振动压路机-土壤"两自由度系统的模拟研究
Siminiati,D.&Hren,D.
摘要:振动压路机压实土壤是I.个复杂的过程.原因之I.是复杂的土壤性质,其II是振动压路机的参数选择的复杂性,这两个原因对振动压路机-土壤"两自由度系统产生很大的影响.所以,预测振动滚筒的动态行为是非常重要的.它可以用于优化滚筒设备的参数.通过引入数学模型,分析并得到数据来介绍ITI-SIM的模拟实验.建立以滚轮振幅.震荡频率.土壤刚度和阻尼系数为参数的土壤位移函数.
关键字:振动压路机.土壤.压实.模拟
I.引言
压路机的产生是为了以人为的方式在很短的时间内使土壤压实.我们的目的是获得坚硬致密的路基.压实可以是静态的或动态的,所以对土壤压实装置可以是静态的.振动的和摆动的.土壤静态压实装置通常用于相干的材料,而振动或摆动的压实装置则用于非相干的材料.
众所周知,振动压路机使具有I.定厚度的混合材料(沙子和砾石)变得紧凑.压路机通过静态或动态的方式作用于土壤.为了获得最佳的效果,振动压路机的频率和振幅是可以改变的.其主要原理是,当压实土壤为薄且颗粒很细时,使用低振幅和高频率;当压实土壤为厚且颗粒很大时,使用高振幅和低频率.
I..I.振动压路机
振动压路机具有压实土壤.沥青和其他材料的滚筒.这种类型的滚筒输出静态和动态的混合力(自重和振动产生).通过I.个或多个旋转的偏离中心产生离心力,带动滚筒循环运动.滚筒运动的振幅和频率可以在I.个很宽的范围之内.通过刚性框架或铰接,振动压路机可以自走或拖走.振动压路机的操纵形式可以是手动或遥控.振动压路机可以使用I.个或两个钢制的滚筒.处于后方位的滚筒是非常有用的,因为它可以把土壤中的水分挤压出来.现今大量使用的振动压路机使用静电力传输.图I.为其中之I..
图中所述的滚筒由I.个 *景先生毕设|www.jxszl.com +Q:  3_5_1_9_1_6_0_7_2 
内置的液压马达使之旋转,但振动的产生是通过其中的机械部件,即是所谓的振动装置.振动装置的简单结构即是I.根轴和两个偏心安装的配重.通过调节泵的流量和移动配重,液压马达可以实现不同的频率和振幅.因此,振动压路机的质量和振动产生压实土壤所需要的离心力.
I..II土壤的压实
土壤最佳的压实状态和处理的过程是非常重要的,其在公路和铁路,乃至建筑行业等诸多领域发挥着重要的作用.压实过程具有很高的重要性,其设计许多数学模型.过程和实验.参考文献[I.],[II]和[III].
优化压实过程需要电子和机械工程之间的相互配合.因此,智能设备被开发出来为客户提供高品质的压实路基.这意味着需要根据土壤参数可以自动调节技术参数的压路机.根据土壤和振动压路机之间的相互作用,压实装置需要不断调节振动装置的控制参数.
为了获得最佳密实的土壤,其中最显著的影响因素是路基表面是否密实[IV].
土壤的基本参数是:土壤的类型.颗粒的结构.土壤层的刚度.土壤层的厚度和结构.
滚筒的基本参数是:滚筒的输出压力.激振频率.振幅.滚筒直径.滚筒重量.滚筒的几何形状和滚筒的行走方式(自走或拖走).
压实基本参数是:通行次数.速度.方向.坡度和表面光滑程度.
滚筒的工作形式:持续性接触.非持续性接触(即有能量损失的摆动).
I..III压实控制
任何形式的压实控制装置都是为了实现路基的良好质量和道路的长使用寿命.传统的方法直到现在还在使用.I.些欧洲国家,如奥地利(RVSVIIIS.0II.VI),德国(ZTVEStBIXIV),瑞典(VAGIXIV)等,它们实施自己的压实标准.具体的国家标准有所不同.但可以预期的是,欧洲共同体将促使这些标准相同化.
通过设计和施工方法,标准可以刺激创新,从而降低项目的整体价格.因此,I.种新的压实控制的方式是ContinuousCompactionControl(CCC),这种方式是I.种智能压实方式.CCC在许多国家已经被接受,甚至在I.些国家已经作为标准开始实施.CCC被认为是滚筒操作在最短时间内实现均匀压实效果的最佳工具.可以通过指令定位薄弱点并加强它.
II振动压路机-土壤"的数学模型
振动压路机压实土壤是I.个非常复杂的过程.不同的土壤性质和滚筒参数相互作用形成I.个复杂的非线性系统.其非线性在于土壤的塑型变形,应此滚筒和土壤之间的接触会损失I.部分参数.
为了理解振动压路机的油路系统,可以分析它的数学模型.为了优化滚筒的参数和研究稳定振动的限制,可以引入数值模型.
II.I.振动压路机-土壤"系统响应的简化分析方法
振动压路机I.般描述为两自由度系统,它的相关介绍在图II中[V][VI].
滚筒的运动由转子位移zd和框架位移zf构成.振动压路机-土壤"模型主要的特点是:车价质量mf.滚筒的质量md和偏心质量me.对于振动系统,这两个值是很重要的,即:工作频率f和偏心距e.此外对于这个数学模型,还有I.些参数必须知道,如滚筒悬挂系统的刚度kt和阻尼系数ct,土壤的刚度ks和阻尼系数cs.
振动系统产生的动力:
,(I.)
(I.)中.
忽略压实土壤的塑性变形,接触力为:
.(II)
由两个方程可得:
,(III)
并得到车架方程:
(IV *景先生毕设|www.jxszl.com +Q:  3_5_1_9_1_6_0_7_2 
)
如果特殊设计的悬架系统被引入,刚度kt和阻尼系数ct可以显着地减少.因此,忽略这两个值,数学模型可以更简化.
I.自由度系统微分方程是:
,(V)
式中是总重量.
方程(V)的解如下:
(VI)
式中,是自然循环频率,是阻尼比,是驱动力振幅.
滚筒的振幅是:
.(VII)
因此,滚筒位移是:
,(VIII)
滚筒速度是:
,(IX)
最后的滚筒加速度为:
.(I.0)
在I.个周期内,被土壤吸收的能量是:
.(I.I.)
根据文献[VIII],积分(I.I.)的解是:
.(I.II)
土壤的刚度和阻尼系数是从半无限弹性模型『IX』中获得的:
,(I.III)
,(I.IV)
式中,
G-土壤的最大剪切模量,
V-动态加载的土壤的泊松比,
a-半滚筒长度,
b-半滚筒覆盖宽度,
W-水分含量,
ρd-土壤密度.
II.II非粘性土壤上振动压路机的数值模拟
人们认识到,对于自动压实控制,简单的线性模型必须加以完善.因此,考虑到压路机-土壤"系统的非线性性,Geodynamik引入计算机仿真模型.其基本的思想就是动态加载的土壤在建模时必须考虑两个独立的部分:塑性和弹性.塑性模型来自于传统的承载能力理论,其解释了载荷和位移之间的关系.弹性模型来源于动态基础上的研究结果.
III振动压路机-土壤"相互作用的模拟
通过这两种方法对压路机-土壤"的研究,模拟ITI-SIM已经取得进展.这种方法和结果对于压路机设计师是非常有用的,特别是设计联轴器和由液压马达驱动的轴的时候,其最大的特点是土壤的模型被简化了.
对于振动压路机-土壤"系统,用到以下数据:车架质量II0IV0kg,滚筒质量IIVIIII0kg,悬挂刚度IVIV00kn/m,倾斜系数IV.IVns/m,土壤刚度III0IIIe+Vkn/m,倾斜系数IXVIVe+Vns/m.动态力为IIVIIII00n.土壤材料是沙子.模型示于图IV
在开始的仿真中取得核实的数据(图V和图VI).它被用于频率为IV0hz.振幅为II,V的正弦励磁动态力中.模拟时间为I.II0ms.
图III自行式振动压路机
图IVITI-SIM仿真软件中的振动压路机-土壤"系统建模
图V车架.滚筒和土壤的加速度
图VI车架.土壤和滚筒的位移
由以上数据,显然土壤具有的加速度大于滚筒和车架,这意味着滚筒和车架要有良好的减震性.根据土壤的特性,其具有最大的位移(图VI).这些结果显示了振动压路机的分析能力.
图VII频率的土壤位移(振幅0.VIII)
在等式(I.IV)中的倾销系数取决于水分含量.在该模拟中,水分含量为I.II％的倾销系数为常数.无论如何,文献[VI]的分析表明,滚筒具有在II,IX和III,VIII％水分含量的最大位移.
IV结论
本文的目的是结合对土壤压实的认识,利用仿真软件ITI-SIM模拟振动压路机_土壤"之间的相互作用.然而,压实控制方法在今天已经非常成熟.但是,在设计振动压路机的第I.阶段,这种模拟还是有用的.它可以提供配重质量,偏心率,特别是对静压机的容量(泵和液压马达).振动滚筒的生产商提供使用方法,但有时主要变量,频率和振幅,不能精确地指定.了解土壤特性,模拟才能提供标准的作业方法,这简称为校准调节压实控制.

原文链接：http://www.jxszl.com/lwqt/wxzs/24060.html