振動(dòng)壓路機(jī)跳振的原因及解決方案

夏磐夫　林棟冰

摘要：針對(duì)振動(dòng)壓路機(jī)的跳振問題，基于“機(jī)土“振動(dòng)系統(tǒng)的二自由度振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，通過比較分析各種跳振現(xiàn)象下的壓實(shí)對(duì)象狀態(tài)和壓路機(jī)參數(shù)，得出壓路機(jī)跳振的原因是由于振動(dòng)系統(tǒng)功率不足、施工工藝不合理、工作頻率異常及減振系統(tǒng)破壞等，并結(jié)合部分典型案例，提出了具有參考價(jià)值的解決方案。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)壓路機(jī)；跳振；二自由度振動(dòng)模型；固有頻率

中圖分類號(hào)：U415.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： Aimed at the jump vibration of vibratory roller， parameters and two inherent frequencies which might affect the compaction were put forward with a two degree of freedom mathematical model of rollersoil vibration system. According to the analysis of compacted object states and roller parameters， the main reason for jump vibration is that the vibration system does not work as designed， caused by some reasons such as insufficient power， unreasonable construction techniques， abnormal operating frequency and damping system malfunction. And solutions were proposed combined with some typical cases in the market.

Key words： vibratory roller； jump vibration； vibration model with two degree of freedom； inherent frequency

0引言

壓路機(jī)是以增加土壤密實(shí)度為主要用途的施工機(jī)械。其中，振動(dòng)壓路機(jī)利用振動(dòng)使土壤處于高頻振動(dòng)狀態(tài)，然后通過對(duì)地作用力迫使土壤顆粒重新排列而密實(shí)，壓實(shí)效率遠(yuǎn)超靜碾壓路機(jī)。然而，在實(shí)際壓實(shí)過程中，壓路機(jī)振動(dòng)輪產(chǎn)生的跳振使振動(dòng)輪的連續(xù)滾動(dòng)壓實(shí)變成了沖擊式壓實(shí)，極大地降低了駕駛員操作舒適性并降低了壓實(shí)質(zhì)量。為此，本文利用壓路機(jī)二自由度振動(dòng)數(shù)學(xué)模型解釋了發(fā)生跳振的原因并提出了相應(yīng)的現(xiàn)場解決方案。

1壓路機(jī)二自由度振動(dòng)數(shù)學(xué)模型

土壤、振動(dòng)輪、壓路機(jī)上車3個(gè)因素組成了一個(gè)共同有效的“機(jī)土”振動(dòng)系統(tǒng)。通常把“機(jī)土”振動(dòng)系統(tǒng)簡化為具有2個(gè)自由度的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)驗(yàn)證明，這個(gè)二自由度的數(shù)學(xué)模型基本上能反映“機(jī)土”振動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng)[1]。

圖1為振動(dòng)壓路機(jī)的二自由度振動(dòng)數(shù)學(xué)模型。模型包含了設(shè)計(jì)中需要考慮的所有重要參數(shù)，如上車質(zhì)量mf、減振器剛度kp、減振器阻尼cp、振動(dòng)質(zhì)量md、土壤剛度ks、土壤阻尼cs、工作頻率ω和激振力F等。

數(shù)學(xué)模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，“機(jī)土”振動(dòng)系統(tǒng)具有2個(gè)固有頻率ω1、ω2，當(dāng)工作頻率ω與固有頻率相等時(shí)，振動(dòng)系統(tǒng)將處于共振狀態(tài)，上車或振動(dòng)輪急劇振動(dòng)。2個(gè)固有頻率中較低的ω1被稱為一階固有頻率，其大小主要取決于上車質(zhì)量、減振器剛度和減振器阻尼，設(shè)計(jì)基本可控；較高的固有頻率ω2被稱為二階固有頻率，該固有頻率主要取決于參振質(zhì)量、土壤剛度和土壤阻尼。通常參振質(zhì)量是可控的，但不同壓實(shí)材料固有頻率的可變性較大，同一種材料在壓實(shí)度不同時(shí)，其固有頻率也有差異，且固有頻率會(huì)隨著壓實(shí)遍數(shù)和密實(shí)度的增加增大[2]，即不同壓實(shí)工況下的二階固有頻率會(huì)發(fā)生變化。

通常，根據(jù)土壤類型的不同，壓路機(jī)工作頻率會(huì)設(shè)定為不同值。如雙鋼輪主要用于壓實(shí)瀝青混合料，工作頻率在40～70 Hz之間；單鋼輪主要用于壓實(shí)土或水泥穩(wěn)定土，工作頻率在26～35 Hz之間。

理想狀態(tài)下，激振力不斷向系統(tǒng)輸入能量，系統(tǒng)阻尼不斷消耗能量，若前者大于后者，振幅將增大；若前者小于后者，振幅將減小。直到兩者平衡后振幅穩(wěn)定，系統(tǒng)出現(xiàn)新的恒幅振動(dòng)[3]，此時(shí)“機(jī)土”振動(dòng)系統(tǒng)成為相對(duì)穩(wěn)態(tài)的能實(shí)現(xiàn)連續(xù)壓實(shí)的系統(tǒng)。

2幾種跳振原因分析及解決方案

在實(shí)際壓實(shí)過程中，部分用戶會(huì)反饋振動(dòng)輪跳振問題，即振動(dòng)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過現(xiàn)場了解壓路機(jī)使用條件，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、壓實(shí)工況、振動(dòng)工作頻率、液壓振動(dòng)系統(tǒng)壓力等因素后發(fā)現(xiàn)這些反饋有不同的外在表現(xiàn)，見表1。

從表1可知，跳振時(shí)“機(jī)土”振動(dòng)系統(tǒng)已工作在非正常狀態(tài)，某些值未能工作在設(shè)計(jì)狀態(tài)導(dǎo)致外在表現(xiàn)異常，用戶最終無法接受上車、振動(dòng)輪或整機(jī)的大振幅振動(dòng)。

2.1后備功率不足產(chǎn)生跳振

跳振1的工作頻率和振動(dòng)壓力波動(dòng)不正常，說明系統(tǒng)未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，工作頻率非常低說明系統(tǒng)未越過共振區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速下說明發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出無異常，系統(tǒng)溢流說明系統(tǒng)工作超出設(shè)計(jì)。主要原因是制造廠家過分追求經(jīng)濟(jì)性，采用小泵小馬達(dá)，振動(dòng)系統(tǒng)輸出功率不足以滿足壓實(shí)要求。當(dāng)壓路機(jī)起振時(shí)，工作頻率ω由0增加到設(shè)計(jì)值，需要越過一階固有頻率ω1和二階固有頻率ω2所在的共振區(qū)。通常壓路機(jī)起振時(shí)間約3 s左右，如果振動(dòng)系統(tǒng)后備功率小，則起振速度慢，在共振區(qū)停留的時(shí)間就長，共振點(diǎn)的振幅就越大；當(dāng)振幅增大到一定程度，振動(dòng)系統(tǒng)全功率運(yùn)行仍不足以支持該振幅下的振動(dòng)時(shí)，壓路機(jī)的工作頻率就無法越過共振區(qū)，振動(dòng)輪在超高振幅和非常低的頻率下振動(dòng)就帶來跳振問題。解決方案是制造廠家更改系統(tǒng)配置，加大振動(dòng)系統(tǒng)后備功率。

2.2施工工藝不合理產(chǎn)生跳振

跳振2的工作頻率等于銘牌值（或誤差不超過10%）說明系統(tǒng)能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，壓路機(jī)本身正常；壓實(shí)工況為硬地面、振動(dòng)壓力接近溢流說明負(fù)載大。帶來該問題的主要原因可能是施工工藝不合理，未能及時(shí)切換大、小振或靜壓模式。實(shí)際壓實(shí)過程中，隨著土壤密實(shí)程度的增加，土壤的剛度不斷增大、阻尼不斷減小[45]，系統(tǒng)的二階固有頻率不斷靠近設(shè)定的工作頻率。工作頻率下的振幅不斷偏離名義振幅，導(dǎo)致地面的反作用力越來越大，使振動(dòng)輪跳離地面，出現(xiàn)跳振。因此，壓路機(jī)一般設(shè)置2種工作模式，即低頻高幅模式和高頻低幅模式，通過切換模式來改變振動(dòng)輪名義振幅和工作頻率下的振幅來減小地面反力。相應(yīng)的施工工藝也提出了“當(dāng)土壤強(qiáng)度足以支撐振動(dòng)壓實(shí)時(shí)，先強(qiáng)振再弱振”的壓實(shí)要求。如果不遵循這種要求，在地面剛度非常大時(shí)仍采用高幅壓實(shí)，整機(jī)就會(huì)劇烈振動(dòng)。

在一個(gè)案例中，施工人員反饋壓路機(jī)振動(dòng)輪跳振。維修人員在現(xiàn)場首先檢查了振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)測輪胎支撐時(shí)的振動(dòng)工作頻率在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，無論是輪胎上壓實(shí)還是路面上壓實(shí)，振動(dòng)與不振動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速均不大，分析認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)功率能滿足要求。

檢查壓路機(jī)在工地路面上振動(dòng)的情況，發(fā)現(xiàn)高頻低幅模式下壓路機(jī)運(yùn)行正常，低頻高幅模式下振動(dòng)輪跳振且液壓系統(tǒng)平穩(wěn)壓力達(dá)到30 MPa，接近溢流壓力。據(jù)此判斷低頻高幅時(shí)壓路機(jī)負(fù)載過大，懷疑是路面剛度過大引起跳振。直接使用鐵釬敲擊部分路面，僅能砸出小坑。檢查被壓實(shí)路面，觀察到部分地面上石子被振碎，出現(xiàn)過壓現(xiàn)象。咨詢用戶需要壓實(shí)的工地路基是直接挖方后整平得到，監(jiān)理要求的壓實(shí)工藝是6次大振后再6次小振。

分析認(rèn)為，用戶所使用的壓路機(jī)壓實(shí)能力極強(qiáng)，由于挖方路基本身的密實(shí)度就很高，3遍大振后路面密實(shí)度已經(jīng)極高，繼續(xù)大振，必然出現(xiàn)跳振現(xiàn)象。用戶在已經(jīng)跳振的情況下繼續(xù)大振，不但起不到繼續(xù)密實(shí)的效果，反而會(huì)將已壓實(shí)的土壤再次振動(dòng)導(dǎo)致局部松散，從而密實(shí)度的降低。

通過現(xiàn)場勘察，路面壓實(shí)度已經(jīng)很高，壓路機(jī)仍采用低頻高幅的工作模式必然出現(xiàn)跳振，解決方案是調(diào)整壓實(shí)施工工藝，適時(shí)切換大、小振及靜壓方式。

2.3振動(dòng)工作頻率超差產(chǎn)生跳振

在硬地面進(jìn)行壓實(shí)時(shí)，振動(dòng)壓力接近溢流，說明負(fù)載大，工作頻率出現(xiàn)異常。導(dǎo)致跳振3的主要原因是維修時(shí)未校準(zhǔn)振動(dòng)工作頻率或用戶操作不當(dāng)。按二自由度振動(dòng)數(shù)學(xué)模型分析，如果土壤能無限的吸收振動(dòng)能量，工作頻率超過二階固有頻率并繼續(xù)增大時(shí)，上車和振動(dòng)輪的振幅會(huì)越來越趨向于一個(gè)定值，其中振動(dòng)輪的振幅傾向于名義振幅，系統(tǒng)仍然能穩(wěn)定運(yùn)行。但是此時(shí)振動(dòng)輪的振動(dòng)加速度會(huì)隨著工作頻率的增大而增大，振動(dòng)系統(tǒng)的輸出能量也會(huì)增大。

實(shí)際壓實(shí)過程中，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，增大工作頻率能增加振動(dòng)輪的輸出功率，從而使土壤快速密實(shí)。此時(shí)，繼續(xù)按正常施工工藝進(jìn)行壓實(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)如2.2所描述的地面剛度非常大時(shí)仍采用強(qiáng)振壓實(shí)導(dǎo)致的跳振問題。

在某案例中，用戶反饋振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)水穩(wěn)層時(shí)駕駛室振動(dòng)大，駕駛員無法操作。從現(xiàn)場施工情況來看，該項(xiàng)目的水穩(wěn)層壓實(shí)工藝為大振、小振、大振、小振、大振、小振共6次壓實(shí)，第3次大振時(shí)駕駛室振動(dòng)劇烈至駕駛員無法忍受。檢測該機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速正常，檢查發(fā)現(xiàn)高幅激振頻率為333 Hz，超出設(shè)計(jì)頻率（28 Hz）19%。計(jì)算可知該機(jī)最大輸出功率已超出設(shè)計(jì)輸出功率415%，因此造成駕駛室劇烈振動(dòng)。咨詢用戶后發(fā)現(xiàn)，該機(jī)振動(dòng)泵維修過，維修后未調(diào)整振動(dòng)頻率參數(shù)。解決方案是將頻率校正到出廠狀態(tài)。

2.4減振系統(tǒng)破壞產(chǎn)生跳振

跳振4中壓路機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)檢查均正常，說明系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定，上車振動(dòng)異常應(yīng)該是振動(dòng)輪與上車之間的減振器剛度不合理導(dǎo)致。減振器老化或損壞后，減振系統(tǒng)的剛度發(fā)生變化，減振效果達(dá)不到預(yù)期。上車因減振效果變差而振動(dòng)異常，解決方案是定期檢查并更換失效的減振器。如果新車就出現(xiàn)問題或更換減振器后仍不能解決問題，原因可能是原車減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理。典型的例子是減振器剛度過大，車架和振動(dòng)輪近似固接，此時(shí)一階固有頻率可能提高到接近振動(dòng)頻率。因此，該問題只在設(shè)計(jì)水平極低或質(zhì)量完全失控的情況下發(fā)生，解決方案是更換其他剛度的減振器。

2.5壓路機(jī)適應(yīng)性差或工作條件異常產(chǎn)生跳振

壓路機(jī)壓實(shí)有一些常規(guī)要求，當(dāng)被壓實(shí)土壤要達(dá)到一定剛度，就要進(jìn)行試驗(yàn)來確定壓實(shí)工藝，且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速要調(diào)整到額定轉(zhuǎn)速，還應(yīng)定期檢查機(jī)器狀況。如果壓路機(jī)本身的適應(yīng)性差或壓實(shí)過程不能滿足這些要求，跳振5的情況就可能會(huì)發(fā)生。

典型的例子是壓路機(jī)在壓實(shí)橡皮土?xí)r，土壤就像彈性蓄能器，壓實(shí)功無法作用至土壤深層，振動(dòng)壓實(shí)無法進(jìn)行，導(dǎo)致壓路機(jī)振動(dòng)異常。解決方案首先應(yīng)使用凸塊輪將土填切割成許多小塊，使其失去彈性后再使用振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)。另一典型的例子是發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)，此時(shí)實(shí)際振動(dòng)頻率為設(shè)計(jì)振動(dòng)頻率的1/3，接近系統(tǒng)固有頻率且發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率不足，系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行，也會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。解決方案是保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速下。

3結(jié)語

本文基于“機(jī)土”振動(dòng)系統(tǒng)的二自由度振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合振動(dòng)壓實(shí)原理和振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)分析了振動(dòng)輪跳振的原因，認(rèn)為壓路機(jī)跳振大多是由壓路機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)差別大導(dǎo)致。其產(chǎn)生原因有振動(dòng)系統(tǒng)功率不足、施工工藝不合理、振動(dòng)頻率異常、減振系統(tǒng)破壞等，對(duì)應(yīng)提出規(guī)范設(shè)計(jì)、適時(shí)切換大小振、規(guī)范工作頻率、適時(shí)維護(hù)減振系統(tǒng)等解決方案，并提供了一些解決典型跳振案例的方法供同行借鑒參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]尹繼瑤.壓路機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]張中華，王莉.振動(dòng)壓路機(jī)最佳壓實(shí)頻率研究[J].建筑機(jī)械，2012（3）：7784.

[3]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].第5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[4]管迪，陳樂生.振動(dòng)壓實(shí)中的次諧波振動(dòng)與混沌[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2007，24（6）：5961.

[5]文暢平.基于突變級(jí)數(shù)法的振動(dòng)壓路機(jī)選型方法[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2012，29（8）：8184.

[責(zé)任編輯：杜敏浩]