基于熨平装置振动特性的摊铺密实度识别技术研究.pdf
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1、振动与冲击第42 卷第14期JOURNAL OFVIBRATIONAND SHOCKVol.42 No.14 2023基于熨平装置振动特性的摊铺密实度识别技术研究罗清云,刘洪海,吴平,史妍妮(1.长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,西安7 10 0 6 4;2.内蒙古路桥集团有限公司,呼和浩特0 10 0 51)摘要:为了检测摊铺层密实度,根据主副振捣器与铺层材料的接触情况,将熨平装置分为四种振动状态,建立了二自由度的振动模型;通过Newmark-法对模型进行求解,分析了熨平装置质心位移幅值、加速度幅值与熨平板振动器频率、振捣频率、铺层材料特性之间的关系,得出了熨平板加速度频谱图,并进
2、行了相应的试验研究。研究结果表明:基于冲击接触模型得到的熨平装置加速度频谱图,包含了振动器频率、振捣频率及其谐波分量;在熨平装置加速度频谱中,振捣主频与熨平板振动器主频的幅值比随铺层密实度的增加而变大,通过振捣主频与熨平板振动器主频幅值比可实现摊铺密度的在线识别。研究结论可为检测摊铺密实度,提升路面施工质量提供参考。关键词:道路工程;摊铺机;熨平装置;冲击接触;摊铺密实度;频谱分析中图分类号:U415.52+1Paving density recognition based on the vibration characteristics of a screed device(1.Key La
3、boratory of Road Construction Technology and Equipment,Ministry of Education,Chang an University,Xi an 710064,China;Abstract:To detect the paving mixture density,the contact mode between the tamper and mixture was analyzed.According to the contact mode between the tamper and mixture,the vibration of
4、 a screed device was divided into fourstates.A two-degree-of-freedom vibration model was established and solved by Newmark-method.The screed devicedisplacement and acceleration during paving operation were obtained.The relations between the screed displacementamplitude,acceleration amplitude and the
5、 screed vibrator frequency,tamper frequency,mixture characteristics wereanalyzed,and the screed device acceleration frequency spectrum was obtained.Experimental researches were carried out.The results show that the screed device acceleration spectrum contains the screed vibrator frequency,the tamper
6、 frequencyand its harmonic components.The amplitude ratio of the tamper main frequency component to the screed vibrator mainfrequency component in the acceleration spectrum increases with the increase of paving mixture density,which was thenused to detect paving mixture density.The research results
7、provide references for detecting paving density and improvingpavement quality.Key words:road engineering;paver;screed device;impact contact;paving density;frequency spectrum analysis文献标志码:ALUO Qingyun,LIU Honghail,WU Ping,SHI Yannil2.Inner Mongolia Road&Bridge Group Co.,Ltd.,Hohhot 010051,China)D0I:
8、10.13465/ki.jvs.2023.14.028摊铺密实度的变化是影响路面平整度的因素之一,增加摊铺密实度,可提高成型路面平整度1-2 。在高等级路面施工中,沥青摊铺机通过振捣机构和熨平板,对铺层材料进行初步压实3。熨平装置振动情况与铺层材料特性、振捣频率、熨平板振动频率有关,对基金项目:公路建设与养护技术材料及装备交通运输行业研发中心基金(H T 2 0 2 12 50 0 42);内蒙古交通厅科技项目(NJ-2021-18);陕西省自然科学基础研究计划(2 0 2 2 JQ-573)收稿日期:2 0 2 2-0 5-31修改稿收到日期:2 0 2 2-0 9-0 8第一作者罗清云男,
9、博士生,1993年生通信作者刘洪海男,博士,教授,196 3年生摊铺密实度有重要影响4国内外学者对熨平板系统的振动问题有较多研究。殷超等5 基于熨平板二自由度的动力学模型,研究了振捣机构多重相位对熨平板的动力学特性的影响;孙健6 使用ADAMS软件建立了熨平板的刚柔耦合虚拟样机模型,分析了熨平板在不同作业参数和工况下的动态特性;罗丹等7 建立了沥青混凝土摊铺机双振捣器单振动熨平板系统的多自由度动力学模型,分析了熨平板的振动参数随振捣频率、振动频率和振动器安装位置之间的关系;罗文军等8 提出了双偏心块振动压实机构,建立了四自由度的振动模型,并对系统的固有频率进行了研究;贾洁等9 将铺层材料对夯2
10、38锤的作用力简化为方波信号,研究了振捣作用的冲击力对熨平板振动特性的影响;Sun等10 1建立了双振捣机构的虚拟样机模型,得出了振捣器惯性力和力矩的冲击规律;Luo等 提出了四自由度的振动模型,得出了熨平板振捣器、振动器参数对系统振动的影响规律;Nguyen 等12-13 对熨平板沿路面宽度方向的振动情况进行研究,分析了熨平板加速度的横向分布情况,基于优化模型对熨平板结构参数进行优化,提升了熨平板横向振动的均匀性;Wan等14 研究了夯锤与铺层材料动态相互作用,对摊铺过程中的密实度进行预测;Jia等15 基于熨平板耦合振动模型,对混合料材料特性、熨平板激振频率、熨平板结构等对铺层密实度的影响
11、进行了研究。已有研究将铺层材料简化为弹簧与阻尼,建立熨平装置与铺层材料的耦合振动模型,对熨平装置振动进行分析。本文基于以上研究,考虑夯锤与材料周期性的接触与分离,建立冲击接触的熨平装置振动模型,采用数值计算方法,研究铺层材料特性、振捣频率、熨振动与冲击双振捣系统中,主振捣器和副振捣器的行程较大,一般为5 12 mm。在振捣过程中,振捣器向下运动与混合料接触,对混合料进行冲击捣实,运动至最大行程后,振捣器向上运动与混合料脱离,完成一个周期的捣实。为考虑混合料对熨平装置振动的影响,将主振捣器与副振捣器下部的混合料简化为质量块,质量块下部并联有弹簧和阻尼,得到基于冲击接触的熨平装置振动模型,如图2
12、所示。LD.()L3FalFkktkC3C4TITTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTC2023年第42 卷D.(C平板激振频率对熨平装置振动的影响规律,提出识别摊铺密实度的方法,并进行相应的试验研究。利用熨平装置与材料之间的耦合振动特性,可识别摊铺过程的铺层密度。1熨平装置冲击接触振动模型摊铺机熨平装置由箱体、振动器、振捣机构等组成,如图1所示。123451.箱体;2.振捣偏心轴;3.振动机构;4.副振捣器;5.主振捣器。图1熨平装置结构图Fig.1 Screed device structure振捣机构位于熨平装置前部,由振捣偏心轴、主振捣器、副振捣器构成,液压马
13、达通过传动装置驱动偏心轴转动,使主振捣器和副振捣器在竖直方向做周期性往复运动,对混合料进行初步捣实。熨平板振动器由偏心轴、底座和驱动机构组成,位于箱体内部。偏心轴高速转动并产生激振力,通过底座传递到箱体上,引起熨平板箱体的振动,对铺层材料进行熨平压实。图2 基于冲击接触的熨平装置振动模型Fig.2 Screed device vibration model based on impact contact在如图2 所示的模型中,仅考虑熨平装置在竖直方向的运动和绕质心0 的转动,主副振捣器与混合料周期性的接触分离,由于熨平装置的前后摆动较小,忽略熨平装置摆动对主副振捣器与混合料接触的影响。主副振捣
14、器相位差为18 0,主副振捣器与混合料有一定的初始间隙,初始振动状态为主副振捣器与混合料均分离;驱动轴旋转,副振捣器向下运动,应对副振捣器与混合料的接触进行判断,判断方法为副振捣O器速度大于零(振捣器向下运动)且副振捣器位移大于混合料初始间隙,副振捣器与混合料接触;副振捣器对混合料捣实完成后,副振捣器向上运动,应对副振捣器与混合料的接触状况进行判断,若副振捣器速度小于零(振捣器向上运动)且副振捣器与混合料的接触力小于零,此时副振捣器与混合料分离;同理可对主振捣器与混合料的接触状况进行判断;由以上分析可得出主副振捣器与混合料四种可能的接触状态,对应熨平装置的四种振动状态:副振捣器接触,主振捣器分
15、离;副振捣器接触,主振捣器接触;副振捣器分离,主振捣器接触;副振捣器分离,主振捣器分离。0点为熨平装置质心,以熨平装置质心的竖直位移x和绕质心转动的转角为变量,采用拉格朗日法,对熨平装置四种振动状态的动力学微分方程进行推导,得出熨平装置四种振动状态下的动力学模型,分别见下式:(1)副振捣器接触,主振捣器分离第14期m+mal01x-ma J小 iC+C2+C3c,L4-cL,-c,L,cLi+c,Lglki+kz+k3h,L4-haL;-haLh,Ls+h,LalLolD,(t)+D,(t)-Fal(Fal-D,(t)L,+D,(t)L,JFal=mal x-ejisin(wit)+k,x+e
16、isin(wit)-xio+Cs x+ejwicos(wit)D,(t)=-mawje,sin(wit)-mzwie2sin(wit+p)D,(t)=2meeg aisin(wat)(2)副振捣器接触,主振捣器接触m+mal+ma2Ci+C2+Cg+C4LecL4-caL,-caL,-caL c/Li+c,Ljlliki+k2+ks+k4LkiL4-ka,L,-hgL,-kaLk,L,+k,LaD,(t)+D,(t)-Fal-Fa2(Fal+Faz-D;(t)L+D,(t)L,JFa=mal -/aisin(,t)+k,x+ejsin(wit)-xio+C x+ejwicos(wit)F=ma
17、z x-e2wisin(wit)+ka x+e2sin(wit)-x2o+C4 x+e2wicos(wit)D(t)=-mawie sin(wit)-mzwie2sin(wit+)D,(t)=2meee;2sin(w2t)(3)副振捣器分离,主振捣器接触m+ma201r1-ma LJ小 Ci+C2+C4cL4-c,L,-caL c/Li+c,Lgllki+k2+k4kiL4-kaL,-haLh,L,+kiLaLolD,(t)+D,(t)-Ff2(Fa2-D(t)L+D,(t)L,J罗清云等:基于熨平装置振动特性的摊铺密实度识别技术研究儿(1)(2)(3)(4)ci L4-c2L:1i1+c,L
18、4-c2Ls1k;L4-k,L:1 239Fa=ma x-e2oisin(ot)+k4 x+e2sin(wit)-x2o+C4 x+e2w,cos(wit)D,(t)=-muoie sin(wit)-mzwje,sin(wit+)(12)D,(t)=2mece;w2sin(w2t)(13)(4)副振捣器分离,主振捣器分离m01x+0ACi+C23C/L+cLsLc,L4-c L;ki+k2k;L4-k2L,k,L+k,LaLoD,(t)+D,(t)LD,(t)L+D,(t)L,)D,(t)=-maoiersin(wit)-mzwie,sin(wit+)(15)D,(t)=2meeg02sin(
19、w2t)(16)式中:m为熨平装置质量,kg;J为熨平装置转动惯量,kgm;mal为副振捣器冲击作用的混合料质量,kg;ma2为主振捣器冲击作用的混合料质量,kg;mz为副振捣器质量,kg;mz为主振捣器质量,kg;mec为熨平板振动器偏心质量,kg;C1,C2,C3,C4为熨平板前部、熨平板后部、副振捣器下部、主振捣器下部混合料的阻尼系数,(5)Ns/m;ki,k,ks,k4为熨平板前部、熨平板后部、副振捣器下部、主振捣器下部混合料的刚度系数,N/m;LI,L2,L3,L4为熨平装置质心到振动机构驱动轴中心、熨平板激振力中心、熨平板前端、熨平板后端的距离,m;e1,(6)e2,e3为副振捣器
20、、主振捣器、熨平板偏心轴的偏心距,m;D,(t)为振捣机构惯性力,N;D,(t)为熨平板激振力,N;Fa为副振捣器与混合料接触力,N;Fa2为主振捣(7)器与混合料接触力,N;,为振捣轴角速度,rad/s;2为熨平板激振轴角速度,rad/s;x1o为副振捣器与混合料(8)初始距离,取为0.0 0 15m;x20为主振捣器与混合料初(9)始距离,取为0.0 0 15m;为副振捣器与主振捣器的相位差,取为18 0 熨平装置振动状态与对应代号如表1所示。表1熨平装置振动状态代号Tab.1 Screed device vibration status code熨平装置振动状态副振捣器接触,主振捣器分离
21、副振捣器接触,主振捣器接触副振捣器分离,主振捣器接触(10)副振捣器分离,主振捣器分离(11)c,L4-Cki,4-kz Ls 1 十振动状态代号1234(14)2402熨平装置振动仿真分析主副振捣器完成一个冲击周期后,新的混合料不断补充至振捣器下部,因此在下一个冲击周期中,混合料初始位置与上一个周期相同。当副振捣器向下运动且位移大于混合料的位移时,副振捣器对混合料进行冲击;当副振捣器向上运动且与混合料接触力小于零时,副振捣器与混合料分离;同理可对主振捣器与混合料的接触状况进行判断。熨平装置的质量远大于被冲击捣实的混合料质量,在冲击接触瞬间,以熨平装置的运动状态作为冲击接触完成后的系统初始状态
22、;同理,以熨平装置的运动状态作为分离后系统初始状态。采用Newmark-法求解熨平装置振动模型,取为1/4,取为1/2,时间步长设置为0.0 0 0 1s,以某型摊铺机为例进行仿真,主要参数如表2 所示。表2 熨平装置仿真参数表Tab.2Screed device simulation parameter参数数值m/kg6 140J/(kg m)308mal/kg36m.2/kg36m/kg330m,2/kg330mee/kg66c/(N s m-l)3570C/(N s ml)3 060振动与冲击参数数值k2/(N m-l)3.60 106ks/(N m-l)4.25 105ka/(N m-
23、l)4.25 105L,/m0.332 2Lz/m0.100 0L,/m0.239 1L4/m0.174 9ej/m0.003 0e2/m0.003 02023年第42 卷开始副振捣器分离,主振捣器分离S,0&Vi0是副振捣器接触,主振揭器分离Fal0&Vi0是副振捣器分离,主振捣器分离S,0&v20是副振捣器分离,主振捣器接触Fa20&v20是图3熨平装置振动状态转换方式Fig.3 Screed device vibration state conversion method43否否否否2cj/(N s:m)Ca/(N s m-l)ki/(N m*l)当摊铺机振捣频率为9 Hz,熨平板激振频
24、率为25Hz时,对熨平装置进行仿真研究,熨平装置振动状态转换及判断方法,如图3所示。图3中,S1为副振捣器与混合料的位移差,S1=x+ersin(ot)-x io;u 为副振捣器速度,=+eicos(ot);S,为主振捣器与混合料的位移差,S,=+e2sin(w t+)2 0;2 为主振捣器速度,2=+e2cos(ot+T)。仿真过程中,熨平装置的振动状态如图4所示。8938933.40 106e:/mwj/(rad s-l)W2/(rad:s-l)0.002 556.548 7157.079 67.07.58.08.59.09.510.0仿真时间/s图4熨平装置振动状态Fig.4Screed
25、 device vibration state由图4可知,主副振捣器相位差为18 0 时,熨平装置的实际振动状态有三种,熨平装置的振动过程中的三种振动状态转化顺序为:副振捣器分离,主振捣器分离;副振捣器接触,主振捣器分离;副振捣器分离,主振捣器分离;副振捣器分离,主振捣器接触;副振捣器分离,主振捣器分离。熨平装置质心位移、加速度、加速度傅里叶变换结果分别如图5 图7 所示。第14期2.01.51.00.50-0.5-1.07.07.58.08.5 9.09.510.0仿真时间/s图5熨平装置质心位移Fig.5Screed device displacement由图7 可知,熨平装置中有三个频率
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