摘要：针对振动压路机的跳振问题，基于“机土“振动系统的二自由度振动数学模型，通过比较分析各种跳振现象下的压实对象状态和压路机参数，得出压路机跳振的原因是由于振动系统功率不足、施工工艺不合理、工作频率异常及减振系统破坏等，并结合部分典型案例，提出了具有参考价值的解决方案。
关键词：振动压路机；跳振；二自由度振动模型；固有频率
中图分类号：U415.5文献标志码：B
Abstract： Aimed at the jump vibration of vibratory roller， parameters and two inherent frequencies which might affect the compaction were put forward with a two degree of freedom mathematical model of rollersoil vibration system. According to the analysis of compacted object states and roller parameters， the main reason for jump vibration is that the vibration system does not work as designed， caused by some reasons such as insufficient power， unreasonable construction techniques， abnormal operating frequency and damping system malfunction. And solutions were proposed combined with some typical cases in the market.
Key words： vibratory roller； jump vibration； vibration model with two degree of freedom； inherent frequency
0引言
压路机是以增加土壤密实度为主要用途的施工机械。其中，振动压路机利用振动使土壤处于高频振动状态，然后通过对地作用力迫使土壤颗粒重新排列而密实，压实效率远超静碾压路机。然而，在实际压实过程中，压路机振动轮产生的跳振使振动轮的连续滚动压实变成了冲击式压实，极大地降低了驾驶员操作舒适性并降低了压实质量。为此，本文利用压路机二自由度振动数学模型解释了发生跳振的原因并提出了相应的现场解决方案。
1压路机二自由度振动数学模型
土壤、振动轮、压路机上车3个因素组成了一个共同有效的“机土”振动系统。通常把“机土”振动系统简化为具有2个自由度的数学模型，经验证明，这个二自由度的数学模型基本上能反映“机土”振动系统的实际动态响应[1]。
图1为振动压路机的二自由度振动数学模型。模型包含了设计中需要考虑的所有重要参数，如上车质量mf、减振器刚度kp、减振器阻尼cp、振动质量md、土壤刚度ks、土壤阻尼cs、工作频率ω和激振力F等。
数学模型的动态响应分析结果如图2所示。从图2可知，“机土”振动系统具有2个固有频率ω1、ω2，当工作频率ω与固有频率相等时，振动系统将处于共振状态，上车或振动轮急剧振动。2个固有频率中较低的ω1被称为一阶固有频率，其大小主要取决于上车质量、减振器刚度和减振器阻尼，设计基本可控；较高的固有频率ω2被称为二阶固有频率，该固有频率主要取决于参振质量、土壤刚度和土壤阻尼。通常参振质量是可控的，但不同压实材料固有频率的可变性较大，同一种材料在压实度不同时，其固有频率也有差异，且固有频率会随着压实遍数和密实度的增加增大[2]，即不同压实工况下的二阶固有频率会发生变化。
通常，根据土壤类型的不同，压路机工作频率会设定为不同值。如双钢轮主要用于压实沥青混合料，工作频率在40～70 Hz之间；单钢轮主要用于压实土或水泥稳定土，工作频率在26～35 Hz之间。
理想状态下，激振力不断向系统输入能量，系统阻尼不断消耗能量，若前者大于后者，振幅将增大；若前者小于后者，振幅将减小。直到两者平衡后振幅稳定，系统出现新的恒幅振动[3]，此时“机土”振动系统成为相对稳态的能实现连续压实的系统。
2几种跳振原因分析及解决方案
在实际压实过程中，部分用户会反馈振动轮跳振问题，即振动系统处于不稳定状态。经过现场了解压路机使用条件，如发动机转速、压实工况、振动工作频率、液压振动系统压力等因素后发现这些反馈有不同的外在表现，见表1。
从表1可知，跳振时“机土”振动系统已工作在非正常状态，某些值未能工作在设计状态导致外在表现异常，用户最终无法接受上车、振动轮或整机的大振幅振动。
2.1后备功率不足产生跳振
跳振1的工作频率和振动压力波动不正常，说明系统未达到稳定状态，工作频率非常低说明系统未越过共振区，发动机工作在额定转速下说明发动机功率输出无异常，系统溢流说明系统工作超出设计。主要原因是制造厂家过分追求经济性，采用小泵小马达，振动系统输出功率不足以满足压实要求。当压路机起振时，工作频率ω由0增加到设计值，需要越过一阶固有频率ω1和二阶固有频率ω2所在的共振区。通常压路机起振时间约3 s左右，如果振动系统后备功率小，则起振速度慢，在共振区停留的时间就长，共振点的振幅就越大；当振幅增大到一定程度，振动系统全功率运行仍不足以支持该振幅下的振动时，压路机的工作频率就无法越过共振区，振动轮在超高振幅和非常低的频率下振动就带来跳振问题。解决方案是制造厂家更改系统配置，加大振动系统后备功率。 2.2施工工艺不合理产生跳振
跳振2的工作频率等于铭牌值（或误差不超过10%）说明系统能达到稳定状态，压路机本身正常；压实工况为硬地面、振动压力接近溢流说明负载大。带来该问题的主要原因可能是施工工艺不合理，未能及时切换大、小振或静压模式。实际压实过程中，随着土壤密实程度的增加，土壤的刚度不断增大、阻尼不断减小[45]，系统的二阶固有频率不断靠近设定的工作频率。工作频率下的振幅不断偏离名义振幅，导致地面的反作用力越来越大，使振动轮跳离地面，出现跳振。因此，压路机一般设置2种工作模式，即低频高幅模式和高频低幅模式，通过切换模式来改变振动轮名义振幅和工作频率下的振幅来减小地面反力。相应的施工工艺也提出了“当土壤强度足以支撑振动压实时，先强振再弱振”的压实要求。如果不遵循这种要求，在地面刚度非常大时仍采用高幅压实，整机就会剧烈振动。
在一个案例中，施工人员反馈压路机振动轮跳振。维修人员在现场首先检查了振动系统设计参数，实测轮胎支撑时的振动工作频率在设计要求范围内，无论是轮胎上压实还是路面上压实，振动与不振动的发动机转速均不大，分析认为发动机功率能满足要求。
检查压路机在工地路面上振动的情况，发现高频低幅模式下压路机运行正常，低频高幅模式下振动轮跳振且液压系统平稳压力达到30 MPa，接近溢流压力。据此判断低频高幅时压路机负载过大，怀疑是路面刚度过大引起跳振。直接使用铁钎敲击部分路面，仅能砸出小坑。检查被压实路面，观察到部分地面上石子被振碎，出现过压现象。咨询用户需要压实的工地路基是直接挖方后整平得到，监理要求的压实工艺是6次大振后再6次小振。
分析认为，用户所使用的压路机压实能力极强，由于挖方路基本身的密实度就很高，3遍大振后路面密实度已经极高，继续大振，必然出现跳振现象。用户在已经跳振的情况下继续大振，不但起不到继续密实的效果，反而会将已压实的土壤再次振动导致局部松散，从而密实度的降低。
通过现场勘察，路面压实度已经很高，压路机仍采用低频高幅的工作模式必然出现跳振，解决方案是调整压实施工工艺，适时切换大、小振及静压方式。
2.3振动工作频率超差产生跳振
在硬地面进行压实时，振动压力接近溢流，说明负载大，工作频率出现异常。导致跳振3的主要原因是维修时未校准振动工作频率或用户操作不当。按二自由度振动数学模型分析，如果土壤能无限的吸收振动能量，工作频率超过二阶固有频率并继续增大时，上车和振动轮的振幅会越来越趋向于一个定值，其中振动轮的振幅倾向于名义振幅，系统仍然能稳定运行。但是此时振动轮的振动加速度会随着工作频率的增大而增大，振动系统的输出能量也会增大。
实际压实过程中，在系统稳定运行的前提下，增大工作频率能增加振动轮的输出功率，从而使土壤快速密实。此时，继续按正常施工工艺进行压实，就可能会出现如2.2所描述的地面刚度非常大时仍采用强振压实导致的跳振问题。
在某案例中，用户反馈振动压路机压实水稳层时驾驶室振动大，驾驶员无法操作。从现场施工情况来看，该项目的水稳层压实工艺为大振、小振、大振、小振、大振、小振共6次压实，第3次大振时驾驶室振动剧烈至驾驶员无法忍受。检测该机发动机转速正常，检查发现高幅激振频率为333 Hz，超出设计频率（28 Hz）19%。计算可知该机最大输出功率已超出设计输出功率415%，因此造成驾驶室剧烈振动。咨询用户后发现，该机振动泵维修过，维修后未调整振动频率参数。解决方案是将频率校正到出厂状态。
2.4减振系统破坏产生跳振
跳振4中压路机各项指标检查均正常，说明系统状态稳定，上车振动异常应该是振动轮与上车之间的减振器刚度不合理导致。减振器老化或损坏后，减振系统的刚度发生变化，减振效果达不到预期。上车因减振效果变差而振动异常，解决方案是定期检查并更换失效的减振器。如果新车就出现问题或更换减振器后仍不能解决问题，原因可能是原车减振系统设计不合理。典型的例子是减振器刚度过大，车架和振动轮近似固接，此时一阶固有频率可能提高到接近振动频率。因此，该问题只在设计水平极低或质量完全失控的情况下发生，解决方案是更换其他刚度的减振器。
2.5压路机适应性差或工作条件异常产生跳振
压路机压实有一些常规要求，当被压实土壤要达到一定刚度，就要进行试验来确定压实工艺，且发动机转速要调整到额定转速，还应定期检查机器状况。如果压路机本身的适应性差或压实过程不能满足这些要求，跳振5的情况就可能会发生。
典型的例子是压路机在压实橡皮土时，土壤就像弹性蓄能器，压实功无法作用至土壤深层，振动压实无法进行，导致压路机振动异常。解决方案首先应使用凸块轮将土填切割成许多小块，使其失去弹性后再使用振动压路机进行压实。另一典型的例子是发动机处于怠速运转时进行振动压实，此时实际振动频率为设计振动频率的1/3，接近系统固有频率且发动机输出功率不足，系统不能稳定运行，也会产生剧烈的振动。解决方案是保证发动机工作在额定转速下。
3结语
本文基于“机土”振动系统的二自由度振动数学模型，结合振动压实原理和振动系统设计参数分析了振动轮跳振的原因，认为压路机跳振大多是由压路机实际工作状态与设计状态差别大导致。其产生原因有振动系统功率不足、施工工艺不合理、振动频率异常、减振系统破坏等，对应提出规范设计、适时切换大小振、规范工作频率、适时维护减振系统等解决方案，并提供了一些解决典型跳振案例的方法供同行借鉴参考。
参考文献：
[1]尹继瑶.压路机设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2000.
[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（3）：7784.
[3]闻邦椿.机械设计手册[M].第5版.北京：机械工业出版社，2010.
[4]管迪，陈乐生.振动压实中的次谐波振动与混沌[J].筑路机械与施工机械化，2007，24（6）：5961.
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