混沌振动压路机的研制与试验

摘要：混沌振动为不同于简谐振动的一种非线性振动，是由一定的振幅带和频率带复合而成。由此而产生土体的多个振动加速度值，迫使土颗粒克服内力而呈现液化状态，从而为压实创造了条件。从两台振动参数相当的１０ｔ级振动压路机（振动主频率相同，振幅均值相近）对比实验得知，混沌振动的压实度高于一般的简谐振动，但相应的能耗量却上升了。

关键词：混沌简谐非线性激振器振幅带频率带

１．引言

压实机械是以增加工作介质（土石填方及路面铺层混合物料）的密实度为主要用途的施工机械，是道路与工程结构物基础、堤坝及路面铺装工程的主要施工设备之一。

振动压实是以机械发出的振动载荷使土颗粒处于高频振动状态，颗粒之间的内摩擦力丧失，机械本身的重力所产生的压应力和剪应力迫使这些颗粒重新排队而得到压实。

传统的压实机械振动都是在某一振幅的单频率简谐振动，其振动波形为一典型的正弦曲线，对其研究工作是在一种线性理论的指导下进行的。由于土壤的结构成份异常复杂及其物理力学性能的多样性，所以在大多数的振动压实试验中都表现出了程度不同的非线性特征。研究表明，在非线性振动系统中，当参数满足一定的条件时，即使在明确的输入条件下仍会输出不规则的振动，此即称为“混沌振动”。

利用无弹簧多偏心的混沌激振器，能使压路机的振动轮产生这种混沌振动。由于混沌振动有着比简谐振动更宽的振动频带，更剧烈的速度变化，这就更利于振动压实。

使用中国农业大学龙运佳教授研制的ＣＶＥ一２型混沌激振器，用部件置换的办法改装一台ＹＺ１０成为ＹＺＨ１０型混沌振动压路机。为了摸清混沌振动与简谐振动的差异，以及验证混沌振动压实的特点，我们将ＹＺＨ１０型混沌振动压路机与原型ＹＺ１０做了对比试验。

２．混沌激振器的设计与压路机振动参数

该混沌激振器的基本结构是在一偏心轴上另外滑套了两个偏心环。偏心轴由液压马达驱动旋转，构成激振器的主频率。两个偏心环在随偏心轴的旋转过程中，由于摩擦阻力使它们不能作同步旋转，从而使得它们各自的偏心方向会与偏心轴的偏心方向产生不同方位的叠加。这样就使得激振器的离心力方向和大小产生随机变化。

离心力方向和大小的随机变化，体现在振动轮上，就产生了随机变化着的振幅和频率，振动轮给予被压土体的振动加速度也是一个随机变值。

图１所示为激振器偏心方向叠加的两种极限位置，从中可以计算出该混沌激振器的最大和最小静偏心矩值，并且能得出振动轮的最大和最小名义振幅。

两个同轴安装的混沌激振器的总偏心质量为

ｍ＝２πＲ２δ·ρ×１０－６＝１５０．０１ｋｇ

式中Ｒ—大偏心环外半径，Ｒ＝１５９．２ｍｍ；

δ—偏心环厚度，δ＝１２０ｍｍ；

ρ—材料密度，ρ＝７．８５ｋｇ／ｄｍ３。

最大偏心状态的偏心距为ｅ１＝５２．２ｍｍ，静偏心矩为Ｍｅ１＝ｍ·ｅ１×１０－３＝７．８３ｋｇ·ｍ。

最小偏心状态的偏心距为ｅ２＝３８ｍｍ，静偏心矩为Ｍｅ２＝ｍｅ２×１０－３＝０．５７ｋｇ·ｍ。

振动轮的振动质量为ｍｄ＝３１６６ｋｇ，于是可得出最大名义振幅为

Ａ１＝×１０＝２．４７ｍｍ最小名义振幅为

Ａ２＝×１０＝０．１８ｍｍ。由此可见，该混沌振动压路机的振幅带在０１８～２．４７ｍｍ之间，振幅均值为Ａ＝＝１．２３５ｍｍ，在主频率ｆ＝３０Ｈｚ时的最大激振力为Ｆ０＝Ｍｅ１（２πｆ）２×１０－３＝２７８．２ｋＮ。ＹＺ１０高幅振动的名义振幅为Ａ＝１．７４ｍｍ，振幅均值为Ａ＝＝１．２３ｍｍ，激振力为Ｆ０＝１９７．６ｋＮ。

两种振动压路机上使用了相同的液压传动系统，所以它们的主频率应该是相等的，其计算值同为ｆ＝３０Ｈｚ。ＹＺＨ１０的最大名义振幅约为ＹＺ１０的１．４１倍，但振幅均值相近。

３．压路机的空载振动试验

将ＹＺＨ１０与ＹＺ１０振动压路机各一台置于水泥混凝土平地上，振动轮垫在轮胎上轮番起振试验。使用丹麦产２５１３加速度传感器先后放在振动轮及机架上，信号由日本产ＴＥＡＣ磁带记录仪记录，然后用美国产ＨＰ３５６２分析仪进行处理。

３．１混沌振动性能测试

（１）比较振动轮的振动自相关衰减特性

图３ＹＺ１０自相关特征

从图２与图３比较可见，ＹＡＨ１０的振动自相关呈现衰减状态，表现出了混沌振动的一种特征。而ＹＺ１０的振动自相关无衰减现象，故其不具有混沌特征。

（２）比较振动轮的振动功率谱从图４与图５比较可见，ＹＡＨ１０振动轮的功率谱主峰为３０．７５Ｈｚ，用一般的闪频法不能测定出此主频率，而由分析仪处理得到的频率带在２５．７５～３５．７５Ｈｚ之间。主峰附近的频率变化较平缓，频率成份丰富，此为混沌振动的又一特征。而ＹＺ１０振动轮的功率谱主峰尖，实际上是以单频率为主，分析所得的主频率为３２．２５Ｈｚ，它亦可以用闪频法测得。

３．２振动轮的振幅与机架振动加速度

测得振动轮上的最大振幅为：ＹＡＨ１０Ａ＝２．５ｍｍ，ＹＺ１０Ａ＝１．９ｍｍ。

测得机架上的振动加速度为：ＹＡＨ１０ａ＝０．２０３ｇ，ＹＺ１０ａ＝０．１５５ｇ。

驾驶室内，司机感觉不出两种机型的振动差异。

图５ＹＺ１０功率谱

４．压路机振动的能耗试验

将振动轮垫在轮胎上轮番试验，两台样机的发动机转速同为２４００ｒ／ｍｉｎ。

４．１振动系统工作压力的测定

用压力表测试振动液压系统的工作压力，得ＹＺＨ１０的系统工作压力为１０Ｍｐａ，ＹＺ１０的系统压力为８Ｍｐａ。在两台样机发动机转速相同的情况下，可以认为两振动泵的流量是相等的，由此可得混沌振动能耗量高出２５％。

４．２发动机油耗量的测定

在轮胎上每振动１５ｍｉｎ倒车润滑一次，共累积振动各１个小时。分别测定它们的油耗量，得ＹＺＨ１０为８．２ｋｇ／ｈ，ＹＺ１０为７．０４５ｋｇ／ｈ，混沌振动的油耗量高出１６．４％。因为发动机的能耗量包含了振动系统的供油压力损失，所以ＹＺＨ１０比ＹＺ１０振动液压系统的能耗增量必超过１６．４％这一计算值，估计可以达到２０％以上。

４．３触摸试验

在相同振动的条件下，ＹＺＨ１０振动轮封口板处的温度显然高于ＹＺ１０。因为每一混沌激振器多了四个摩擦副，必然产生功率损失。摩擦功率损失转化成了热量，这是增加了发动机功率消耗的因素之一。

５．压路机振动压实试验

在试验土槽里用同一种级配土壤进行压实对比试验。级配土的最大干密度为１．８６８ｇ／ｃｍ３，最佳含水量为１１．７７６％。

将土槽平分为两道，分别用两种样机轮番交替平行碾压，先静压两遍，再振压２、４、６、８、１２遍，用环刀法取土样测定密实度。不同压实遍数的取土位置如图６所示（图中数字为压实遍数）。

每点分上、中、下三层取样，即表层、中层（深２００ｍｍ）、下层（深４００ｍｍ）。

５．１压实度测定结果

将土样烘干、称重和计算，得到表１所列的压实度数据。从表中可知，ＹＺＨ１０型混沌振动压路机的各层压实度均高于ＹＺ１０同遍数的压实度。