YZS05型手扶式振动压路机振动系统的研究

摘 要本论文介绍了振动压路机领域的国内外发展现状、振动压路机工作原理以及振动形式与参数。在土的振动压实理论基础上，建立了振动系统的数学模型，提出模型中两种不同的工况，使其准确地描述振动压路机实际工作状态。此外对模型中各种参数的选取或计算作出了明确的解释便于数学模型的实际应用。本论文在振动压路机振动系统数学模型的基础上，编制了振动压路机专用的振动压实系统仿真优化软件，以型手扶式振动压路机为典型分析对象，进行了振动压路机振动压实过程中各种不同参数的仿真模拟，揭示了压路机各种不同结构、性能参数对压实效果的影响，为设计人员提供设计改进振动压实系统的理论依据。另外本软件的优化部分用于对设计过程中振动压实系统的上下车质量、减振器刚度的选取，以及选择在不同的七刚度时压路机的最佳激振频率。振动轴是振动压路机的关键部件之一。振动轴的设计合理与否，直接影响振动压路机的整机性能。本论文分析了振动轴的振动特性，并介绍了振动轴部件中轴承的选取方法。型手扶式振动压路机的研制是同济大学和无锡太湖拖拉机有限公司的手扶式振动压路机合作项目。在研制过程中，采用了本论文的研究成果。样机运行良好，取得了预期的效果。关键词：振动压路机数学模型仿真优化振动轴of of a of wO of in of to to to of on a as a of O to as a s to to of is of of he of he of of he of of as a of 218108823)声 明本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文“型壬迭式拯动廷堕扭拯麴丕统的婴究”。除论文中已经注明引用的内容外，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名： 知掘于2004年2月9日知识水坝218108823)同济大学申请硕士学位论文1绪论11我国道路交通建设的发展现状交通基础设施是国家经济的命脉，交通的发达与否，代表了国家经济的发展状况。有着5000年灿烂历史的中国，在道路、桥梁的修建和交通管理等方面，都取得过辉煌的成就”J。近年来，我国经济飞速发展，道路交通等基础设施的建设也有了长足的进步。然而我国交通的总体水平仍然偏低，和世界发达国家有很大的差距。以美国和我国的公路状况对比为例，我国公路总里程和路网密度仅为美国的15，高速公路仅为美国的l18。改革开放以来，随着国民经济快速发展和市场经济体制的建立，我国交通运输结构逐步调整和优化，公路运输的地位年作用变得日益重要。公路基础设施建设持续快速发展，取得了令人瞩目的历史性成就。“七五”及“八五”期间，公路里程年均增长分别为176、239，“九五”期间由于国家采取积极的财政政策加快公路等基础设施的建设，公路里程年均增长速度预计可达到388。特别是作为公路运输现代化标志的高速公路，呈现山加快发展的态势。公路总量的增长和质量的提高，一定程度上缓解了我国交通运输的紧张状况，增强了公路交通的基础地位，也为增强我国经济发展屙劲创造了条件。“十五”计划是跨入2开始实施现代化建设第三步战略部署的第一个五年计划，也是社会主义中共中央关于制定国比经济和社会发展第十个五年计划的建议指出，加强基础设施建设是今后五至十年一项十分重要的任务。公路发展要进一步优化结构，调整布局，为加快经济发展和结构调整创造有利条件嘲。现代道路建设的发展越来越依靠先进的筑路施工机械。我国路基、机场等基础设施的建设以及养护，需要大批高效、优良的施在是中国公路建设十分关键和重要的历史时期，其特点是社会急需，目标明确，资金较足，必将是中国公路大发展的黄金阶段。这一时期繁重的公路建设任务必须使用大量先进的筑养路机械，实现机械化施工才能完成。因此该时期也是中国筑路机械产品与技术发展的有利时机。12压路机的发展历程口1压路机的发展经历了漫长的时期。最先出现的压路机是光轮和羊角碾压路机。第一台蒸汽驱动的压路机出现在19世纪中叶。第一台内燃机驱动的压路机则诞生于20世纪初期，随后出现的是轮胎压路机。上述压路机都是静作用压路机。压实的机理是滚压(图11)。用具有一定重量静压力使被压层获得永久残留变形h。随着碾压次数的增多，材料的密实度增加，而永久残留变形减小；最后实际残留变形等于零。为了进一步提高被压实材料的密实度，必须用较重的滚轮来滚压。滚压的特点是：循环延续时间长，材料的应力状态变换速度不大，但应力较大。为了增加压实效果在相当眭的时间内主要依靠增加压路机的重量来实现。在20世纪中期，大吨位的轮胎压路机曾广泛应用在飞机场、道路和堤坝同济大学申请硕一11静作用压路机压实原理 图1 2振动压路机压实原理振动压实技术和振动压实机械的出现是压实机械发展过程中一个划时代的革命。压实的机理也从单纯的滚压，发展到振动压实， 即利用固定在质量为其发出接近自身固有振动频率的振动(图12)。这样，材料就具有很大的流动性，使颗粒靠近，密实度增加，把材料压实。振动压实的特点是：表面应力不大，过程时间短、加载频率大。可广泛用于粘性小的材料。如：砂土、水泥混凝土混合料。自从提出振动压实的概念后，压实效果的增长不再简单地依靠重量或线压力的增大。因此振动压路机的体积、重量范围很宽，适用范围十分广泛。第一台振动压路机出现在20世纪40年代，而在50年代大量投放市场。到了20世纪60年代末至70年代初。振动压路机在世界压路机市场的销售总量中已占有60以上的份额，成为生产压实机械厂商的主要产品。与静作用压路机相比，振动压路机具有以下主要的性能特点：(1)同样质量的振动压路机比静作用压路机的压实效果好，压实后的基础压实度高，稳定性好。(2)振动压路机的生产效率高。当所要求的压实度相同时，压实遍数少。(3)压实沥青混凝士面层时，由于振动作用可使面层的沥青材料与其他集料充分渗透、糅合，因此路面耐磨性好返修率低。(4)在压实效果相同的情况下，振动压路机的结构质量为静作用压路机的一半，发动机的功率可降低30左右。此外，还有一种采用夯实原理的压路机。在传统的夯实机械如夯实机的基础上，人们设计制造出冲击式压实机。冲击式压实机是20世纪70至80年代在南非发展起来的。目前，国外对冲击式压实机的研究已经比较成熟，而这种压实机进入中国市场的时间不过短短击式压实机是利用其非圆的不规则的压实磙子在滚动过程中重心交替上升下降，从而便压实轮的三段类似凸轮的外廓不断冲击(夯实)地面。因为压实轮为近似圆形，所以它能够连续作业。此外，冲击式压实机的结构比较简单。如图13是冲击式三边压实轮压路机的外型。2同济大学申请硕士学位论文图1 3冲击式三边压实轮压路机20世纪80年代，出现一种新的振荡压实技术。首先提出这一概念的是瑞典的H方法利用两根互成1800的偏心轴来产生按正弦曲线变化的交变转矩，施加于滚轮上，使它产生一种绕轴心的振荡运动，从而压实路基。13国内外压路机发展状况解放以前，我国只有一些压路机的修配工厂，直到1940年大连仿制了我国第一台蒸汽压路机。1961年列安公路交通大学与西安筑路机械厂联台开发的3我国自行开发设计振动压实机械的起点。此后，国内陆续研制出了45t，10行式、铰接式等振动压路机。20世纪后期，随着基础工业零部件的发展，特别是液压泵、液压马达、振动轮轴承、橡胶减振器的引进生产，使振动压路机的技术水平和可靠性有了较人的提高。我国振动压路机起步较晚，整体水平与国外先进水平相比仍有差距。随着振动压实技术的广泛应用，国外对压实机理的研究也不断深入。新的压实技术和压实机械的发展将越来越多地依靠压实理论上的新突破，并成为创造原理上全新的压实过程的强大理论支撑。压实理论的研究将更加带有综合研究的特点，即从工作介质的材料性能、力学基础、施工工艺以及机械设备的结构、运动学、动力学参数的综合角度来研究压实机械的作业过程。此外，国外越来越重视把计算机技术集成到压实技术和压实机械中来。人们更加重视利用计算机进行辅助设计、辅助试验、辅助制造、辅助管理等技术。针对压实机械行业，国外已有厂家开发出自己的专用软件，如实工作的计算机辅助工程软件等。例如德国i=，作为使用压实设备的辅助工具。它可以帮助用户根据压实工程的工作量、现场条件、材料特性、葡氏压实曲线以及所要求的压实度来选择该公司的三种压实机械配置方案，对每种方案均可提供对各使用参数的选用建议。理论和技术的发展，将推动压路机向自动化、智能化的方向发展。而其基础是压实系4本论文的目的和工作内容本课题来源于同济大学和无锡太湖拖拉机有限公司的型手扶式振动压路机合作开发项目。本论文的目的是，结合该开发项目，研究振动压路机的关键系统振动压实系统。通过对振动压实系统的研究，巩吲振动压路机的设计、开发的理论基础。本论文的主要工作内容是：手扶式振动压路机的总体方案设计；研究振动压实原理，建立振动压实模型；在此基础上，利用计算机技术对压实振动系统进行仿真和优化；最后对振动轴进行优化设计。4同济大学申请硕士学位论文2土的性质压路机的工作主要是压实路基、建筑基础等，其压实对象有土壤、砂石和沥青混合料等。其中，对土及二基稳定材料的压实是具有代表性的压实作业。对土的压实的研究成果可以方便地应用到其他压实对象上。因此，士的压实研究，是研究振动压实技术的基础。21土及其分类土壤是地壳表层的岩石，经过风化、剥蚀、。土的结构可分为三种基奉类型：单粒结构、成的集合体它具有与其他材料不同的特性：搬运、沉积后所形成的各种疏松的沉积物蜂窝结构和絮状结构。土是由碎散颗粒组(I)大的压缩性：因为土的固体颗粒之问存在着大的孔隙，所以在受到外力时，土的孔隙大大减少，产生压缩性大的特2)土颗粒间具有相对移动性：土粒问的联结强度低，抗剪强度差，易产生相对位移。(3)大的透水性：土的具有人的透水性。土的性质著异很大，分类方法也有所不同，不同部门为_程时间的需要可采用各自不同的分类方法。在此只介绍按压实性能分类的方法，见表2 1寰21 以压实性偿为标准豹土的分类法岩石填方和带有大石头盐石块的粒状土砂和砾石(粒径小于006蝴航球舭b 粉砂和砂质耪土，亚砂土、带土砾石2j 2土的压实影响因素及有关概念压实是通过施加外力使被压实材料提高压实度的过程。在压实过程中，土颗粒产生运动并重新组台强迫排除积在十颗粒间的空气，粗颗粒土中的水被排出。有效的压实使得被压实材料的压缩系数大大降低。支承能力提高，减少沉陷。在提高士的压实度的同时，获得较高的剪切强度。压实后，土的剪切强度大约能提高40，因而大大提高了被压实材料的承载能力降低了渗水性。料的承载能力降低了渗水性。同济大学申请硕士学位论文2土的性质压路机的工作主要是压实路基、建筑基础等，其压实对象有土壤、砂石和沥青混合料等。其中，对土及士基稳定材料的压实是具有代表性的压实作业。对土的压实的研究成果可以方便地应用到其他压实对象上。因此，士的压实研究，是研究振动压实技术的基础。21土及其分类土壤是地壳表层的岩石，经过风化、剥蚀、。土的结构可分为三种基本类型；单粒结构、成的集合体，它具有与其他材料不同的特性：搬运、沉积后所形成的各种疏松的沉积物蜂窝结构和絮状结构。土是由碎散颗粒组(1)大的压缩性：因为土的固体颗粒之问存在着大的孔隙，所以在受到外力时，土的孔隙大大减少，产生压缩性大的特性。(2)土颗粒间具有相对移动性：土粒问的联结强度低，抗剪强度差，易产生相对位移。(3)大的透水性：土的固体颗粒中存在着孔隙，故具有大的透水性。土的性质差异很大，分类方法也有所不同不同部门为_程时间的需要可采用各自不同的分类方法。在此只介绍按压实性能分类的方法，见表21表2,1 以压实性能为标准的土的分类法岩石填方和带有太石头及石块的粒状上砂和砾石(粒径小于006质砂土质砾石、冰溃土b 粉砂和砂质粉土、亚砂土、带土砾石2：2土的压实影响因素及有关概念压实是通过施加外力使被压实材料提高压实度的过程。在压实过程中，土颗粒产生运动并重新组合，强迫排除积在土颗粒间的空气，粗颗粒土中的水被排出。有效的压实，使得被压实材料的压缩系数太大降低，支承能力提高，减少沉陷。在提高土的压实度的同时，获得较高的剪切强度。压实后，土的剪切强度大约能提高40，因而大大提高了被压实材料的承载能力，降低了渗水性。济人学中诲懒J学位论义土的粒径级配是影响压实效果的重要因素之一。只含有一种粒径的材料，用现有的乐实方法无法提高其压实效果。为了达到高的压实度，必须用小颗粒填料填满被压实材料人颗粒间的空隙。这就说明，为了达到理想的压实效果，必须合理选择士的粒径组合。一般来说，均匀级配是好的级配。所谓均匀级配，即不同粒径的材料按照一定的比例均匀的混合，以达到理想的压实效果。对于均匀级配，重要的参数是级配均匀系数C。1 7J：Cu=10相对应的粒径值。好的级配土，其均匀系数C。5。在这种情况下，大颗粒土之间的空隙被小的颗粒+填充。此外，土的含水量的不同，也会影响压实效果。被压实士的最佳含水量是用葡氏(验测定的。其试验方法是将土样配成不同的含水量，在标准击实仪上击实，然后测出相应含水量的干容重，在直角坐标上绘出含水量与干容重之间的关系曲线(图21)。该曲线被称为击实曲线。击实曲线上千容重最大的点相对应的含水量值为最佳含水量。最磬埘静中颗粒间的摩擦力和内聚力抗拒压实。含水量高，材料易被压实。当含水量上升到最佳含水量附近时，土逐渐变成容易压在一起。然而，压实具有低渗透性的土，提高含水量，压实度会降低，其击实曲线下斜。另外，压实：艺中的碾压遍数也影响压实度。路基施工时，首先需要确定每层填土的厚度及压路机的碾压遍数，以保证要求的密实度。压路机的碾压遍数对路基土和路面材料的密实度的影响由碾压遍数与土和集料的干密度间的关系所决定。由图22所示碾压遍数对土和集料干密度影响示意图来看，用同一种压路机对同一种材料进行碾压时，对增加材料干密度影响很大的是最初的数次碾压，碾压遍数继续增加，干密度的增长率逐步减小，在碾压遍数超过一定值后，干密度趋向稳定，不再增加。图2 2压实度与压实遍数的关系6阿济大学申请碗I：学位论文施工过程中进行路基压实工作，受到种种条件限制，不可能达到室内试验的最高标准，因而不应用室内试验所得的土的最大密实度6 应根据实际需要与可能，适当降低要求，拟定路基压实标准。目前公路路基填土的压实标准，是采用压实度6作为控制标准。实验室中，用葡氏试验法测得最佳含水量及相应的最大干容重6。，现场压实作业过程中测得实际干容重6 者与前者的比值，被称为压实度6 171 一100对给定的工程，规定最低压实度要求，如95，则695为合格。压实度是压实程度的标志，是检验压实效果所普遍采用的检测方法之一。23土的振动压实理论概述对于振动压实，从理论上分析，大致分为三种学说：(1)的共振学说该学说的出发点在于根据物理学原理，如果被压实土的固有频率和激振机构振动频率一致，则振动压实能得到最好的效果。实践证明，共振效果是显著的。然而由于被压实材料的多样性，其固有频率也是变化的。因此。要求激振器的频率做相应的变化是困难的。(2)反复载荷学说该学说认为，材料是由于振动所产生的周期性压缩运动的作用，从而达到振动压实的效果。在低频范围内，它具有一定的现实性。而在高频范围内(1000并无充足的理论依据。有实验表明。在高频范围内，振动作用的效果远远超过反复载荷作用的效果。(3)内摩擦减小学说”“土的内摩擦因振动而急剧减小，使剪切强度下降到只要_ld的负荷就能很容易地进行压实，为此就需要使压轮在振动过程中始终保持着和土的接触，即土的振动频率、振幅和压轮的频率、振幅保持相同，能得到最好的压实效果。在这种情况下，振动压轮传递给十的纯粹是振动能量。为了使压轮达口这样一种工作状态，就必须使振幅很小，使压轮不脱离地面。实验表明，由于振动作用粗砂的抗剪阻力减小到原来的几十分之一：粘性土壤在振动加速度很大时，内摩擦显著减小；沥青混合料的内摩擦大约减少到1，5以下。在实际压实过程中，压实效果是由多种效应共同作用的结果。振动压路机在作业时，振动轮工作，形成对地面的往复冲击。由此产生多个冲击波。冲击波在被压实材料内向纵深扩散和传播。随着振动轮不断振动，冲击波也不断产生和持续扩散。被压实材料的颗粒也因此产生不断运动，其间的摩擦力也由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态。同时，材料中的水分产生离析作用，使材料颗粒的外层包围一层水膜，形成了颗粒运动的润滑剂，大大减小了摩擦阻力。同时振动压路机的工作频率也是影响土颗粒运动状态的重要参数。当工作频率的颗粒运动加速度提高，其内摩擦阻力急剧下降，土的颗粒之间的相互填充作用加强。7同济人学申请硕，型手扶式振动压路机总体方案设计31技术指标手扶式振动压路机的性能要求是：轻便、灵活且操作简便，适合压实沙士、砾石、土壤和沥青，效率高。主要用于道路、人行道、桥梁及停车场上的维修保养。手扶式振动压路机应达到的具体技术指标列于表31。并要求操作方便、安全可靠、经济实用、维护保养方便、整机重量轻，适用于沙子、砾石、土块、沥青、柏油等材料的压实，用于道路、桥梁、建筑等作业场地。表31 5手扶式振动压路机应达到的技术指标工作质量(600 爬坡能力(o) 2032振动形式的选择任何振动压路机都装有振动器。当振动压路机工作时，振动器产生引起振动的干扰力。在干扰力的作用下，振动压路机的工作部件(振动轮)产生具有一定振幅和频率的振动。这就是振动压路机在原理上和静作用压路机的根本区别。根据振动器安装形式的差异，振动压路机有如下几种形式：(1)垂直振动压路机垂直振动压路机具有在两个垂直平面上对称布置的振动器。这两个振动器的偏心块转速相等但方向相反。当振动轴带动偏心块高速旋转时，两个偏心块产生的离心力的水平分量相互抵消，垂直分量相互叠加，从而形成了纯垂宜方向的干扰力。这种振动压路机的结构较为复杂，在实际压实作业中没有突出的优越性。图31为一种垂直振动压路机的外观简图。图31垂直振动压路机8同济大学申请硕十学位论文(2)摆振式振动压路机摆振式振动压路机(图32)在工作时呈摆动状态。因而在任何一个工作瞬时，振动压路机总保持一个振动轮接触地面。如图所示，摆振式振动压路机在前后轮各有一个振动器，其相位差为1800，即一只振动器离心力向上时，另一只的离心力向下。所以理论上总保持一个振动轮跳离地面，使整机除了振动特性外，还具有前后摆动的特点，故称摆振式振动压路机。其工作特性是，在相同质量的情况下，得到较高的线压力和冲击能量。图32摆振式振动压路机(3)外振式振动压路机外振式振动压路机具有两层机架，即上机架和下机架。振动器安装在下机架上，当振动轮带动偏心块高速旋转时，下机架连同安装在下机架上的振动轮一起振动。这种振动压路机的结构简单，便于维修保养。其外形简图见图33。豳3,3外振式振动压路机内振式振动压路机(4)内振式振动压路机内振式振动压路机(图34)的振动器安装在振动轴上，同时振动轴也是振动轮的回转轴。当振动压路机工作时，振动轴带动偏心块高速旋转而产生离心力，振动轮在这个离心力的作用下产生圆周振动。由于这种振动压路机的振动器安装在振动轮中，故称为内振式振动压路机。内振式振动压路机的结构紧凑，操作使用简便安全，特别适用于道路养护。因此，本设计产品的振动系统采用内振式结构。9嗣济大学申请硕振动压路机工作参数振动压路机振动系统设计的关键就是合理选择一组振动与工作参数，来降低被压实材料的内部阻力，实现用较少的能量消耗获得较高的压实效果。振动压路机的主要参数分述如下：(1)静重和线压力静重是指机架和振动轮的重量之和。振动压路机的其他参数不变时，施加于被压实材料的静态和动态压力与静重成正比。此外，经试验证明，振动压路机的影响深度大致与振动轮的重量成正比关系，因此单位轮宽上的静压力是很重要的参数。(2)频率和振幅振动压路机的频率和振幅对压实效果的影响很大。振动频率和振幅都有一定的适宜范围，由于土质的多样性应视具体作业情况而定。瑞典幅之间关系的曲线，如图35所示。由图可见，如果在整个频率范围内增大振幅，将会使压实效果和影响深度显著提高。眯较林出振动频率压实效果与频率、振幅问的正常关系压实度和振动工作参数之间的关系如下：E=，(只)+(丝)压实度振动压路机工作振幅m振动压路机工作频率v振动压路机的工作速度34 型手扶式振动压路机工作原理作为工程机械型手扶式振动压路机的工作环境比较恶劣。在总体方案设计10州济大学申请硕J：学位论义时，尽量使压路机结构简单，使其具有高的稳定性和可靠性，并且装配、拆卸方便，减少管理、保养和维护费用“。型手扶式振动压路机由发动机、机械液压传动系统、控制系统、单钢轮(振动轮又是行走驱动轮)、机架等组成。机械液压传动系统包括机械振动系统和由闭式油泵马达组合集成装置及减速器等组成的液压行走驱动系统(见图36)。压路机工作时，发动机的动力，经联轴器传递。一路通过离合器，经离合器皮带轮，带动振动轴及轴上两个偏心块高速旋转并产生离心力，使单钢轮产生圆周振动；其振动频率与振幅可通过改变发动机转速进行调节。另一路经同步齿形带轮，带动传送器，经传送器轴三角皮带轮传动，带动减速器(小齿轮经中间齿轮带动大齿轮，大齿轮端面与振动轮隔板连接)实现压路机的行走驱动和无级变速及前进、后退。振动压路机的振动轴旋转方向和单钢轮的滚动方向一致，在结构上较合理，并有利于提高压实质量【15】【”】。此外在压路机的外型和操纵部件的设计上，考虑了操作者操作的舒适性J。压路机进行压实作业时，单钢轮对地面每冲击一次，在被压实材料中就产生一个冲击波，从而加速压实过程。由于对压路机的振动及工作参数进行了合理选择，所以能够有效的降低被压实材料的内部阻力，用较少的能量获得较好的压实效果。型手扶式振动压路机的结构总图见附录。盘动机 即步齿烈带传进器度轮盟蒂乾 壹锕乾 僵心块图36 型手扶式振动压路机原理图济火学申请硕l学位论文4振动压实系统的数学模型为了分析振动压路机的振动工作过程，应在充分了解振动压实机理的基础上，将被压实材料和压实工具即振动压路机组成的振动系统，采用质点动力学的方法进行必要的简化，建立数学模型。建立数学模型后，可以进行以卜工作：(1)分析振动系统的动态响应为振动压路机的振动参数的选择和优化设计打下基础。(2)预测己知参数的振动压路机在不同工况下的动态响应，为修改设计提供依据(3)为仿真软件的编制打下基础，合理的数学模型是仿真软件进行分析处理的核心。(4)为振动压路机减振系统的设计提供指导。振动压路机压实力学在过去几十年闯，一直是振动压路机发展研究的主要课题。首先要研究土壤一压路机相互作用的动力学理论，建立合理的数学物理模型及经过大量试验来验证理论的合理性和适用性。ET性、集中参数、弹簧阻尼系统所描述的土壤压路机系统数学模型及其试验结果集中反映了这一方面的成果。它对振动压路机动力学参数的选择，各参数对振动压路性能的影响以及合理评价振动压路机性能提供了理论和实践上的贡献。本文根据这一思路，参照有关文献，建立二自由度强迫振动数学模型，并以此为基础编制了振动压路机的计算机仿真优化软件。41振动分析理论上，振动压路机有6个或以上的自由度。采用6个自由度或以上的振动系统模型，看起来精度很高。然而由于土的随机性和数学处理及简化的局限性，将使理论上精度很高的多自由度数学模型失去精度意义，并且使计算工作变得十分复杂。本研究的重点在于分析被压实材料和压路机在垂直方向上的振动关系，因此不考虑振动系统在水平方向的运动和转动方向的自由度。振动压路机振动系统模型建立的难点之一是，如何确定土的性质和参数。目前普遍把土作为有弹性和阻尼的物体将其简化为一个弹簧和阻尼器。而这是不够的。本研究考虑，土在振动系统中，起作用的不仅是弹性和阻尼。由于土和振动压路机一起振动，一部分十的质量也应计算在内。根据有关文献，将被振实的土壤分为接触区域和周围弹性状态区域，在一定的振动压路机工作参数下接触区域的范围即可确定，此范围的土壤质量即为随振土体质量。因此，应将适当的土的质量作为附加质量，加入振动系统模型，以使模型更加符合实际情况。此外，许多研究者假设土和振动压路机总是一起振动的。即土和压路机的振动轮总是接触的。这也往往不符合实际情况。当激振力较小时，土层和压路机总是紧密接触的；当激振力等于压路机的重量或略高与压路机重量时，也可以近似看作土层和压路机紧密接触，由此而建立的振动模型误差不会太大；然而当激振力远大于压路机重量时，则必须考虑跳振的现象，即压路机跳离十层的情况。如前所述，尽管振动压路机的形状各异，但针对振动压实系统来说，压路机的振动结构可以分为振动轮(下车)和上车，中间用减振器鞋接。所以可将振动系统看作为一个“压12间济大学申请硕士学位论文路机土”的两自由度数学模型。该数学模型参数和条件必要的假设为：(1)在模型中，假设土是具有一定刚度和质量的弹性体。其刚度为尼为尼为线形阻尼(所谓线形阻尼，即阻尼力与运动速度成正比)。(2)振动压路机的上、车为车为3)工作对象土层的一部分随着压路机一起振动，可以将这一部分简化为附加质量。(4)振动轮质心及偏心质量等结构特征对称于振动压路机的纵向轴线，振动轮一土壤系统因此可简化成平面振动模型。(5)振动轮与前机架间橡胶减震器及被振实土壤被表征为弹簧和阻尼的多自由度系统时，弹簧和阻尼均认为是无质量的。(6)由振动轮内偏心块圆周运动所产生的圆周力只以其垂直方向的分量作用到模型上，试验证明，振动轮振动的水平分量几乎全部通过与被压实材料表面之间的相互滑动而被分散掉，并没有传至土壤中。421无跳振时的数学模型42数学模型对于大多数大吨位的振动压路机，或者小型振动压路机(如手扶式)振动压路机的激振频率较低时，振动压实时振动轮紧贴地面，没有产生跳振的现象。按照二自由度的振动模型，选择模型中各单元体静平衡位置为坐标原点，建立图41所示坐标系。其中F。为压实力F，的反作用力。F。是振动轮“2对随振土体“3的作用力。振动系统数学模型简图见图41。圈41压路机振动系统数学模型厂一减振器剐度：2_土的阻尼广。一下车对随振土屠压力；旦芝查堂生堕堡主兰垡堡苎 一一对该两自由度的振动系统，对每个质量应用牛顿第二定律，可导出该系统的运动方程式(见图42)171：K，(2 42振动系统分离体非目5振受力图m】+m2 1(CI(2 (4简明起见，一1)用矩阵形式表示：苫，。：1。1+三。!：+盖，：=：，由于激振力以可以用阻抗分析法解方程(4得到上车振幅和下车振幅。设F=t，则x=0采用向量表示法，则：F=x=程组(4转化为卜国焉_1j+o)(71+：图=1 K m ) I l + 2一2 2+ +2 2j 簪j(43)14堕位论文其中 一激振力幅值；A=一一所一2聊2一略系统中阻尼对振动系统固有频率的影响。由方程组(43)，可得系统的无阻尼状态下频率方程：)：I 0，2：02一2可得系统的一阶和二阶固有频率旷陲2m!巫J1 2l1。其中A=棚2=(+=4层反作用力的计算公式为只=【(+(2)22若忽略土层阻尼，可得土层反作用力幅值为：只=耻争(44)周济大学申请硕士学位论文422有跳振现象时的数学模型I”1当激振力幅值超过压路机重最时，将产生跳振，此时应考虑振动轮和土层的复杂关系。当振动轮加载阶段，此时应将起进行动力分析，分析方法与激振力幅值小于压路机重量时相同；而当F。=振动轮跳跃阶段，随振士体型应分成上、下不相连的两部分进行分析。(1)，分析方法同1，结果见式(4(4(2)时，振动压路机的上下车质量受力图见图4,3，可得振动方程为101曼主+品工x：I+ml+K。K其中， 减振器刚度值下限减振器刚度值上限综合式(51)，式(5式(5得参数优化的数学模型为F(K1，ml，济大学申请硕2一0一。一堕0 m蜀一0蜀l0或简写成厂(x)斗tg，(x)0 (j=l，2，6)553参数优化所采用的数学方法(5式(5以看出，该参数优化的数学模型是一个约束优化设计过程。根据求解方式的不同，可以分为直接解法和间接解法。直接解法的基本思路是在择一个初始点X”，然后决定可行搜索方向d，沿该方向进行搜索得到一个使目标函数值下降的可行的新点完成一次迭代。再以新点为起点，重复上述搜索过程，满足收敛条件后，迭代终止。间接解法的基本思路是，将约束优化问题中的约束函数进行特殊的加权处理后，和目标函数结合起来，构成一个新的目标函数，即将原约束优化问题转化成为一个或一系列的无约束优化问题，再对新的目标函数进行无约束优化计算，从而间接地搜索到原约束问题的最优解。间接解法是目前在机械优化设计中得到广泛应用的一种有效方法。由于无约束优化方法的研究日趋成熟，使得间接解法有了可靠的基础。因此程序采用间接解法中使用很广泛、很有效的惩罚函数法中的内点惩罚函数法(内点法)J。利用内点法将约束优化问题转化为无约束优化问题后，采用鲍威尔(法求解，其中用到黄金分割法计算最优步长。(I)内点惩罚函数法介绍惩罚函数法是一种广泛使用、很有效的求解极值点的间接解法。它的基本原理是将约束优化问题中的约束经过加权转化后，和原目标函数结合成新的目标函数惩罚函数，然后求解该新目标函数的无约束极小值，以期得到原问题的约束最优解。内点惩罚函数法将新目标函数定义于可行域内，序列迭代点在可行域内逐步逼近约束边界上的晟优点。内点法只能用来求解具有不等式约束的优化问题。对于本优化问题，数学模型为同济大学申请硕士学位论文函(x)0 (，6)转化后的惩罚函数形式为妒(V)=删一障碍瑜作为惩罚因子，点法的迭代过程在可行域内进行，障碍项的作用是阻止迭代点越出可行域。由障碍项的函数形式可知，当迭代点靠近某一约束边界时，障碍项的值陡然增加，并趋近于无穷大，好像在可行域的边界上筑起了一道围墙，使迭代点始终不能超越可行域。显然，只有当惩罚因子能求得在约束边界上的最优解。内点法的计算流程骤见图5，22。注意事项；1)初始点则会造成障碍项很大而函数变得畸形。选取参数的初始值作为初始点，可避免该问题的出现。2)惩罚因子初值r。的选取，太大。将增加迭代次数；，太小，会使惩罚函数的性态变坏，甚至难以收敛到极值点。采用下列经验公式计算样，可以使惩罚项和原目标函数的值大致相等，不会因障碍项的值太大而起支配作用，也不会因障碍项的值太小而被忽略。3)惩罚因子的缩减系数2内点惩罚函数法程序框图进行迭代时，rk=(07之间，取c=05。4)2)鲍威尔(法介绍鲍威尔方法是一种共轭方向法。它的基本思路是。在每一轮迭代中总有一个始点和与变量相同个数的线形独立的搜索方向。从始点出发顺次沿搜索方向作一维搜索得一终点，由始点和终点决定了新的搜索方向，代替原来是形成新的搜索方向同济大学申请硕十学位论文组。具体计算的流程见图523。图523鲍威尔方法程序框图(3)黄金分割一维搜索方法介绍在鲍威尔方法中，用到了黄金分割方法求解最佳步长。黄金分割方法又称0618法，是最常用和实用的一维搜索方法。但是一般的黄金分割方法不适用于本优化问题，因为初始搜索区间很难恰当的确定，并且由于计算机精度的问题，搜索往往不能收敛或者收敛到错误的区间。因此，程序对常规的黄金分割方法作了改进，结果表明是有效的。改进的要点是，初始点应在正确的区间内；增加了对搜索区间端点的评价，如果端点的较小函数值小于插入点对应的函数值，则该端点应在选取的新区间内。这样保证了搜索结果不会超出正确的区间。黄金分割的搜索过程见图524。同济大学申请硕士学位论文图524黄金分割方法程序框图注意事项：初始搜索区间的计算根据惩罚函数的特性，如果参数的取值在约束条件之外，惩罚函数的数值将变得远远大于约束条件之内。而在黄金分割方法中，不能预先精确的知道步长的取值范围。而黄金分割法是不连续的试探法，所以，如果不对搜索区间作限定的话，搜索过程很可能在步长的合理取值区间之外进行。因此，根据惩罚函数变量的初始值和每次鲍威尔方法的变量初始值以及搜索向量计算出步长值，下面的公式为具体计算方法：m+玎d”其中， 惩罚函数参数变量初值x”鲍威尔方法第鲍威尔方法第取初始搜索区间(一o。，a)和a，+一)，在这两个区间内分别进行黄金分割搜索取函数最小值对应的7同济大学申请硕士学位论文56土刚度变化时激振频率的选取压路机的工作环境经常改变，压实对象土的刚度在不同的工作地点有不同的数值；随着压实遍数的增加，土的刚度也相应增加。型振动压路机可以通过改变发动机的转速来改变激振频率。通过振动压实系统的数学模型，可以方便地计算出不同土刚度对麻的最佳频率，以使压实力达到理想的数值。软件通过数学模型计算出对应最高压实力所对应的频率。一，为避开振动系统不稳定区域，使最佳激振频率u o=12件给出两种计算最佳频率的模式，一种是设计者给出土刚度变化的区间，系统绘出刚度一频率曲线(见图525)；另外一种是给定土刚度，软件系统给出其对应的最佳频率数值。0图5，25土刚度最佳频率曲线对于型振动压路机，当土的刚度在50间变化时，最佳频率在3815图中曲线趋势可见，压路机的晟佳振动频率是随着土刚度的增大而逐渐增大的。在压实作业中，随着压实遍数的增加，土刚度逐渐变大。对于型振动压路机，最佳频率缓慢地随着土刚度增大而增大，操作者可以相应地适当提高发动机转速，一方面提高压实频率，另一方面加快压路机的行走速度。这样既能保证振动压路机振动压实的效果，又节约时间，提高了工作效率。同济大学申请硕上学位论文6振动轴的优化设计对于内振式振动压路机，在振动轴上安装偏心块激振，同时振动轴也是振动轮的回转轴。振动压路机工作时，振动轴高速旋转，如果设计不合理，将会成为安全隐患。另外振动轴是振动压实系统的主要部件，影响着整机性能。61 型手扶式振动压路机振动轴结构611结构形式振动压路机振动压实系统的工作振幅分为吲定式和可调式两种形式。对于大型振动压路机，往往采用调幅结构，以改变工作振幅。晟常见的调幅方法是通过机械结构改变振动器的静偏心矩。如图61是常见的振动调幅装置。该调幅装置是一个密封的焊接圆柱形结构件，偏心质量分吲定部分和活动部分，轴在振动马达的驱动下旋转，通过键带动振动调幅装置旋转，产生振动。在正反转时，活动块相对固定偏心块处在不同位置，从而产生两种不同的振幅。这种改变静偏心矩的方法一般只能获得两个工作振幅。图61正反转调幅机构示意图一活动偏心块；2一振动轴；3一挡铕；4一圃定偏心块最近国外出现一种液压振动器，可以通过改变液压系统的压力和流量的办法来改变振幅。采用液压振动器，通常可以获得多个工作振幅。但是，液压振动器需要液压系统支持，增加了整机的成本，一般只应用丁手扶式振动压路机属于小型振动压路机，其振动