Road Roller Engineering Based on Chaotic Vibration Mechanics

Abstract

The vibration test, numerical simulation and compaction experiment of the chaotic vibratory rollers (three types： 0.75t, 101 and 14t) are completed for transform theoretical research of chaotic vibration mechanics into technology achievement in road roller engineering.

It is proved that the working efficiency of chaotic vibratory roller is 12.2% higher than that of traditional one. One type of heavy chaotic vibratory roller (14t) is used in highway development in west China.

Content

《1 引言》

1 引言

在非线性振动系统中, 当系统参数满足一定条件时, 即使在确定性输入下, 输出仍呈现不规则的振动, 称为混沌振动^[1,2]。近年来, 各国研究者对工程领域内的混沌振动进行了研究^[3]。但多数研究侧重于混沌振动的避免, 例如, 列车的混沌振动。本课题的研究侧重于混沌振动的利用。1993—1995年, 本文第一作者主持了国家自然科学基金项目“混沌振动实验识别及其发生机构参数研究” (59275173) , 获得了“混沌激振器”^[4], “混沌振动台”^[5]两项国家专利 (ZL95217738.2与ZL95214278.3) 。混沌振动比单频振动有着更丰富的频率成分和更剧烈的速度变化, 有利于用作振动压实、振动筛选和振动分离等作业, 对国民经济中的机械、化工、食品等工业, 矿冶、土建、筑路等工程, 制药、制茶、制陶等各行业, 均具有广阔的应用前景。它在振动装备中的应用, 将是人类振动利用技术的进步。

1996年, 本文第一作者在CVE-1型混沌激振器的基础上, 又研制了CVE-2型混沌激振器, 装于0.75 t轻型混沌振动压路机, 其力学模型与数值仿真见文献[6]。为进一步进行深入研究, 1999年开始主持国家博士点基金项目“混沌振动压实力学” (980112) 的研究。

振动压路机是建筑基础施工、水坝、港口、铁路、公路和矿山工程中必不可少的施工设备。由于被压实工料的结构成分异常复杂, 且其物理力学性能具有多样性, 即不同颗粒要在不同的振动加速度下才能达到较好的压实效果, 故用CVE-2型激振器装备重型混沌振动压路机^[7], 使其振动轮产生由主频下的宽频带和宽幅域组成的混沌振动, 将大小不同颗粒间的摩擦进一步减小, 呈现流动状态, 而充填间隙, 从而可比常规振动压路机更有效地压实各类土壤铺层及岩石填方。本文介绍了对重型混沌振动压路机进行的振动测试、数值仿真与压实试验。

《2 压路机压实力学模型》

2 压路机压实力学模型

考虑振动轮在垂直方向的运动, 且假定振动轮始终与地面接触。混沌振动压路机“机架-振动轮 -土”系统的力学模型如图1所示。CVE-2型激振器由偏心1——OO₁, 偏心2——O₁C₂ , 和偏心3——O₂C₃ 组成。C₁, C₂和C₃分别为偏心1, 偏心2与偏心3的质心。φ₀=ωt, ω——偏心1的角速度。M_f——机架的当量质量。C_f ——减振器阻尼, K_f——减振器刚度, m_d ——振动轮质量, C_S——土壤阻尼, K_S——土壤刚度。

对图1的四自由度力学模型, 用Lagrange第二类方程, 以机架位移y_f, 振动轮位移y_d, 偏心2转角φ₁, 偏心3转角φ₂为广义坐标, 建立14 t混沌振动压路机的相应运动微分方程为:

《图1》

图1 “机架-振动轮-土”系统力学模型

Fig.1 The mechanical model for the system of frame-drum-soil

$\begin{array}{l} k_{1} \ddot{y}_{f} = - u_{6} (y_{f} - y_{d}) - r_{2} (\dot{y}_{f} - \dot{y}_{d}) + u_{3} \\ k_{2} \ddot{y}_{d} - k_{9} \sin φ_{1} \ddot{φ}_{1} - k_{10} \sin φ_{2} \ddot{φ}_{2} = k_{8} ω^{2} \cos ω t + \\ k_{9} \cos φ_{1} \dot{φ}_{1}^{2} + k_{10} \cos φ_{2} \dot{φ}_{2}^{2} - u_{5} y_{d} + \\ u_{6} (y_{f} - y_{d}) - r_{1} \dot{y}_{d} + 2 r_{2} (\dot{y}_{f} - \dot{y}_{d}) + u_{4} \\ k_{3} \ddot{φ}_{1} - k_{9} \sin φ_{1} \ddot{y}_{d} + k_{7} \cos (φ_{1} - φ_{2}) \ddot{φ}_{2} = \\ k_{5} ω^{2} \sin (ω t - φ_{1}) - k_{7} \sin (φ_{1} - φ_{2}) \dot{φ}_{2}^{2} - \\ u_{1} \sin φ_{1} + r_{3} (ω - \dot{φ}_{1}) - r_{4} (\dot{φ}_{1} - \dot{φ}_{2}) \\ k_{7} \cos (φ_{1} - φ_{2}) \ddot{φ}_{1} - k_{10} \sin φ_{2} \ddot{y}_{d} + k_{4} \ddot{φ}_{2} = \\ k_{6} ω^{2} \sin (ω t - φ_{2}) + k_{7} \sin (φ_{1} - φ_{2}) \dot{φ}_{1}^{2} - \\ u_{2} \sin φ_{2} + r_{4} (\dot{φ}_{1} - \dot{φ}_{2}) \end{array}$ $\begin{array}{l} k_{1} \ddot{y}_{f} = - u_{6} (y_{f} - y_{d}) - r_{2} (\dot{y}_{f} - \dot{y}_{d}) + u_{3} \\ k_{2} \ddot{y}_{d} - k_{9} \sin φ_{1} \ddot{φ}_{1} - k_{10} \sin φ_{2} \ddot{φ}_{2} = k_{8} ω^{2} \cos ω t + \\ k_{9} \cos φ_{1} \dot{φ}_{1}^{2} + k_{10} \cos φ_{2} \dot{φ}_{2}^{2} - u_{5} y_{d} + \\ u_{6} (y_{f} - y_{d}) - r_{1} \dot{y}_{d} + 2 r_{2} (\dot{y}_{f} - \dot{y}_{d}) + u_{4} \\ k_{3} \ddot{φ}_{1} - k_{9} \sin φ_{1} \ddot{y}_{d} + k_{7} \cos (φ_{1} - φ_{2}) \ddot{φ}_{2} = \\ k_{5} ω^{2} \sin (ω t - φ_{1}) - k_{7} \sin (φ_{1} - φ_{2}) \dot{φ}_{2}^{2} - \\ u_{1} \sin φ_{1} + r_{3} (ω - \dot{φ}_{1}) - r_{4} (\dot{φ}_{1} - \dot{φ}_{2}) \\ k_{7} \cos (φ_{1} - φ_{2}) \ddot{φ}_{1} - k_{10} \sin φ_{2} \ddot{y}_{d} + k_{4} \ddot{φ}_{2} = \\ k_{6} ω^{2} \sin (ω t - φ_{2}) + k_{7} \sin (φ_{1} - φ_{2}) \dot{φ}_{1}^{2} - \\ u_{2} \sin φ_{2} + r_{4} (\dot{φ}_{1} - \dot{φ}_{2}) \end{array}$

式中常系数:k₁=1 464 kg, k₂=4.071 2×10³kg, k₃=0.078 6 kg·m², k₄=2.419 6 kg·m²,

k₅=0.001 5 kg·m², k₆=0.022 5 kg·m², k₇=0.011 5 kg·m², k₈=0.768 1 kg·m, k₉=0.394 4 kg·m, k₁₀=5.769 3 kg·m , u₁=3.864 6 N·m, u₂=56.539 2 N·m, u₃=1.434 7×10⁴N , u₄=3.989 8×10⁴N, u₅=14×10⁶N/m, u₆=5.25×10⁶N/m, r₁=7×10⁴N·s/m, r₂=2.625×10³N·s/m, r₃=0.311 4 N·s·m, r₄=3.517 8 N·s·m .

《3 数值仿真与混沌识别》

3 数值仿真与混沌识别

用MATLAB语言对14 t混沌振动压路机的压实力学模型进行数值仿真, 得到振动轮相轨图 (图2) , 加速度功率谱图 (图3) 及Lyapunov指数 (0.056 5) 。

Lyapunov指数为正, 相轨缠绕 (图2) , 功率谱为宽频 (图3) , 均表明振动是混沌的。

《图2》

图2 振动轮相轨图

Fig.2 The trajectory of drum

位移/m

《图3》

图3 振动轮加速度功率谱

Fig.3 The spectrum of acceleration for drum

频率/Hz

《4 振动试验》

4 振动试验

《4.1 试验工况》

4.1 试验工况

对重型混沌振动压路机 (14 t) 进行了振动试验, 试验时, 压路机停在混凝土地面上, 振动轮下垫轮胎, 加速度传感器放在振动轮上, 信号由B.K.2034信号分析仪进行实时处理。

《4.2 试验结果》

4.2 试验结果

振动轮振动自相关图 (图4) 的衰减性体现了振动的不规则性。振动轮加速度实测功率谱 (图5) 的宽频性体现了振动在主频附近有丰富的频率成分, 这都证实压路机作混沌振动。

《图4》

图4 振动轮自相关图

Fig.4 The autocorrelation of drum

《图5》

图5 振动轮实测功率谱图

Fig.5 The power spectrum of drum

《5 压实试验》

5 压实试验

《5.1 试验工况》

5.1 试验工况

对重型混沌振动压路机 (10 t) 与同吨位的普通振动压路机用级配土进行压实对比试验。两台压路机平行轮流交替振压, 在不同压实遍数后用取土环刀取土样, 每次取三个点, 每点取三层:表层, 中层 (深20 cm) , 下层 (深40 cm) , 取样位置见图6。

《图6》

图6 不同压实遍数后的取样位置

Fig.6 The sample position after different number of compaction times

《5.2 试验结果与分析》

5.2 试验结果与分析

图7为压实6遍后的压实曲线, 可见混沌振动压路机中层压实度已达到94.12%, 而普通振动压路机仅为91.23%。

若以中层压实度95%为压实合格, 从图8可见, 混沌振动压路机只需压7.9遍, 而普通振动压路机要压9遍。故可提高压实效率12.2%。试验的其它数据证明, 混沌振动压路机所有压实度均大于普通振动压路机。

《图7》

图7 压实曲线

Fig.7 Compaction curve

《图8》

图8 压实度与压实遍数关系

Fig.8 The relation of compaction degree and number of compaction times

《6 结语》

6 结语

振动试验与仿真结果表明:振动轮的振动是混沌的。

压实试验结果表明:混沌振动压路机比普通振动压路机可提高工效12.2%。

14 t重型混沌振动压路机已用于我国西部高速公路开发。这是混沌在重型机械中的首次应用, 它从理论与实践上证实了混沌的可控性与可用性。

《7致谢》

7致谢

在14 t与10 t混沌振动压路机的研制中, 对作为合作单位的上海工程机械厂和徐州工程机械厂的大力协作, 谨致谢意。

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