振动成型压实原理.docx

振动成型压实原理振动成型压实原理1 振动成型压实机械的数学模型振动压实机械作为室内试验设备，不可能在机械组成上完全模拟振动压路机，但必须使其压实效果能与现场压路机的现场压实效果等效为了使振动成型压实机能模拟施工现场振动压实效果，振动成型压实机的“振动成型压实机－被压材料”的动态响应必须和“振动压路机－被压材料”的动态响应模型基本相同压实过程是压路机和被压材料发生复杂的相互动态作用的过程，因而对压路机的特性研究不能脱离被压实材料，应将振动压路机和被压材料作为一个闭环系统来考虑对振动压路机的具体数学模型，1977 年，美国学者E.T.seling 和 T.Syoo 进行了较系统的研究，在完全弹性理论的基础上建立了“振动压路机－被压材料”系统两个自由度的动力学模型对振动压路机的压实机理及影响因素做了较为详细的分析其压实系统可简化为图 1，模型运动方程如下：式中：m2：振动轮质量；m1：振动轮框架质量；k1：减震器刚度；c1：振动器阻尼；k2：被压实材料刚度；c2：被压实材料阻尼；F0：偏心轴旋转产生的离心力；Fs：振动轮对被压实材料的作用力；E.T.seling 和 T.Syoo 用振动压路机试验结果验证了此模型，大量的现场测试数据和研究工作都证实此模型的理论分析结果和实测结果是基本吻合的，可以真实反映“振动压路机－被压材料”系统的实际动态响应。

2 振动成型压实机结构振动成型压实机由两个在垂直平面上对称布置的振动器施加振动力振动器用两个自位轴承把偏心块支撑在振动轴的轴承上，通过偏心块的高速旋转对被压材料施加呈正弦规律变化的激振力为了使激振力有级可调，把激振器的偏心块设计成由固定偏心块和活动偏心块组成，通过花键齿调节活动偏心块和固定偏心块的相对夹角实现激振力的可调花键齿分为 4 隔实现激振力在同一频率下的四级可调两个振动器的偏心块转速相等但方向相反，当振动轴带动偏心块高速旋转时，两个偏心块产生的离心力的水平分量相互抵消，垂直分量相互叠加，从而形成垂直方向的正弦激振力，使振动系统在理论上产生垂直振动，减少横向力的剪切作用，保证压实设备的稳定性振动成型压路机基本按照振动压路机的结构模型设计，其压实系统在结构上分为上下两部分，下车系统提供激振力和部分静面压力，上车系统提供另外一部分静面压力，振动成型压实机的上下车重量按照下车：整车＝0.6 设计用减震器把上下车系统联结起来，减震器采用振动压实平板夯所用的减震器，使上车系统模拟振动压路机的机架对振动轮的束缚作用，同时通过上车的束缚作用使下车有规律地振动由于振幅的影响因素主要是下车系统，而压实的静重是通过上下车的共同重量实现，这种设计还可以减小静面压力和振幅的相关性，实现静面压力和振幅的单因素可调，通过添加配重块的方法实现上下车重量的调整。

采用变频器实现振动频率的无级可调，根据市场上振动压路机常用的频率和材料固有的频率范围，选择频率范围 0～50HZ，同时为减少振动对电机和变频系统的破坏作用及控制压实系统的重量，使系统能够模拟较小静面压力下的振动压实状况，在设计时将电机和变频系统移出，采用软轴和万向节传动使用手动葫芦调节压实系统行程由于高频振动对设备损伤较大，为保证结构稳定性，设计的较小的 13KPa 的静面压力不容易实现为此设备配有两套加载系统，一套按照振动压路机的数学模型设计，具有两个振动器可以实现较大的静面压力和激振力另一套只配有一个激振器，按照无人驾驶的振动压路机设计，没有上车系统约束，可以实现较小的静面压力和激振力根据试验目的，该设备配备了用于压密和成型的两套压头，以及用于上下车系统和单系统的各自的压头3 振动参数范围3.1 静压力范围现有的大多数可用于路面、路基压实的大中型振动压路机的静线压力为 300N/cm 左右用于路基压实的大中型压路机的轮径已趋于一致，一般在 1500mm 左右，滚轮接地面积可用 b＝2Rsinβ 计算，由此可计算出接地宽度 b 为23.04cm振动压路机产生的接地压力为 140KPa 左右。

在《土工试验规程》中通过应用表面震实仪法测粗粒土的最大干密度试验所用的静面压力为 13.8KPa，代表性的振动压路机产生的接地静面压力为 140KPa，为摸索出与现有振动压路机的压实效果相应的室内试验所用的静面压力，振动成型压实机的静面压力实现在 14KPa～400KPa 范围可变3.2 振动频率、振幅、激振力范围根据振动压实理论，每一种材料都有不同的自振频率，激振频率与自振频率一致时可达到最好的压实效果振动压路机设计频率一般比被压材料的自振频率的变化范围大一些目前市场上用于压实的大中型振动压路机的振动频率的范围是：压实路基 25～30HZ，压实底基层 25～40HZ，对压实粒状材料和结合料的稳定基层为 33～55HZ而且从常用的振动压路机的参数来看，压路机的常用振动频率为30、35、40HZ 等，最大为 48HZ因此研究用振动设备振动频率实现 50HZ 以内可调振幅直接影响压实深度，同样的振动质量及振动频率时，提高振幅可以增加压实效果的影响深度但振幅过高会对减震带来困难根据长期试验及施工经验，结合施工要求及压实对象，振动压路机振幅选择如下：压实路基：1.4～2.0mm，压实次基层：0.8mm～2.0mm，对压实粒状料和结合料的稳定基层取振幅为 0.4～0.8mm。

振动压路机常用振幅有 1.7mm、0.8mm、0.4mm 等为能够模拟常用振动压路机的振幅，振动成型压实机的振幅设计的可变范围为0mm～2.5mm激振力是影响压实效果的主要参数之一根据确定的静面压力和振幅范围及频率范围可根据公式确定激振力范围激振力公式如下：其中 m：下车系统质量；ω：角频率；A：振幅3.3 振动压实时间范围　　振动压实过程中，被压材料颗粒由静止的初压状态变化为运动状态要有一个过程，过渡过程持续的时间与被压材料颗粒的粘聚力和吸附力有关，也与振动压路机的振动轮的线荷载有关，线荷载越大所需时间越短如果振动压实时间过长必然会导致混合料内部分层，因此振动压实存在一最佳压实时间振动压实时，材料相邻颗粒的质量差别越大，它们之间的粘结力越弱则其相对位移将越大当用振动法压实无机结合料稳定粒料时，在颇大程度上将出现混合料的触变性质，在振动开始时，混合料稀释，其性质近似于液体或半干状材料，振动终了时，各颗粒间的粘结力被恢复这样，具有较大质量的颗粒在振动时得到较大的惯性力，首先脱离相邻的粒料向下运动如果含有不同大小颗粒的材料进行长时间的振动，则有可能出现分层现象因此振动时间应确定在材料具有最大密度和大颗粒之间的空隙由小颗粒填满时结束。

研究院所用振动压实成型机械时间范围确定为0～15min。