直振动加速度随土壤密实程度的增加而近似线性增大。