振动压路机振动参数的选择 Ｈｏｗ ｔｏ Ｓｅｌｅｃｔ Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｖｉｂｒａｔｏｒｙ Ｒｏｌｌｅｒ 豳江苏骏马压路机械有限公司 姜右良／ＪＩＡＮＧ Ｙｏｕｌｉａｎｇ 摘 要：振动压路机的振动频率、振幅以及碾压速度是评价其工作能力和适用场合的主要技术参数，三者之间的 组合匹配关系决定了振动压路机的压实质量和工作效率，文章基于路面密实度和平整度要求，通过理论分析计算得 到了压路机振动参数的取值范围，为相关设计人员提供了初始参数设计依据，同时也为施工单位选型振动压路机提 供了参考。 关键词：压路机振动频率振幅碾压速度 振动压路机顾名思义是可以产生振动的压路机，由 和平整度是评价路面压实质量最重要的两项指标，振 静碾压路机衍生而来，当其不振动时可具有静碾压路 动频率和振幅决定了路面的密实度，碾压速度决定了路 机一样的静压功能，振动时比静碾压路机具有更高的 面的平整度，本文由理论分析出发，联系实际应用，对 压实质量和工作效率，因而得到了市场的认可和广泛应 各个振动参数的取值以及匹配关系进行了探究。 用。振动压路机振动参数主要包括振动频率、振幅和 碾压速度，三者从各自的生成角度看是孤立的，但从 １振动压实机理 压路机的振动是由钢轮内的偏心机构旋转产生的， 整机路面压实效果看是相辅相成缺一不可的。密实度 １］焦予民．混凝土多步搅拌工艺的研究［Ｄ］．西安：长安大学， 搅拌达到均匀所需时间与投料位置．２相比缩短５０％， ［与投料位置一３相比缩短缩短３０％。通过以上模拟仿真 ２００７． ２］赵利军，冯忠绪．双卧轴搅拌机搅拌装置的改进与试验［Ｊ］． 可得，粉料投料位置．１为是较为合理的，搅拌效率相 ［对亦高，通过仿真可以验证粉料投料位置做改进之后 可以明显缩短物料搅拌均匀所需时间。 中国工程机械学报，２００４，（０３）：３６０．３６３． ［３】冯忠绪．混凝土搅拌理论与设备【Ｍ］．北京：人民交通出 版社，２００１． ４结论 ［４】赵悟．搅拌装置参数优化的研究【Ｄ】．西安：长安大学， ２００５． （１）粉料合理投料位置对沥青混凝土的搅拌均匀 性有重要影响，不仅影响物料搅拌均匀所需的时间，而 且影响生产效率。 ［５］王国强，郝万军，王继新．离散单元法及其在ＥＤＥＭ上 的实践［Ｍ］．西安：西北工业大学出版社，２０１０． ［６］李海燕．用ＥＤＥＭ分析不同充填率对垂直螺旋输送机性 能的影响【Ｊ］．物流工程理论及应用技术研究与讨论，２０１１ （０１）：３８５．３８９． （２）基于ＥＤＥＭ离散元软件进行的模拟仿真进一 步验证表明，采用改进后的粉料投料位置，因粉料具 有更好的初始分布均匀性，且此投料区域存在剧烈的 ［７】蔡晓龙．对置式双卧轴搅拌机搅拌参数的试验研究［Ｄ］． 交互对流运动，可以有效提高搅拌均匀性和缩短物料 西安：长安大学，２０１０． 达到均匀的搅拌时间。 （３）ＥＤＥＭ软件可以有效模拟混合料的搅拌过程， 可以为以后的搅拌机相关研究提供可行的研究方法。 参考文献 ［８］冯忠绪．工程机械理论［Ｍ］．北京：人民交通出版社， ２００４． 收稿日期：２０１４．１２．２４ 通讯地址：陕西省西安市南二环路中段长安大学 ％ 交通科技大厦１９Ｏ１室（７１００６４） ２０１５．０７建设机械技术与管理 ７１ 偏心机构高速旋转产生较大的离心力，迫使钢轮在地面 于受自身重力作用而向低势能方向流动，这就为压实创 上产生竖直方向上的运动，振动钢轮以连续反复冲击 造了条件，为了使土壤液化更充分，就必须施加足够的 土壤（这里的土壤并非地理学与农业科学中所讲的土壤， 振动加速度。 而是泛指压路机可以碾压的路面材料，包括粘土、粉土、 以上四种学说从不同的角度解释了振动压实机理， 砂子、砾石、填方岩石以及沥青等）的方式进行压实工 土壤共学说从振动频率的角度，重复冲击学说从振幅 作，使得压力波从土壤的表面向深处传播，土壤颗粒 的角度，内摩擦减少学说从振动频率和振幅的综合角 处于运动状态，颗粒间的摩擦力被消除，在这种状态 度，土壤液化学说可归纳为振动频率的角度，由此可见 下，小的土壤颗粒填充到大的土壤颗粒的孔隙中，土壤 处于容积尽量缩小的状态。关于土壤振动压实理论主 要有以下几种学说ｎ】。 （１）土壤共振学说。根据物理学原理，当被压实 土壤的固有频率和压路机钢轮的振动频率一致时，振动 压实能得到最佳效果，但是由于土壤的级配多种多样， 物理特性不尽相同，固有频率是随机变化的，因此要使 一机多用且达到较好的压实效果，振动钢轮的频率需 要有一个无级调节范围以适应不同固有频率的土壤。 图１ 偏心机构示意图 （２）重复冲击学说。利用振动钢轮在土壤上所产 生的周期性压缩运动作用使土壤压实，为此就需要增 大钢轮与土壤接触前一瞬间的动量，这就要求振动钢 轮具有较大振幅和较大振动部分的质量。 （３）内摩擦减少学说。土壤的内摩擦因振动作用 而急剧减小，使其剪切强度下降到只要很小的负荷就 能够进行压实，为此需要钢轮在振动过程中始终保持 与土壤接触，使土壤的振动频率、振幅与振动钢轮的 振动频率、振幅相同，就能得到较好的压实效果，在 这种情况下，振动钢轮传递给土壤的纯粹是振动能量， 为使钢轮达到这样一种工作状态，就必须使振幅减小 使它不脱离地面。 （４）土壤液化学说。在振动波的作用下，土壤颗 粒呈现高频受迫振动状态，其内部的粘聚力和摩擦力 急剧下降，使之仿佛处于流动状态，此即称之为“液化 现象”，液化现象使得土壤颗粒之间相互填充，并且由 ７２ ＣＭＴＭ ２０１５．０７ 振动频率和振幅是影响振动压路机压实能力的重要参 数，这就对振动频率和振幅参数数值提出了要求，即 振动频率要接近土壤颗粒的固有频率，振幅理论上是 越大越好，然而振幅偏大会使振动钢轮跳离地面，使 得钢轮与土壤的接触时间减少，影响压实效果，所以 只有在振动频率和振幅同时满足要求时才能够达到理 想的压实要求。 ２振动参数的选择 ２．１振动频率的选择 振动钢轮内的偏心机构在驱动力的作用下受迫绕 定轴进行旋转运动，液压振动压路机是由液压马达驱 动偏心机构，机械振动压路机是由链条装置驱动偏心 机构，见图１所示，振动频率ｆ： ／ （１） 【０一偏心机构的旋转角速度／（ｒａｄ／ｓ）。 按照土壤共振学说，当被压实土壤的固有频率与 压路机振动频率一致时，能得到最佳的振动压实效果， 然而在现实情况中，土壤的级配、结构以及物理特性 各不相同，要确定振动频率的具体参数数值是困难的， 即使确定了也只是针对特定的土壤，压路机的使用范围 受到，即便同一施工区域的土壤，随着密实度的增 大，土壤的力学参数刚度呈上升趋势，阻尼呈下降趋势， 固有频率呈上升趋势［２］，因此为充分利用振动能量，提 高工作效率，振动频率应稍大于土壤固有频率＿３］。 为选择合理的振动频率，需要对振动压路机的使 用场合进行分类，针对不同的场合进行实验进而得相 应的频率值，从而出现了吨位大小不等、碾压形式各不 相同的振动压路机。道路结构剖面图见图２所示，每 一层阶的土壤材料不同，要求压实的深度不同，决定了 每个层次使用的压路机种类不同。 路基是路面的基础，是路面的支撑结构物，铺层 较厚，组成材料广泛，从粗大的石块到含有细小颗粒 振动压实作业时的振幅为压路机的工作振幅，由于受 的粘土，大小不一，千差万别，被压实过后的下沉量较 到机器本身重力和路面土壤刚度的影响，工作振幅是 大，对路面平整度的要求相对较低。实践证明，采用 频率为２５～３０Ｈｚ之问为宜【２］。 一个随机变化的值，与名义振幅存在一定的差值，但 重型振动压路机是压实岩石填方最有效的方法，振动 差值较小，名义振幅仍能够反映出振动压路机的实际 压实性能，所以为了评价和比较不同机型的振动压路机 次基层和颗粒基础层的材料主要是砂、砾石以及 的振动压实性能，引入了名义振幅的概念。 细小土颗粒，压实要求比路基高，因此常采用吨位稍大 的单钢轮振动压路机或１０吨级以上的双钢轮振动压路 机进行压实，实验表明振动频率在２５～４０Ｈｚ范围内能 够得到较好的压实效果。 沥青表面层 图２道路结构剖面图 压 共 实 振 频． 果 ／——、＼ 振幅＝２，４０ ． 、／ ／ 、＼＼ ，。 ＼振幅 ｏ ， ２５Ｈｚ ５０Ｈｚ ７５Ｈｚ 图３振动频率和振幅对压实效果的影响图 沥青基础层以及面层由摊铺机洒布后压路机紧跟 进行压实，对密实度以及路面平整度均有较高要求， 研究资料表明，多数沥青混合材料的固有频率大于 ４０Ｈｚ，铺层越薄固有频率越高 ］，因此在通常情况下 选择１０吨级左右的双钢轮振动压路机进行压实，振动 频率选择在４０～５０Ｈｚ之间为宜，对于路面薄层可选 择振动频率５０～７０Ｈｚ之间＿５］。 ２．２振幅的选择 通常所说的压路机振幅是指名义振幅，所谓名义 振幅是指把振动钢轮用支撑物架起来，振动轮悬空时 测得的振幅，也成为“空载振幅”；振动压路机在实际 表１ 振动频率和振幅取值范围表 作业内容 振动频率／Ｈｚ 振幅／ａｒｍ 适用机型 路床路基 ２５～３０ １．４～２．Ｏ 轮重型振动压路机等 拖式振动压路机、单钢 次基础层 ２５～４０ Ｏ＿８～２．Ｏ 振动压路机等 大、中型单（双）钢轮 沥青混凝土及路面 ３３０．４～Ｏ．８ 路机等 大、中型双钢轮振动压 ～５Ｏ 人行道、园林及边角 ４５～７０ ０．４～Ｏ．７ 压路机等 小型自行、手扶式振动 名义振幅Ａ０的大小只与振动轮本身的参振质量以 及振动钢轮内偏心机构的静偏心矩有关，而不受外部 工况条件的约束，是理想状态下的振动，可用下面公 式进行计算： ： （２） 式中： ～偏心机构的静偏心矩／（ｋｇ・１Ｔｉｍ）； ｍｄ一参振质量／ｋｇ。 参振质量是指参与振动压实工作所有零部件质量 的总和，包括振动钢轮本身、偏心机构、振动液压马 达、钢轮两侧的支撑板等，甚至还应计入减振器质量 的一半。 与振动频率相对而言，压路机振幅的变化对路面 压实效果有着更显著地效果，见图３所示。 由图３可见，振动频率在２５～５０Ｈｚ范围内的压 实效果较好，且压实曲线变化相对较平缓，说明在这 段区域内振动频率对压实效果的影响不大；而在２５～ ５０Ｈｚ的频率范围内，当振幅增加一倍时，压实效果则 发生了跳跃性变化。 振幅增大，土壤颗粒运动的位移随之增大，振动 钢轮对地面作用的冲击能量增大，振动冲击波在土壤 中传播的距离增加，因而可得到更好的压实效果。但 过大的振幅将会导致压路机上车的振动幅度加剧，对 ２０１５．０７建设机械技术与管理 ７３ 驾驶员的舒适性以及机器零部件的使用寿命均有不利 影响。并且过大振幅会造成路面“过压实现象”，使得 土壤材料产生酥松，级配材料分层离析，被压实表面呈 现“搓板形”等压实缺陷，路面压实质量反而降低了。 表２不同振动频率下碾压速度取值表 作业内容 振动频率 振幅 碾压速度 适用机型 ／ＨＺ ／ｍｒｎ ／（ｋｍ／ｈ） 路床路基 ２５～对压实沥青混合料的振动压路机，由于沥青的粘 滞作用，振幅大小对混合料中骨料颗粒的运动位移影 次基础层 ２５３Ｏ １．４～２．０ ２．７～３．２ 轮重型振动压路机等 拖式振动压路机、单钢 大、中型单（双）钢轮振 响不大，所以应选择小一些的振幅，而为了使沥青能够 较充分的与各种骨料渗透及揉合，振动频率应取得偏 高一些。 图４振动钢轮碾压路面截面图 综上可知，不同的压实介质、不同的施工工况应选 择与其相匹配的振幅，以保证振动压路机的压实质量 和工作效率。 振动频率和振幅是振动压路机技术参数中成对出 现的，两者同时影响着对地面压实效果，因此两者的 组合共同决定了压路机的使用范围和场合，又因为土壤 的物理和力学特性的随机性，所以只能通过大量实验 和统计的方法来确定压路机的振动参数。目前国内外 生产的振动压路机的频率和振幅组合统计见表１所示。 ２＿３碾压速度的选择 土壤密实度决定了路面的使用寿命，而路面平整度 决定了使用人群的舒适性，道路的最终使用评价对象 是人群，所以平整度是评价路面质量的另一个重要指 标。振动压路机的碾压速度对路面压实质量和工作效 率有直接影响，施工实践证明，碾压速度过低，会使 摊铺和压实工序间断，影响压实质量；碾压速度过高， 会产生推移、横向裂纹或波纹等现象。碾压速度的选 择原则是在保证压实质量的前提下＇最大限度地提高 碾压速度，从而减少碾压遍数，提高工作效率【６ 。 振动压路机在进行碾压工作时，振动钢轮内的偏 心机构也在高速旋转，振动频率不变的前提下压路机 ７４ ＣＭＴＭ ２０１５．０７ ～４０ Ｏ．８～２．０ ２．７～４－３ 动压路机等 沥青｝及路面 昆凝土 ３３～５０ ０．４～０．８ ３．５～５．４ 路机等 大、中型双钢轮振动压 人行道、园 林及边角 ４５——７０ ０．４—０．７ ４．８～７．５ 压路机等 小型自行、手扶式振动 碾压速度决定了钢轮冲击地面的振动冲击间距，冲击 问距过大，压实表面会产生像洗衣板一样的波纹现象， 路面的平整度较差，而且波纹顶部的密实度低，底部 的密实度高，说明路面的密实度分布不均匀；冲击间距 过小，会产生过压现象。因此，合理的振动冲击间距 是保证压实质量的重要因素。 与静作用压路机相比，振动压路机的碾压速度对 压实效果的影响更加明显，因为在振动压实时，土壤 颗粒由静止的初始状态变化为运动状态需要一个过程， 这个过程持续时间的长短与土壤颗粒之间的粘聚力、 吸附力的大小有关，也与振动压路机的静线载荷有关， 振动压路机经振动压实过后的路面会存在下沉量，见 图４所示。 实验证明，土壤颗粒被高效压实的基础是钢轮通 过某点时，至少对该点施加不少于３次的连续激振， 否则就不足以使土壤颗粒由静止的初始状态进入运动 状态，于是可得动压路机碾压速度Ｖ（ｍ／ｓ）计算公式： ： ： 三 ： （３） ３ 式中： 一振动钢轮半径／ｍ； ｈ一路面下沉量／１ＴＩ； 厂一振动频率／Ｈｚ。 由公式（３）可知，压路机振动工作时的碾压速度 最大允许值与振动钢轮半径、振动频率以及碾压材料 的下沉量有关，钢轮半径和振动频率越大，碾压速度 越大，工作效率越高。振动钢轮半径和振动频率在进 行压路机设计时便已确定，而路面经碾压后的下沉量 ｈ是一个随机变量，难以给出一个准确的值，因此导致 碾压速度不能够精确计算，经验表明，在一个振动周 期内振动钢轮行走距离在３厘米左右时可克服土壤颗 含量高，制造成本偏大，目前主要是外国几家技术力量 粒之间的粘聚力和吸附力，由此可得ｖ（ｋｍ／ｈ）： ｖ＝３厂×３．６×１０之 压路机的碾压速度范围，见表２所示。 雄厚的厂家在研发制造，这种能够实时监测并能够反馈 （４） 调整压路机振动参数来满足路面压实需要的智能振动 设计的要求，是未来振动压路机发展的必然趋势。 根据表１中的振动频率范围可得到不同类型振动 压路机符合高效节能、绿色环保、操作简便、人性化 由表２可知，为达到压实度、平整度以及工作效 率的综合要求，不同类型压路机的振动参数存在的规 律为：随着机型质量的增大，振动频率呈减小趋势， 振幅呈上升趋势，碾压速度呈下降趋势，符合压路机 振动参数设计中的高频低幅、低频高幅搭配原则。 ３发展趋势和方向 随着工程建设的需要以及现代化技术的不断发展， 压路机的品种规格越来越多，如何实现“多快好省”的 达到施工标准是压路机生产厂家和施工单位的共同要 求。我国对压路机生产制造的研究起步较晚，从２０世 纪８０年代起到２００３年末是我国压路机大发展时期， 从仿制、技术引进、消化吸收到研制开发，压路机自主 技术方面取得了较大的进展，然而与国外压路机相比仍 存在较大差距。 传统振动压路机以单频单幅、双频双幅为主，碾 压速度需要人为的进行掌握控制，压实质量和工作效 率难以满足要求，使用场合、范围均也到一定的， 因此多级调频调幅、无极调频调幅以及可实时进行路 面压实度检测控制的智能压路机应运而生。 酒井的ＳＷ系列振动压路机具有３种振动频率、２ 种振幅，选择范围更加广泛；沃尔沃ＤＤ系列振动压路 机具有８级可调振幅，且配备了振动步频表，振动步频 表内的绿色区域范围是振动频率、振幅和碾压速度三 者之间最佳的匹配关系，驾驶员只要保证指针在此区域 内进行振动压实即可取得较好的路面压实效果ｒ ；美 国英格索兰公司的ＤＤ．１３０双钢轮串联式振动压路机， 它在每个振动轮中都具有自动反向的偏心装置，可实 现从７２２５～１６３３０ ｋｇ的８种不同激振力输出，即存在 ８级调幅，基本上可以满足所有土壤类型路面的碾压需 要；宝马格公司独家研制出了具有自动控制压实系统的 （ｖａｒｉｏｍａｔｉｃ）智能振动压路机，配备密实度仪，实时检测、 控制调节振幅，保证压实具有最大能量，达到路面最 理想的压实要求。多级调频调幅的振动压路机需要计 算机、自动化、智能化等多方面先进技术的支持，技术 ４小结 （１）对振动压实机理的四种学说进行分析得到了 压路机振动频率和振幅是影响路面密实度的主要因素。 （２）由振动频率、振幅以及碾压速度的定义和计 算公式可知三种参数之间是互不影响的，但从压 路机工作效果角度分析，三者之间相辅相成共同决定了 整机使用性能。 （３）基于路面密实度、平整度以及工作效率的要求， 分别对三种振动参数进行了相关经验计算和数据统计， 针对不用施工工况分析得到了不同类型压路机的振动 频率、振幅和碾压速度的取值范围，为压路机设计人 员和施工单位合理选择振动参数提供了理论和数据支 持。 （４）能够根据压实要求进行反馈调节的多级调频 调幅智能化振动压路机是未来发展的方向。 参考文献 【１］尹继尧．压路机设计与应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２０００，５ ［２］张中华，王莉．振动压路机最佳压实频率研究［Ｊ］．建筑机 械，２０１２，５：７７．８０． 【３］秦四成．振动压路机［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００６，４． ［４］刘洪海，周志勇．摊铺机振动参数对沥青混合料密实度影 响［Ｊ】．武汉理工大学学报，２０１３，１０（３５）：６５．６９． ［５］赵丽，程永龙，张勇等．热拌沥青混合料紧跟碾压技术研究 ［Ｊ］．建筑机械技术与管理，２０１５，０１：７８．８０． ［６］冯建亮，赵真，冯忠绪．振动压路机碾压速度的选择ｆＪ］．建 筑机械，２０１２，０３：７６—７８． 【７］邵文武．沥青路面实用振动压实技术［Ｊ］．筑路机械与施工 机械化，２０１５，０２：３２．３３． 收稿日期：２０１５．０４—２２ 通讯地址：江苏省靖江市骥江西路２８８号（２１４５ｏ１） ≤ ２０１５．０７建设机械技术与管理 ７５
