振荡压路机压实动力学及压实过程控制关键技术的研究
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摘要
振荡压路机是用一种新的思路和技术来实现振动压实工艺的路面压实机械。它利用激发被压材料颗粒发生水平振动，从而可以如垂直振动压实一样来削弱被压实材料颗粒之间的联系，使之重新排列而变得更加密实。
在确立的振荡轮与被压实材料相互作用的动力学模型基础上，进行了参数动态识别确定和振荡压路机样机的现场试验。测试了振荡压实样机的幅频特性；对国内外振荡与振动两种压路机对压实效果的影响进行了对比试验研究。在大量现场试验的基础上，分析了影响振荡压实度的主要工作参数；提出了评价路面压实质量的优化标准，建立了比压实功的优化控制模型和在能量平衡基础上的压实过程智能控制的目标函数。通过对国内外现有压路机智能压实控制策略的分析，以崭新的思路提出了基于能量平衡基础上的以单位体积压实材料所吸收的压实功最大且整个压实过程所用时间最短为目标的振荡压实自动化和智能化压实控制的新的控制策略，并指明了其技术实现的方法和途径。
在上述研究基础上，得出了如下结论：
1、对影响振动和振荡压路机压实效果的主要工作参数：振幅、频率、碾压速度和碾压遍数所进行的大量现场试验研究表明，对压实效果和压实质量的评价不仅要看铺层的平均压实度，而且还要看压实度的均匀性。因此，希望获得良好的压实质量不仅要防止压实不足，而且还要防止出现过度压实的问题。
2、在上述研究成果的基础上提出了评价路面压实质量的优化标准，即在整个压实过程中应使施加给铺层的振动能量与混合料吸收有效压实功的能力保持平衡，以保证铺层既不会出现压实不足又不致造成过度压实。这一结论为进一步建立压实过程智能化控制的优化目标提供了依据。
3、在不同激振能量(不同的名义振幅和激振频率)和不同的碾压遍数(不同的刚度和阻尼)下对振荡轮与热沥青混合料相互作用的振幅—频率特性与密度—频率特性所进行的大量试验研究与对比分析得出了一系列对制订智能化压实过程的优化控制策略具有重要指导意义的结果。它们包括：
(1)不论对于不同的名义振幅还是不同的压实遍数，在幅频特性和密度频率特性之间都有着良好的相关关系，亦即二条特性曲线上与最大振幅和最大密度对应的频率是相同的，而二条曲线的走势则是相似的。这表明利用幅频特性来预测压实度随频率而变化的关系是可行的。
(2)在不同的激振振幅和不同压实遍数下的试验结果都显示了与最大实际振幅和最大压实度对应的最佳激振频率的变化范围是很小的(27 Hz～31 Hz)，这一结果为在实际压实过程中搜索最佳频率指出了方向(缩小了搜索的范围和加强了针对性)。
(3)计算机仿真的幅频特性和实际测定的幅频特性都显示了在小于最大振幅频率的一方，幅频特性有一急剧下降的低谷，而在大于这一频率的一方，频率的增加对振幅的影响要平缓得多，这表明最佳频率的选择应稍大于最大振幅的频率，以免由于偶然的因素而导致滑入低谷。这一结果为确定优化控制中设置频率的初始值提供了依据。
4、在一个碾压遍数内，影响铺层压实质量的因素是激振振幅、频率和碾压速度，在研究三者之间相互关系的基础上得出了计算铺层单位长度吸收有效压实功(即比压实功)的公式和能量平衡方程，以及多遍压实的比压实功和能量平衡方程，为建立基于能量平衡基础上的优化目标函数奠定了理论基础。
5、在分析滑转率、施加给铺层的激振能量、混合料吸收的有效压实功三者之间相互关系的基础上提出了在实际上的压实过程中评价能量平衡的准则。所提出的在实际碾压过程中实时检测滑转率和确定最佳滑转率的方法为在智能控制过程中评价是否达到能量平衡要求提供了手段。
6、在上述理论和试验研究的基础上进行的振荡压实过程控制关键技术的研究取得了重要成果：建立了基于能量平衡基础上智能化控制的优化目标和相应的目标函数，制订了为实现这一优化目标函数的控制策略，并根据这一控制策略为智能控制器设计了自动控制的流程图。以上这些关键技术问题的解决为开发振荡压路机的智能化控制系统奠定了坚实的基础。
所进行的研究，填补了国内在此方面的空白。其结论对国产振荡压路机及其智能化的进一步研究、生产与应用既有理论上的指导意义，更有工程上的直接应用价值。
Oscillatory roller is the compaction machinery which uses a novel thoughts and technology to realize vibratory compaction techniques. As vibratory roller excite compacted material particles to vibrate in vertical direction, oscillatory roller can also excite compacted material particles to vibrate in horizontal direction and makes rearrangement of material particles in a dense way with reducing the friction force between particle and particle.
Based on establishing the interactive dynamics model of oscillatory drum and compacted material, the dynamic identification of parameters of dynamics model and some tests on the spot of a sample machine of oscillatory roller are studied, the amplitude-frequency characteristics of oscillatory roll is tried out and the compaction effect of between the oscillatory roller and the vibratory roller in the world are discussed. On the basis of an amount of tests on the spot, the parameters of dynamics model about oscillatory drum are optimized, main effect factors of the compaction degrees for oscillatory roller are analyzed, the optimization standard of evaluating compaction quality of road surface is advanced, the optimization control model of the unit effective compaction power and the target function of compaction process control on the basis of energy balance are established. Through analysis control tactics of intelligent compaction for current vibratory roller and oscillatory roller, based on energy balance, a new control tactics which the biggest effective compaction power absorbed by unit compacted material and the shortest time of whole compaction process is taken as the target of automatic or intelligent control compaction for oscillatory roller is put forward, its methods and ways for oscillatory roller to realize intelligent control compaction on the key technology are showed clearly.
On the basis of above-mentioned research, the following conclusions are achieved:
1 .On the spot, through an amount of tests of the main working factors (amplitude, frequency, speed, times of passes) effecting compaction effect of the vibratory/oscillatory roller, the test shows that to evaluate compaction effect and compaction quality need consider not only the average compaction degree of compacted layer, but also the even of the degree. Therefore, it is necessary for obtaining compaction quality to prevent less or more compaction.
2. Based on above-mentioned study result, the optimization standard of evaluating compaction quality of road surface is advanced. That is, the vibratory energy transmitted by roller to pavement layer should balance with the effective compaction power absorbed by compacted materials during the whole compaction, so as to ensure the pavement layer to prevent less or more compaction. This conclusion is provided theory basis for further to establish the optimization target of intelligent compaction control.
3. Under different excited energy (different nominal amplitude and excited frequency) and different times of passes (different stiffness and damp), through a lot of tests and analysis of the amplitude-frequency characteristics and the density-frequency characteristics, a series of important guidance results have been reached for formulating the optimization control tactics of intelligent compaction process, including:
(1) For different nominal amplitude and different times of passes, between the amplitude-frequency characteristics and the density-frequency characteristics have a good related relationship which the frequency corresponding to the maximum amplitude and the maximum density is same on above two curves of the characteristics, and the charge of the two curves is similar. The above results show that it is feasible utilizing the amplitude-frequency characteristics to forecast the relationship of the compaction degree to change with the frequency.
(2) Under different excited energy and different times of passes, the test demonstrates that it is very small for the charge range (27Hz～31Hz) of the best excited frequency corresponding to the maximum actual amplitude and the maximum compaction degree. This result points out the direction which searches for the best frequency during actual compaction process.
(3) The simulation amplitude-frequency characteristics with computer and the actual amplitude-frequency characteristics by test show that the carve of amplitude-frequency characteristics has a rapidly fall low point when less than the frequency corresponding to the maximum amplitude, but when more than the frequency corresponding to the maximum amplitude, and the carve changes gently. These show that selecting the best frequency should be more than a little the frequency corresponding to the maximum amplitude so as not to slip the low point owing to accidental factors. This result provides basis for determining the initial value in optimization control.
4. In one times of pass, the influence factors of compaction quality of pavement layer are excited amplitude, frequency and speed of pass. On the basis of research the interactive relationships of above three factors, the calculation formula of the effective compaction power absorbed by unit length pavement layer and the energy balance equation as well as its unit compaction power and energy balance equation in more times of passes are achieved, which will lay the theoretical foundation for establishing the optimization target function on the basis of energy balance.
5. The evaluating standard of energy balance on the bases of analyzing interactive relationships of between slip-rotation ratios, excited energy and effective compaction power advanced. the method of real measuring the slip-rotation ratio and determining the best slip-rotation ratio during actual compaction is put forward, which will provide means for evaluating the energy balance whether or not to be fulfilled requirements.
6. Based on above theory and test, to study the key technology of oscillatory compaction process have acquired some important results which establish the optimization target of intelligent control on the basis of energy balance and its corresponding to the target functions, draw up the control tactics for the optimization target to realize, and design the automatically control flow chart for the intelligent controller. Above the key technologies solved will lay the solid foundation for intelligent compaction control system of oscillatory roller to be studied.
The studies make great progress in the dynamics process of oscillatory drum and compacted material, as well as intelligent control compaction for oscillatory roller. The conclusions are significant in both research and application of domestic traditional roller and intelligent oscillatory roller.
在确立的振荡轮与被压实材料相互作用的动力学模型基础上，进行了参数动态识别确定和振荡压路机样机的现场试验。测试了振荡压实样机的幅频特性；对国内外振荡与振动两种压路机对压实效果的影响进行了对比试验研究。在大量现场试验的基础上，分析了影响振荡压实度的主要工作参数；提出了评价路面压实质量的优化标准，建立了比压实功的优化控制模型和在能量平衡基础上的压实过程智能控制的目标函数。通过对国内外现有压路机智能压实控制策略的分析，以崭新的思路提出了基于能量平衡基础上的以单位体积压实材料所吸收的压实功最大且整个压实过程所用时间最短为目标的振荡压实自动化和智能化压实控制的新的控制策略，并指明了其技术实现的方法和途径。
在上述研究基础上，得出了如下结论：
1、对影响振动和振荡压路机压实效果的主要工作参数：振幅、频率、碾压速度和碾压遍数所进行的大量现场试验研究表明，对压实效果和压实质量的评价不仅要看铺层的平均压实度，而且还要看压实度的均匀性。因此，希望获得良好的压实质量不仅要防止压实不足，而且还要防止出现过度压实的问题。
2、在上述研究成果的基础上提出了评价路面压实质量的优化标准，即在整个压实过程中应使施加给铺层的振动能量与混合料吸收有效压实功的能力保持平衡，以保证铺层既不会出现压实不足又不致造成过度压实。这一结论为进一步建立压实过程智能化控制的优化目标提供了依据。
3、在不同激振能量(不同的名义振幅和激振频率)和不同的碾压遍数(不同的刚度和阻尼)下对振荡轮与热沥青混合料相互作用的振幅—频率特性与密度—频率特性所进行的大量试验研究与对比分析得出了一系列对制订智能化压实过程的优化控制策略具有重要指导意义的结果。它们包括：
(1)不论对于不同的名义振幅还是不同的压实遍数，在幅频特性和密度频率特性之间都有着良好的相关关系，亦即二条特性曲线上与最大振幅和最大密度对应的频率是相同的，而二条曲线的走势则是相似的。这表明利用幅频特性来预测压实度随频率而变化的关系是可行的。
(2)在不同的激振振幅和不同压实遍数下的试验结果都显示了与最大实际振幅和最大压实度对应的最佳激振频率的变化范围是很小的(27 Hz～31 Hz)，这一结果为在实际压实过程中搜索最佳频率指出了方向(缩小了搜索的范围和加强了针对性)。
(3)计算机仿真的幅频特性和实际测定的幅频特性都显示了在小于最大振幅频率的一方，幅频特性有一急剧下降的低谷，而在大于这一频率的一方，频率的增加对振幅的影响要平缓得多，这表明最佳频率的选择应稍大于最大振幅的频率，以免由于偶然的因素而导致滑入低谷。这一结果为确定优化控制中设置频率的初始值提供了依据。
4、在一个碾压遍数内，影响铺层压实质量的因素是激振振幅、频率和碾压速度，在研究三者之间相互关系的基础上得出了计算铺层单位长度吸收有效压实功(即比压实功)的公式和能量平衡方程，以及多遍压实的比压实功和能量平衡方程，为建立基于能量平衡基础上的优化目标函数奠定了理论基础。
5、在分析滑转率、施加给铺层的激振能量、混合料吸收的有效压实功三者之间相互关系的基础上提出了在实际上的压实过程中评价能量平衡的准则。所提出的在实际碾压过程中实时检测滑转率和确定最佳滑转率的方法为在智能控制过程中评价是否达到能量平衡要求提供了手段。
6、在上述理论和试验研究的基础上进行的振荡压实过程控制关键技术的研究取得了重要成果：建立了基于能量平衡基础上智能化控制的优化目标和相应的目标函数，制订了为实现这一优化目标函数的控制策略，并根据这一控制策略为智能控制器设计了自动控制的流程图。以上这些关键技术问题的解决为开发振荡压路机的智能化控制系统奠定了坚实的基础。
所进行的研究，填补了国内在此方面的空白。其结论对国产振荡压路机及其智能化的进一步研究、生产与应用既有理论上的指导意义，更有工程上的直接应用价值。
Oscillatory roller is the compaction machinery which uses a novel thoughts and technology to realize vibratory compaction techniques. As vibratory roller excite compacted material particles to vibrate in vertical direction, oscillatory roller can also excite compacted material particles to vibrate in horizontal direction and makes rearrangement of material particles in a dense way with reducing the friction force between particle and particle.
Based on establishing the interactive dynamics model of oscillatory drum and compacted material, the dynamic identification of parameters of dynamics model and some tests on the spot of a sample machine of oscillatory roller are studied, the amplitude-frequency characteristics of oscillatory roll is tried out and the compaction effect of between the oscillatory roller and the vibratory roller in the world are discussed. On the basis of an amount of tests on the spot, the parameters of dynamics model about oscillatory drum are optimized, main effect factors of the compaction degrees for oscillatory roller are analyzed, the optimization standard of evaluating compaction quality of road surface is advanced, the optimization control model of the unit effective compaction power and the target function of compaction process control on the basis of energy balance are established. Through analysis control tactics of intelligent compaction for current vibratory roller and oscillatory roller, based on energy balance, a new control tactics which the biggest effective compaction power absorbed by unit compacted material and the shortest time of whole compaction process is taken as the target of automatic or intelligent control compaction for oscillatory roller is put forward, its methods and ways for oscillatory roller to realize intelligent control compaction on the key technology are showed clearly.
On the basis of above-mentioned research, the following conclusions are achieved:
1 .On the spot, through an amount of tests of the main working factors (amplitude, frequency, speed, times of passes) effecting compaction effect of the vibratory/oscillatory roller, the test shows that to evaluate compaction effect and compaction quality need consider not only the average compaction degree of compacted layer, but also the even of the degree. Therefore, it is necessary for obtaining compaction quality to prevent less or more compaction.
2. Based on above-mentioned study result, the optimization standard of evaluating compaction quality of road surface is advanced. That is, the vibratory energy transmitted by roller to pavement layer should balance with the effective compaction power absorbed by compacted materials during the whole compaction, so as to ensure the pavement layer to prevent less or more compaction. This conclusion is provided theory basis for further to establish the optimization target of intelligent compaction control.
3. Under different excited energy (different nominal amplitude and excited frequency) and different times of passes (different stiffness and damp), through a lot of tests and analysis of the amplitude-frequency characteristics and the density-frequency characteristics, a series of important guidance results have been reached for formulating the optimization control tactics of intelligent compaction process, including:
(1) For different nominal amplitude and different times of passes, between the amplitude-frequency characteristics and the density-frequency characteristics have a good related relationship which the frequency corresponding to the maximum amplitude and the maximum density is same on above two curves of the characteristics, and the charge of the two curves is similar. The above results show that it is feasible utilizing the amplitude-frequency characteristics to forecast the relationship of the compaction degree to change with the frequency.
(2) Under different excited energy and different times of passes, the test demonstrates that it is very small for the charge range (27Hz～31Hz) of the best excited frequency corresponding to the maximum actual amplitude and the maximum compaction degree. This result points out the direction which searches for the best frequency during actual compaction process.
(3) The simulation amplitude-frequency characteristics with computer and the actual amplitude-frequency characteristics by test show that the carve of amplitude-frequency characteristics has a rapidly fall low point when less than the frequency corresponding to the maximum amplitude, but when more than the frequency corresponding to the maximum amplitude, and the carve changes gently. These show that selecting the best frequency should be more than a little the frequency corresponding to the maximum amplitude so as not to slip the low point owing to accidental factors. This result provides basis for determining the initial value in optimization control.
4. In one times of pass, the influence factors of compaction quality of pavement layer are excited amplitude, frequency and speed of pass. On the basis of research the interactive relationships of above three factors, the calculation formula of the effective compaction power absorbed by unit length pavement layer and the energy balance equation as well as its unit compaction power and energy balance equation in more times of passes are achieved, which will lay the theoretical foundation for establishing the optimization target function on the basis of energy balance.
5. The evaluating standard of energy balance on the bases of analyzing interactive relationships of between slip-rotation ratios, excited energy and effective compaction power advanced. the method of real measuring the slip-rotation ratio and determining the best slip-rotation ratio during actual compaction is put forward, which will provide means for evaluating the energy balance whether or not to be fulfilled requirements.
6. Based on above theory and test, to study the key technology of oscillatory compaction process have acquired some important results which establish the optimization target of intelligent control on the basis of energy balance and its corresponding to the target functions, draw up the control tactics for the optimization target to realize, and design the automatically control flow chart for the intelligent controller. Above the key technologies solved will lay the solid foundation for intelligent compaction control system of oscillatory roller to be studied.
The studies make great progress in the dynamics process of oscillatory drum and compacted material, as well as intelligent control compaction for oscillatory roller. The conclusions are significant in both research and application of domestic traditional roller and intelligent oscillatory roller.
引文
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