考虑附加质量的全液压双钢轮振动压路机振动参数的仿真分析.pdf

E Q U I P ME N T MA N A G E ME N T A N D MA I N T E N A N C E J 睡强碴霍量圈 文 章 编 号 1 0 0 0 0 3 3 X 2 0 1 5 1 1 - 0 0 9 5 0 4 考虑 附加质量 的全液压双钢轮振动 压路机振动参数 的仿真分析 张 衡 长安大学 道路施工技术与装备教育部 重点实验室 ， 陕西 西安 7 1 0 0 6 4 摘 要 对 压路机 结 构进 行 简化后 ， 建 立五 个 自由度 的“ 机一 土 ” 动 力 学模 型 ， 列 写动 力 学微 分 方 程 ， 然后 转 化 为 系统框 图 ， 运 用 Ma t l a b ／ S i mu l i n k仿 真 ， 在 压路 机 正 常振 动参 数 下 ， 对 模 型进 行 了仿 真 分 析验 证 。分析 了随振材 料 的 变化 随振材 料 的质 量差 、 刚度 差 、 阻尼 差 对 机 架摆 振 状 况以及 驾驶 室减振 的影 响规 律 ， 得 到 了相 应 的变化 曲线 ， 该 结果 对 于智 能压 实 中提 高压路 机 作业 质量 和工 作舒 适 性提供 了一 定的理 论依 据 。 关 键词 压路 机 ； 机一 土模 型 ； 系统框 图 ； 摆振 中图分 类 号 U4 1 5 ． 5 2 文献 标 志码 B S i m u l a t i o n An a l y s i s o f Hy d r a u l i c Do u b l e dr u m Vi b r a t o r y Ro l l e r P a r a me t e r s Co n s i d e r i n g Ad d i t i o n a l Qu a l i t y ZH ANG H e n g Ke y L a b f o r Hi g h wa y C o n s t r u c t i o n Te c h n o l o g y a n d Eq u i p me n t o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n。 Ch a ng’ a n Uni v e r s i t y，Xi ’ a n 7 1 006 4，Ch i n a Ab s t r a c t Co ns i d e r i ng t he m a t e r i a l o f v i b r a t i o n a n d t he s t r u c t u r a l c ha r a c t e r i s t i c s o f d o ubl e d r um v i br a t or y r ol l e r ， a dy na m i c m a c hi ne s o i l mod e l o f f i v e d e gr e e s o f f r e e d om wa s e s t a bl i s he d t o s i m p l i f y t he s t r uc t ur e o f r o l l e r ． The d y na mi c s di f f e r e nt i a l e q ua t i on wa s c o nv e r t e d i n t o a s y s t e m d i a gr a m ， a nd t he s i m ul a t i o n a na l y s i s wa s c o nd uc t e d wi t h n or ma l v i b r a t i o n pa r a me t e r s us i ng Ma t l a b ／ S i mu l i n k ．Th e i mp a c t o f t h e c h a n g e o f v i b r a t i o n ma t e r i a l o n t h e f r a me a n d c a b v i b r a t i o n wa s a na l y z e d，a nd c or r e s po nd i ng c ur v e s we r e ob t a i n e d ． The r e s u l t p r ov i d e s t he or e t i c a l ba s i s f o r t h e i m p r o v e me nt o f t he wo r ki n g q u a l i t y o f r ol l e r i n i nt e l l i ge nt c o mpa c t i on a n d wor k c omf or t ． Ke y wo r ds r o l l e r ；ma c h i ne s oi l mod e 1 ；s ys t e m di a gr a m ；s hi mm y 0 引 言 迄今 为 止 ， 国 内对 智 能 化 振 动压 路 机 的研 究 还 很不成熟 ， 虽然耦合模型对于原有单一模式下 的研 究 有 很 大 的推动 ， 但是 效果 并不 是很 理想 ， 尤 其是 压 实材 料 的简化 使 得 理论 结 果 和 实 际 相 差 较 大 ， 智 能 压路 机需 要进 一 步研究 [ 1 ] 。 双钢 轮压 路 机要 求 前 后 钢 轮 振 动 的 一致 性 ， 包 括振 动轮 、 振 幅 、 振频 等一 致 ， 否 则会 引起 拍 振 、 摆 振 现象 ， 且 压实 材料 跟 随振 动轮一 起振 动 ， 并 且 在不 断 变化 。因此研 究智 能化 振 动压 路机 随振 材料 的变 化 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 5 一 l 1 对于舒适性问题显得格外重要 ] ， 本文综合考虑压 路 机 随振材 料 土体 质量 的变 化 和压路 机摆 振模 型 建 立 五个 自由度 的“ 机一 土” 动 力 学模 型 ， 探讨 了前后 钢 轮 随振 土体 质量差 、 刚 度差 、 阻 尼差对 机架 摆振 和 驾 驶 室振 动的影 响规 律 和变化 曲线 。 1 动力学模 型的建立 双钢轮 振 动压 路 机前 后钢 轮 结 构 具 有 一致 性 ， 同为驱 动轮 和振 动轮 。忽略发 动机 和机 架部 分结 构 的影 响 ， 对 压路 机结 构进 行简 化后 ， 对双 钢轮 振动 压 路机建立五 自由度 的“ 机一 土” 动力学模 型。模型假 9 5 E QUI P M E NT MANAGEME NT AND MAI NTE NANCE 设 如 下 。 1 假 定被 压实材 料是 具有 一 定 刚度 和阻 尼 的 线弹性体模型。振动过程 中的任意瞬间， 压路机始 终 和压 实材 料接触 并且 钢轮 前后 的附加 质量 刚度 和 阻尼存 在差 异 。 2 假 定车 架 、 驾驶 室 可 简 化 为 具 有 一 定 质量 的刚体 。压 路机沿 纵 向质 量 是均 匀 分 布 的 ， 化 为平 面振 动模型 ， 只考 虑激 振力 的竖 向分量 。 3 考 虑 随振 材 料 的 质 量 ， 假 定 机 架质 心 与几 何 中心 重合 。 4 假 定振 动 轮 的质 量 分 别 为 和 。 ， 附加 质 量分别 为 和 ， 前 后 钢 轮 和 机 架 之 间 的减 振 材料的刚度系数 和阻尼系数分别为 、 k 。 和 c 、 C 。 ， 与压实材料之间的刚度系数和阻尼系数分别为 k 、 是 z 和 C 、 C z ， 上 机 架 的质量 为 ， 质 心位 移 为 ， 驾驶 室 的质 量为 。驾驶室 和机 架之 间 的刚度为 是 。 ， 阻 尼 为 c 。0 2 、 为 前后 钢 轮 的 位 移 ， 。 为 驾 驶 室 位 移 ， 、 j 为机架 左 右 两 侧 的位 移 ， ．，为机 架 的转 动 惯 量 ， 为机 架转 角 ， 叫为振 动频 率 ， F为 振动 轮 的激 振 力 ， t 为 时 间 。建 立 的“ 机 一 土” 五 自由度 的 动力 学 模 型如 图 1 所 示 。 图 1机 一 土动 力 学 模 型 利用拉格朗 日方程可得到动力学微分方程 l 4 1 是 4 1一 4 f 4 j1一 4 】 l f l 圣l F 1 m2 mj 2 志 2一 z5 f 5 圣2 孟5 十 足 2 2 4 - 2 2一 F 2 3 3 是 3 3一 z f 3 圣3一 圣二 0 3 7 7 k 4 4一 1 圣4一 岛 k 5 5一 z2 屯 一 圣 2 乜 z 3 白 圣一 岛 一 0 4 由质 心位置关 系得 出 ～一 k 4 k 5 一 4 4 - 5 L L 2 摆 动方 程 9 6 J O k 4 4 一 2 L C 5 圣 5一 2 L k 4 4一 1 L C 4 4一 1 L 一 0 其中 一 转 化 为标准 振动 方程 叩 M2c 又KX F 质量 矩阵 M C 阻尼 矩阵 刚度矩 阵 K 是 1 k4 O 0 f2T ’ 0 是 2 0 0 04 O C3 一f 3 0 走 0 定 0 一 定 定 一 是 一 是 一是 。 是 力 矩 阵 F 其 中 F F 。 s i n 0 O _ _ 。 5 6 2 动 力学模型 的验证分析 以江苏骏 马 J M8 1 3 H 全 液 压 双 钢 轮 振 动 压 路 机 为例 ， 本 参数 列表 完 全 按 照该 压 路 机 相关 参 数 确 定 ， 其 参数 列表 见表 1 。 在 Ma t l a b ／ S i mu i n k的界 面 ， 将各 仿真 模块 拖动 o o 0等 一 0 o o等 0 O m 0 O m 0一 -O 0 O m }O 0 0 0 m f n O f O 如 。 一 一 专 走 是 0 ， E Q U I P ME N T MA N A G E ME N T A N D MA I N T E N A N C E I 圈国雹雹蛋圈 表 1 J M8 1 3压路机参数 m／ k g 7 1 l l ／ k g m2 ／ k g C 1 ／ N S mm一 c 2 ／ N S mm c 5 ／ N S mm一 k 1 ／ N mm k 2 ／ N mm一 5 ／ N mm 6 O O O 2 7 5 O 2 7 5 0 2 5 0 2 5 0 5 1 4 O 1 4 0 6 O O 到仿 真 界 面 ， 并 编 写 文 件 ， 对 各 参 数 变 量 进 行 赋 值 ， 所建立 的仿真框图如图 2 所示。 固 蚕 正弦波 状态空间 位移 图 2 仿真模型框 图 取激振力 F ] 一1 3 0 0 0 0 N， 厂 一4 0 Hz ， 一2 丌 厂 一 2 5 1 ． 3 r a d S _ 。 ， 并取附加 质量 m 一m 一0 ， 钢质 系数 走 一是 z ， 阻尼系数 c t c z ， 得到压路机前后钢轮 、 驾驶 室 和左右 机架位移 随时间 的变 化曲线如 图 3所示 。 目 一 蠢一 趟～ U 0 5 l U l 5 时间／ s 图 3 压路机钢轮 、 机架 、 驾驶室位移随时间的变化曲线 由图 3可 知 ， 两 振动 轮位 移 曲线重 合 ， 振动 轮 的 位 移 曲线 在 0 ． 1 6 S 前 出现 较 大 波 动 现 象 。这 是 由 于 激振 力直 接作 用 于 振 动 轮质 心 上 ， 起 振 时振 动 轮 的 位移从 0跳动 到 平 稳 状 态 ， 之后 振 动轮 位 移 曲线 是标 准 的正 弦 曲线 ， 稳 定状 态 下 幅值 为 0 ． 7 4 6 mm， 接 近理论 振 幅 0 ． 7 5 mm ， 但 与实测 振 幅 0 ． 7 1 5 mm 稍大。原因是建立“ 机一 土” 模型时， 对机架和振动轮 驾驶 室结 构 进行 了简 化 ， 转动 惯量 的计 算不 同 ， 但 与 实测结果较为相近 ， 表明该动力学模型较为合理 。 另外 ， 机架前后侧的位移曲线几乎重合 ， 表明前 后钢轮 在振动 参数 一 致 、 没 有 附加 质量 时 ， 机 架摆 振 程度很小 ， 可视为单 自由度 。机架和驾驶室的位移曲 线呈现衰 减趋 势 ， 存在 一定 的相 位差 。稳 定状 态 下 ， 机架和驾驶室的位移曲线幅值均较小 ， 驾驶室的位移 幅值几乎衰减为 0 ， 表明该压路机减振性能良好 。 3振动模型 的参数仿真分析 3 ． 1 附加 质 量差 对机 架摆 振 和驾驶 室 的影 响 保 持 M 、 C、 K、 F不 变 ， k 一k 。 ， c 一c ， 对 前 后 钢 轮 附 加 质 量 差 A m 依 次 输 入 4 O k g 、 2 0 k g 、 0 、 一 1 0 k g 。 利用 Ma t l a b编写 m 文件 ， 由仿真框 图得 到机架 摆 角 和驾驶 室 竖 向位 移 随 时 间 变化 的 曲线 ， 如 图 4 、 5 所 示 。 一 援一 目 T 2 静 图 4 附加 质 量 差 对 机 架 摆 振 的 影 响 曲 线 图 5附 加 质 量 差 对 驾 驶 室 的 影 响 曲线 振动 轮 的质量 是 压 路 机 的 重要 技 术 参 数 ， 直 接 影 响路面 压实 质量 ， 对作 业舒 适性 也造 成较 大影 响 。 由图 4可知 ， 在 A m一0的两 侧 ， 随着 前后 钢 轮 附 加 质 量差 的增 加 ， 机架 的摆 振 幅度呈 现上 升趋 势 。△ 优 取 值 在 O ～ 一1 0 k g之 间及 0 、 2 0 k g 、 4 0 k g时 ， 摆 振 曲线 在 A m一0的包 络 外端 ， 且呈 现衰 减趋 势 。 由 图 5可 知 ， 随着 前后 钢轮 的质 量差 的增 加 ， 驾驶 室 的 振 动 呈 现增强 趋 势 ， 但 是影 响很 小 ， 几 乎无 影 响 。同对 机 架摆 振影 响趋 势 相 同 。结 合 图 4可 知 ， 附 加 质 量 相 当于振 动轮质 量增 加 ， 对双 钢轮 压路 机而 言 ， 前 后 钢 轮 的附加 质量 差 的增加 对 于驾驶 室振 动影 响可 以 忽略 ， 但对机架摆振程度的影响却增强。 3 ． 2 压 实材料 刚度 差对 机架 摆振 和驾 驶室 的影 响 保持 M、 u 、 C、 F不变 ， m 一m 一0 ， 对 刚度差依 次 输入 4 5 0 0 0 0 0 N m_ 。 、 1 5 0 0 0 0 0 0 N m_ 。 、 0 、 一 1 5 0 0 0 0 0 0 N m。根据仿真框 图得到机架摆 角 和 驾驶 室竖 向位 移 随 时 间 变化 的 曲线 ， 如 图 6 、 7 所 示 。 压 实材 料 的变化 对机 器本 身 的可靠 性及作 业 舒 适 性会 造成 较大 影响 ， 随着 压 实材料 刚度 的增 大 ， 振 动 轮 的振幅 在增 大 。 由 图 6可 知 ， 随着 压 实 材 料 刚 度 差 的增 大 ， 机架 摆 振 程 度 明 显增 强 ， 幅值 增 大 ， 波 动 现象 明显 。在 刚度 差 A k 一0时 ， 机 架摆 振 程 度很 9 7 圈围围回国圈I E Q U I P ME N T MA N A G E ME N T A N D MA I N T E N A N C E 吕 2 2 2 O 5 2 1 2 1 5 2 2 2 2 5 2 ． 3 2 3 5 2 4 2 4 5 2 5 时间／ s 图 6 压实材料刚度差对机架摆振 的影响曲线 图 7 压 实 材 料 刚 度 差 对 驾驶 室 的影 响 曲线 小 ， 但随着压实材料刚度 的变化， 材料的固有频率也 会 发生 变化 ， 因此 压路 机 最 优 振 动参 数 应 做 相应 调 整 。压 路机 的振 动幅值 会 随着压 实材料 的变 化而 变 化 ， 因此 压实 材料 的 变化 会 影 响 压路 机 实 际 压 实效 果 。由图 7可知 ， 随着 压实材 料 刚度差 的增加 ， 驾 驶 室 的振 动增 强 。结 合 图 6 、 图 7可 知 ， 刚 度差 对 压 路 机 机架 摆振 和驾驶 室 的振 动 影 响均 较 大 ， 在 智 能 压 实 中 ， 应根据 检测 的 刚度差 实时反 馈控 制 。 3 ． 3压实材 料 的 阻尼 差对 机 架 摆 振 和 驾驶 室 状 况 的影 响 保 持 M 、 6 0 、 K、 F不变 ， F r ／ Ⅲ 一0 ， 对压 实材料阻 尼差 依次输入 2 5 0 0 N S m、 5 0 0 N S m一 、 0 、 5 0 0 N s m～ ， 根 据仿 真 框 图得 到 机 架 位 移 随时问变化的曲线如图 8 、 9所示 。 一 京 一 娥一 2 U， 2 l i ， 2 2 2 2， 2 j j， 2 4 4， 时间／ s 图 8 压实材料 阻尼对机架 的摆振的影响曲线 由图 8 、 9 可知 ， 随着 压 实材 料 阻尼 差 的增 大 ， 机 架摆振程度 呈现 增大 趋势 ， 驾驶 室振 动 增 强 ， 与 压实 材料 刚度 差影 响趋 势相 同 。 由图还 可知 ， 阻尼差 对机 9 8 目 2 一 堪 9 压买 材 料 阻 尼 对 驾 驶 空 振 动 的影 啊 曲线 架摆振程度较大和驾驶室影响程度较小 ， 可以忽略。 4 结 语 考 虑 随振材 料后 ， 对双钢 轮振 动压 路机建 立“ 机 器 一 土壤 ” 五 自由度 的动 力 学 模 型 ， 探 讨 了 随 振 材料 质 量差 、 刚 度差 、 阻尼 差 的变 化对 机架 的摆振 和驾驶 室减振 的的影 响规律 。 1 振动轮增加随振材料后 ， 由于其质量差、 刚 度 差 、 阻尼 差 的影 响 ， 机 架 的 摆 振 程 度 均 相 应 的 增 大 ， 阻尼差 影响程 度相 对较 小 ， 可 以忽 略 。智 能压 实 机械 ， 应根 据前后 钢 轮 附加 质 量 材 料 的 变化 适 时 进 行反馈 ， 对 振动参 数应 做相 应 的改变 。 2 双钢 轮振 动压路 机 和压实 材 料 的相互 作 用 是一个复杂的物理力学过程。从仿真结果可看出， 由于随振材 料 的变化 ， 压实 质量 、 作业 可靠性 和舒 适 型均 会受 到较 大 的影 响 。 参 考文献 [1] 刘育 贤． 双钢轮振动压路机技术现状 分析[ J ] ． 筑路 机械与施 工机械化 ， 2 0 0 7 ， 2 4 7 5 3 - 5 5 ． [2] 童 飞． 从“ 土壤一 机器” 系统力学的角度探讨振动压路机 的参 数 设计[ D] ． 上海 同济大学 ， 2 0 0 7 ． [3] 李军 ， 李言 ， 周志立 ， 等． 考虑土体质量 的振动压路机动力 学模 型研究[ J ] ． 西安理工大学学报 ， 2 0 1 0 ， 2 6 3 2 8 2 2 8 6 ． [4] 龚涛， 刘柏希． 考虑土体随振质量 的振动压路机偏振模型分 析 [ J ] ． 机械设计 ， 2 0 1 4 ， 3 1 7 2 6 2 8 ． [5] 张晓波， 赵丽萍 ， 沈建军 ， 等． 双钢轮振动压路机振动系统负载 特性 [ J ] ． 西安理工大学学报 ， 2 O 1 4 ， 3 6 1 8 0 8 2 ． [6] 姜右 良， 黄律钤． 双钢轮振动压路机振动模型的仿真分析[ J ] ． 机械研究与应用 ， 2 0 1 2 2 3 8 4 0 ． [7] 吕聪正， 冯忠绪 ， 李耀 ， 等． 双钢轮振动压路机拍振对驾驶室 振 动影 响的研究[ J ] ． 山东交通学院学报 ， 2 0 I 3 ， 2 1 4 I - 3 ． [8] 候劲汝， 沈建军 ， 徐倩． 双钢轮振 动压路机振 幅不均匀性 的 分析口] ． 长安大学学报 自然科学版 ， 2 O 1 O， 3 0 1 1 - 4 ． [9] 姜右 良， 黄律钤． 铰接式单轮振动压路机 的参数仿真[ J ] ． 建设 机械技术 与管理 ， 2 O 1 4 2 1 l O 一 1 1 1 ． [ 责任编辑 杜卫华] 4 2 o 叫 _【 ， 蠹 ～ 援 ” _ 』 一 是 一 弑I 一 一 ” 托 Ⅲ 一 种 甜 “ 一 然三一 八 川 一 一 枕 一 熊一 料 一 ” 一