強(qiáng)夯機(jī)夯擊能效率測試方法研究

李建青 周楚健 雷發(fā)榮

摘要：針對強(qiáng)夯機(jī)夯能效率難以測試的問題，開發(fā)出一種新的測試方法，即通過測試強(qiáng)夯機(jī)夯錘下落過程中的加速度，再對加速度積分得到夯錘落地速度和夯高，進(jìn)而計(jì)算得到強(qiáng)夯機(jī)夯擊能效率。這種方法簡單方便，結(jié)果可靠，可作為強(qiáng)夯機(jī)夯擊能效率測試的標(biāo)準(zhǔn)手段。

Abstract： A new testing method of dynamic compactor，s tamping energy efficiency was developed. With this method， the acceleration of rammer during the falling which is integrated for velocity and height， is tested firstly， and then the tamping energy efficiency can be calculated with velocity and height. This method is uncomplicated and convenience， and the testing result is accurate， it can be the standard way of testing tamping energy efficiency.

關(guān)鍵詞：強(qiáng)夯機(jī);夯擊能效率;加速度

Key words： dynamic compactor;tamping energy efficiency;acceleration

中圖分類號(hào)：N34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?; ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）06-0076-02

0? 引言

強(qiáng)夯機(jī)是一種用于土石方填平后夯實(shí)工程的機(jī)械設(shè)備，是基于強(qiáng)夯法原理設(shè)計(jì)的工程機(jī)械。強(qiáng)夯機(jī)按夯錘下落方式可分為脫鉤式和非脫鉤式兩種。前者通過脫鉤裝置使夯錘與吊鉤脫離，實(shí)現(xiàn)自由落錘，進(jìn)行下一次的落錘前，需要通過人工掛鉤。后者的夯錘無論提升還是下落都是通過提升鋼絲繩始終與強(qiáng)夯機(jī)的提升機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)帶載高速落錘[1-4]。與前者相比，非脫鉤式強(qiáng)夯機(jī)操作方便，無需人工掛鉤，作業(yè)效率高，節(jié)省施工成本，但技術(shù)復(fù)雜，夯能損失較大。若能通過試驗(yàn)得到夯擊能效率，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計(jì)提高夯擊能利用率，對非脫鉤式強(qiáng)夯機(jī)產(chǎn)品的性能提升具有重要意義。強(qiáng)夯機(jī)自由落鉤過程時(shí)間極短，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)很難把握，其夯擊能效率難以準(zhǔn)確測量。此前我司曾利用高速攝像機(jī)拍攝視頻，再采用視頻分幀軟件進(jìn)行分幀以得到準(zhǔn)確的自由落鉤時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算得到夯擊能效率。這種方法采用視頻分幀的方式求取自由落鉤時(shí)間，其下落的起始幀和結(jié)束幀難以選取，導(dǎo)致誤差極大，所以，這種方法只能用于夯擊能效率的初步估算。要求得夯擊能效率，關(guān)鍵在于得到夯錘落地時(shí)的瞬時(shí)速度。本論文利用靜態(tài)加速度傳感器測試下落過程中夯錘的實(shí)時(shí)加速度，再通過積分得到夯錘落地速度，進(jìn)而可計(jì)算得到夯擊能效率。

1? 試驗(yàn)測試研究

1.1 夯擊能效率測試原理

根據(jù)能量守恒原理，夯錘提升至夯高H 時(shí)，其做自由落體運(yùn)動(dòng)落地時(shí)的動(dòng)能與被提升至H時(shí)的勢能相等：

其中， v0—重錘做自由落體落地時(shí)的瞬時(shí)速度;m—夯錘重量;H—夯高（從最高點(diǎn)落至地面的高度）;g=9.8m/s2，為重力加速度。

強(qiáng)夯機(jī)在實(shí)際工作時(shí)，夯錘下落過程中受到空氣阻力的影響（非脫鉤強(qiáng)夯機(jī)還受到來自工作機(jī)構(gòu)的牽引阻力），因此強(qiáng)夯機(jī)自由落鉤階段，重錘實(shí)際落地瞬間的動(dòng)能為：

由式（4）可知，要求出夯擊能效率，關(guān)鍵是要得到夯錘落地瞬間的瞬時(shí)速度，夯錘落地瞬時(shí)速度通過測量自由落鉤過程中的加速度，再對加速度積分得到;二次積分可得到準(zhǔn)確夯高。積分可利用數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)儀器

1.2.1 n-Code數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

16個(gè)全差分模擬信號(hào)輸入通道，采樣頻率：0.1Hz～100kHz，輸入：最小滿量程 ±62.5mV，最大滿量程 ±80V。

1.2.2 加速度傳感器

采用可以檢測到重力加速度的低頻靜態(tài)加速度傳感器，量程：±2g，靈敏度：507.55mv/g。

1.3 試驗(yàn)方法

加速度傳感器通過磁座及膠水固定在夯錘上表面，信號(hào)線一端與傳感器相連，另一端接入n-code數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)采儀器與筆記本電腦通過網(wǎng)絡(luò)接口連接。為了在數(shù)據(jù)處理時(shí)清楚的判斷自由落鉤起始點(diǎn)，可采取在提升機(jī)構(gòu)測壓口接入壓力傳感器，通過壓力變化來判斷起始點(diǎn)。

試驗(yàn)之前先對加速度傳感器和壓力傳感器標(biāo)定，并將標(biāo)定文件保存。測試時(shí)，引入標(biāo)定文件，采集強(qiáng)夯機(jī)自由落鉤過程中時(shí)間歷程數(shù)據(jù)。

2? 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

2.1 脫鉤式強(qiáng)夯機(jī)夯擊能效率測試分析

脫鉤式強(qiáng)夯機(jī)，其自由落鉤過程可認(rèn)為是自由落體過程，夯擊能效率接近100%，考慮到夯錘下落過程中會(huì)受到空氣阻力，同時(shí)測試系統(tǒng)本身會(huì)有儀器誤差，因此，最后計(jì)算得到的夯擊能效率會(huì)小于100%，但應(yīng)不會(huì)偏離太大。所以，測試脫鉤式強(qiáng)夯機(jī)的夯擊能效率可以驗(yàn)證上述夯擊能效率測試方法的有效性及準(zhǔn)確性。

圖1為某脫鉤式強(qiáng)夯機(jī)自由落鉤過程中夯錘的運(yùn)動(dòng)曲線。其中A點(diǎn)以前為提錘過程，由于提升速度緩慢，接近勻速，所以這個(gè)階段加速度基本為0;A點(diǎn)為夯錘脫開脫鉤器，開始自由落鉤，由圖1可知，A點(diǎn)加速度出現(xiàn)急劇變化;AB段加速度出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，這是因?yàn)?，在脫鉤的瞬間，拉脫鉤器的鋼絲繩拉動(dòng)脫鉤器，脫鉤器對夯錘有一個(gè)作用力，導(dǎo)致夯錘突然出現(xiàn)晃動(dòng)，此時(shí)加速度出現(xiàn)劇烈波動(dòng);之后夯錘調(diào)整下落姿態(tài)，開始自由落體運(yùn)動(dòng)，所以AB過程為夯錘調(diào)整下落姿態(tài)的過程;BC段為接近勻加速運(yùn)動(dòng)過程，加速度幾乎為自由落體加速度g（負(fù)號(hào)僅考慮方向）;C點(diǎn)為夯錘落地瞬間，落地之后，由于地面的巨大沖擊，加速度迅速發(fā)生劇烈波動(dòng)。之后沖擊過程停止，加速度歸于0。

通過數(shù)據(jù)處理軟件積分得到速度曲線，如圖2所示。

由圖2可知，夯錘從接近靜止開始下落到D點(diǎn)夯錘落地時(shí)，速度達(dá)到最大，因此D點(diǎn)處速度即為落地時(shí)的瞬時(shí)速度V;由圖2可知：

V=1.25753×9.8=12.32m/s

二次積分可得到夯錘的位移曲線，可以計(jì)算得到夯高：

H=0.801804×9.8=7.86m

由此得到，該脫鉤式強(qiáng)夯機(jī)夯擊能效率：

由此可見，這種測試夯擊能效率的方法精度較高，其誤差≤1.5%，可用于非脫鉤時(shí)強(qiáng)夯機(jī)夯擊能效率測試。

2.2 非脫鉤式強(qiáng)夯機(jī)夯擊能效率測試分析

圖3為某非脫鉤式強(qiáng)夯機(jī)自由落鉤過程中夯錘的運(yùn)動(dòng)曲線和提升機(jī)構(gòu)的壓力變化曲線。其中紅色曲線為加速度曲線（負(fù)號(hào)僅代表方向），藍(lán)色為提升機(jī)構(gòu)壓力曲線。由圖3可知， A點(diǎn)壓力突然降低，可知為自由落鉤起始點(diǎn)，因此，在同時(shí)間軸加速度時(shí)域曲線上可確定B點(diǎn)為自由落鉤起始點(diǎn);C點(diǎn)為夯錘著地點(diǎn)。由圖3看出，加速度曲線與提升機(jī)構(gòu)壓力曲線在時(shí)間歷程上相對應(yīng)。在自由落鉤前期，壓力未能迅速下降，夯錘下落受到的阻力較大，與此對應(yīng)的加速度也較低;之后提升機(jī)構(gòu)壓力接近恒定，夯錘做接近于勻加速的直線運(yùn)動(dòng)，且加速度<1g，說明夯錘受到一個(gè)相對恒定的阻力。

通過數(shù)據(jù)處理軟件對加速度積分得到夯錘落地瞬時(shí)速度V：

V=1.56321×9.8=15.32m/s

對加速度進(jìn)行二次積分得到夯高H：

H=1.41652×9.8=13.88m

由此得到，該非脫鉤式強(qiáng)夯機(jī)夯擊能效率：

3? 結(jié)論

本論文開發(fā)了一種新型強(qiáng)夯機(jī)夯擊能效率測試方法。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，利用靜態(tài)加速度傳感器測試強(qiáng)夯機(jī)夯錘下落過程中的加速度，再積分得到夯錘落地速度及夯高，進(jìn)而計(jì)算得到強(qiáng)夯機(jī)夯擊能效率的方法可行。這種方法測試設(shè)備簡單，操作方便，測試結(jié)果可靠，可作為強(qiáng)夯機(jī)夯擊能效率測試的標(biāo)準(zhǔn)手段。

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