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旋转压实仪的动力学分析及参数设计

一、引言

（一）研究背景与意义

在道路工程、建筑施工等领域，材料的压实效果对工程质量起着决定性作用。旋转压实仪作为模拟工程材料压实过程的核心设备，通过模拟实际施工中的碾压工况，为材料性能研究提供关键数据支持。其动力学特性，如压力分布、旋转速度变化以及压实角度的动态调整，直接关联到材料的密实度、均匀性以及最终的工程性能评估精度。

对于沥青混合料而言，在高温状态下进行旋转压实，合适的动力学参数能够使沥青与集料充分裹覆、均匀分布，形成稳定的结构，进而提升路面的抗车辙、抗疲劳等性能。在路基填筑中，土壤材料经过旋转压实仪模拟不同压实功、压实速度的作用，可获取最佳的压实方案，保障路基的强度与稳定性。开展旋转压实仪的动力学分析与参数优化设计，有助于深入理解材料在复杂应力状态下的压实机理，提升试验数据的可靠性与重复性，为工程施工提供科学、精准的指导，有效避免因压实不足或过度压实导致的工程病害，降低工程成本，延长工程使用寿命。

（二）国内外研究现状

目前，旋转压实仪在结构设计上多采用液压驱动与偏心旋转机构耦合模式。这种结构能够较为有效地模拟实际施工中的压实过程，通过液压系统精确控制压力输出，偏心旋转机构实现压实过程中的揉搓、碾压动作。在国际上，美国材料与试验协会（AASHTO）制定的AASHTOR35等标准，对旋转压实仪的参数范围、试验方法等做出了明确规定，为旋转压实仪的使用提供了基本的准则。在国内，JT/T724-2008《旋转压实仪》规范也对旋转压实仪的各项性能指标、操作流程进行了详细说明。

尽管现有标准对参数范围有明确界定，但在实际工程应用中，仍存在诸多问题。一方面，参数设置往往依赖于工程师的经验，缺乏充分的理论依据和精准的计算方法。不同工程师可能因经验差异，对同一材料采用不同的参数设置，导致试验结果缺乏可比性，难以准确评估材料性能。另一方面，智能化程度不足，当前旋转压实仪大多只能按照预设参数进行固定模式的压实操作，无法根据材料实时状态、压实过程中的反馈信息进行动态调整，难以适应复杂多变的工程需求。针对复杂载荷下的动力学响应规律及参数匹配机制研究仍需深化，以便更好地挖掘旋转压实仪的潜力，提高其在工程实践中的应用效果。

二、旋转压实仪动力学分析

（一）机械结构与工作原理解析

旋转压实仪主要由压实筒、压头、传动系统、液压系统及控制系统等组成。工作时，通过液压系统向压头施加垂直压力，同时传动系统带动压实筒旋转，使放置在压实筒内的材料受到旋转剪切力与垂直压力的共同作用，模拟实际工程中的压实过程。

1.核心部件动力学特性

压实筒与压头：压实筒通常为圆柱筒结构，其内壁的光滑度直接影响材料在压实过程中的摩擦力分布。依据弹性接触理论，当内壁粗糙度增加时，材料与筒壁间的摩擦力增大，在旋转过程中，这种摩擦力会产生不均匀的剪切力，影响材料内部颗粒的排列与密实效果。例如，在研究沥青混合料压实时，若压实筒内壁粗糙，沥青会更多地附着在筒壁，导致混合料内部沥青分布不均，进而影响试件的力学性能。建立压头偏心距与垂直压力耦合关系模型时，发现随着偏心距增大，垂直压力在材料横截面上的分布愈发不均匀，边缘区域压力相对中心区域明显增大。这是因为偏心旋转使得压头对材料的作用力产生了偏心分量，在靠近偏心一侧，压头与材料的接触面积相对减小，根据压强公式P=F/S（P为压强，F为压力，S为受力面积），在相同压力下，受力面积减小会导致压强增大。

传动系统：电机作为传动系统的动力源，其转速-扭矩特性至关重要。当电机启动时，若扭矩不足，难以快速带动压实筒达到设定的旋转速度，导致启动时间过长，影响压实效率；而在高速旋转时，若扭矩波动较大，会使压实筒的旋转稳定性变差，引起材料压实不均匀。齿轮传动间隙同样会对旋转稳定性造成影响，间隙过大，在齿轮啮合过程中会产生冲击，导致旋转速度瞬间变化，这种速度波动会传递到压实筒，使材料受到的旋转剪切力不稳定，进而影响材料的压实效果。结合振动模态分析，对轴承与密封圈进行抗疲劳设计。通过模态分析，获取传动系统在不同工况下的振动频率与振型，找出容易发生疲劳破坏的部位，如轴承的滚珠与滚道接触区域、密封圈的唇边。对于这些部位，选用高疲劳强度的材料，优化结构设计，如增加轴承滚珠数量、改进密封圈的截面形状，以提高其抗疲劳性能。

2.多维耦合动力学模型构建

建立“压力-旋转-位移”三自由度动力学方程：在压实过程中，材料不仅受到垂直压力的作用，还伴随着旋转剪切力以及自身位移的变化。考虑材料的非线性黏弹性行为，引入Burgers模型来描述压实过程中应力-应变迟滞特性。Burgers模型由Maxwell模型与Kelvin模型串联组成，能够较好地反映材料在加载与卸载过程中的不同力学响应。例如，在