沖擊振動(dòng)壓路機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的仿真研究＊

朱命怡

（河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校汽車(chē)工程系，河南新鄉(xiāng)453000）

沖擊振動(dòng)壓路機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的仿真研究＊

朱命怡

（河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校汽車(chē)工程系，河南新鄉(xiāng)453000）

利用ADAMS仿真軟件建立沖擊振動(dòng)復(fù)合壓路機(jī)的虛擬樣機(jī)；對(duì)其沖擊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性的研究分析，得到導(dǎo)軌盤(pán)豁口大小與行駛速度之間關(guān)系曲線；利用仿真結(jié)果，優(yōu)化改進(jìn)工作滾輪的結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)提高了沖擊效率。

ADAMS；虛擬樣機(jī)；沖擊振動(dòng)；壓路機(jī)

0 引言

虛擬樣機(jī)就是利用軟件建立機(jī)械的實(shí)體模型或力學(xué)模型，通過(guò)模型的分析，評(píng)估機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能，為物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)、制造提供合理的參數(shù)。

ADAMS仿真軟件能夠創(chuàng)建參數(shù)化的模型，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，得到模型部件的位移、速度、加速度和反作用力曲線，從而預(yù)測(cè)模型的運(yùn)動(dòng)范圍、峰值載荷以及有限元的輸入載荷等各種性能指標(biāo)。

1 沖擊振動(dòng)復(fù)合壓實(shí)技術(shù)

圖1為沖擊振動(dòng)復(fù)合壓實(shí)的原理圖。此種設(shè)備具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）對(duì)地面的沖擊和振動(dòng)作用是連續(xù)進(jìn)行的；

（2）把圓形工作滾輪分成幾個(gè)相同的空間，沖擊機(jī)構(gòu)布置于其中，保證了在行駛過(guò)程中，工作滾輪不會(huì)失衡。

相比現(xiàn)有的壓實(shí)機(jī)械，沖擊振動(dòng)復(fù)合壓路機(jī)有著很多的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為了更好地研究沖擊振動(dòng)復(fù)合壓實(shí)技術(shù)，課題組研制了沖擊振動(dòng)復(fù)合壓實(shí)機(jī)械的物理樣機(jī)，物理樣機(jī)主要由沖擊機(jī)構(gòu)、振動(dòng)偏心輪、工作滾輪、導(dǎo)軌盤(pán)以及上車(chē)身等五部分組成。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)工作滾輪，沖擊機(jī)構(gòu)從高處落下，沖擊滾輪，形成沖擊做功；振動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，對(duì)地面進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)；壓路機(jī)利用本身的自重對(duì)路面有碾壓作用，從而實(shí)現(xiàn)了沖擊、振動(dòng)和靜壓的復(fù)合壓實(shí)效果。

圖1 沖擊振動(dòng)復(fù)合壓實(shí)原理圖

2 沖擊機(jī)構(gòu)的狀態(tài)分析

2.1 沖擊機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程

沖擊機(jī)構(gòu)在工作滾輪中的位置排列如圖2所示，沖擊機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程分為4個(gè)階段：

（1）在導(dǎo)軌盤(pán)的外軌道上運(yùn)動(dòng)

沖擊機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)使下，由軌道的最低端上升到最高端，儲(chǔ)蓄沖擊能量。

（2）第1次沖擊

當(dāng)運(yùn)行到軌道的最高處時(shí)，遇到軌道的豁口，沖擊機(jī)構(gòu)在重力作用下，沖擊工作滾輪的內(nèi)圈做功。

圖2 沖擊機(jī)構(gòu)在工作滾輪中的位置

（3）在工作滾輪前進(jìn)的過(guò)程中，沖擊機(jī)構(gòu)高度下降階段

在完成第1次沖擊后，在工作滾輪的驅(qū)使下，到軌道的最低點(diǎn)。

（4）第2次沖擊

當(dāng)運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)軌的最低處時(shí)，遇到軌道的豁口，沖擊滾輪的外圈，進(jìn)行第2次的沖擊做功。

2.2 沖擊能量的分析

沖擊機(jī)構(gòu)在沖擊做功中的高度落差分別為H1＝82.1mm，H2＝55.1mm，沖擊塊的質(zhì)量約為15.01kg。

（1）沖擊能量理論值計(jì)算

沖擊機(jī)構(gòu)是有水平初速度的落體運(yùn)動(dòng)，利用重力做功，沖擊能量的理論值為：

第1次沖擊：mg H1＝12.053（J）；第2次沖擊：mg H2＝8.084（J）

（2）沖擊速度計(jì)算

若考慮各種摩擦，沖擊機(jī)構(gòu)沖擊瞬間的速度為：

（3）沖擊力的計(jì)算。

沖擊塊和滾輪都為鋼質(zhì)的，設(shè)沖擊時(shí)間為t＝0.02S，則沖擊力如下：

3 仿真模型建立和驗(yàn)證

3.1 仿真模型的建立

將利用三維軟件建立各部件的三維模型，并進(jìn)行裝配，然后導(dǎo)入ADAMS軟件中，并定義各個(gè)部件的質(zhì)量屬性，添加相應(yīng)的約束關(guān)系，即可完成仿真模型的建立。

3.2 模型的仿真驗(yàn)證

這里我們只驗(yàn)證樣機(jī)的沖擊機(jī)構(gòu)，包括沖擊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，沖擊速度，沖擊能量等，振動(dòng)機(jī)構(gòu)暫不做分析研究。

（1）模型的完善

為了仿真的方便，添加另外一個(gè)壓實(shí)輪、上車(chē)身（用質(zhì)量球來(lái)代替）以及用于行走的地面，如圖3所示。

圖3 完善后的樣機(jī)模型

（2）模型驗(yàn)證

模型仿真的假設(shè)條件：行駛的速度為1.281km／h，仿真時(shí)間為11s，圖4、5、6是一個(gè)沖擊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真情況。

圖4 垂直方向運(yùn)動(dòng)軌跡

圖5 垂直方向的速度

圖6 運(yùn)動(dòng)能量

圖7 豁口大小和極限行駛速度的曲線

從圖4－圖6我們可以看出：沖擊塊的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度以及沖擊能量與理論值相近，我們所建立的仿真模型是合理的，可以用于仿真實(shí)驗(yàn)。

4 沖擊機(jī)構(gòu)仿真分析

4.1 行駛速度和導(dǎo)軌盤(pán)豁口大小的仿真

利用樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，沖擊機(jī)構(gòu)有時(shí)會(huì)被卡死。我們對(duì)沖擊機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析：沖擊機(jī)構(gòu)在下落的過(guò)程是一個(gè)有水平初速度的落體運(yùn)動(dòng)，如果行駛速度過(guò)大，在沖擊機(jī)構(gòu)還沒(méi)有落下來(lái)的時(shí)候，沖擊機(jī)構(gòu)的支撐導(dǎo)動(dòng)桿已經(jīng)通過(guò)豁口，不能沖擊做功或剛好被卡在導(dǎo)軌盤(pán)豁口之間，造成卡死現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要研究導(dǎo)軌盤(pán)豁口大小和滾輪極限行駛速度的關(guān)系。課題組為此建立了導(dǎo)軌盤(pán)豁口寬度為31－42mm的系列模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)上述不同豁口的仿真過(guò)程的記錄，得到如圖7的理論曲線，為下一步物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)制造提供了理論參考。

4.2 現(xiàn)有導(dǎo)軌盤(pán)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

從圖6中可以看到，第1和第4峰值處有能量損失，這兩個(gè)峰值發(fā)生在沖擊機(jī)構(gòu)由內(nèi)滾輪滑到內(nèi)軌道的時(shí)刻，損失的能量沒(méi)有用于沖擊。

（1）改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)改進(jìn)方案：①去掉導(dǎo)軌盤(pán)的外緣，以便減少?zèng)_擊機(jī)構(gòu)支撐滾動(dòng)導(dǎo)桿與外緣的接觸；② 減少內(nèi)軌道的半徑?，F(xiàn)有內(nèi)軌道的半徑為161mm，改進(jìn)后的半徑為145mm，提高沖擊行程16mm，從而提高了沖擊能量。

（2）仿真結(jié)果的比較

①對(duì)地面壓力比較，結(jié)果見(jiàn)圖8和圖9：

圖8 機(jī)構(gòu)改變前

圖9 結(jié)構(gòu)改變后

從兩圖中的第1和第3峰值可以看出：改進(jìn)后的壓力有所提高。

②運(yùn)動(dòng)能量比較，結(jié)果見(jiàn)圖10和圖11：

圖10 結(jié)構(gòu)改變前

圖11 結(jié)構(gòu)改變后

從兩圖中的第1和第3峰值可以看出：改進(jìn)后的運(yùn)動(dòng)能量大于改進(jìn)前的。

③ 沖擊塊質(zhì)心豎直方向的運(yùn)動(dòng)軌跡比較，結(jié)果見(jiàn)圖12和圖13：

圖12 結(jié)構(gòu)改變前

圖13 結(jié)構(gòu)改變后

從兩圖的對(duì)比分析中可以看出：滾輪內(nèi)半徑減少，沖擊機(jī)構(gòu)的質(zhì)心在軌道下半部分的豎直方向的沖擊高度變大，這也是地面接觸力和沖擊塊運(yùn)動(dòng)能量得到提高的根本原因。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用ADAMS仿真軟件建立沖擊振動(dòng)復(fù)合壓路機(jī)的虛擬樣機(jī)；利用虛擬樣機(jī)研究了導(dǎo)軌盤(pán)豁口大小與極限行駛速度關(guān)系，并得到兩者的理論曲線，為下一步物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)制造提供了參考；通過(guò)改進(jìn)導(dǎo)軌盤(pán)的結(jié)構(gòu)，提高了沖擊效果。

目前，我們僅僅研究了沖擊機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程，接下來(lái)還要研究振動(dòng)機(jī)構(gòu)和沖擊機(jī)構(gòu)同時(shí)工作時(shí)的狀況；另外，為進(jìn)一步研究沖擊振動(dòng)復(fù)合壓實(shí)技術(shù)，需要改進(jìn)物理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)。

（責(zé)任編輯 呂春紅）

［1］李俊娜，趙喜榮，趙智峰.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其實(shí)踐［J］.煤礦機(jī)械，2005，（10）：68－70.

［2］山玉波，等.基于Pro／E／ADAMS／ANSYS的虛擬設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2010，31（11）：229－231.

［3］鄭榮建.ADAMS——虛擬樣機(jī)入門(mén)與提高［M］.北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］楊人鳳.沖擊、振動(dòng)復(fù)合振動(dòng)壓路機(jī)［P］.中國(guó)：02224615，2002－02.

［5］孫祖望，等.沖擊壓路碾［P］.中國(guó)：98112950.1，1998.11.

［6］李繼光，蔡子亮.沖擊壓實(shí)機(jī)沖擊力及沖擊能量的計(jì)算［J］.許昌學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，23（5）：25－27.

Simulation Study of Vibratory Impact Mechanism of Shock

ZHU Ming－yi

（Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang 453000，China）

Establish virtual prototype of shock and vibration composite roller using ADAMS simulation software；Through the study of the movement characteristics of impact mechanism analysis，we get the guide plate opening size and the relation curve between speed；Using the simulation results，optimizing the structure improvement of working roller，and validate the improved mechanism improves the impact efficiency

ADAMS；virtual prototype；impact vibration；roller

U415.52

A

1008－2093（2015）01－0001－04

2014－10－25

朱命怡（1967－），男，河南新鄉(xiāng)人，教授，碩士，主要從事汽車(chē)零部件制造與汽車(chē)檢測(cè)技術(shù)研究。