振动压路机在压实过程中的瞬态响应

徐冉++宋年波

摘 要：为解决振动压路机因建模不精确和设计时数学分析不足而导致的智能压实系统精确度低的问题，对压路机的动态特性进行了研究。根据智能压实中沥青路面压实能量变化，对压路机的振幅和频率进行适时调整，并采用试验方法确定了路面的厚度、沥青混合料的种类等对响应特性的影响，分析了振动压路机压实过程中的瞬态响应。该响应特性可以用来深入研究反馈控制从而改善智能压实系统。

关键词：智能压实；振动加速度；信号处理；瞬态响应

中图分类号：U415.521 文献标志码：B

Transient Response of Vibratory Roller During Compaction

XU Ran1， SONG Nian- bo2

（1. School of Construction Machinery， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China；

2. Military Transportation Department， Logistics University of Peoples Armed Police Force， Tianjin 300309， China）

Abstract： In order to solve the problem of low accuracy of the intelligent compaction system due to imprecise modeling and lack of mathematical analysis in design， the dynamic characteristics of vibratory roller were studied. The amplitude and frequency were timely tuned according to the compaction energy change. The impact of the thickness of the pavement and the types of asphalt mixture on response characteristics was determined by running tests. The transient response of vibratory roller during compaction was analyzed， which could be used to study the feedback control and improve the intelligent compaction system.

Key words： intelligent compaction； vibratory acceleration； signal processing； transient response

0 引 言

截止2013年，中国高速公路里程已达9.6万km，其中沥青路面占90%以上。如果能够提高沥青路面施工的质量，便可以大大降低每年对路面的维护费用。在路面施工中，良好的压实能使沥青路面在强度、稳定性、耐用性和使用寿命上均有所提高，并有效减少车辙、低温开裂和老化现象。如将沥青混合料的压实度提高1%，其承载能力可增加10%～15%。沥青混合料的压实受很多因素的影响，要想获得均匀的压实效果，则需根据不同路面区域的压实需要施加不同的压实力[1- 2]。

智能压实是压实技术发展的里程碑，通常是指运用配备了现场实时测量、显示和反馈控制系统的振动压路机进行压实。智能压实设备能在压实过程中测量和记录压实质量，随着压实过程的进行根据被压材料以及机械运行的状况自行判断、调节压实性能参数，从而实现最佳压实效果。然而压实性能参数的实时控制、自动调节却仍有缺陷，运用智能压实系统对路面质量进行闭环控制时，制约其因素之一便是对振动压路机的开环响应特性知之不足。为了了解现有压路机的功能和不足，并确定其动力学结构参数对压实效果的影响，这些响应特性是不可或缺的。本文分析了振动压路机在压实过程中的瞬态响应，对现有的一些智能压路机进行了分析。

1 振动压实原理

振动压路机是依靠机械自身质量以及激振装置产生的激振力共同作用，用以降低被压材料颗粒间的内摩擦力，将材料颗粒楔紧，达到压实的目的。振动轮中的振动轴上装有偏心块，当振动马达输入动力带动振动轴旋转时，因偏心块旋转产生离心力，即压路机的激振力。激振力仅与振子的静偏心距及角频率有关。因此激振力的振幅和振动轮振动的振幅可以通过调节轴上的偏心块来改变。激振力的激振频率随着偏心块旋转速度变化，这也影响振幅的变化。在垂直方向上，偏心块的离心力可以看做一个正弦力的模型，如图1所示。

式中：Fecc为偏心块的离心力；F为合力；m0为偏心块的质量；e0为偏心距；ω0为角频率；md为振动轮的质量；mf为机架质量。

图1 振动压路机的振动机构

2 智能压实

智能压实技术系统可概括为以振动参数自动调节控制技术为核心，以计算机、通讯网络和GPS技术为基础，进行压实信息实时采集、处理、分析和管理的综合技术系统。这种系统能根据筑路材料和压实程度的变化使激振力自动实现无级调整，防止过度压实或者压实不足，还能对所压实沥青面层的刚度和表面温度进行自动检测，集检测路面压实质量和自动调整振动能量于一身[3- 4]。智能压路机一般包括4部分组成：实时测量压实程度和路面表层温度的综合测量系统；

基于GPS，能够连续记录机器位置和相应压实程度的数据文件系统；用彩图显示实时压实参数的面板，包括压实程度、路面温度、压路机方向、GPS定位等；根据实测刚度调整频率、振幅、激振力和速度的反馈控制装置。

智能压实技术具有很多优点：对路面监控和压实参数的控制更加精确；增加压路机的压实深度，提高压实效率；提高压实度及其均匀性，并防止过压实；记录每一次完整的压实过程，而且方便保存报告；自动识别不适合压实的区域，提高生产效率；降低路面的铺筑和维修费用；减少路面施工人员，提高道路施工监督的安全系数；连续记录被压实材料的压实度或刚度值，不需要额外评定。

3 试验方法

使用传统的振动压路机在沥青路面施工时，压路机的行驶速度、振动频率以及其它的工作参数均保持不变，因此操作者只能通过改变碾压遍数来改变压实功。然而，在智能压实中，可以根据沥青路面每一时刻受到压实能量的变化，对压路机的振幅和频率进行实时调整。因此，在施工过程中改变压路机的工作参数，必须对路面刚度进行瞬时测量。目前的智能压实系统采用一些相对质量测量或者密度估计的方法来测量路面刚度，然而这些方法没有将压路机的动态特性考虑在内。由于惯性，偏心块要经过一段时间才可以达到所需要的转速（或角频率）。为了改进这种含反馈控制的智能压实系统，首先要研究振动压路机在压实过程中的动态特性。本文对压路机的振动加速度进行了测量和分析，以深入了解其动态响应特性。

图2 加速度计

3.1 设备

通过测量振动轮的振动加速度来分析其振动特性，故在振动压路机上安装加速度计和数据采集计算机来记录振动数据[5]。在振动轮的轴上安装COLIBRYS VS9100.D的加速度计，如图2所示，以1 kHZ为频率进行采样。在压路机的顶部安装GPS Pathfinder ProXT 接收器。所有的传感器都连接到一个数据采集系统，该系统实时收集数据并存储进行分析，使用xTabletT8700强固型平板电脑进行数据处理。

3.2 数据分析

测量的数据来自传统压路机，振动系统的稳态响应部分可以忽略，仅对瞬态响应进行研究。瞬态响应时间应从不同规格、不同型号的压路机中测得的振动数据进行计算，测得的振动加速度是时间的函数。同时，需要将测得的振动数据用离散傅里叶变换（特别是短时傅里叶变换）转化为频域分析[6]。

3.3 短时傅里叶变换（STFT）

短时傅里叶变换是用于分析非平稳信号的强大的信号处理工具。短时傅里叶变换也叫短时谱（加窗的方式）。信号x（n）短时傅里叶变换的定义为

3.4 时间频率曲线

时间频率曲线表示压路机在每一时刻的工作频率。通过采集加速度计中的振动数据，使用短时傅里叶变换（STFT）进行分析，最终得到时间频率曲线，如图4所示。短时傅里叶变换给出了每个很小的时间间隔中各频率成分的幅值，工作频率即每个小区间内最高幅值的频率便可由STFT来确定。最终，可确定工作频率和时间关联的阵列[8]。在时间频率曲线图中，可以根据每个时间指标显示出相应的工作频率。

图4 时间振动频率曲线

4 结果和讨论

从频率响应曲线中得出2类响应时间。

（1） 频率上升时间。压路机从一个频级上升到另一个频级所需的时间。

（2） 调节时间。压路机从无振动模式达到工作频率并保持波动在1 Hz范围内所用的总时间。

在压实过程中，压路机需要碾压若干遍以达到所需密度。在每一遍的开始，压路机的初始速度为0，通常不振动。当压路机保持在稳定的速度时，振动轮开始振动，转速增加。压路机的振动频率控制机构根据转速控制频率的大小，直到其达到要求的工作频率。

表1给出了国外几种不同品牌、型号压路机的调节时间和频率上升时间。不同的压路机具有不同的规格和特性，如机器的质量和尺寸、振动轮尺寸、振动特性等。从表1中可以看出调节时间和频率上升时间取决于压路机的品牌和型号，压路机的偏心马达从静止到稳定振动需要2～10 s不等，工作频率从27 Hz增加到35 Hz需要200～800 ms不等。

表2给出1辆英格索兰 DD110压路机在充分压实中，底基层、基层和沥青混合料的种类对调节时间响应的影响[9]。从表2中可以看出，瞬态响应时间与底基层、基层和沥青混合料种类基本无关。

这些结果表明：压路机对其任何参数（如工作频率）改变时的动态响应，都需要一段时间。振动压路机压实过程中的瞬态响应时间和机器的型号有关，而沥青混合料、底基层、基层对压路机的瞬态响应并无影响。最后，任何带有反馈控制的智能压路机必须考虑压路机的响应时间。

5 结 语

在本文中，解决了振动压路机在压实过程中瞬态响应的测量和分析，使用振动数据的短时傅里叶变换（STFT）分析计算压路机的响应时间。沥青混合料、底基层、基层对压路机瞬态响应的影响可以忽略不计。此外，振动压路机在压实过程中的瞬态响应与机器本身有关。同样可以得出压路机对任何改变其操作参数（如振动频率）指令的动态响应都需要一段时间，这会影响智能压实系统的运作。上述结论为深入了解和改进带有反馈控制的智能压实系统提供了帮助。

参考文献：

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[4] 谢立扬，张智明.振动压路机智能化与压实控制研究概况[J].筑路机械和施工机械化，2004，21（5）：12- 14

[5] 白飞平.现代压路机的新技术[J].建筑机械：上半月，2007（06S）：63- 67

[6] 钟春彬，冯忠绪，张志峰，等.振动压路机的振动噪声测试与综合性能评价[J].长安大学学报：自然科学版，2007，27（3）：103- 106.

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[8] 张贤达.现代信号处理[M].第1版.北京：清华大学出版社，2002.

[9] 赵铁栓，焦生杰.振动压路机电液无级调幅控制研究[J].中国公路学报，2010，23（2）：116- 121.

[责任编辑：高 甜]