强夯机夯击能效率测试方法研究

李建青 周楚健 雷发荣

摘要：针对强夯机夯能效率难以测试的问题，开发出一种新的测试方法，即通过测试强夯机夯锤下落过程中的加速度，再对加速度积分得到夯锤落地速度和夯高，进而计算得到强夯机夯击能效率。这种方法简单方便，结果可靠，可作为强夯机夯击能效率测试的标准手段。

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.

关键词：强夯机;夯击能效率;加速度

Key words： dynamic compactor;tamping energy efficiency;acceleration

中图分类号：N34                                      文献标识码：A                             ;   文章编号：1674-957X（2021）06-0076-02

0  引言

强夯机是一种用于土石方填平后夯实工程的机械设备，是基于强夯法原理设计的工程机械。强夯机按夯锤下落方式可分为脱钩式和非脱钩式两种。前者通过脱钩装置使夯锤与吊钩脱离，实现自由落锤，进行下一次的落锤前，需要通过人工挂钩。后者的夯锤无论提升还是下落都是通过提升钢丝绳始终与强夯机的提升机构连接，实现带载高速落锤[1-4]。与前者相比，非脱钩式强夯机操作方便，无需人工挂钩，作业效率高，节省施工成本，但技术复杂，夯能损失较大。若能通过试验得到夯擊能效率，进而指导设计提高夯击能利用率，对非脱钩式强夯机产品的性能提升具有重要意义。强夯机自由落钩过程时间极短，运动状态很难把握，其夯击能效率难以准确测量。此前我司曾利用高速摄像机拍摄视频，再采用视频分帧软件进行分帧以得到准确的自由落钩时间，进而计算得到夯击能效率。这种方法采用视频分帧的方式求取自由落钩时间，其下落的起始帧和结束帧难以选取，导致误差极大，所以，这种方法只能用于夯击能效率的初步估算。要求得夯击能效率，关键在于得到夯锤落地时的瞬时速度。本论文利用静态加速度传感器测试下落过程中夯锤的实时加速度，再通过积分得到夯锤落地速度，进而可计算得到夯击能效率。

1  试验测试研究

1.1 夯击能效率测试原理

根据能量守恒原理，夯锤提升至夯高H 时，其做自由落体运动落地时的动能与被提升至H时的势能相等：

其中， v0—重锤做自由落体落地时的瞬时速度;m—夯锤重量;H—夯高（从最高点落至地面的高度）;g=9.8m/s2，为重力加速度。

强夯机在实际工作时，夯锤下落过程中受到空气阻力的影响（非脱钩强夯机还受到来自工作机构的牵引阻力），因此强夯机自由落钩阶段，重锤实际落地瞬间的动能为：

由式（4）可知，要求出夯击能效率，关键是要得到夯锤落地瞬间的瞬时速度，夯锤落地瞬时速度通过测量自由落钩过程中的加速度，再对加速度积分得到;二次积分可得到准确夯高。积分可利用数据分析软件进行。

1.2 试验仪器

1.2.1 n-Code数据采集系统

16个全差分模拟信号输入通道，采样频率：0.1Hz～100kHz，输入：最小满量程 ±62.5mV，最大满量程 ±80V。

1.2.2 加速度传感器

采用可以检测到重力加速度的低频静态加速度传感器，量程：±2g，灵敏度：507.55mv/g。

1.3 试验方法

加速度传感器通过磁座及胶水固定在夯锤上表面，信号线一端与传感器相连，另一端接入n-code数据采集系统，数采仪器与笔记本电脑通过网络接口连接。为了在数据处理时清楚的判断自由落钩起始点，可采取在提升机构测压口接入压力传感器，通过压力变化来判断起始点。

试验之前先对加速度传感器和压力传感器标定，并将标定文件保存。测试时，引入标定文件，采集强夯机自由落钩过程中时间历程数据。

2  数据结果分析

2.1 脱钩式强夯机夯击能效率测试分析

脱钩式强夯机，其自由落钩过程可认为是自由落体过程，夯击能效率接近100%，考虑到夯锤下落过程中会受到空气阻力，同时测试系统本身会有仪器误差，因此，最后计算得到的夯击能效率会小于100%，但应不会偏离太大。所以，测试脱钩式强夯机的夯击能效率可以验证上述夯击能效率测试方法的有效性及准确性。

图1为某脱钩式强夯机自由落钩过程中夯锤的运动曲线。其中A点以前为提锤过程，由于提升速度缓慢，接近匀速，所以这个阶段加速度基本为0;A点为夯锤脱开脱钩器，开始自由落钩，由图1可知，A点加速度出现急剧变化;AB段加速度出现剧烈波动，这是因为，在脱钩的瞬间，拉脱钩器的钢丝绳拉动脱钩器，脱钩器对夯锤有一个作用力，导致夯锤突然出现晃动，此时加速度出现剧烈波动;之后夯锤调整下落姿态，开始自由落体运动，所以AB过程为夯锤调整下落姿态的过程;BC段为接近匀加速运动过程，加速度几乎为自由落体加速度g（负号仅考虑方向）;C点为夯锤落地瞬间，落地之后，由于地面的巨大冲击，加速度迅速发生剧烈波动。之后冲击过程停止，加速度归于0。

通过数据处理软件积分得到速度曲线，如图2所示。

由图2可知，夯锤从接近静止开始下落到D点夯锤落地时，速度达到最大，因此D点处速度即为落地时的瞬时速度V;由图2可知：

V=1.25753×9.8=12.32m/s

二次积分可得到夯锤的位移曲线，可以计算得到夯高：

H=0.801804×9.8=7.86m

由此得到，该脱钩式强夯机夯击能效率：

由此可见，这种测试夯击能效率的方法精度较高，其误差≤1.5%，可用于非脱钩时强夯机夯击能效率测试。

2.2 非脱钩式强夯机夯击能效率测试分析

图3为某非脱钩式强夯机自由落钩过程中夯锤的运动曲线和提升机构的压力变化曲线。其中红色曲线为加速度曲线（负号仅代表方向），蓝色为提升机构压力曲线。由图3可知， A点压力突然降低，可知为自由落钩起始点，因此，在同时间轴加速度时域曲线上可确定B点为自由落钩起始点;C点为夯锤着地点。由图3看出，加速度曲线与提升机构压力曲线在时间历程上相对应。在自由落钩前期，压力未能迅速下降，夯锤下落受到的阻力较大，与此对应的加速度也较低;之后提升机构压力接近恒定，夯锤做接近于匀加速的直线运动，且加速度<1g，说明夯锤受到一个相对恒定的阻力。

通过数据处理软件对加速度积分得到夯锤落地瞬时速度V：

V=1.56321×9.8=15.32m/s

对加速度进行二次积分得到夯高H：

H=1.41652×9.8=13.88m

由此得到，该非脱钩式强夯机夯击能效率：

3  结论

本论文开发了一种新型强夯机夯击能效率测试方法。经过试验验证，利用静态加速度传感器测试强夯机夯锤下落过程中的加速度，再积分得到夯锤落地速度及夯高，进而计算得到强夯机夯击能效率的方法可行。这种方法测试设备简单，操作方便，测试结果可靠，可作为强夯机夯击能效率测试的标准手段。

参考文獻：

[1]李冬.强夯机臂架疲劳寿命仿真分析[D].大连理工大学，2011.

[2]王欣，郑亚辉，白朝阳，等.强夯机的技术现状与发展[J].建筑机械化，2012（03）：39-43.

[3]王茉.履带式液压强夯机特点与应用[J].工业技术，2013（01）：91.

[4]白朝阳，郑亚辉，李选朋，等.液压履带式强夯机的现状及关键技术[J].建筑机械，2012，（01）：76-78.