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1壓路機的儀器儀表在土方壓實過程中對振動行為的監(jiān)測Robert V. Rinehart , Michael A. Mooney美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院，金屬工程部門、CO 80401美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院，金屬工程分部、1610 伊利諾伊州街，CO 80401摘要：智能土壤壓實的目標(biāo)之一是連續(xù)監(jiān)測和鑒定及土壤參數(shù)的一個或多個以下的反饋控制：振動頻率、力幅值，傳輸速度。持續(xù)的質(zhì)量控制的反饋控制和土壤參數(shù)辨識的魯棒模型結(jié)構(gòu)的發(fā)展需要有關(guān)機器在行為操作期間的全面信息，例如，振動特性。本文介紹了裝有綜合測試儀監(jiān)測系統(tǒng)的三維振動壓路機組件和對偏心力的鋼輪響應(yīng)，壓路機動力學(xué)的一個關(guān)鍵組成部分的位相滯后發(fā)展。測量技術(shù)詳細(xì)闡述了實驗數(shù)據(jù)表達(dá)出的在現(xiàn)場試驗過程中觀察到的反應(yīng)性質(zhì)。? 2006 年愛思唯爾 BV 公司保留所有權(quán)利。關(guān)鍵詞：智能壓實；振動監(jiān)測；加速度儀；霍爾效應(yīng)傳感器；監(jiān)測的土壤性質(zhì)。引言：智能土壤壓實涉及連續(xù)監(jiān)測和查明的土壤性質(zhì)，采用反饋控制的一個或多個以下：振動頻率力幅值，傳輸速度優(yōu)化的土壤壓實，防止壓實的破壞。持續(xù)質(zhì)量控制的反饋控制和土壤參數(shù)辨識的魯棒模型結(jié)構(gòu)的發(fā)展需要全面了解機器的行為。在振動監(jiān)測土壤壓實中持續(xù)的信息，突出振動特性的滾子在操作期間對模型開發(fā)、參數(shù)估計和智能土壤緊實度至關(guān)重要。本文介紹使用開發(fā)和部署的綜合測試儀系統(tǒng)來監(jiān)測的振動壓路機。本文所述的特定問題包括甄選和安置加速計來捕獲關(guān)鍵滾子組件的三維響應(yīng)和位置測量的旋轉(zhuǎn)偏心質(zhì)量內(nèi)鋼輪重現(xiàn)輸入力的時程。并提出了一種實驗數(shù)據(jù)來解釋觀2察到的振動響應(yīng)的性質(zhì)和儀表的性能。1.儀表：這項振動壓路機的調(diào)查是對英格索爾-蘭德公司 DD-138HFA 雙光輪壓路機進(jìn)行檢測的（見圖 1）。儀表的設(shè)計和操作都直接適用于所有的單鋼輪和凸塊壓實型壓路機。DD 138HFA 整機質(zhì)量為 13752 公斤，鋼輪質(zhì)量為 2638 公斤。每個鋼輪直徑 1.4 米，長度 2.1 米。在每一個鋼輪嚴(yán)重偏心轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)動軸（見圖2）提供了在垂直方向的振動和偏心力： cosextmfe20?其中 ω 是圓形勵磁頻率(rad/s)， 是偏心質(zhì)量， 是偏心力。偏心力幅0m0e值是 和 的乘積。勵磁頻率 ，或更普遍 ，是由操作員通過微機0e2??????2f控制 能從 0 調(diào)至 70 赫茲，但在實踐中使用的更常見的頻率范圍是 20—50m赫茲。偏心重塊設(shè)置有八個可以改變的大約 1 千米到不少于 2 千米的重塊，并且必須手動更改（如下所述）。儀表系統(tǒng)的概述如圖 1 所示。為了解釋目的，向前行駛?cè)鐖D 1d 所示，被視為圖 1a 向右行駛和圖 1e 向左行駛。右側(cè)和左側(cè)的機器取決于操作者他（她）自己前進(jìn)行駛的方向。在三個方面利用加速計、鋼輪和構(gòu)件的振動進(jìn)行了監(jiān)測。如圖 1 所示，鋼輪——框架連接是配置在不同的左、右兩側(cè)。因此，鋼輪振動監(jiān)測只對裝載時非旋轉(zhuǎn)的右側(cè)進(jìn)行檢測（見圖1d）。對左、右兩側(cè)框架的加速度進(jìn)行了監(jiān)測。對左側(cè)的每個滾筒的傳感器的位置使用霍爾效應(yīng)（HE）對旋轉(zhuǎn)偏心質(zhì)量進(jìn)行了監(jiān)測。所有數(shù)據(jù)都通過一個 16 位，200 千赫的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)傳感器取得。DAS，通過 IOTech，inc.制造（克利夫蘭，www.iotech.com）配有一個用以太網(wǎng)端口提供連續(xù)數(shù)據(jù)流到車載筆記本電腦的壓路機，和一個 16 位的可編程輸入電壓范圍。因為信號采集的不同步，DAS 使用多路復(fù)用器通過安裝在壓路機上的傳感器完成樣品模擬輸入。然而，每 5 微秒相鄰?fù)ǖ篱g的延遲時間差是遠(yuǎn)小于采樣周期的（如 2.5kHz 采樣頻率的 1.25%)。在一期 280Hz 振動中，每 5 微秒的最多延遲是 0.14%，因此是被認(rèn)為可以忽略不計的?？逛忼X硬件（即硬件實現(xiàn)低通濾波器），配合適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率，fs，確保被收購 DAS 的波形不包含從高頻噪聲源獲得的任何能量（如電子噪聲，高頻率振動壓路機壓實機組件）。在本研究采用 DAS，3 桿巴特沃斯低通濾波器(LPF)實現(xiàn)了抗鋸齒。該過濾器具有可編程截止頻率的硬件，fLPF，通過改變電阻-電3容模塊在硬件設(shè)置。在本研究中使用的示例配置是 fLPF 等于 500 赫茲和 fs 等于 2.5 千赫。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，這一組合確保采樣的信號是自由的別名組件，而且通過篩選允許最高頻率信號是很好的解決[3]。 圖 1。（a）英格索蘭 DD 138HFA 壓路機系列，（b）鋼輪和支架的加速度計坐落在右手邊，（c）壓路機系列從前面看出所有傳感器位置，（d）壓路機系列計劃視圖的示意圖，（e）及（f）的支架加速度計安裝在左側(cè)，和手輪用于調(diào)整振動振幅和監(jiān)測的旋轉(zhuǎn)偏心質(zhì)量狀況。圖 2.前臺的鋼輪和支架顯示軸方向、六自由度運動和傳感器位置示意圖。表一 加速度傳感器規(guī)格Parameter 參數(shù) Drum FrameRange 范圍 ±10 g ±5 g4Sensitivity 敏感性 200 mV/g 400 mV/gBandwidth 頻寬 0–400 Hz 0–300 HzNonlinearity 非線性 0.5% span 0.5% spanTemperature error (?20 to 85 °C)溫度誤差2.0% span 2.0% spanTransverse sensitivity 橫向敏感性1.0% span 1.0% spanOutput noise 輸出噪音 0.5 mV p–p 0.5 mV p–p2.1.振動監(jiān)測。由于不對稱在機器和潛在的非均勻土壤條件，每個鋼輪及其周邊框架及組件將可以體驗自由運動（見圖 2）。引起這樣的議案，由測量專業(yè)的三軸加速度計開發(fā)和制造的 ICSensors (弗吉尼亞州漢普頓，www.msiusa.com/ icsensors /)被放置在圖 2 中所示的鋼輪和支架的位置?？偨Y(jié)了采用ICSensors 模型 3140 加速度計的規(guī)格。所用加速度計是壓阻式傳感器。傳感元件是大規(guī)模暫停多束從硅支架的微機械硅。位于梁的壓阻梁應(yīng)變改變其電阻作為暫停的大規(guī)模變更的議案。臨界加速度計規(guī)格包括范圍、靈敏度、噪聲地板、頻率響應(yīng)、非線性、橫向靈敏度和溫度誤差。在測試過程中觀察到典型的鋼輪加速度幅值 (x 和 z 方向) 范圍從 20-Hzvibrationto 在 70-Hzvibration。由于橡膠懸置，其框架連接每個鋼輪，框架加速度幅值通常是 10-20%的鋼輪加速度，因此可以從±0.05 g 至±2 g 的振幅范圍 (x 和 z 方向)。鑒于此范圍和需要準(zhǔn)確地捕獲之間的山峰、高靈敏度、低噪音的加速度計為所需。例如，與 200 mV/g 的靈敏度和噪聲 0.5 mVp-p，信噪比在鋼輪加速度幅值的±0.5 g 信號將400。大量的帶寬需要捕獲 0Hz (DC)響應(yīng)和振動了 to300Hz。直流能力提供援助，確保加速度計，真正面向在 x、y 和 z 方向，即在水平表面上 0 赫茲 z 加速度應(yīng)改為 1 g 的安裝過程中。高端的帶寬允許捕獲的諧波，即倍數(shù)的偏心的頻率，振動響應(yīng)。諧波含量提供的系統(tǒng)和土的非線性的措施，并形成了很多壓路機[4]所使用的壓實機計值的基礎(chǔ)。諧波的最高 300 赫茲在振動壓實已被觀察到[1，5]。由于加速度在測試過程中觀察到的大范圍，高線性度所需。而且，溫度對工作地點的潛在波動，低溫度誘導(dǎo)漂移的靈敏度要求。溫度在一個建筑工地上很容易可以在白天相差 30°C。5為了量化噪聲目前在儀表控制系統(tǒng)，包括 DAS 的來源進(jìn)行了幾項研究。其中一項研究涉及獲取來自使用不同的方法來提供力量給傳感器和 DAS 固定加速度計的信號。這項研究的結(jié)果表明，直流電池等深循環(huán)船用蓄電池，是一個非常干凈的動力源優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的直流電源。為加速度計和 DAS 直接從直流電池供電導(dǎo)致噪音水平受噪音樓的加速度計本身（見表 1），而不是外部噪聲源。其他的噪音來源包括電磁干擾的開銷或埋電力線路和電子板上，從廣播電臺和手機波，地震振動從附近交通或其他設(shè)備和從發(fā)動機或傳動電機高頻振動的干擾。電子干擾減輕了確保儀器儀表和 DAS 中的所有元素都正確都封裝與鋁箔屏蔽。高頻率信號是通過前面所述的硬件抗鋸齒消除的。同在一個建筑工地上的機器，但轉(zhuǎn)的時候（因此固定）加速度計數(shù)據(jù)采集的樣品。這些樣品的分析表明，在正常運行下的噪聲地板（一個標(biāo)準(zhǔn)偏差）是大約 10—15 毫克。2.2.偏心力知道的滾筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)偏心位置使測定的強迫作用對土壤，以及重要的機器——土壤系統(tǒng)參數(shù)包括的位相滯后的輥壓實機投入鋼輪偏心力位移。所示在圖 1f和在圖 3 中詳細(xì)的振幅調(diào)整手輪剛性地連接到偏心質(zhì)量，并且因此自轉(zhuǎn)在鋼輪之外直接關(guān)系到旋轉(zhuǎn)的滾筒內(nèi)偏心。利用此機特點使偏心要監(jiān)視的位置。為此，磁鐵被放置在手輪在均勻間隔 36°±1°的十處地點。肩并肩磁鐵被用于在一個位置提供對一個已知的位置（即指 0°）的引用。他傳感器被安裝到固定的支架，如圖 3 所示。他傳感器輸出高電壓 (8.0-8.2 V) 和被認(rèn)為是“on“時磁鐵足夠接近，和低電壓輸出(0.0-0.2 V)，和被認(rèn)為是“關(guān)閉“時磁鐵是不在范圍內(nèi)。由于傳感器延遲和高采樣頻率，它是可能對于樣本點之間全開和全存在。因此生他獲得的DAS 的傳感器數(shù)據(jù)是大約一個離散的正方形的波（見圖 4a）。為方便和準(zhǔn)確性他傳感器的原始輸出是卷積的閾值函數(shù)這樣 0.5 V 以上任何樣本點設(shè)置為 1.0，任何低于 0.5 V 的采樣點設(shè)置為 0.0。此閾值過程如圖 4 所示。一旦他傳感器數(shù)據(jù)已成離散方波解決，就可能重新創(chuàng)建由旋轉(zhuǎn)偏心質(zhì)量產(chǎn)生的強制作用。請注意，在這里我們只是關(guān)心與豎向力。使用 10 磁鐵脈沖每偏心的偏心的重心在垂直位置的知識革命（見圖 3b）的偏心位置可以確定每革命10 地點。鑒于的偏心旋轉(zhuǎn)，預(yù)計強迫函數(shù)將正弦窗體。最大垂直力，看到方程(1)、 時發(fā)生偏心是在向下的位置，而豎向力偏心時水平是零。因此，如圖 5所示，適于已知偏心位置，使用最小二乘方法的一系列正弦波。這適合的結(jié)果證實強迫函數(shù)是正弦波，知道什么時候評價諧波含量的一個重要方面。然而，由于對偏心質(zhì)量的液壓控制，頻率略有隨著時間變化(如差 10 HZ~20 Hz 振動每6秒)。數(shù)據(jù)簡約分析：在野外施工檢測的輥傳播范圍可以從 0.5 到 2m/s 的恒定的正向（或反向）速度。給出了典型工作頻率范圍在 20——50 赫茲和假設(shè) 1 m/s，1 米長的底層土壤的前進(jìn)速度會經(jīng)歷 20 到 50 次的循環(huán)壓縮振動荷載，生產(chǎn)影響間距的 2-5 厘米。圖 6 禮物一些示例加速度計數(shù)據(jù)，具體垂直鋼輪加速收集在期間 20 Hz振動 1500 赫茲采樣頻率 (75 樣品/周期) 和 2.0m/s 轉(zhuǎn)發(fā)速度。鑒于下簽署公約和知道加速度和位移 180°的相位陽性，鋼輪加速度峰值時發(fā)生鋼輪在其最高的位置而負(fù)加速度峰值時是發(fā)生在鋼輪最低的位置。給出了加速度計 0-300Hz 帶寬，更高的頻率響應(yīng)是雜散噪聲和被過濾。重力加速度被減去垂直加速度數(shù)據(jù)。達(dá)圖 6 中所示的加速度響應(yīng)的空間變化 400 毫克，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噪聲（在第 2 節(jié)中所述的 10—15 毫克），并說明旅游性質(zhì)的壓路機，在底層土壤條件和瞬態(tài)振動的變化。時程分析方法，從數(shù)據(jù)（在圖 6 中的實心圓）收集峰值。它是共同的分析原始數(shù)據(jù)，如圖 6 所示。然而，在某些情況下，窗口化方法平均加速度峰值然后來平滑針對一些波動。窗口的長度可以各不相同；在圖 6 中，窗口長度是 2 米或 1.0 米。如果長波長功能更感興趣，開窗可以有助于順利過渡輥壓實機響應(yīng)造成的短波長地下非均質(zhì)性。窗口大小的選擇可能取決于預(yù)期的反饋控制率和為質(zhì)量控制的目的，與機器梯段位置精度而聞名。由于耦合輥/土壤系統(tǒng)的非線性特性，感光鋼輪和鋼架的加速反應(yīng)不是純粹的正弦曲線。非線性是由激發(fā)頻率的諧波表現(xiàn)，ω 率在圖峰正和負(fù)加速度之間的差異。圖 6 為此，由以下方法測定位移幅值—一個/ω2 僅提供真實位移的近似。圖 7 示出的 X，Y，Z 前滾筒（右側(cè)）和前車架（右側(cè)）位移在寬范圍的激勵頻率的決定的響應(yīng)。如前面提到的，有可能改變在實時的 DD-138 的激發(fā)頻率。在圖中的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。圖 7 是從一個單一的通其中頻率是在定期加強。圖。圖 7a示出了顯著 ? 鋼輪位移響應(yīng)，有些下面的 x 鋼輪位移響應(yīng)，并且相當(dāng)微不足道y 鋼輪位移響應(yīng)。右側(cè)框架響應(yīng)（圖 7b）顯示出可比的 x，y 和 z 的位移在整個頻域，盡管由于橡膠隔離器，比鋼輪位移少得多。垂直 FECC 時間歷史的樣品示于圖 8 與前右垂直鋼輪位移響應(yīng)（近似為 A /ω2）在一起。積極的力量向下代表偏心位置和容積向下。這種反應(yīng)是代表這將被視為略低于 Z-翻譯和搖擺諧振頻率 20 赫茲振動。耦合的阻尼性質(zhì)系統(tǒng)使得鋼輪位移要出的相位與偏心力。更具體地說，土阻尼導(dǎo)致垂直位移鋼輪落后于垂直偏心力激勵。如在該特定樣品組中所示，鋼輪位移 80°滯后偏心力。這個相位滯后是頻率比（激發(fā)頻率/固有頻率）和阻尼比的函數(shù)—這兩者的土壤的7壓實過程中改變—并且因此改變土壤特性的一個非常有用的量度。如果一個人到輥式壓實機作為 2 自由度集總參數(shù)系統(tǒng)[2,6,8]建模，傳遞到土壤 FTR 的力將被確定為：其中，鐵是力振幅由于偏心（m0e0ω2），ω 是勵磁頻率，MD 和 MF 是感光鋼輪和分別幀的質(zhì)量，g 是重力加速度，并且 ZD 和 ZF是的加速度分別在鋼輪和支架。如果 FTR 否 0，則鋼輪與土壤相接觸;否則，如果 FTR B0，滾筒不與地面接觸，并被認(rèn)為是在接觸操作的部分損失。還應(yīng)當(dāng)指出的是，比接觸和接觸的部分損失其它的操作模式在更高的振幅和頻率比這里呈現(xiàn)（例如跳躍，混亂）存在。這些模式通常由運營商避免，因為它們加速機器磨損，往往導(dǎo)致機器操作性損失[7]。圖 9 示出在等式四個力分量的區(qū)段。（2）一個數(shù)據(jù)具有 21 赫茲的激勵頻率，和低偏心力的幅度，（正力向下繪制）來設(shè)置。如示于圖圖 9 中，DD-138HFA 的前滾筒的靜態(tài)重量為 70.65±18 千牛之間千牛和 FECC 振蕩。滾筒慣量顯著，變化之間 22 千牛和 19 千牛，并且由于相位滯后，僅與偏心力部分添加劑。該框架的慣性是相當(dāng)比其它三個力小。其結(jié)果是，F(xiàn)TR 對于該特定數(shù)據(jù)集振蕩千牛 41 和 103 之間，說明感光鋼輪和土壤操作期間保持接觸。相反地，圖 10 給出了示出接觸操作的部分損失的振動數(shù)據(jù)的一個片段。數(shù)據(jù)，并用 27 赫茲的激發(fā)頻率和高偏心力的幅度，鐵具有相對高的相移，這導(dǎo)致在滾筒慣性和 FECC 存在對立并部分地相互抵消。FECC±66 千牛之間振蕩，鋼輪慣性和 127 之間變化 17 千牛 - 110 千牛，和鋼輪慣性之間變化。由此產(chǎn)生的振蕩 FTR 之間 0?170 千牛，具有 FTR≈0 指示鋼輪和土壤之間的接觸的損失。圖 3.（一）偏心幅度調(diào)節(jié)手輪用磁體和霍爾效應(yīng)傳感器，以及（b）傳感器和磁鐵設(shè)置可調(diào)偏心質(zhì)量及其重心。 8圖 4.（一）原料霍爾效應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)和被閾值處理后的霍爾效應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)。圖 5.最小二乘最適合的解決方案，為偏心旋轉(zhuǎn)的兩個時期的力的計算函數(shù)的數(shù)據(jù)。 圖 6.篩選有峰值得垂直鋼輪加速度數(shù)據(jù)確定，示出了用于平滑時域加速度數(shù)據(jù)的平均化窗口。9圖 7.鋼輪位移與頻率和支架位移與頻率，請注意排量近似 A /ω2。 圖 8.垂直偏心力和垂直鋼輪位移之間的相位差。10圖 9.發(fā)送到土壤力由于壓實機和所得的傳遞的力為接觸操作的四個組成部分。圖 10.對傳送到土壤力由于壓實機和所得的傳遞的力為接觸操作的損失的四個組成部分。4.結(jié)束語。實現(xiàn)智能壓實，其中機準(zhǔn)米是通過反饋控制，適用于所有土壤的壓實過程是一個復(fù)雜的問題。反饋控制和系統(tǒng)識別都需要耦合系統(tǒng)的有效模式，而這又需要對機器的行為全面連續(xù)的信息。通過安裝到鋼輪和支架都以及監(jiān)控三軸加速計提供此信息 eccen- TRIC 位置經(jīng)由何傳感器本文已證明是有效的。這里介紹的儀表輥壓機提供了有關(guān)本機的振動特性和有關(guān)偏心強制功能全面的數(shù)據(jù)。當(dāng)選擇加速度計，考慮鋼輪和支架加速度的預(yù)期水平以及感興趣的頻率范圍是很重要的。此外，噪音水平，橫向靈敏度和溫度影響也必須加以考慮。這個儀器系統(tǒng)和隨后的數(shù)據(jù)分析表明兩種不同的基本波振動模式，即翻譯圍繞 z 軸和擺動關(guān)于 x 軸。作為鋼輪框架上都這樣，加速度計的位置是重要的，并且可以進(jìn)行選擇以強調(diào)（或弱化）一個給定的基本模式。最后，偏心位置的測量和相位滯后的確定被認(rèn)為是在正確表征鋼輪和土壤之間的接觸力和理解基波輥和土壤的反應(yīng)很重要。5.致謝：這項研究是由美國國家科學(xué)基金會（CMS-0327509）的支持，他們的支持大大激勵了我們。作者還非常感謝交通運輸?shù)目屏_拉多部門的合作和英格索蘭公司提供的設(shè)備。作者還感謝保羅·范和帕特里克·米勒的貢獻(xiàn)和反饋。116.參考文獻(xiàn)：[1] M.A.穆尼，P.B.戈爾曼，J.N.岡薩雷斯，土方施工過程中的振動基于健康監(jiān)測，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 2（4）（2005）137-152。[2] R.安德瑞格，K.考夫曼，“智能壓實振動壓路機?！苯煌ㄟ\輸研究記錄 1868 年，交通運輸研究委員會，華盛頓，2004 年，第 124-134。[3] D.K. Lindler，介紹信號與系統(tǒng)，麥格勞 - 希爾，紐約，1999 年，第739-741。[4] H.F.爾納，A。桑德斯特倫，連續(xù)壓實控制，CCC，土壤歐洲車間壓實顆粒物質(zhì)，壓力機路橋，法國巴黎，2000 年，頁 237-246。[5] M.A.穆尼，P.B.戈爾曼，G.B.陳 C. Srour，觀察土壤板結(jié)，PROC 過程中振動壓路機簽名的變化。第一屆歐洲 CONF。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，法國巴黎，2002 年。[6] T.S.柳，T.塞利格，振動，碾壓的動力，巖土工程事業(yè)部，ASCE 105（GT10）（1979）1211 年至 1231 年的。[7] D.亞當(dāng) F.科夫，壓實優(yōu)化和質(zhì)量控制（連續(xù)壓實控制與輕落錘式設(shè)備）操作設(shè)備，PROC。國際研討會在巖土工程和路面鐵路設(shè)計與施工，希臘雅典，2004 年，第 97-106。[8] M.A.穆尼，R.V.萊因哈特，“路基土壓實過程振動壓路機的現(xiàn)場監(jiān)測，”巖土地質(zhì)環(huán)境的工程，ASCE，2007，133（2），257-265。