強夯機夯擊能效率測試方法研究

李建青 周楚健 雷發榮

摘要：針對強夯機夯能效率難以測試的問題，開發出一種新的測試方法，即通過測試強夯機夯錘下落過程中的加速度，再對加速度積分得到夯錘落地速度和夯高，進而計算得到強夯機夯擊能效率。這種方法簡單方便，結果可靠，可作為強夯機夯擊能效率測試的標準手段。

Abstract： A new testing method of dynamic compactor，s tamping energy efficiency was developed. With this method， the acceleration of rammer during the falling which is integrated for velocity and height， is tested firstly， and then the tamping energy efficiency can be calculated with velocity and height. This method is uncomplicated and convenience， and the testing result is accurate， it can be the standard way of testing tamping energy efficiency.

關鍵詞：強夯機;夯擊能效率;加速度

Key words： dynamic compactor;tamping energy efficiency;acceleration

中圖分類號：N34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?; ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0076-02

0? 引言

強夯機是一種用于土石方填平后夯實工程的機械設備，是基于強夯法原理設計的工程機械。強夯機按夯錘下落方式可分為脫鉤式和非脫鉤式兩種。前者通過脫鉤裝置使夯錘與吊鉤脫離，實現自由落錘，進行下一次的落錘前，需要通過人工掛鉤。后者的夯錘無論提升還是下落都是通過提升鋼絲繩始終與強夯機的提升機構連接，實現帶載高速落錘[1-4]。與前者相比，非脫鉤式強夯機操作方便，無需人工掛鉤，作業效率高，節省施工成本，但技術復雜，夯能損失較大。若能通過試驗得到夯擊能效率，進而指導設計提高夯擊能利用率，對非脫鉤式強夯機產品的性能提升具有重要意義。強夯機自由落鉤過程時間極短，運動狀態很難把握，其夯擊能效率難以準確測量。此前我司曾利用高速攝像機拍攝視頻，再采用視頻分幀軟件進行分幀以得到準確的自由落鉤時間，進而計算得到夯擊能效率。這種方法采用視頻分幀的方式求取自由落鉤時間，其下落的起始幀和結束幀難以選取，導致誤差極大，所以，這種方法只能用于夯擊能效率的初步估算。要求得夯擊能效率，關鍵在于得到夯錘落地時的瞬時速度。本論文利用靜態加速度傳感器測試下落過程中夯錘的實時加速度，再通過積分得到夯錘落地速度，進而可計算得到夯擊能效率。

1? 試驗測試研究

1.1 夯擊能效率測試原理

根據能量守恒原理，夯錘提升至夯高H 時，其做自由落體運動落地時的動能與被提升至H時的勢能相等：

其中， v0—重錘做自由落體落地時的瞬時速度;m—夯錘重量;H—夯高（從最高點落至地面的高度）;g=9.8m/s2，為重力加速度。

強夯機在實際工作時，夯錘下落過程中受到空氣阻力的影響（非脫鉤強夯機還受到來自工作機構的牽引阻力），因此強夯機自由落鉤階段，重錘實際落地瞬間的動能為：

由式（4）可知，要求出夯擊能效率，關鍵是要得到夯錘落地瞬間的瞬時速度，夯錘落地瞬時速度通過測量自由落鉤過程中的加速度，再對加速度積分得到;二次積分可得到準確夯高。積分可利用數據分析軟件進行。

1.2 試驗儀器

1.2.1 n-Code數據采集系統

16個全差分模擬信號輸入通道，采樣頻率：0.1Hz～100kHz，輸入：最小滿量程 ±62.5mV，最大滿量程 ±80V。

1.2.2 加速度傳感器

采用可以檢測到重力加速度的低頻靜態加速度傳感器，量程：±2g，靈敏度：507.55mv/g。

1.3 試驗方法

加速度傳感器通過磁座及膠水固定在夯錘上表面，信號線一端與傳感器相連，另一端接入n-code數據采集系統，數采儀器與筆記本電腦通過網絡接口連接。為了在數據處理時清楚的判斷自由落鉤起始點，可采取在提升機構測壓口接入壓力傳感器，通過壓力變化來判斷起始點。

試驗之前先對加速度傳感器和壓力傳感器標定，并將標定文件保存。測試時，引入標定文件，采集強夯機自由落鉤過程中時間歷程數據。

2? 數據結果分析

2.1 脫鉤式強夯機夯擊能效率測試分析

脫鉤式強夯機，其自由落鉤過程可認為是自由落體過程，夯擊能效率接近100%，考慮到夯錘下落過程中會受到空氣阻力，同時測試系統本身會有儀器誤差，因此，最后計算得到的夯擊能效率會小于100%，但應不會偏離太大。所以，測試脫鉤式強夯機的夯擊能效率可以驗證上述夯擊能效率測試方法的有效性及準確性。

圖1為某脫鉤式強夯機自由落鉤過程中夯錘的運動曲線。其中A點以前為提錘過程，由于提升速度緩慢，接近勻速，所以這個階段加速度基本為0;A點為夯錘脫開脫鉤器，開始自由落鉤，由圖1可知，A點加速度出現急劇變化;AB段加速度出現劇烈波動，這是因為，在脫鉤的瞬間，拉脫鉤器的鋼絲繩拉動脫鉤器，脫鉤器對夯錘有一個作用力，導致夯錘突然出現晃動，此時加速度出現劇烈波動;之后夯錘調整下落姿態，開始自由落體運動，所以AB過程為夯錘調整下落姿態的過程;BC段為接近勻加速運動過程，加速度幾乎為自由落體加速度g（負號僅考慮方向）;C點為夯錘落地瞬間，落地之后，由于地面的巨大沖擊，加速度迅速發生劇烈波動。之后沖擊過程停止，加速度歸于0。

通過數據處理軟件積分得到速度曲線，如圖2所示。

由圖2可知，夯錘從接近靜止開始下落到D點夯錘落地時，速度達到最大，因此D點處速度即為落地時的瞬時速度V;由圖2可知：

V=1.25753×9.8=12.32m/s

二次積分可得到夯錘的位移曲線，可以計算得到夯高：

H=0.801804×9.8=7.86m

由此得到，該脫鉤式強夯機夯擊能效率：

由此可見，這種測試夯擊能效率的方法精度較高，其誤差≤1.5%，可用于非脫鉤時強夯機夯擊能效率測試。

2.2 非脫鉤式強夯機夯擊能效率測試分析

圖3為某非脫鉤式強夯機自由落鉤過程中夯錘的運動曲線和提升機構的壓力變化曲線。其中紅色曲線為加速度曲線（負號僅代表方向），藍色為提升機構壓力曲線。由圖3可知， A點壓力突然降低，可知為自由落鉤起始點，因此，在同時間軸加速度時域曲線上可確定B點為自由落鉤起始點;C點為夯錘著地點。由圖3看出，加速度曲線與提升機構壓力曲線在時間歷程上相對應。在自由落鉤前期，壓力未能迅速下降，夯錘下落受到的阻力較大，與此對應的加速度也較低;之后提升機構壓力接近恒定，夯錘做接近于勻加速的直線運動，且加速度<1g，說明夯錘受到一個相對恒定的阻力。

通過數據處理軟件對加速度積分得到夯錘落地瞬時速度V：

V=1.56321×9.8=15.32m/s

對加速度進行二次積分得到夯高H：

H=1.41652×9.8=13.88m

由此得到，該非脫鉤式強夯機夯擊能效率：

3? 結論

本論文開發了一種新型強夯機夯擊能效率測試方法。經過試驗驗證，利用靜態加速度傳感器測試強夯機夯錘下落過程中的加速度，再積分得到夯錘落地速度及夯高，進而計算得到強夯機夯擊能效率的方法可行。這種方法測試設備簡單，操作方便，測試結果可靠，可作為強夯機夯擊能效率測試的標準手段。

參考文獻：

[1]李冬.強夯機臂架疲勞壽命仿真分析[D].大連理工大學，2011.

[2]王欣，鄭亞輝，白朝陽，等.強夯機的技術現狀與發展[J].建筑機械化，2012（03）：39-43.

[3]王茉.履帶式液壓強夯機特點與應用[J].工業技術，2013（01）：91.

[4]白朝陽，鄭亞輝，李選朋，等.液壓履帶式強夯機的現狀及關鍵技術[J].建筑機械，2012，（01）：76-78.