殷 超 張建潤(rùn) 孫志剛 韓志遠(yuǎn)

(1東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 南京 211189)(2徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司, 徐州 221004)

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攤鋪機(jī)熨平板動(dòng)態(tài)特性分析與測(cè)試

殷 超1張建潤(rùn)1孫志剛2韓志遠(yuǎn)2

(1東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 南京 211189)(2徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司, 徐州 221004)

為了提升攤鋪機(jī)熨平板的振動(dòng)響應(yīng)效果,改善其動(dòng)態(tài)特性,首先建立了熨平板的動(dòng)力學(xué)模型,根據(jù)拉格朗日定理對(duì)運(yùn)動(dòng)微分方程進(jìn)行了求解,并通過虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)研究了熨平板箱體振幅響應(yīng)與振動(dòng)器頻率的關(guān)系．然后提出了利用薄膜壓力傳感器測(cè)量振搗錘對(duì)地壓力的方法,研究振搗錘對(duì)瀝青料的壓力與振搗頻率的關(guān)系．最后在模態(tài)疊加理論的基礎(chǔ)上,提出熨平板振動(dòng)形態(tài)的測(cè)試方法,繪制出不同工作條件下的熨平板振動(dòng)形態(tài)．結(jié)果表明,振動(dòng)器工作頻率在30～40 Hz范圍時(shí),熨平板箱體振幅響應(yīng)較明顯;振搗機(jī)構(gòu)工作頻率在15～20 Hz范圍時(shí),振搗錘對(duì)瀝青混合料的壓力較小;振搗頻率為15 Hz、振動(dòng)頻率為40 Hz的工作條件下,熨平板振動(dòng)形態(tài)最平整,從而可以提升瀝青層的平整度和密實(shí)度．

攤鋪機(jī)熨平板;動(dòng)態(tài)特性;壓力測(cè)量;模態(tài)疊加;振動(dòng)形態(tài)

熨平板是攤鋪機(jī)的核心裝置之一,影響攤鋪?zhàn)鳂I(yè)功能和質(zhì)量．有效控制熨平板的振動(dòng)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)特性,是保障瀝青路面的平整度和密實(shí)度的前提[1-2]．

目前,國(guó)內(nèi)對(duì)熨平板動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了一些研究．馮忠緒等[3]通過振搗器動(dòng)力學(xué)模型的仿真試驗(yàn),驗(yàn)證了振搗沖程與振搗錘前后相位角的變化規(guī)律以及振搗機(jī)構(gòu)對(duì)熨平板箱體慣性力的影響．嚴(yán)世榕等[4-5]建立了壓實(shí)系統(tǒng)3個(gè)自由度的非線性動(dòng)力學(xué)模型框架,研究了壓實(shí)系統(tǒng)中有關(guān)零部件的振動(dòng)響應(yīng)特征,分析了響應(yīng)信號(hào)的頻率成分,討論了熨平板自重、激勵(lì)頻率與振動(dòng)響應(yīng)的關(guān)系,從測(cè)試技術(shù)和信號(hào)處理的角度研究了熨平板運(yùn)動(dòng)特性．

國(guó)外學(xué)者主要研究了瀝青混合料的振搗與壓實(shí)機(jī)理．Amadore等[6]提出利用模糊集中控制技術(shù)來預(yù)測(cè)瀝青層的密實(shí)度,快速準(zhǔn)確識(shí)別敏感參數(shù),以進(jìn)行壓實(shí)校正．Kassem等[7]分析了溫度場(chǎng)與瀝青層成型面的關(guān)系,通過開發(fā)壓實(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CMS)直觀體現(xiàn)出瀝青材料塑形遲滯等因素影響了路面平整度,進(jìn)一步提升了振搗效率．

上述研究大多采用仿真技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)來分析熨平板工作參數(shù)對(duì)攤鋪效果的影響．本文將基于機(jī)械振動(dòng)和模態(tài)分析理論,以振搗頻率和振動(dòng)器頻率為分析目標(biāo),將仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合,提出振搗錘對(duì)地壓力實(shí)驗(yàn)和熨平板工作振動(dòng)形態(tài)測(cè)試方法,研究振搗頻率和振動(dòng)頻率對(duì)熨平板動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律,優(yōu)化頻率參數(shù)的選?。?/p>

1 熨平板結(jié)構(gòu)與原理

熨平裝置主要由雙振搗機(jī)構(gòu)、振動(dòng)器和箱體組成，如圖1所示．雙振搗機(jī)構(gòu)將瀝青混合料搗實(shí),即預(yù)壓實(shí)過程．振動(dòng)器在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過偏心軸引起熨平板箱體振動(dòng),箱體在燃?xì)饧訜岬耐瑫r(shí)將瀝青料進(jìn)一步軟化,提升其可塑性,使得路面熨平壓實(shí)．

圖1 單節(jié)熨平板結(jié)構(gòu)示意圖

雙振搗機(jī)構(gòu)主要由偏心軸、主振搗梁、副振搗梁、主偏心套筒和副偏心套筒組成(見圖2)．振搗梁在豎直方向周期運(yùn)動(dòng),并且緊貼瀝青混合料．目前,雙振搗機(jī)構(gòu)已經(jīng)從最初的單個(gè)固定振幅改進(jìn)為多級(jí)振幅,以適應(yīng)攤鋪工作中不同類型的瀝青混合料．通過調(diào)節(jié)軸與偏心套筒的相位夾角,可以實(shí)現(xiàn)振搗梁振幅的改變．

(a) 熨平板側(cè)視圖

(b) 雙振搗機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

(1)

圖3 振幅調(diào)節(jié)原理圖

由此可見,偏心軸和偏心套筒的相對(duì)位置決定了振幅大?。倨桨逶O(shè)計(jì)中,應(yīng)當(dāng)選取適當(dāng)?shù)恼駬v梁振幅,使振搗機(jī)構(gòu)作用在熨平板箱體上的慣性力分布均勻,從而使路面攤鋪質(zhì)量得以提升[3]．

2 熨平板多體動(dòng)力學(xué)仿真

2.1 動(dòng)力學(xué)建模

將熨平板的每個(gè)部件視為純剛體,不考慮振搗機(jī)構(gòu)偏心套筒和偏心軸的質(zhì)量,整個(gè)熨平板裝置可建模為16個(gè)振搗單元與熨平板箱體相結(jié)合的多剛體系統(tǒng)．圖4為單段熨平板橫截面動(dòng)力學(xué)模型,研究熨平板的動(dòng)力學(xué)特性時(shí),考慮箱體的水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)以及繞橫軸的擺動(dòng),具有3個(gè)自由度,而振搗機(jī)構(gòu)的振搗梁僅在豎直方向運(yùn)動(dòng)．瀝青材料同時(shí)具備彈塑性特征,因此箱體底部與剛性路面之間要考慮柔性連接．采用彈性阻尼器模型,因此可以用剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)表示箱體與瀝青層的柔性連接特征[8-9]．

圖4 熨平板動(dòng)力學(xué)模型示意圖

定義系統(tǒng)振動(dòng)平衡位置的熨平板質(zhì)心O為坐標(biāo)原點(diǎn),按水平和豎直方向建立廣義直角坐標(biāo)系,根據(jù)拉格朗日方程建立如下熨平板動(dòng)力學(xué)微分方程[9-11]：

(2)

(3)

其中,i=1,2,…,16;k=1,2.

對(duì)某試驗(yàn)樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真工況進(jìn)行設(shè)置,熨平板箱體與瀝青層接觸,振搗梁懸空．該試驗(yàn)樣機(jī)的主要參數(shù)如表1所示．

表1 試驗(yàn)樣機(jī)部分參數(shù)

2.2 熨平板箱體振幅響應(yīng)仿真分析

振搗頻率一定時(shí),隨著振動(dòng)器工作頻率的增加,熨平板箱體的振幅響應(yīng)會(huì)發(fā)生明顯變化．根據(jù)圖4建立的熨平板多體動(dòng)力學(xué)模型及表2中的工作狀況參數(shù),分析箱體前、后側(cè)振幅隨著振動(dòng)頻率的變化規(guī)律．

表2 熨平板箱體振幅響應(yīng)仿真分析工況

經(jīng)仿真計(jì)算,熨平板振幅響應(yīng)與振動(dòng)頻率的關(guān)系曲線如圖5所示．隨著振動(dòng)頻率的增加,熨平板前、后側(cè)振幅呈先增大、再緩慢減小的變化規(guī)律．當(dāng)振動(dòng)頻率為32 Hz 時(shí),熨平板前、后側(cè)振幅最大,振動(dòng)響應(yīng)最明顯,箱體具有最大的振動(dòng)能量,更有利于熨平板將瀝青層熨平、壓實(shí)．因此,在實(shí)際攤鋪工作中,為了獲得明顯的熨平板振動(dòng)響應(yīng),振動(dòng)器工作頻率應(yīng)選取30～40 Hz．

圖5 熨平板振幅響應(yīng)特性曲線

3 熨平板實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 振搗錘對(duì)地壓力實(shí)驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)熨平板對(duì)瀝青層壓力的均勻程度,測(cè)試了振搗錘對(duì)地面的壓力．薄膜壓力傳感器探頭放置于振搗錘下方,研究振搗錘對(duì)地壓力隨著振搗頻率增加的變化規(guī)律．在實(shí)際測(cè)試中,熨平板與地面之間墊上雙層橡膠,壓力傳感器探頭夾在2層橡膠中間．

根據(jù)彈性力學(xué)原理,橡膠墊受力采用半無限空間體受均布載荷作用模型．如圖6所示,橡膠墊水平邊界上受均勻分布的單位面積壓力P作用,2層相同的橡膠墊總高度h,水平形變量邊界條件ux=uy=0,地面處豎直形變量邊界條件uz=h=0．由于只考慮豎直方向(z方向)的形變,當(dāng)傳感器探頭在橡膠墊中的深度為z時(shí),橡膠材料在探頭位置的形變和應(yīng)力分別為[12]

(4)

(5)

(a) 實(shí)測(cè)情況

(b) 傳感器位置示意圖

式中,ν為橡膠材料泊松比;ρ為密度;E為楊氏模量;g為重力加速度．

表3 橡膠墊機(jī)械性能要求[13]

如圖7所示,振搗機(jī)構(gòu)和熨平板箱體分為8段,各段振搗機(jī)構(gòu)之間通過聯(lián)軸器連接,各段箱體之間通過螺栓連接．相鄰兩段振搗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)均有差異,因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)各段的長(zhǎng)度來布置測(cè)試點(diǎn)．從左至右依次命名為L(zhǎng)8,L7, …,L1,R1,R2,…,R8,總計(jì)16個(gè)測(cè)試點(diǎn)．

圖7 測(cè)試點(diǎn)分布(單位:mm)

圖8給出了L6位置的振搗錘在豎直方向上對(duì)地壓力的峰值與振搗頻率的關(guān)系．

圖8 振搗錘對(duì)地壓力峰值與振搗頻率的關(guān)系曲線

隨著振搗頻率的增加,振搗錘對(duì)地壓力的峰值呈先減小、再增大的變化規(guī)律．當(dāng)振搗頻率為16 Hz時(shí),振搗錘對(duì)地壓力峰值最小．考慮到初步搗實(shí)過程中,應(yīng)當(dāng)控制振搗錘與瀝青混合料的接觸壓力,避免瀝青材料塑性變形過度,影響路面的平整度,因此結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況,振搗機(jī)構(gòu)的工作頻率應(yīng)選取為15～20 Hz．

3.2 熨平板工作振動(dòng)形態(tài)測(cè)試與分析

為了分析攤鋪機(jī)熨平板在不同頻率強(qiáng)迫振動(dòng)下的機(jī)械特性,提出了熨平板振動(dòng)形態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法．基于振動(dòng)模態(tài)理論,具有n個(gè)自由度的線性振動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng),相當(dāng)于該振動(dòng)系統(tǒng)在n個(gè)模態(tài)坐標(biāo)下單個(gè)自由度振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)力響應(yīng)之和,符合模態(tài)疊加原理．熨平板的振動(dòng)形態(tài)為最終響應(yīng)形態(tài),即模態(tài)疊加的結(jié)果．

在熨平板的振動(dòng)形態(tài)測(cè)試中,采用振動(dòng)噪聲分析儀與三向加速度傳感器(見圖9)．加速度傳感器對(duì)熨平板各個(gè)方向的加速度信號(hào)進(jìn)行采集,頻譜分析儀再將采集到的信號(hào)進(jìn)行頻率、傳遞函數(shù)分析,最后得到熨平板的振動(dòng)慣性力和振動(dòng)形態(tài)的圖形描述．

圖9 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)況

如圖10所示,熨平板全長(zhǎng)12 m,每隔1 m布置測(cè)試點(diǎn)并安裝傳感器．并在測(cè)試點(diǎn)9，10之間設(shè)置參考點(diǎn)C,計(jì)算各個(gè)測(cè)試點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的傳遞函數(shù),從而準(zhǔn)確表示熨平板振動(dòng)形態(tài)．在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的位置上,需要采集熨平板箱體前、后兩側(cè)的加速度信號(hào),圖10(b)中a1～a4分別代表熨平板后側(cè)豎直方向、后側(cè)水平方向、前側(cè)豎直方向、前側(cè)水平方向的加速度分量．

(a) 測(cè)試點(diǎn)橫向分布

(b) 加速度分量

根據(jù)前面的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選取了振搗頻率分別為15和20 Hz,振動(dòng)頻率分別為30,35和40 Hz的工作條件,進(jìn)行熨平板振動(dòng)形態(tài)測(cè)試,計(jì)算各階模態(tài)參數(shù),并進(jìn)行振動(dòng)形態(tài)參數(shù)識(shí)別．

圖11繪制了不同工作條件下的熨平板振動(dòng)形態(tài),其中振動(dòng)形態(tài)水平、豎直方向分量的數(shù)值均代表測(cè)試點(diǎn)相對(duì)參考點(diǎn)C的比值．通過實(shí)際振動(dòng)形態(tài)和水平參考面的對(duì)比,圖11清晰、直觀地展現(xiàn)了熨平板的振動(dòng)特性,以及熨平板整體的彎扭狀況．

可以看出,在振搗頻率為15 Hz、振動(dòng)頻率為40 Hz的工作條件下,熨平板振動(dòng)形態(tài)最為平整,說明此時(shí)熨平板整體具有相對(duì)一致的動(dòng)力學(xué)特性,使瀝青混合料的攤鋪密實(shí)度和平整度達(dá)到最好的效果,同時(shí)也將機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞壽命折損降到最低．

4 結(jié)論

1) 建立了熨平板動(dòng)力學(xué)模型,虛擬仿真計(jì)算得到振動(dòng)器工作頻率在30～40 Hz范圍時(shí),熨平板箱體具有較好的振幅響應(yīng)．

2) 通過振搗錘對(duì)地壓力實(shí)驗(yàn),分析得到振搗機(jī)構(gòu)的工作頻率在15～20 Hz范圍時(shí),振搗錘對(duì)瀝青混合料的壓力較小,可有效控制瀝青材料的塑性變形．

(a) 振搗頻率15 Hz,振動(dòng)頻率30 Hz

(b) 振搗頻率20 Hz,振動(dòng)頻率30 Hz

(c) 振搗頻率15 Hz,振動(dòng)頻率35 Hz

(d) 振搗頻率20 Hz,振動(dòng)頻率35 Hz

(e) 振搗頻率15 Hz,振動(dòng)頻率40 Hz

(f) 振搗頻率20 Hz,振動(dòng)頻率40 Hz

3) 進(jìn)行熨平板工作振動(dòng)形態(tài)測(cè)試,研究出振搗頻率為15 Hz、振動(dòng)頻率為40 Hz的工作條件下,熨平板振動(dòng)形態(tài)平整性最好,有利于提升攤鋪路面的平整度和密實(shí)度．

4) 本文提出了振搗錘對(duì)地壓力和熨平板振動(dòng)形態(tài)測(cè)試方法,來改進(jìn)和優(yōu)化攤鋪工作頻率參數(shù)．結(jié)果表明,這2種測(cè)試方法對(duì)攤鋪機(jī)操作工藝具有重要的指導(dǎo)意義,同時(shí)在工程機(jī)械動(dòng)態(tài)特性的研究領(lǐng)域中也具有較好的應(yīng)用價(jià)值．

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Dynamic characteristics analysis and test of paver screed

Yin Chao1Zhang Jianrun1Sun Zhigang2Han Zhiyuan2

(1School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)(2XCMG Construction Machinery Co., Ltd., Xuzhou 221004, China)

To improve the vibration response and dynamic characteristics of the paver screed, a dynamic model of the screed was established first. The differential motion equations were solved via the Euler-Lagrange theorem. The relationship between the amplitude responses of the screed box and the vibrator frequency was obtained through virtual prototyping simulation. Then, a new method for testing the beam pressure to the ground by film pressure sensor was put forward to study the relationship between the beam pressure and the tamper frequency. Finally, based on the modal superposition theory, a new method for testing the vibration shape of the screed was also put forward to figure out the vibration shapes of the screed under different conditions. Results show that when the vibrator frequency range is 30 to 40 Hz, the amplitude response of the screed box is more obvious. The beam has less pressure on asphalt mixture when the tamper frequency range is 15 to 20 Hz. Under the conditions of the tamper frequency 15 Hz and the vibrator frequency 40 Hz, the vibration shape of the screed is the smoothest, thus improving the smoothness and the quality of asphalt layer.

paver screed; dynamic characteristic; pressure measurement; mode superposition; vibration shape

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.012

2016-04-20. 作者簡(jiǎn)介: 殷超(1993—),男,碩士生;張建潤(rùn)(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師, zhangjr@seu.edu.cn.

江蘇省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(BE2014133)、江蘇省前瞻性聯(lián)合研究資助項(xiàng)目(BY2014127-01).

殷超,張建潤(rùn),孫志剛,等.攤鋪機(jī)熨平板動(dòng)態(tài)特性分析與測(cè)試[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(6):1179-1185.

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.012.

U415.521

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1001-0505(2016)06-1179-07