贾洁;刘洪海;辛强;万一品
【摘 要】为了提高沥青摊铺机对铺层混合料的初始密实度,针对摊铺机熨平板上的振捣和振动压实装置与材料组成的动力学压实系统,考虑振捣器压实物料时对熨平板产生的反作用力,将振捣器的冲击作用简化为周期性矩形波,采用傅里叶级数对振捣激励进行表达,建立了振捣激励和振动激励共同作用下的压实系统动力学模型,分析不同的振捣频率与振动频率对熨平板动态力学性能的影响,并对振捣与振动的耦合压实作用进行计算分析.探讨铺层材料的摊铺密实度与频率变化特性曲线,并进行仿真计算和试验研究,结果表明:熨平板的最大响应峰值出现在共振频率处,在高于共振频率区段,响应幅值相比于最大峰值降低了23％,此时铺层压实效果好,熨平板工作平稳;振捣器对铺层的密实作用大于振动器,在振捣和振动的耦合压实作用下,作用于熨平板的激励存在3个主频成分,以激起被压材料中不同固有频率的复杂成分,为铺层压实过程产生多方位共振提供基础;在研究高密实振动熨平板对铺层混合料的振动密实特性时,除了要分析振动频率接近于铺层的固有频率的主共振以外,还应注意振捣器的冲击作用并考虑振动与振捣的耦合对铺层混合料的压实效果.研究结论可为摊铺机熨平装置振动参数的选择提供依据. 【期刊名称】《振动与冲击》
【年(卷),期】2018(037)016
【总页数】8页(P91-97,146)
【关键词】摊铺机;振动熨平板;冲击与振动;耦合压实特性;最佳频率比
【作 者】wcg2009中国区总决赛贾洁;刘洪海;辛强;万一品伏羲八卦拳
【作者单位】长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,西安710064;长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,西安710064;内蒙古交通设计研究院有限责任公司,呼和浩特010010;长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,西安710064
【正文语种】中 文
【中图分类】U415.52
沥青混合料摊铺作业过程中，压实对成型路面结构的使用寿命和路用性能起到决定性的作
内丹修炼的四个过程
用[1]。沥青摊铺机作为路面成型过程中重要的机械设备之一，对松散沥青混合料进行整平和压实成型，使铺层具有一定的初始密实度和平整度。摊铺层密实度越高，最终成型的路面耐久性与平整度越好，并可以减少后续的碾压作业，降低能源消耗，节约施工成本[2-4]。为了提高路面的初始密实度，熨平板上安装了频率可调的振捣机构和振动机构，但是机构的振动往往引起压实系统的不稳定，影响压实质量。
针对熨平板压实系统的振动问题，国内外众多学者开展了研究。罗文军等[5]建立了振动压实机构4自由度振动系统的微分方程，通过分析系统的固有频率来提高铺层密实度。罗丹等[6]通过优化配置振动器偏心质量与偏心距，提高了熨平板摊铺密实度的均匀性。Plati 等[7]研究不同的压实方式及作用于材料的压实次数影响路面性能的影响。严世榕等[8]研究了振捣器，压实梁和熨平板的动力学响应，并未研究振动器对熨平板的影响。田晋跃等[9]研究了双振捣器、单振动器的熨平板的振动特性，但是单个偏心块的振动器会产生水平分力，影响摊铺机的作业过程，同时为了增强熨平板作用于铺层材料的压实力，提出了双偏心块的振动压实机构，通过同速反向旋转，抵消水平力。刘洪海等[10]基于共振理论建立了摊铺机振动机构振动参数与铺层材料密实度之间关系，以指导工程施工。上述研究多将振捣压实作用简化为简谐振动，或是将振捣与振动对熨平板的作用分别进行分析计算，忽略了
振动与振捣的耦合压实效果，同时对于双振捣和双偏心块振动的研究还很少。而在实际应用中振捣的压实作用既包含简谐振动又包含振捣机构上下运动对铺层产生强制压缩作用，在振捣频率较大时，振捣对熨平板的反作用不容忽视，因此需要研究振捣和振动同时作用于熨平板的运动规律。
本文针对摊铺机熨平板上的振捣和振动压实装置与材料组成的动力学压实系统，考虑振捣对熨平板的作用，使用傅里叶级数对振捣激励进行了表达，结合仿真分析与试验研究，分析了振捣作用对熨平板动态响应规律及振捣与振动的耦合作用对铺层密实度的影响，利用熨平板压实系统对铺层材料的共振作用，提高铺层密实度，获得高密实压实效果，为摊铺作业过程的工艺参数选择与压实质量控制提供依据。
1 振捣机构和振动机构的结构和功用
振动熨平板由箱体、振捣梁、振动器等部分组成[11]，本文研究的振动熨平板压实结构，如图1所示。
图1 振动熨平板压实结构示意图Fig.1 Structure schematic diagram of vibratory screed
振捣机构位于熨平板的前部，是熨平板的主要组成部分之一，它采用双振捣结构，悬挂在偏心轴上，液压马达通过传动装置驱动偏心轴转动，使振捣梁做往复运动，对混合料进行初捣实。双振捣机构由并排安装在一根驱动轴上的两个振捣器(主振捣器和副振捣器)组成，直接由一个液压马达和三根V带驱动。副振捣器具有预压实的作用，主振捣器可以达到最终压实，能够使路面获得很高的初始摊铺密实度。根据不同的摊铺厚度、摊铺材料，振捣频率无级调节。冲击振捣压实原理是通过低频高幅冲击作用对材料进行强制压缩，当冲击力产生的强度足够大，能够使铺层材料中产生的剪切应力达到材料粒子间的抗剪强度，大小颗粒相互交错重新排列，从而形成致密结构。
振动机构由振动偏心轴、液压马达和振动座组成，振动偏心轴为长轴表面，振动轴上装有偏心块，用螺栓固定偏心块结构，偏心块转动产生离心力，离心力通过轴承座传递给箱体使熨平板振动。振动机构的振动主要是由做圆周运动的振动器产生的。振动器直接由一个液压马达和V带驱动，通过控制流过振动马达的油流量，从而控制振动马达的转速，获得不同的振动频率。振动压实是在外载荷的重复作用下，激起被压实沥青混合料颗粒的振动，混合料颗粒产生的振动加速度减弱了颗粒间的黏结和摩擦作用，沥青裹覆在骨料颗粒表面，为被压沥青混合料颗粒的运动提供了有利条件。在高频振动作用下，被压沥青混合
料颗粒重新进行排列，互相靠近，混合料内的空气被排除，密实度增加。
2 冲击加振动耦合模型的建立
2.1 熨平板振动源分析
振捣器压实力作用于铺层时，沥青混合料比较松散，振捣过程易吸收大量的振动能量，引起沥青混合料阻尼的衰减，混合料越松散，振动波衰减越快。由于振捣冲程大，对于单次振捣过程，考虑具有黏性阻尼的弹簧-质量振捣压实系统在t=0时刻受到一个冲量为作用的情况。此时振捣压实系统的响应函数为一衰减信号，如式(1)所示。
(1)
式中：ωd为有阻尼固有频率，
连环可解也
已有研究表明[12]，振捣兼有击实和振动压实的特点，只是振动能量较弱，单次振捣的能量衰减很快，同时振捣冲程高、冲击间隔大，因而将多次振捣看作间断周期矩形冲击波，如图2所示。
图2 周期振捣冲击波Fig.2 Periodic shock wave
图1中α为脉宽系数， 脉冲高度为E， 振捣周期为T。分析振捣冲击作用对铺层的振动压实效果，根据文献可知，处理非简谐周期激振的基本思想是：将周期矩形波利用傅里叶级数分解为与基本频率成整倍数关系的若干个简谐激振函数，然后逐项求解响应，再利用线性叠加原理把逐项响应叠加起来，即为非简谐周期激振的响应[13]。使用傅里叶级数对振捣激励进行了表达，见式(2)所示。该级数的频谱如图3所示。
(2)
图3 周期振捣冲击波频谱Fig.3 Periodic shock wave spectrum
由图3可知，振捣机构在冲击的瞬间集中了绝大部分能量，由频谱的收敛性可知，冲击功率集中在低频段，对铺层混合料的压实作用类似静力冲击压实，压实作用直接且短暂。根据振捣机构的工作原理，可取脉宽系数α为1/3T。在振捣压实过程中，周期性的冲击产生不同倍频的简谐激振力对铺层进行压实作用。经计算，前3次谐波占据了冲击能量的80%以上。
人的光芒
主副振捣器的分别铰接在主回转体两侧的不同偏心位置，且偏心位置相差180°，可以近似
认为振捣锤在竖直方向上作无约束的平行运动[14]，振捣器模型可简化为如图4所示。
图4 双振捣压实机构模型Fig.4 Double-tamper mechanism model
图4中，O1和O2分别为主副偏心套的形心；O是偏心轴的旋转中心，为振捣系统的坐标原点；θ1为副振捣的初始相位角；θ2为主振捣的初始相位角；r1为偏心轴上副振捣的偏心距；r2为偏心轴上主振捣的偏心距；m1为副振捣器质量；m2为主振捣器质量；ωd为偏心轴转速；x为熨平板的位移；x1为副振捣器的位移，x1=x+r1sin(ωdt)；x2为主振捣器的位移，x2=x+r2sin(ωdt+2π)。
由牛顿第二定律及振捣冲击作用的傅里叶变换，得到振捣器的动力学方程，如式(3)所示。
(3)钢支撑
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