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路基压实的振动加速度与压实度的相关关系

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QUALITY MEASUREMENT AND CONTROL 文章编号:1000—033X(2016)05—0106—05 路基压实的振动加速度与压实度的相关关系 曹源文 ,韦建学 ,樊文胜 ,黄志福。,樊友伟 (1.重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆400074;2.江西省高速集团抚吉项目办,江西南昌 330025; 230088;4.江西交通咨询公司,江西南昌 330008) 3.安徽省交通控股集团有限公司,安徽合肥吉口 摘要:以江西省抚州至吉安高速路A1标段路基压-#,/4_a为依托工程,通过振动加速度信号采集及 采集信号的相关后续处理,建立压实过程中振动加速度与压实度的相关关系。结果表明:路基压实过 程中,压实度的实时监测对压实质量起重要作用,其中加速度与压实度相关关系的建立是关键。 关键词:路基压实;振动加速度;压实度;压实质量 中图分类号:U416.04 文献标志码:B Relationship Between Vibration Acceleration and Compaction Degree in Subgrade Compaction CAO Yuan—wen ,WEI Jian—xue ,FAN Wen—sheng ,HUANG Zhi—fu。,FAN You—wei (1.School of Mechatronics and Automotive Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China; 2.Fuji Expressway Management of Jiangxi Provincial Expressway Investment Group Co.Ltd.,Nanchang 330025, Jiangxi,China;3.Anhui Transportation Holding Group Co.Ltd.,Hefei 230088。Anhui,China; 4.Jiangxi Transport Consultation Company,Nanchang 330008,Jiangxi,China) Abstract:Based on the subgrade compaction of A1 section of Fuzhou—ji’an Expressway in Jiangxi Province,the relationship between vibration acceleration and compaction degree was established by acquiring vibration acceleration signals and processing later on.The results show that real— time monitoring of compaction degree plays an important role in quality control during the process of subgrade compaction,with establishing the relationship between vibration acceleration and compaction degree being a critical part. Key words:subgrade compaction;vibration acceleration;compaction degree;compaction quality 0 引 在中国城市道路建设过程中,传统的路基压实 该方法具有实时检测的特性,对工程质量的监管工 作具有一定的指导作用。因此,本文依托江西省交 通厅重点科技项目——路基路面压实度自动连续监 测新技术研究,以路基压实的实际施工过程为例,对 压路机振动加速度信号及路基压实度进行检测试 验,研究压路机振动加速度与路基压实度的关系。 度检测大都采用抽样形式,由于抽样检测的局限性, 在很大程度上不能全面反映整个道路铺筑过程中的 压实情况。为满足施工要求,多年来国内外诸多厂 家和科研机构一直致力于开发以振动压路机振动加 速度与压实度关系为原理的压实度检测仪器。 在路基压实过程中,通过对压路机振动加速度 和路基压实度的检测,能实现整个路基铺筑过程的 压实检测,弥补了传统抽样检测的不足之处。同时 收稿日期:201 5-11-12 1 压路机振动加速度信号采集 1.1振动加速度信号采集系统 根据压路机振动压实的基本原理和信号检测原 理 ,建立振动加速度信号采集系统,如图1所示。 基金项目:江西省交通厅重点科技项目(2O12C0019);安徽省交通厅科技计划项目(2013SSLMJK) 106 QUALITY MEASUREMENT AND CONTROL l 抓功川I速 1术集糸境 l。2 YE6263动态数据采集测试系统 YE6263动态数据采集测试系统是一种基于 10/1 00Hase—Tx网k网络传输的多功能数据采集 测试分析系统.它 以崩于实验率的数据采集、波 形分析卡¨处州系统.也可构成 业牛产过程r1l的 监控系统。 .振动加速度价 的采集过 【}j.主要用到采 集仪lII的3 1\数据采集通道.即 2所永的动态数 据采集仪【 从左边起的第3、 、6通道。3个通道分 别与安装征振动轮I 的3个加速发传感器连接。 检测过 lf1分别对3个通道进行参数没置和调试。 ‘振动洲遵艘传爆裕蟹装{证 振动压路机型号不同.振动轮的振动坝牢也/f ·佯. i-.要有28、}2、53 Hz儿个频率。在对以 同振动频 率作业的 路机进行』JU速度信号检测时,为r使信 号更加真实准确,必须满足采样定理。即采样步砸率不 采集仪通过舣绞线 .jff‘算饥连接.通过埘采集软什 小于信 最高顿率的2侪。YE6 ̄6a数据采集仪内 置的采集频率范围为2()()~1 000 Hz.但小是范 和采集仪参数的设 .将采集仪的参数传输到汁算 机并进行保存。 内的所l彳『频率都可以使用.主要呈梯瞍递增。为使 采集的信 没有遗漏,使J}j的采样频率主要为50O Hz和l 000 Hz。经过 体试验测试【J .在26~ 45 Hz范嘲内最好采』}j 500 Hz的采样频率.16~j l Hz范 I大J最好采用1 00()Hz的采样频率。 数槲采集仪采集参数 定好后就ur以进 振动 『lJIj速度 0 毋 的采集,信 采集结果史u 4所示。 tr啦臻.1 醚域 ■ 剜翳翻 矗厣陋囊图霞—tl ̄—lulr舅■ i纛| 灌- }●r 弹 曩 《 # r r 。t r’ 2 、 ‘ 功, 数据球粜仪 r t《辅 £ 1.3 振动加速度信号现场采集 F·《辅啭.r }●r ,一  t t,t- ● 《 f f 现场进行振动『Jj1速度信号的测。首先确定掀 动加速度传感器的安装化置.由于振动轮产牛的冲 山波按鹚形逐次向填筑材料的深 延伸,所以垂 方向l 的冲击波应最先达到底层外反馈【u1振动轮. 且垂“ 向l:填筑材料受到的力最大 。此外.振 ¨r ■睡赣JI■眦I●r 《 -I t扭r- 豫f c _1- ’ \您盘A鹰 f I I ● 目 - 椭r £ t ,’ 辅r 耕r r ■Ir t ’FⅫ,t ’ ’ ’ 。 In I哺 《l ■ ■罐蠢姑 动轴能真实反映振动轮的振动情况. 此振动加述 度传感 安装 振动轴上并垂直地 。由于信弓‘质 量的刈比 要,在实际测畦叫‘除了乖白: 向还在左 l j永 粜 2振动加速度信号处理 在实际测避过程一fi.为J 能够使采策到的信号 最人限度地位含有用的振动加速度信 .采策系统 的采样频率一般设得较大。这样就导敛 ‘川的信 ‘ 和各种噪声混杂在一起.难以卣接识别和利用.只 分离信 f¨噪声.并经过必要的处理分折、清除修 右偏『『j Jj。方向也安装r振动加速度传感器。具体 安装化嚣如 3所 。 撤动JJfj速度传感器安装完成 .还需要对抓动 加速度传感器进行 定。许对YE6263数据采集系 统进行采集参数设定。振动加速发传感器的标定j| 要通过拳I大J振动台试验实现.采集参数没置主要包 系统误 之 。才能比较准确地提取昕测信号r{1包 含的有川信息。 1O7 括采样频率设定和传感器的灵敏度没 等。。由_f QUALITY MEASUREMENT AND CONTROL 2.1加速度信号分析 在对检测到的振动加速度信号进行一系列后期 处理之前,首先对信号的成分进行确定。分析振动 加速度信号的成分时,需要对所测振动加速度信号 做频域处理,得到如图5所示的快速傅里叶变换频 谱图。 3.5 3.O 2 5 之2.0 粤 蜷1 5 l O o.5 0 — .。. /\.^.^ .^ 一 .. 50 10o l5O 200 250 频率mz 图5快速傅里叶变换频谱 由图5可知,原始信号除了振动压路机的空载 振动频率42 Hz外,还包括二次谐波、三次谐波、四 次谐波和一些高频的噪声信号。原因在于:振动加 速度传感器安装在振动轴上,振动轴和轴承之间的 碰撞、摩擦会产生噪音;传感器距离液压马达较近, 液压马达工作时会产生振动和噪声,对采集的信号 产生影响;还有振动压路机发动机的影响。因此,要 对所测的原始信号进行去噪处理。 2.2加速度信号的小波降噪 对振动加速度信号进行小波去噪处理需要经过 3个步骤:首先对含噪声的信号进行小波变换;其次 对经过小波变换得到的小波系数进行去噪处理;最 后对处理后的小波系数进行逆变换,得到去噪后的 信号。 选择coif小波基函数对采集到的振动加速度信 号进行变换处理,并采用无偏似然估计原则进行降 噪处理[4]。经过coif小波基函数和无偏似然估计原 则降噪后的信号如图6所示。 4 之 2 普。 嚣一d 一6 0 50 100 l50 200 250 300 35O 400 450 500 取样点个数 图6 coil小波基函数和无偏似然估计原则降噪后的信号 108 2.3加速度信号拟合 振动加速度传感器每秒采集到的振动加速度信 号量是很大的,且采集的振动信号呈现正弦变化规 律,如果运用每个峰值对应一个压实度值,实际意义 不大。因为在一个采集完整的正弦波形的时间里,振 动压路机行驶的距离只有短短几毫米,因此,需要确 定用多少个周期的波形来充当一个压实度反映点。 分别对l~20个周期的波形进行拟合分析,并 计算数据的均值、标准偏差以及集中程度,得到图7 所示的关于数据拟合的标准偏差和集中程度的拟合 曲线。 图7数据拟合的标准偏差和集中程度 由图7可以看出,10个周期时数据的标准偏差 是最小的,且集中程度最好,因此确定以10个周期 为1个单元进行拟合,求得的幅值有效值最接近真 实值。 3振动加速度一压实度关系式 3.1压实度判定方法 采用有效值法利用振动加速度判定压实度的理 论依据是:在实际路基铺筑压实过程中,随着压实遍 数的增加,路基填筑土的压实度增大,加速度信号的 基波幅值也随之增大。有效值法正是基于基波的这 一特性来反映填筑材料的压实状态。在整个压实过 程中,填筑材料的密实度一直呈增长趋势,加速度信 号的基波幅值也随之呈现逐步增大的趋势,因此,采 用有效值法可以完全反映出整个压实过程压实度的 变化情况,这正是实时检测压实度所需要的 ]。 3.2 振动加速度-压实度关系的建立 不同的填筑材料特性和不同的振动压路机参数 都会导致压实度增长速率不同,本文以江西省抚州 至吉安高速路A1标段路基压实为依据试验,路基 填筑土为粘质土。颗粒分析试验数据、击实试验数 据和振动压路机参数分别如表1~3所示。对表2 中数据进行曲线拟合得到最佳含水量为13 ,最大 QUALITY MEASUREMENT AND CONTROL 干密度为1.882 g·cm一。 表1颗粒分析试验数据 孔径/mm 留筛土质量/g 小于该孔径土的质量百分比/% 40 O 100.0 2O O 100.0 10 O 100.0 5.0 20.0 99.3 2.0 28.4 85.8 1.0 84.0 81.7 O.5 77.0 75.8 O.25 88.0 72.6 0.075 115.0 65.6 表2击实试验数据 试验点号 含水量/ 干密度/(g·cln ) 1 9.7 1 82 2 10.1 1.84 3 11.6 1.86 4 12.7 1.87 5 13.7 1.87 6 15.7 1 83 7 16.5 1.80 表3振动压路机参数 振动压路 工作质 振动频 名义振 行驶速度/ 线载荷/ 激振力/ 机型号 量/kg 蛊/Hz 幅/ram (kra·h 1) (N·crlf一1) kN LG522A 22 000 28 1.9/0.9 2.6/5.3 475 400/225 整个关系式的建立分5步:第l步,把振动加速 度信号经传感器和YE6263信号测试仪传递给计算 机;第2步,将每一遍加速度信号导入MATLAB软 件中,对其进行小波滤波处理;第3步,将小波处理 过的信号导入EXCEL表格中,以1O个周期的数据 进行拟合,得出相同位置下每一遍的振动加速度有 效值;第4步,采用灌砂法求出所有碾压遍数下的 压实度值;第5步,将每一遍对应的加速度值和压 实度值按照碾压遍数进行拟合,得出加速度一压实 度关系式。 第1步为信号采集阶段,采集方法按照本节前 述的步骤进行。由于采集的加速度信号数据非常庞 大,这里仅用其中的一部分来表示,振动加速度原始 信号如图8所示。 第2步为小波去噪阶段,针对图8的原始信号, 按照前述方法进行小波滤波后的信号,如图9所示。 第3步为拟合求幅值有效值阶段。图10为振 4 >2 。 景一4 —6 0 5O 100 150 200 250 300 350 400 450 500 取样点个数 图8加速度原始信号 4 之 2 。 曩一4 —6 0 50 1伽l50 200 250 300 350 400 450 500 取样点个数 图9小波滤波后的加速度信号 动加速度有效值随碾压遍数的变化趋势。 第4步为压实度值计算,压实度值等于干密度 值除以最大干密度值,最大干密度由击实试验得到, 为1.882 g·C1TI一,干密度通过灌砂法得到。压实 度随碾压遍数的变化趋势如图ll所示。 l∞ ● 鲁 V 妞 0 l 2 j 4 5 b 碾压遍数 图l1 压实度与碾压遍数的关系曲线 第5步为加速度一压实度关系拟合。将第3步 和第4步求出的加速度有效值和压实度值按照碾压 遍数进行一一对应,如表4所示,并将其进行拟合得 109 QUALITY MEASUREMENT AND CONTROL 到加速度一压实度关系,如图12所示。 表4加速度有效值与压实度值的对应 加速度有效值/ 27.488 31.465 33.641 35.O14 36.683 37.853 的压路机振动加速度与路基压实度的相关关系,得 到以下结论。 (1)振动轴能真实反映振动轮的振动情况,因此 振动加速度传感器安装在振动轴上并垂直于地面。 90.6 85.8 92.6 93.5 94.3 94.8 (m·s一2) 压实度/ 为了信号质量的对比需要,在实际测量时除了垂直方 向还应在左右偏角45。方向安装振动加速度传感器。 (2)利用YE6263动态数据采集测试系统采集 到的振动加速度信号存在一定的噪音和干扰信号, 拟合求幅值前应进行滤波处理。 (3)路基压实过程中,振动压路机的振动加速度 与路基压实度之间存在一定的线性关系,基于江西 抚吉高速A1标段路基压实的加速度一压实度关系 为 一0.008 68a+0.627 3。 加速度有效僵/(m·s ) 参考文献: 图l2加速度与压实度相关关系 通过对两者的拟合,由图12可以得到压实度 和加速度有效值a之间的线性关系 =0.008 68a+0.627 3 (1) [1] 秦四成.振动压路机[M].北京:化学工业出版社,2006. 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[7] 黄志福,粱乃兴,赵理及对路基压实度的检测,运用数据拟合的方法将 压路机的振动加速度与路基压实度联系起来,建立 毅.路面压实度自动连续检测技术[J]. 长安大学学报:自然科学版,201 5,35(6):24—32,55. 了基于江西省抚州至吉安高速路A1标段路基压实 (上接第105页) [责任编辑:党卓钰] 信息系统分析与建模[J1机床与液压,2009(9):246—248,268. 王健,张琦,乔忠云.工程机械管理信息系统的开发与科 实行单机成本核算极大地促进了拌和站操作人员和 管理人员的工作责任心,不仅提升了拌和站的燃油 经济性,而且延长了设备的保养维护周期,减少了拌 学管理厂Jj.筑路机械与施工机械化,2004,21(10):53—56. 孙丹.关于细化成本核算的思考EJ].企业导报,2018(13):72. 孟晓亮.大型养路机械直接费用单机成本核算方法探析[J]. 铁路采购与物流,2015(10):32—34. 庞兆金,金磊,王鹏.单机成本核算在港口设备管理中的 和站的故障发生概率,提高了其使用效率。 参考文献: [1] 李晓宁.拌和站成本核算实施过程及方法[J].科技风,2013 (19):274—272. 实施应用[J]。科技与企业,2013(11):54. 刘晓婷,张 昕,王 雅,等.工程机械油品使用管理系统的设 计与实现_J].工程机械,2004(11):48—5O [2 j 张昕,刘晓婷,倪凤英.公路施工机械设备技术状况管理系 . 王丽华.筑路机械全生命周期管理信息系统研究[D].西安: 长安大学,2O11. 统[J].筑路机械与施工机械化,2005,22(9):59—60[3] 陈海松,NTN,凌海风,等.基于UML的工程机械维修管理 [责任编辑:杜敏浩] 11O 

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