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振动压实技术发展现状及展望

信息来源:chuandong.biz  时间:2008-01-29  浏览次数:308

  在公路修筑中,压实机械是很重要的设备,无论路基、地基层、基层和面层都需要很好的压实,以达到一定的密实度,提高道路的承载能力,并防止沉陷、水分渗透等。随着交通运输量的迅速增大,公路建设的进一步发展,施工部门对压实机械提出了越来越高的要求。通常,压实工作占施工项目费用2%,设备占工程造价的0.2%,而密实度每提高1%;基础承载能力就提高10%;若是沥青混凝土密实度每提高1%,承载能力和寿命可提高10~15%。压实工作的重要性显而易见。
  作者介绍,上世纪90年代以来,国际工程机械市场出现平稳增长趋势,平均每年增长5.2%左右。2001年世界工程机械产品的销售量增加到870亿美元.美国上世界上最大的工程机械市场,年需求各种压路机6000台以上;伊朗每年进口工程机械产品达15亿美元;非洲53个国家,主要靠进口工程机械来完成本过的施工任务.另外,意大利、韩国、马来西亚、印度尼西亚、泰国、巴西、智利、墨西哥、秘鲁、委内瑞拉等国每年也需要进口大量的工程机械。正因为上述原因,作为压实主要设备的振动压路机以及压实理论和压实控制技术也越来越受到各国的重视。在此,作者将对振动压路机的振动压实技术的发展状况作一比较全面的概括,并结合现代动力学,计算最新技术和人工智能技术,提出该行业的研究发展方向。
  振动压路机机器振动压实技术现状
  1、现代振动压路机特点:
  (1)现代压路机的行走、振动、转向和制动均为液压传动,液压传动过程平稳,操纵灵活省力,并且为自动控制创造了条件。特别是压路机的行走液压驱动,可以大大提高压路机的压实效果。
  (2)全轮驱动压路机的滚轮既是行走装置又是作业装置。全轮驱动可以克服拥土,产生弓坡与裂纹的缺点,而且好提高了压路机的驱动能力,但这种群论驱动只有通过液压传动才可能实现。
  (3)路机采用铰接转向,其机动性能好,在压实弯道时不会出现漏压和过压现象。
  (4)自锁式差速器既能保证压路机在一个轮悬空是的通过能力,又省去了使用差速锁带来的操作麻烦,但与通常所用的牙嵌式自由轮差速器相比,越野能力较差。
  (5)在压实沥青混合料的压路机上安装喷雾洒水系统,水成雾状均匀地洒在轮面上,能防止材料粘结在压轮上,比用重力洒水节约了用水量。
  (6)在全液压传动压路机上,设有行车制动、应急制动和停车制动三套制动个度微, 能够确保压路机处在各种动、静状态的有效制动。
  (7)在振动压路机上除了振动轮与框架之间装有橡胶减振器外,还在操作平台与车架之间装有二级减振器,加上自动调节的减振座椅,大大改善了司机的工作条件。
  (8)一般在10t以上的压路机上都设有翻车保护的驾驶室,且可根据用户要求安装空调,改善操作人员的工作环境。
  2、现代振动压路机采用的新技术:
  (1)引进蟹行机构,以提高压路机作业的贴边性能。蟹行机构一般分三种形式:在铰接关系不变的情况下,使一个压轮能作侧向滑移而实现蟹行;前后车架之间有两个铰中心,一个铰销用于转向,另一个铰销用于实现两车架专心线的偏移,整体车架一一前后两压轮都能偏转、偏转方向相反时实现全轮转向,偏转方向相同时实现蟹行。
  (2)引进改变振子偏心距或偏心质量达到调幅调频的调幅与调频机构。最方便的调幅机构是固定振子与活动振子不同方位相叠加实现的。双幅振动只要改变液压马达的旋转方向即可实现。通过花键或嵌接调节固定振子与活动振子的相对角度能实现多级振幅换接。无级调幅很困难,现在有用液体流动原理制成的无级调幅机构,振动调频的调节是用液压马达的调速来实现的。
  (3)装配式凸块瓦压路机。一般是在光轮上焊接若干凸块制成的,在光轮和凸块轮转换时要整个更换。
  (4)剖分式滚轮。这样可以使压路机在转向时两半轮有个相对转动,减少了滚轮偏转对地面材料的搓起和减小转向力矩,从而提高了路面压实质量和减小了转向操纵力,但驱动滚轮必须是液压驱动,且结构较复杂。
  (5)轮胎自动充气。司机可以根据铺层状况和施工要求随时改变轮胎气压,以便于提高压实效果和生产效率。
  (6)气力悬挂减振装置可以使振动能量全部传递给压实面。气力悬挂是利用空气的弹性,由于气体受压缩和反弹的速率很快,几乎不消耗振动能量。
  (7)在压路机的驾驶室内设置频率仪、振幅计和压实度计,实现压路机的随机自动检测。这样操作人员可以随时测定压实效果及确定碾压遍数,从而提高了作业效率和压质量。
  (8)在压路机的有关部位设置传感器,可以对油位、油温、滤清器堵塞、皮带松弛等故障自动报警,加上对压实速度、振动频率和振幅的快速调节及压实度的随机检测,实现压路机故障报警与调控自动化。
  (9)计算机仿真压实技术。瑞典的Geodynamik技术咨询公司开发了振动压实过程计算机仿真软件。该软件提供的模型允许将土壤的最基本物理学特性作为计算机的输入参数,在不同的土壤条件和不同的极限参数下模拟滚轮和土壤相互作用的动力学特性,可用于对现有振动压路机的压实性能进行评价和对新设计的机型进行性能预测。软件的另一个功能是可以根据给定的土壤条件,选择不同的机型和施工工艺,并对方案进行比较和优化。
  (10)碾压作业连续控制技术。瑞典的Geodynamik公司的压实设备控制与检测系统经过改装可安装在其他厂家的压路机上。该系统包括用于振动压路机和振荡压路机上的示波器,以及用于连续压实控制(CCC)、文件系统(CDS)和处理数据(CCC)用的PC软件程序。这些程序还包括Cdsview(中央数据服务软件窗口),用来分析某一项目的CCC在案信息,并将其进行有关处理,制成各种图表和以特定的表格通过屏幕显示出来。
  (11)压实工程辅助管理。如Bomag公司向用户推出了一种名为CARE(Computer Aided Roller Selection in Earthworks)的土方压实机械辅助软件,作为使用压实设备的辅助工具。它可以帮助用户根据工程的工作量、现场条件、材料特性、葡式压实曲线及所要求的压实度来选择公司的三种压实机械配置方案,对每一方案均可提供对各使用参数的选用建议,包括压轮类型(光轮、凸轮或光轮与凸轮结合)、振幅和频率、最小与最大铺层厚度和铺层数、每层压实带的安排、碾压簌簌和遍数以及压实生产率和压实时间的确定。
  (12)防滑转控制系统。这种称作ASC(Anti-Slip Control)控制系统,是为满足建筑大坝和大型填方工程而实际开发的,使压路机的爬坡能力超过50%。该系统主要是检测振动轮和胶轮之间的滑转,借助于调整液压驱动系统的流量,提供最佳牵引条件,避免机器停顿或下陷。的现代驾驶室和大斜坡的发动机罩
  (13)工业设计技术的运用。如Bomag公司的第三代压实机械采用工业设计,用圆弧形的现代驾驶室的发动机罩作外观造型。圆弧形挡风玻璃和驾驶室有四个外支承,可隔离噪声与振动。液压转星期也移到驾驶室外,以减少发热和噪声。仪器仪表设计更合理,易于观察,发动机罩倾斜,给驾驶员提供了良好的视野。
  3、我国振动压路机现状
  我国振动压路机经历了从机械传动到液压传动、由单一型号到系列发展的不同阶段。40年代以来,国内主要生产厂家直接引进世界先进技术水平压路机制造技术,如洛阳建筑机械厂引进德国Bomag公司的BW217D、BW213D、BW141D和BW120D等型号和振动压路机专有技术;徐州工程机械厂引进瑞典Dynapac公司的CA25振动压路机制造技术,多年来经过归引进机型消化吸收和国产化的改造,使产品技术水平不断提高,可靠性不断增强,生产能力不断扩大。国内目前已形成了徐工、三一、洛建、三重等为代表的压路机生产厂家。我国振动压路机的新发展体现在新产品频频亮相、新机构不断涌现和自动化水平不断提高等三方面。随着微电子技术和自动控制技术的发展,液压与电子控制有机结合使振动压路机性能显著提高。利用速度、压力、流量等传感器,采集振动压路机工作状态参数引入自我诊断系统,实现故障自动报警、振动频率和振幅的快速调节及压实度的随机检测。此外,无人驾驶或地面遥控压路机也迈出可喜的一步,取得很大进展。如长沙矿山研究院研制成功的YZJ19A的基础上又开发了地面遥控的振动压路机。但是由于我国振动压路机起步晚,整体水平与国外先进水平相比仍有较大差距,尤其是重型和超重型振动压路机生产数量和品种仍然较少,产品的可靠性和外观质量等综合技术经济指标和自动控制技术方面仍低于国外先进水平。
  发展趋势
  随着现代科学技术的迅猛发展,计算机技术的运用已成为非常重要的手段,这使得压实机械的研究过程从论证、设计、制造、试验、使用、维修到管理的全过程成为高度自动化和现代化的工作过程,并将最终推动压实机械向自动化、智能化、无人化和机器人化的方向发展。机器可以按照土质的变化情况不断调整自身各种工作参数就(振动频率、振幅碾压速度和遍数)的组合,自动适应外部工作状态的变化,使压实作业始终在最优条件下进行。这种智能自动条幅压实系统能自动选择与被压材料的密实度状况相匹配的振幅,从而消除材料出现压实不足或过压实现象,提高压实度的均匀程度;能够消除振动轮的跳振,避免粗骨破碎。在对压实过程控制和机器工作状态实施检测的基础上,压实机械将从局部自动化过渡到全面自动化。
  振动压实理论和技术的发展
  振动压实理论的发展
  振动压实的基本原理有三种不同的说法。一种认为,振动使被压实材料内产生振动冲击。被压实材料的颗粒在振动的冲击作用下,由景致的初始状态过渡到运动状态,被压实材料立志件的摩擦力也由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态。同时由于材料中水分的离析作用,使材料颗粒的外围包围一层水膜,形成了颗粒运动的润滑剂,为颗粒的运动提供了非常有利的条件。被压材料的颗粒之间在非密实状态下存在许多大小不等的间隙,被压实材料在震动冲击的作用下,其颗粒间的相对位置发生辩护出现了相互填充现象,即较大颗粒形成的间隙由较小颗粒来填充,较小颗粒的间隙由水分填充。被压实材料中空气的含量也在振动冲击过程中减少了。被压实材料颗粒间间隙的减小,以为着密实度的增加;被压实材料之间间隙减小使其颗粒间接触面积增大,导致被压实材料内摩擦阻力增大,意味着其承载能力的提高。
  另一种叫共振学说认为,当激振频率与被压实材料的固有频率一致时,振动压实最为有效。实践证明,共振效果是显著的,说明了这一理论的正确性。然而由于材料的固有频率是变化的,要求激振器的频率作用相应的变化是困难的,但利用共振现象来进行压实是比较容易的。
  还有一种反复载荷学说认为:材料是由于振动所产生的周期性压缩运动的作用,而达到振动压实的效果。在低频范围内它具有一定的现实性,而在高频范围内(共振频率达到1000Hz以上)并无充足的理论根据。
  20世纪80年代出现了一种新的压实方法和技术——振荡压实。这一概念是由瑞典的H. Thurner博士提出来的,其基本原理是:利用土力学中交变剪应变的原理,使土壤等基础材料的颗粒重新排列而变的更加密实,从而达到压实之目的。振荡压实实际上是一种振动与揉搓相结合的方法,其振动能量是沿着水平方向在某一层面内传播的,因而在深度方面的压实影响不如振动压实,但是在表面层某一深度范围内的压实效果将明显优于振动压实。
  冲击压实是一种冲击和搓揉作用相结合的压实方法。其原理是:非圆滚轮在牵引力的作用下向前滚动,当滚动角圆弧与地面的接触点与重心处在一条铅垂线上时,滚轮升至作高位置,在越过此点后,重力相对于接地点产生一使滚轮坠落的冲击力矩,在这一力矩的冲击作用下滚轮冲击地面,而此时冲击力矩达到最大。随后碾论的冲击面向前方搓挤土壤而产生某种强力的搓揉作用,并使土壤产生很大的反力。
  现在由出现了符合振动压实的新概念,既集合静作用压路机、振动压路机、振荡压路机的优点于一身,将重力、激振力、力偶矩作用结合起来的符合振动。
  压实技术的发展
  目前在国外压实技术有了新的发展,出现了:
  (1)路面真空压实技术。真空压实可改善沥青混凝土的应力与变形的关系和混凝土的内部结构。实验证明,与不带真空装置相比,真空压实时沥青的变形速率提高40%~63%,生产率相同时能耗节约50%。
  (2)橡胶履带压实技术。随着沥青路面压实工艺的发展,一改轮胎压实为橡胶履带压实,国外称它是一次压实革命。和光轮压路机相比,其优点是;压实平整度高,保证路面的粗糙度和防滑能力,减少压实遍数,提高每遍的压实度,使压实表面的细小纹理封闭、密封防渗,提高路面的稳定性和耐久性。
  (3)压实过程计算机仿真技术。如瑞典Geodynamik技术咨询公司开发的计算机范缜软件。
  (4)压实过程全球定位技术。如Bomag公司最近推出了一种MSGPS(Measuring System Global Positioning)全球定位检测系统,通过此系统,压路机的位置可以被非常精确地记录下来,并能确定压实的位置和压实的质量。
  压实检测与控制技术的发展
  压实是使路基和路面各结构层材料获得足够的密实度,行之有效的检验方法则是对其实行监控的重要手段。当碾压遍数不足,设计的密实度达不到,结果是否需要返工或是工程质量低劣。碾压遍数过多,既不经济又回使压实度降低,还增加工程技术人员的劳动强度。
  压实度检验的常规方法有:环刀取土法、灌砂法和核子密度仪法等。环刀发的缺点在于:所取式样体积小,所测结果有局取性,结果处理时间长长。灌砂法的缺点在于:需要携带较多的标准砂,试样过程中称重次数多,速度满,受天气影响大,且结果同样有局限性。核子密实度仪法缺点在于:放射性物质对人体有害,对于石灰类稳定土不使用,使用时必须与标准法对比才能单独使用。由于传统压实检测方法的缺点,人们一直在寻求一种安装在机器上能在压实过程中连续测量,不断地提供有关压实状况信息的方法和装置。早在60年代就有人提出了利用振动部件与基础之间相互作用的动力特性来判断压实进程状况的设想。在60年的一些早期专利中,如Mratin在1962年的美国专利中提出了在振动轮与基础发生共振状态下利用垂直方向加速的振幅(最大值)来测量基础的压实程度。其后,Kerridge在1965年的英国专利中提出用两个安置在垂直和水平方向上的加速度传感器来感受振动轮支架上的某一点的椭圆性运动轨迹,并由此计算椭圆长轴的长度。1970年Konig在德国专利中提出利用振动工作部件与基础之间的冲击反力来测量基础材料的承载密度。但是由于这些早期专利大多采用峰值作为测量的特征值,而峰值易受干扰和本身的不稳定性导致很难在压实度与特征值之间建立起可靠的规律性联系,且测量环节多和采用晶体管分离元件的测量装置不仅导致测量误差的增大而且降低压实计的工作可靠度,因而这些专利都没能转化成投入市场的产品,随着人们对随车压实系统的兴趣越来越高,研制方案也渐趋成熟,70年带末以后先后出现了一些安装在压路机上的压实计问世并投入市场。瑞典Kynapac公司根据Thurner提出的方案研制的压实计,德国Bomag公司在80年代初研制BTM压实度计,日本铺道公司技术开发部在80年代末研制的一种CDS压实文件记录系统等。
  压实度随车检测系统在80年代获得蓬勃的发展,在总结近十年发展的总趋势和今后发展前景时,一归纳为以下的主要发展方向:
  压实度测量系统的微处理机化
  (1)在压实度的随车测量系统中大多采用了微处理机作为中心处理机并配备有相应的外围设备,这就为压实信息的储存、显示和记录提供了更加完善的方式。
  (2)压实过程的自动控制
  压实测量系统的进一步发汗必然联系到压实进程的自动控制问题,包括压实工作参数最家调节的自动化,压实机械驾驶操作自动化,压实质量控制自动化三方面。
  (3)压实过程的远距离和中央控制
  由中央站给出压实工作指令,并将信息通过遥测系统传至中央控制站进行处理并绘制现场的平面压实图。在这种压实图上将对每一个压实度数据通过定位系统给出相应的精确的现场位置,从而实现压实质量的平面空子,此时中央站的工作人员将从监视器的屏幕上监视看压路机的现场工作情况,并根据数据处理的结果对压实进程给予适当的控制和调度。
  震动压实理论与技术的攻占预测
  作者介绍,经过十多年的发展,人们对振动压实过程又提出了不少理论和方法,如混沌振动压路机的力学模型和动力学方程;考虑土壤刚度变化是一种振动压路机料过程的非线形动力学模型,以土体吸收最大功率为目标函数,优化振动压路机激振频率,振幅等主要工作参数:一种对振动压路机动力修改的方法;研究振动压力路基跳起现象时的力学特征;振动压路机的动态性能实验研究;一种新的震动压实机理为震动对于不同类的土剪应力的影响是一致的,而对抗剪强度的影响不同;运用复模态结构理论对振动轮——土进行系统动力学分析;研究振动轮跳振动时的次谐波振动现象;采用4自由度动力学模型,讨论车体转动惯量、振动轮与整机质量比、减振器与地面刚度比、驾驶室减振器和驱动轮刚度对压路机压实能力和驾驶舒适性的影响;讨论压路机质量在前、后论上的分配以及在振动轮上钢轮和机架之间分配差别对压路机牵引性能、压实性能和减振性能的不同影响;提供震动振动压路机性能的影响数据及相应数据及相应的曲线图,为选择振动压路机各种参数提供合理的范围;对振动压路机的分岔、混沌的动力学现象进行初步研究;研究符合振动压路机作用原理等等。
  通过这些研究,作者认为国内目前对振动压路机行业的研究主要集中在振动压路机——土壤系统中某一个或某几个参数发生变化时对其它参数或对系统的影响和系统参数的优化调节上,未能系统地对振动压实过程中机械—突然藕荷问题展开研究。今后,应该对不同压路机的结构参数和动力学参数结合在一起进行系统研究,进而揭示振动压路机在压实不同道路时的动力学特性,如有关动力学参数,突然参数变化引起的分岔混沌现象,以及这些分岔混沌对路面压实的利弊。此外,结合小波分析等工具,进一步开展大特性与路面密实度的关系,研究出更简单使用的密实度仪。与此同时,开展利用密实度检测仪与计算机控制,研究开发高性能智能振动压路机等等

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