振动压路机系统架构及数学模型简化

根据振动压路机实际结构和工作特点,建立模型前提出以下简化和假设。

(1)振动轮中不平衡偏心块以角速度ω绕轮心轴旋转,且ω=常数。

(2)振动轮质心及偏心块等结构特征对称于振动压路机的纵向轴线,振动轮—土壤系统因此可简化为平面振动模型。

(3)根据振动轮和机架的结构特征,认为振动轮和机架均为刚体,而且可以简化为具有一定质量的集中质量块。

图6-6　振动碾压数学模型示意图

m1—上车质量;m2—下车质量;m3—随振土体质量;k1—橡胶减振器刚度;k2—土的刚度;c1—橡胶减振器阻尼;c2—土的阻尼;F0—激振力;ω—工作频率;x1—上车瞬时位移;x2—下车瞬时位移;x3—土体瞬时位移

(4)振动轮与前机架间橡胶减振器及被振实土壤被表征为弹簧和阻尼的多自由度系统时,弹簧和阻尼被认为是无质量的。

(5)由振动轮内偏心块圆周运动所产生的离心力只以其垂直方向的分量作用到模型上,实验研究证明,振动轮振动的水平分量几乎全部通过与被压实材料表面之间的相互滑动而被分散掉,并没有传至土壤中。

由上述简化,振动轮—土壤系统的数学模型可表示为图6-6所示,它由两个等量参数系统组成,其上部是说明振动压路机及振动轮的;下部是说明土壤压实性能的。

上车质量m1表示前机架分配在前轴上的质量;下车质量m2表示振动轮及内框架的质量;F0表示偏心块的离心力,me为偏心块的静偏心矩,振动轮被以角速度ω旋转的激振力F0带动进入振动状态。

振动压路机的振动模型的主要目的是研究土壤对振动压实的反应,所以有关土壤性能描述有必要作进一步深入的接近真实性的探讨。将被振实的土壤分为所谓的一个接触区域和一个周围弹性状态区域,在一定的振动压实参数下,接触区域的范围即可确定,此范围内的土壤质量在此范围内土壤发生塑性变形,吸收振动压路机的振动能量,以改善土壤的结构特征,是振动压路机对土壤的有效作用范围,其力学性能的表现与振动压路机重复碾压的遍数有关。此外,振动压路机压实作业还影响其周围的弹性状态区域,在该区域内振动通过波辐射而传递到周围环境中,这部分所消耗的振动轮的振动能并没有用于改善土壤的结构。

压实度检测系统的基本构成如图6-7所示。

图6-7　压实度检测系统构成框图

前置放大电路一般采用电荷、电压放大电器。由于传感器输出的信号十分微弱,且阻抗很高,经过放大器的前置放大,同时变高阻抗为低阻抗,并以电压信号输出,使信号由μV级上升为m V级的有用电压信号。

利用低通滤波器的目的主要是得到压实度的低频信号,要求低通稳定、滤波效果好。另外,在放大器输出的信号中叠加有一直流电平,因此设置低通滤波器的另一个作用是可以消除该部分所带来的直流分量。

A/D转换装置的功能主要是将采集到的电压模拟信号量化和编码后,转变成数字信号并输出。信号处理与运算的目的是对由A/D采集转换的数字电压信号进行各种分析处理,一般是由一块单板机完成。

显示器用来完成压实度数值及其相关信息的显示。(www.xing528.com)

压实度检测系统的传感器选用压电式加速度传感器。而压电式加速度传感器的基本工作原理是以压电效应为基础。即某些物质在机械力作用下发生变形时,内部产生极化现象,而在其上下两表面产生符号相反的电荷,去掉外力时电荷立即消失,这种现象称为压电效应。

传感器整个组件安装在一个基座上,并用金属壳体加以封罩。为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去,基座尺寸做的较大。测试时传感器的基座与测试件刚性连接。当测试件的振动频率远低于传感器的谐振频率时,传感器输出电荷(或电压)与测试件的加速度成正比,经电荷放大器或电压放大器即可测出加速度。如当一个被测加速度量作用在压电元件上产生的电荷量为ΔQ,压电元件两端的电容为C,压电元件两端产生一电压ΔU,由静电学定律可知,3个量之间的关系为

压电式加速度由底座、质量块、敏感元件和外壳组成,工作原理是利用压电陶瓷的压电效应而制造出的一种机电换能产品。内置电路式ICP是将电路模块装入加速度传感器内,电压直接输出。

信号分析是对信号基本性质的研究和表征,其过程是将一复杂信号分解为若干简单信号分量叠加,并从这些分量的组成情况去考察信号的特性。这样的分解可以抓住信号的主要成分进行分析、处理和传输,使复杂问题简单化。实际上,这也是解决所有复杂问题最基本、最常用的方法。信号分析中一个最基本的方法就是信号的频谱分析,即把频率作为信号的自变量,在频域里进行信号的频谱分析。信号的频谱主要有两类,即幅值谱和相位谱。在测量与控制工程领域,信号分析技术有广泛的应用。在动态测试中,必须通过对被测信号的频谱分析,掌握其频谱特性,这些都需要用到频谱分析和快速傅里叶变换(FFT)。

信号处理是指对信号进行某种变换或运算(滤波、变换、增强、压缩、估计、识别等),广义的信号处理也可以包括信号分析。信号处理包括时域和频域处理,时域最典型的是波形分析。把信号从时域变换到频域进行分析和处理,可以获得更多的信息,因而频域处理更为重要。信号频域处理主要指滤波,即把信号中的有效信号提取出来,抑制(削弱或滤除)干扰或噪声的一种处理。

振动压路机激振信号的处理重点在于对激振信号的分析、确定信号的采样频率、滤波器的型号、窗函数的确定、频谱变换的算法和信号处理点数的选择。主要分析过程如下。

(1)噪声分析。

1)记录通道中的噪声。

2)发动机、液压泵和液压马达的影响。

(2)信号奇异点分析。

(3)趋势项分析。

(4)平滑处理。

为了验证压实度检测系统在运行中的稳定性、可靠性、准确性以及技术方案的可行性,这里通过一系列的室内试验和现场试验对系统进行测试。

首先,在实验室内对系统自身的稳定性、准确性进行验证;其次,通过振动台试验验证仪器的数据采集功能是否完善;再次,去施工现场进行振动压路机加速度信号采集以及土壤压实试验;最后,再回到实验室做击实试验和利用数据分析处理软件对现场采集数据进行各种分析处理,进一步验证技术方案的可行性。

传感器经检验合格后进行现场安装,传感器的安装方式和安装位置直接影响测量结果。安装方式不同会改变加速度传感器的使用频率(对振动值影响不大),一般选择下面几种方式安装:螺钉5k Hz(使用频率)、环氧或“502”4k Hz、磁吸盘1.5k Hz、双面胶0.5k Hz。根据振动压路机及现场实际情况,一般选择磁吸盘安装方式,首先将加速度传感器固定到磁座上,把安装面打磨平、擦净,然后取下传感器磁座上的绝缘片,把加速度传感器安装到振动轴或最能反映振动轮振动情况的位置上(图6-8)。

图6-8　振动传感器外观