基于土壤压实特性的振动压路机控制技术研究

摘要

振动压路机是公路、铁路和机场等工程建设中施工的重要装备，主要用于压实各种土壤、碎石料和沥青混凝土等。但目前振动压路机工作参数单一、压实效果检测迟缓，不仅降低了施工效率，而且给施工质量带来了严重的隐患。随着我国高等级公路、铁路和机场建设的快速发展，施工的环境更为复杂，施工速度不断提高，对基础压实质量的要求越来越高。因此，对振动压路机的压实效率和压实质量进行研究是我国工程机械领域的重要课题之一。
　　本文采用理论分析和试验研究相结合的方法，分析振动压路机压实工作参数对压实质量和压实效率的影响规律，研究振动压实工作参数自动调节技术，开发振动压实控制系统。具体完成了以下工作:
　　在分析土壤振动压实机理、研究土壤含水量、土壤材料及其级配等因素对土壤压实度影响规律的基础上，利用锤击法测量了具有不同压实度圆柱试样的固有频率，采用GeoGauge刚度仪测量了不同压实度土壤的刚度，确定了土壤固有频率、刚度与压实度之间的定量关系。
　　依据压路机振动压实工作原理及振动工作机构特点，建立了振动压路机“振动轮-土体”二维动力学模型，分析了单个振动周期内振动轮的运动轨迹，研究了系统相关参数对振动响应的影响规律，明确提出影响压实效果的压实工作参数主要是振动频率、振动幅值和压实速度。确定了压实工作参数与压实度间的定量关系，给出了振动压路机实际工作过程中，振动频率确定、振动轮振动幅值调整及压实速度选取方法。
　　根据振动压路机的压实控制功能要求，研究确定了压实工作参数的主要影响因素，制定了包括10个输入参数、3个控制输出参数的基于神经网络的多输入-多输出压实控制方案，研究了基于遗传算法的压实工作参数自动调节算法，开发了振动压实控制系统，在压实作业的三项工作参数输出执行中，采用改进的BP遗传算法，对其PID控制参数进行在线自动整定，实现了振动频率、振动幅值、压实速度执行机构的准确、稳定控制。
　　研究了振动压路机压实度在线检测技术，提出了振动压路机压实度检测方案，设计了压实度在线检测系统。开发了振动压路机振动频率控制系统和执行机构。进行了压实度在线检测试验、振动频率控制系统测试试验、振动压路机压实试验，对振动压路机压实控制系统进行了试验验证。结果表明，本文所提出的控制策略和方法可以实现压实度的在线检测和振动压路机的实时控制，有效地提高了振动压路机的压实效率和压实质量。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 振动压路机控制系统研究相关文献综述

1．2．1 振动压实机理研究

1．2．2 压实工作参数影响分析

1．2．3 压实系统控制技术研究

1．2．4 压实度检测技术

1．3 研究中存在的问题

1．4 本文研究的主要内容

2 土壤振动压实机理及压实特性研究

2．1 土壤振动压实机理分析

2．1．1 土壤密实度与压实度

2．1．2 土壤压实的物理过程

2．1．3 土壤振动压实机理

2．2 土壤压实影响因素分析

2．2．1 含水量对压实度的影响

2．2．2 土壤材料及其级配对压实度的影响

2．3 土壤振动压实特性试验研究

2．3．1 土壤压实度测试分析

2．3．2 土壤固有频率测试分析

2．3．3 路基土壤刚度与土壤压实度关系测试分析

2．4 本章小结

3 振动压路机压实工作参数与压实度关系研究

3．1 “振动轮-土体’’动力学模型

3．1．1 振动压实工作原理

3．1．2 动力学模型建立

3．1．3 动力学模型分析

3．2 振动工作参数对振动响应的影响分析

3．2．1 水平-垂直刚度比和阻尼比

3．2．2 随振土体质量

3．2．3 系统激振频率

3．2．4 系统激振力

3．2．5 系统刚度和阻尼

3．3 压实工作参数与压实度定量关系研究

3．3．1 振动频率与压实度

3．3．2 振动幅值与压实度

3．3．3 压实速度与压实度

3．4 本章小结

4 振动压路机压实控制技术研究

4．1 振动压路机压实控制方案

4．1．1 压实控制系统功能要求

4．1．2 压实控制系统总体方案

4．2 振动压路机压实控制技术

4．2．1 振动频率控制技术

4．2．2 振动幅值控制技术

4．2．3 压实速度控制技术

4．3 振动压路机压实控制策略

4．3．1 神经网络算法

4．3．2 BP神经网络算法改进

4．3．3 压实控制神经网络模型与算法

4．4 振动压路机压实控制系统设计

4．4．1 压实控制系统硬件

4．4．2 压实控制系统软件

4．5 本章小结

5 振动压路机压实控制系统试验研究

5．1 压实度在线检测试验研究

5．1．1 压实度在线检测方法

5．1．2 压实度在线检测系统设计

5．1．3 压实度在线检测试验

5．2 振动频率控制系统测试

5．2．1 控制系统构成

5．2．2 试验过程

5．2．3 测试结果分析

5．3 振动压路机压实试验

5．3．1 试验方案

5．3．2 试验过程

5．3．3 试验数据处理及结果分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 进一步研究的工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文和科研成果

附录