（机械电子工程专业论文）自行式振动滚压夯实机的优化研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 自行式振动滚压夯实机的优化研究 专业：机械电子工程 硕士生：郭宝良 指导教师：段志善教授 摘要 基础压实作业是土工建筑、水工建筑、道路工程、市政工程等建设中一项非常重要 的基础性工程。基础经过良好的压实，能够显著改善其承载能力和稳定性，降低甚至消 除地基的沉降，从而使各项工程在其使用期间有非常稳固的基础。 自行式振动滚压夯实机( 以下均简称为滚压夯) 是一个多自由度振动系统，但由于 许多因素的限制，人们往往是通过对自由度进行简化来建立数学模型，在对机器的减振 性能进行分析时又作了进一步的简化。 本文首次将a d a m s 引入到滚压夯的模拟仿真中，利用a d a m s 软件建立了的整机 模型，并且经过仔细研究，发现现有研究存在的不足。为提高滚压夯的行走速度、优化 结构、弥补不足，本文在深入研究滚压夯的工作原理的基础上，提出了两种改进模型。 然后针对这两种模型建立相应的动力学微分方程，并在各种工况、不同参数条件下进行 仿真分析，得出了系统的各种动态响应。通过大量的仿真，得出了模型的结构参数以及 土壤参振参数的变化对系统稳定性、行走速度影响的具体结果，得到了较为优化的结构 参数和运行参数，从而找出了影响滚压夯行走速度的主要因素及其最优值。为了证实这 些模拟结果的正确性和可靠性，对原有模型进行仿真并对原有样机稍加改进后进行了实 测，发现实测结果与仿真结果非常吻合，从而充分证实了用a d a m s 进行系统优化仿真 的可行性和可靠性。最后本文对原有模型和改进后两模型进行了横向对比，充分说明了 改进模型的优越性。本文所得出的一些结论对指导滚压夯的整机设计和性能研究等方面 具有一定的参考价值。 关键词：a d a m s ，优化仿真，滚压夯，压实技术，行走速度 o p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho n a u t o w a l k v i b r a t i o n r o l l i n gt a l p i n gm a c h i n e s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a la n d e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：g u ob a o l i a n g c o n d u c t o r ：p r o f d u a n2 魁s h a n a b s t r a c t g r o u n dc o m p a c t i o n j o bi sai m p o r t a n tf o u n d a t i o n a lp r o j e c to f e a r t h w o r kc o n s t r u c t i o n 、 w a t e r p o w e re n g i n e e r i n g 、c i v i le n g l 。n e e r i n g a n d c i t yp l a n n i n ge n g i n e e r i n g e t c g o o d c o m p a c t i o nc a r le v i d e n t l yi m p r o v eg r o u n d sc a r r y i n gc a p a c i t ya n ds t a b i l i t ya n d c a l lr e d u c eo r r e m o v et h es u b s i d eo ft h eb a s e ，s ot h a te v e r y p r o j e c t i nu s i n gh a v ea v e r ys t e a d yb a s e a u t o - w a l kv i b r a t i o nr o l l i n gt a m p i n gm a c h i n e ( h e r e i n a f t e rs h o r t e n e df o r m ：r o l l i n gt a m p e r ) i sam u l t i p l e - f r e e d o mv i b r a t o r ys y s t e m i nf a c ti ti sl i m i t e db yal o to ff a c t o r s ，s op e o p l e a l w a y ss i m p l i f yi ta sat w o o rt h r e e f r e e d o mm a t h e m a t i c sm o d e l w h e na n a l y s i st h ev i b r a t i n g a b s o r p t i o nc a p a b i l i t y , p e o p l es i m p l i f y i t a g a i n t h et h e s i sn o to n l yi n d u c ta d a m ss o f t w a r et ot h es i m u l a t i o no f r o l l i n gt a m p e r , b u ta l s o c o n s t r u c tt h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gm o d e lw i t hi t t h r o l j 【曲t h ea u t h o r sc a r e f u ls t u d y i n gt h eo l d p r o t o t y p i n g ，s e v e r a ls h o r t c o m i n g sh a v e b e e nf o u n d i no r d e rt oi n c r e a s et h ew a l k i n gs p e e do f t h er o l l i n gr a m p e r 、o p t i m i z et h es t r u c t u r ea n dr e m e d yi t ss h o r t a g e ，t h ep a p e r , o nt h eb a s i so f d e e p l yr e s e a r c h i n g t h e p r i n c i p a l t h e o r yo f r o l l i n g t a m p e r , b r i n g f o r w a r d t w o n e w d i f f e r e n t a d v a n c e dm o d e l s ，t h e na i m i n ga tt h e s em o d e l s ，t h ep a p e re s t a b l i s ht h e i rc o r r e s p o n d i n g s y s t e m k i n e m a t i cd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s t h r o u g he m u l a t i n gi nt h ev a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n ， a l lk i n d so fs y s t e md y n a m i cr e s p o n s e sf o rv a r i o u sp a r a m e t e r sh a v eb e e ng a i n e d t h ep a p e r g o t t h ed e t a i l e dr e s u l t st h a th o wt h ec h a n g eo ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dt h es o i l p a r a m e t e r sj o i n i n gi nv i b r a t i o ni n f l u e n c et h es t a b i l i t ya n dw a l k i n gv e l o c i t yo f t h es y s t e m m e a n w h i l e ，t h ep a p e rg o tt h eo p t i m a ls t r u c t u r a la n dr u n - t i m ep a r a m e t e r s ，a n da c q u i r e dt h e m a i nf a c t o r sl i m i t i n gw a l k i n gs p e e do f r o l l i n gt a m p e ra n dt h e i ro p t i m a lv a l u e s t ov a l i d a t e t h e s es i m u l a t e dr e s u l t s ，t h et h e s i se m u l a t e dt h eo l dm o d e l ，h a dae x p e r i m e n to nt h eo l d p r o t o t y p i n g ，c o m p a r e dt h e ma n df o u n d t h ee m u l a t i o n a lr e s u l t si ss i m i l a rt ot h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sv e r ym u c h t h a ti st os a y , u s i n ga d a m s s o f t w a r et oe m u l a t ea n d o p t i m i z et h es y s t e m 西安建筑科技大学硕士学位论文 o fr o l l i n gt a m p e ri so fd e p e n d a b i l i t ya n df e a s i b i l i t y a tl a s t ，t h ep a p e rh a v eat r a n s v e r s e c o n t r a s ta m o n gt h et h r e em o d e l s o l dm o d e l 、t w oa d v a n c e dm o d e l s ，t h et w oa d v a n c e d m o d e l ss h o w e dt h e i ra b s o l u t es u p e r i o r i t i e si nt h ea s p e c t so f t h ew a l k i n g s p e e da n ds t a b i l i t yo f t h es y s t e m i tm a yh a ss o m er e f e r e n c ev a l u ei ns o m ew a yb yu s i n gt h er e s u l to f t h i st h e s i s ， s u c ha si nt h es i d eo f t h ew h o l e m a c h i n ed e s i g na n dc a p a b i l i t yr e s e a r c h ，e t c k e y w o r d s ：a d a m s ， o p t i m i z a t i o n a n ds i m u l a t i o n ， r o l l i n gt a m p e r c o m p a c t i o nt e c h n o l o g y ， w a l k i n gs p e e d 声明 6 1 1 ；8 13 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：宠、茛日期：二鲫年r 9 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：挪蓥良导师签名：受恙磊 日期：加啦f ，罗 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 土壤压实原理简介 基础压实作业是土工建筑、水工建筑、道路工程、市政工程等建设中项非常 重要的基础性工程。基础经过良好的压实，能够显著改善其承载能力和稳定性，降 低甚至消除地基的沉降，从而使各项工程在其使用期间有非常稳固的基础。 基础的压实一般分为静作用压实、冲击压实和振动压实以及振荡压实，如图1 1 所示。静作用压实是靠自重压实土壤，冲击压实是利用自由落体产生的冲击力进行 工作，振动压实是以快速、连续地反复冲击土壤的方式工作。 土壤的振动压实的三种学说： 第一、土的共振学说：根据物理学原理，如果被压实土的固有频率和激振机构 振动频率相一致，则振动压实能得到最好的效果； 第二、重复冲击学说：利用振动在土上所产生的周期性压缩运动作用，使土压 实。为此，就需要增加机械与土接触前一瞬间的动量，这就需要使机械具有大的振 幅和增大振动部分的质量； 第三、内摩擦减小学说：土的内摩擦因振动而急剧减少，使剪切强度下降到只 要很小的负荷就很容易进行压实。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、振幅与压轮的频率、振幅相同，能得到最好的压实效 果。这种情况下振动压实轮传给土的纯粹是振动能量，要求振幅要很小才能保证压 轮不脱离地面。 以上三种学说是以不同的角度对振动压实机理进行解释。另外还有压力波波动 学说、非线性振动学说等。然而土壤的种类繁多，实际工况各异，且被压实材料多 为非匀质异性材料，影晌压实过程的因素很多在某种学说对某些现象可以圆满地 解释，而对另外些现象无法解释的情况下，另外一种学说可以加以补充解释。因 此，各学说都有待进一步的试验研究。【2 j 一般来说，土壤的压实效果主要与下列因素有关：土壤的性质、含水量、压实 机械的类型和性能参数，以及作业方式。现代科学理论和试验证实，振动压实是极 为有效的压实方法。与一般的压实方法相比具有压实效果好、压实厚度深和生产效 率高等特点，因此，成为目前压实机械应用的主要的压实方法。【3 】 振荡压实是利用压轮产生的扭振力的作用，施加于土壤上一水平方向交变振动， 从而使压轮产生振荡运动，土壤在交变剪应变及压轮静载荷的作用下得以压实。 珏安建筑科技大学硕士学位论文 亡二 压八 g宅 产 ( a ) 静压( ”冲击( c ) 振动( d ) 振荡 图1 1 由图1 1 可知，振动与振荡的根本区别是钢轮振动方向不同，前者为垂直方向 的振动，后者则为水平方向振动( 即振荡) ，但导致的使用效果却截然不同。垂直方 向的振动越大，对地面的振动质量就越大( m + f g ) ，影响铺料层的深度就越深，特别 适合路基及较厚的铺料层压实。而对沥青混凝土面层或在压实终了时，就会造成整 体强度下降。水平方向的振荡是利用钢轮自身质量与钢轮水平方向的揉搓对铺料层 共同作用的，由于钢轮不离地面，可防止压碎骨料。水平揉搓有利于提高面层的平整 度和密实性，并且其消耗的功率较小，约为振动压实的5 0 左右，但其影响深度比 振动压实小，较适于沥青混凝土面层和终了压实。“3 1 2 国内外压实机械发展概况 随着现代科学技术的迅猛发展，在压实机械技术领域的理论研究和实践中，计 算机技术的应用已成为非常重要的研究手段，这使得压实机械的研究过程从论证、 设计、制造、试验、使用、维修到管理的全过程成为高度自动化和现代化的工作过 程，并将最终推动压实机械向自动化、智能化、无人化和机器人化的方向发展。 1 压实机械的智能化 在压实机械智能化方面一个可以预测的目标是，将自适应和自学习技术引进压 实控制中，并在此基础上实现压实作业的最优控制。机器可以按照土质的变化情况 不断调整自身各项工作参数( 振动频率、振幅、碾压速度和遍数) 的组合，自动适 应外部工作状态的变化，使压实作业始终在最优条件下进行。压实机械智能化发展 的另一个重要趋势是应用机载计算机，进行工作过程的监测、机器技术状态的诊断、 报警及故障分析。 2 压实机械的其它新技术 ( 1 ) 计算机仿真压实过程 瑞典g e o d y n a m i c 技术咨询公司开发了振动压实过程计算机仿真软件。由该软件 提供的仿真模型允许将土壤最基本的物理学特性作为计算机的输入参数，在不同的 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 土壤条件和不同的机械参数下模拟滚轮与土壤相互作用的动力学特性，可用于对现 有振动压路机的压实性能进行评价和对新设计的机型进行性能预测。软件的另一个 功能是可以根据给定的土壤条件，选择不同的机型和施工工艺，并对方案进行比较 和优化。 ( 2 ) 碾压作业连续控制技术 g e o d y n a m i c 公司的压实设备控制与检测系统经过改装可安装于其它厂家的压 路机上。该系统包括用于振动压路机和振荡压路机上的示波器，以及用于连续压实 控制( c c c ) 、文件系统( c d s ) 和处理c c c 数据用的p c 软件程序。 ( 3 ) 压实工程辅助管理 b o n a g 公司向用户推出了一种名为c a r e ( c o m p u t e ra i d e dr o l l e r s e l e c t i o n e a r t hw o r k s ) 的土方压实机械辅助软件，作为使用压实设备的辅助工具。它可以帮 助用户根据工程的工作量、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，对每一方案均可提供对各使用参数的选 用建议，包括压轮类型( 光轮、凸轮或光轮与凸轮结合) 、振幅和频率、最小与最大 铺层厚度和铺层数、每层压实带的安排、碾压速度和遍数以及压实生产率和压实时 间的确定。 ( 4 ) 防滑转控制系统 这种称作a s c ( a n t i s 1 i pc o n t r 0 1 ) 的防滑转控制系统，是为满足建筑大坝和 大型填方工程而设计开发的，使压路机的爬坡能力超过5 0 。该系统主要是监测振 动轮和胶轮之间的滑转广借助于调整液压驱动系统的流量，提供最佳牵引条件，避 免机器停顿或下陷。 ( 5 ) 工业设计技术的应用 b o n a g 公司的第三代压实机械采用了工业设计，用圆弧形的现代驾驶室和大斜 坡的发动机罩作外观造型。新驾驶室的活动空间增加3 0 ，方向盘的高度与倾角可 调，选用舒适的高靠背座椅，给驾驶员带来了良好的操作环境。圆弧形挡风玻璃和 驾驶室有四个外支承，可隔离噪声与振动，室内的噪声低于7 0 d b 。液压转向器也移 到驾驶室外，以减少发热和噪声。仪器仪表设计更合理，易于观察，发动机罩倾斜， 给驾驶员提供了良好的视野。 3 国外压实机械的新产品 这些新型压路机都体现了新的工作原理、新技术的应用及专门化作业的特点。 有三轮铰接静碾压路机、振荡式振动压路机、垂振式振动压路机、冲击式压路机、 薄层路面振动压路机、路肩专用压路机、沟槽专用压路机等。“1 3 - 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 当今世界压实机械发展的趋势 ( 1 ) 振动压实机械显示出绝对的优势。 目前，国际市场上振动压路基的销售约占总销量的5 5 8 5 。 ( 2 ) 串联振动压路机的应用范围扩大。 ( 3 ) 轻小型振动压实机械产销量大。 例：日本的振动夯实机年产量约位各种压路机总产量的9 1 0 倍，其总产值也 达到了压路机的4 5 8 5 。 ( 4 ) 静碾光轮压路机趋向大滚轮全驱动。 ( 5 ) 振荡压路机被逐渐认识。 ( 6 ) 冲击式压路机突破了传统的滚压方式。 ( 7 ) 压路机的多功能与系列化的同步发展。 ( 8 ) 特种用途压路机的出现。 5 现代压路机的结构特点 ( 1 ) 全液压传动。 ( 2 ) 全轮驱动行走。 ( 3 ) 铰接转向。 ( 4 ) 自锁式差速器。 ( 5 ) 压力喷雾撒水。 ( 6 ) 三级制动机构。 ( 7 ) 振动压路机的三级减振。 ( 8 ) 翻车保护。 随着国民经济的发展，道路的修筑工程规模越来越大，其技术标准和等级也越来 越高，压实机械也随之得到较快的发展。至7 0 年代末期，压实机械已走过了从蒸汽机 到内燃机、从机械传动到液压传动、从静碾压到振动碾压、从单振幅单频振动到多 频多幅振动的发展过程。“3 1 3 本文的主要研究内容 由于现代的压实机械主要向大型化、多功能化及电液自动化方向发展，而市场 上的小型压实机械还主要是一些传统产品，如：蛙式打夯机、振动平板夯及冲击夯， 它们在较小的施工工程中被广泛采用，但是它们的应用范围各不相同，目前广泛使 用的是蛙式打夯机，建设部早在1 9 9 5 年就下文要求不再使用。由于其噪音大、运行 速度低、安全性差，因此急需研制出种工作效率高、压实效果好的小型压实机械 来更新换代。 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 由此，根据国家专利( e l 9 5 2 4 5 2 4 4 8 ) “自行式振动滚压夯实机”的构想以及针 对1 9 9 9 生产的样机存在的结构参数和运动参数不合理，水平行走速度慢且不稳定等 问题。本文在前人工作的基础上，为了提高自行式振动滚压夯实机的水平行走速度 和运行稳定性，主要对以下与自行式振动滚压夯实机密切相关的问题进行了研究。 ( 1 ) 了解国内外夯实机的发展动态，对前人工作进行总结，找出现存的不足之 处； f 2 ) 对原有样机和其工作原理进行仔细的研究，并在原有模型的基础上建立两 种改进模型，并建立各自的运动微分方程： ( 3 ) 对a d a m s 进行简单介绍，并说明了用它进行滚压夯的仿真研究的可行性； ( 4 ) 通过分析，初步确定影响滚压夯行走速度和系统稳定性的主要因素； ( 5 1 针对( 2 ) 提出的两种改进模型，分别在不同工况下、主要因素的不同取值 条件下进行详细的仿真。若采用多个因素一起变化的策略，那么容易出现 以下几个问题：a 随着考察因素的增加引起计算量成指数增加，也就是计算 机界经常提及的n p 难题；b 该系统为非线性的，这样做很难保证系统的最 优解一定存在：c 无法确定每个主要因素对滚压夯行走速度和系统稳定性的 影响具体有多大和该因素是否应该重点考虑。因此本文采用的方法是先对 其中一个因素进行优化，然后再依次对其他因素进行优化，而且每次均在 前一次得到的优化值基础上进行的。最后使得夯实机的结构参数和运行参 数得到了优化。寻找出其最优值，并取得了不同工况下的最优参数设定值 和夯实机的水平行走速度； ( 6 ) 为了验证仿真的正确性、有效性和可行性，对原有模型进行仿真并对原有 样机稍加改进后进行实测，做了大量的试验。发现实测结果与仿真结果非 常吻合，从而进一步证实了用a d a m s 进行系统优化仿真的可行性和可靠 性； ( 7 ) 对原有样机模型与改进后两模型进行了横向对比，充分说明了改进模型的 优越性： ( 8 1 最后，对所做工作进行总结，并提出了对未来夯实机的展望。 在设计、仿真和优化过程中，主要研究了以下六个方面对自行式振动滚压夯实 机水平行走速度和运行稳定性的影响： 偏心轴i i 和偏心轴i i i 相对于偏心轴i 的水平距离； 偏心轴i i 和偏心轴i i i 相对于偏心轴i 的垂直距离； 偏心轴i i 和偏心轴i 的偏心距； 西安建筑科技大学硕士学位论文 偏心轴i 的偏心距和偏心块的长度： 滚筒中心和夯头架与地面接触部分中心的水平距离； 偏心轴i 的偏心角度： 偏心轴l i 和偏心轴i i i 的相位角； 三根偏心轴的转速对自行式振动滚压夯实机水平行走速度和运行稳定性的 影响； 土壤参振参数对自行式振动滚压夯实机水平行走速度和运行稳定性的影响。 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 系统的运动微分方程的建立 2 1 自行式振动滚压夯实机的工作原理简介 自行式振动滚压夯实机( 以下简称滚压夯) 机架上前后各装一根质量和偏一心距 均相同的、相位角相差oo 的偏心轴1 i 和偏心轴i ，滚筒中心也装有一根偏心轴i ， 这三根偏心轴通过同步齿形带相互连接，再通过皮带将偏心轴i i 与电机相连接，由 电机带动三根偏心轴转动。三根偏心轴满足以下相位角关系：偏心轴i 超前偏心轴 ib1 0 ，偏心轴i 超前偏心轴i ib2 0 1 因此，工作时夯头架首先向上摆动，滚筒在偏 心轴i 的激振力f t 的垂直分力的作用下产生振动，当f 一的水平分力较大且方向向 前时，滚筒便向前滚动；当f 。的水平分力向后时，夯头架刚好冲击地面，此时夯头 架所受的摩擦力向前且大于f t 向后的水平分力，所以，此时滚筒静止于地面。随着 偏心轴的旋转，夯头架再次向上摆动，从而又重复上述运动。所以，在实际工作中 滚压夯就是这样有规律有节奏一边振动压实一边向前滚动，一边又冲击压实。图2 1 为其工作原理示意图。 图21 滚压夯工作原理示意图 l 一扶手2 一电机3 一小带轮4 一皮带5 一大皮带轮6 一偏心轴i i? 一同步齿形带轮 8 一机架( 夯头架)9 一滚筒1 0 - 偏心轴i1 i 一同步齿形带1 2 一偏心轴1 1 1 2 2 原有样机模型及不足 文献 3 中提及的原有样机的物理模型见图2 2 ，动力学模型见图2 3 所示。 一7 西安建筑科技大学硕士学位论文 图2 2 原有样机的物理模型示意图图2 3 原有样机的动力学模型示意图 通过仔细研究，发现原有样机模型主要存在以下缺点： 根据自行式振动滚压夯实机的工作原理，文献 3 提到：“偏心轴i i 和偏心轴 i i i 的相位角相差1 8 0 。，偏心轴i i i 超前偏心轴i9 0 。，偏心轴i 超前偏心轴i i 9 0 一。这样就存在很大的局限性，忽略了三根偏心轴之间的相位角变化对滚 压夯水平行走速度和稳定性的影响； 由于电机的重量约占整机重量百分之十，其影响是无法忽略的，所以应在所 建立的动力学模型中将其添上； 原有样机存在结构参数和运动参数不合理，水平行走速度慢且不稳定等缺 点。 2 3 改进模型的构思及系统运动微分方程的建立 针对原有样机模型及其动力学模型的不足，通过深入分析滚压夯的工作原理， 我们得到两种模型改进方案。 2 3 1 改进模型i 1 改进模型的构思 在滚压夯的动力学模型中考虑电机因素； 保持偏心轴i i 和偏心轴i i i 的相位角相差1 8 0 0 ，使三根偏心轴满足以下相位角 关系：偏心轴i i i 超前偏心轴i9 0 0 y ，偏心轴i 超前偏心轴i i9 0 0 + y ： 通过仿真，确定影响行走速度和系统稳定性的主要结构参数及其最优值，并 根据结果进行模型的结构改进； 通过仿真，确定影响行走速度和系统稳定性的主要运行参数及其最优值。 根据构思，改进模型i 的虚拟样机模型如图2 4 所示，其动力学模型如图2 5 所示。 一r 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 c 一7 一 二t 占兰三二兰b 震惑：兰 l 1 _ 一 飞 产 j 图2 4 改进模型i 的虚拟样机模型图2 5 改进模型i 的动力学模型示意图 2 改进模型i 的假设 ( 1 ) 假设滚压夯有一个纵向对称平面，在此平面内各构件的质量均作用于其质心。 ( 2 ) 假定土壤是一个弹性体，其变形与外力成线性关系，阻尼是线性粘滞阻尼， 并且认为土壤的振动参数刚度k 、阻尼系数c 在某一密实度下是一个常数。 ( 3 ) 假定偏心轴的角速度m 为一定值。 ( 4 ) 滚筒在工作过程中沿水平方向前进时做纯滚动。 ( 5 ) 滚筒在工作工程中始终与地面保持接触。 ( 6 ) 根据滚筒、夯头架的结构特征，可认为滚筒和夯头架均为刚体。 3 改进模型i 的模型中的符号说明 o 一偏心轴i 、滚筒及夯头架的回转中心； 0 ：、o 。一分别为偏心轴1 i 和偏心轴i i i 的回转中心： c 、c ：、c 。、c 、c 。一分别为偏心轴i 、偏心轴i i 、偏心轴i 、夯头架及电机的质心： m 、m ：、m 、m 。、m 。、 1 1 6 一分别为偏心轴i 、偏心轴i i 、偏心轴i 、夯头架、滚筒 及电机的质量； d 一静平衡时0 0 ：与x 轴的夹角； b 一静平衡时o c 与0 。0 ：的夹角： y 一静平衡时0 e ，与y 轴的夹角： e 一静平衡时o c 。与x 轴的夹角： 中一夯头架工作中0 0 ：相对其静平衡位置的摆角： l 。一o o 。和o ，o ，的长度； b o c 的长度； k 一0 c 。的长度； q 西安建筑科技大学硕士学位论文 e 一偏心轴i 的偏心距； e 2 一偏心轴i i 和偏心轴i i i 的偏心距； u 一三根偏心轴的转动角速度； k 、c 一土壤的刚度系数和阻尼系数； 4 求系统的动能和势能 首先建立系统的坐标系，坐标系的原点在系统初始静平衡位置滚筒的回转中心， 取此时滚筒中心水平向左的方向为x 的正向；取此时滚筒中心垂直向上的方向为y 的正向：夯头架的摆角审，逆时针为正向；以以上三个坐标为广义坐标进行系统运 动微分方程的建立。用基点法进行研究。 假设某时刻0 点的坐标为( x ，y ) ，0 点的速度为x ，y 。 偏心轴i 的动能和势能 c 点的速度： i x 岛= x + f o e tc o s ( w t + y ) l y ；l = y 一雠1s i n ( o j t + y ) c 1 点的动能： 五= 寺m 。v 。2 ，= 去m 。( x z 十y ：) = 1 i q l x r 2 - - i 1m l y 2 + r o l e i c o ( x c 。s ( c o t + y ) - y s i n ( c o t + r ) ) + 芝1m 。q 2 珊2 c 1 点的势能： 一= m g ( e lc o s ( 埘+ y ) + y ) ( 取坐标原点为势能0 点。) 偏心轴i i 的动能和势能 c 2 点的速度： l 2 = x ；2 + ( o e 2 s i n ：- o r 【y ；2 = 比2 + o ) e 2 c o s o ) t f x 0 2 = x + 妒厶s i n ( a + 妒) f y 0 2 = y + p 厶c o s ( 口+ 妒) c 2 点的动能： l ：昙。：嵋： z = 1 _ m 2 ( 磁+ y c t 2 2 ) = 圭叫2 + j | m ：_ y f 2 呐妒r 驰f s i n ( 口+ 妒) + y c o s ( 口刊) 1 0 ， 西安建筑科技大学硕士学位论文 + 棚2 e 2 ( x s i n c o t + y c o s o t ) + m 2 c o e 2 p 厶c o s ( 彩t 一( a + p ) ) + j 1 唰2 厶2 + 圭掣2 分 c 2 点的势能： = m 2 9 ( 厶s i n ( a + 妒) + e 2s i n c o t + y ) 偏心轴1 1 1 的动能和势能 c ，点的速度： f z = x ：3 一t o e 2 s i n o g t 1 y = y ：，一删：c 。s 删 f x = x + 缈z is i n ( a 一妒) 【y ：3 = y 一妒z c o s ( a 一伊) c 3 点的动能： l = 寺m 3 工n + 吉m 3 y 门+ 埘3 伊z i ( 石s i n ( a 一妒) 一y c o s ( a 一妒) ) + m 3 r o e 2 妒z ic o s ( o t + ( 口一伊) ) 一m 3 0 ，e 2 ( x s i n o ) t + y c o s 甜t ) t l m ，r p 2 厶2 + 丢，2 e ：2 c ，点的势能： = m 3 9 ( l ls i n ( a 一妒) 一e 2s i n o g t + y ) 夯头架的动能和势能 c 。点的速度： f z ；4 = x + 妒z 2s i n ( a + 卢+ 妒) i y ；4 = y + p z 2c o s ( a + 卢+ p ) j c 4 = j d c 4 一聊4 上2 c 。点的动能： l ：l ，m 。v 。2 + 与乇2 ：1 m 4 ( x ：。2 + y ：。2 ) + l ，y 。妒2 = l m 4 x f 2 j r 互1 ，f z4 _ _ 2 1 j o c 4 妒2 + 卅4 伊z 2 ( 工s i n ( a + + 妒) + _ ) ，c o s ( 口+ + 妒) ) c 。点的势能： = m 4 9 ( l 2s i n ( a + + 妒) + y ) 滚筒的动能和势能 西安建筑科技大学硕士学位论文 = ；“。+ ；厶( z r ) 2 = j 呢肖，2 + 去r ，2 + 去厶( x 斤) 2 k = m s g y 电机的动能和势能 c 。点的速度： i z k = x + 妒，6s i n ( o + 妒) l y = y + p z 6c o s ( o + 矿) l ，f 6 = j o c 6 一m 6 l 6 c 。点的动能： t o = i 1m 6 v 2 6 + i 1 ，。妒7 2 = i 1m 。z ，2 + i 1m 。y , 2 + i 1 ，。妒2 + m 6 妒z 6 ( 工s i n ( o + 妒) + y c o s ( o + 妒) ) c 6 点的势能： 圪= m 6 9 ( l 6s i n ( o + 妒) + y ) 系统的总动丁、势b e , v ： o 11 丁= 正= 寺( m + 厶r 2 ) x “+ 去坳“+ 2 ( 2 m ：l 。2 + j d c 4 + ，o c 6 ) 妒“ + 2 2 l 1 p s i n a ( x c o s r p y s i n 妒) + 2 m 2 埘e 2 妒z lc o st 2 c o s ( c o t 一伊) + m l e l 国( 一c o s ( o ) l + y ) 一y s i n ( w t + ，) ) + m 4 妒z 2 ( z s i n ( a ：+ + 妒) + y c o s ( a + + p ) ) + , 6 妒z 6 ( 工s i n ( o + 妒) + y c o s ( o + 妒) ) + 妻州i q 2 珊2 + m 2 已2 2 国2 v = m l g e lc o s ( c o t + y ) + 2 m 2 9 l 1s i n c t c o s q ， + m 4 9 l 2s i n ( z + + c , o ) + m 6 9 2 6s i n ( 口+ 妒) + m g y 式中：m = 脚 j 。，j o c 。一为夯头架和电机绕回转轴o f f 3 转动惯量； ，。一为滚筒绕回转轴d 的转动惯量； 5 。改进模型i 的系统运动微分方程的建立 1 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 5 2 2 2 2 8 目自! ! e ! ! ! 自e e ! e ! ! ! ! 目j s ! 自! ! 妄! g! ! 根据拉格朗日方程旦( 要) 一娶+ 掣：q 可以求得系统得运动微分方程，暂dt 、锄；7 幻，4 。一”。 时不考虑地面对夯头架冲击的影响。关于x 、y 、中的方程如下： 关于z 的方程： ( m + j o r2 ) x 8 + 2 m 2 l ls i n a ( p 4 c o s f p 一妒2s i n o ) 一m l e l o ) 2s i n ( c o t + y ) + 聊6 l 6 ( 妒”s i n ( o + + p 2c o s ( 0 + 湖 + m 4 l 2 ( 妒”s i n ( a + + p ) + 妒“c o s ( c t + + p ) ) = 一s g n ( x ) c f 1一 0 l 式中： s g n ( x 7 ) = 0 z = 0 i 一1z ， 0 式中： s g n ( x ) = t o 一：o l 一1 一 o 2 关于y 的方程： 一1 4 办忉邶麓焉 嘲神 董砉一 咿矿崦卅咖 罾喊叩嘲岍 桫w 妒 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 关于驴的方程： ( 柳2 茸+ 厶c 4 + 厶c 6 ) 矿。+ 坍2 厶s i n a ( x ”c o s y “s i n 妒) 一2 2 e 2c o s a s i n ( o j t 一妒) + 聊4 l 2 ( x 4 s i n ( a + + 妒) 十y ”c o s ( g + 卢+ 妒) ) m 6 厶( z ”s i n ( o + 妒) + y “c o s ( a + 妒) ) 一m 2 9 s i n c c s i ne p + m 4 舌正2c o s ( g + 卢+ 伊) + m 6 9 6c o s ( o + 妒) = 0 2 4 本章小结 本章首先对滚压夯的工作原理进行了详细地介绍，然后对原有样机模型进行了 研究与推敲，发现了它存在的一些不足之处。接着，为提高夯实机的行走速度，优 化结构，弥补以上不足，本文提出了两种改进模型方案的构思，并在此构思基础上 建立了相应的系统运动微分方程。在两个模型的方程中主要增加了两方面的内容， 一是将电机的影响加入到方程中，二是将三根偏心轴的相位的影响加入到方程中。 这样更好描述出滚压夯的运动，为开展后续工作提供了坚实的理论基础。 1 5 西安建筑科技大学硕士学位论文 3a d a m s 简介 3 1 a d a m s 功能简介 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 软件是美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，它利用 交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型， 其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程， 对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反 作用力曲线。a d a m s 软件的仿真可以用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检 测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 a d a m s 是世界上应用最广泛且最具权威性的机械系统动力学仿真分析软件。应 用领域极其广泛，例如：航空航天、汽车工程、铁路车辆及装备、工业机械、工程 机械等。其主要特点如下： 利用交互式图形环境和零件、约束、力库，建立机械系统三维参数化几何模 型； 分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性动力学分 析，包含刚性体和柔性体分析； 具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、准确； 具有组装、分析和动态显示不同模型或同一模型在某一过程变化的能力，提 供多种“虚拟样机”方案； 具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器： 具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序； 自动输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，仿真结果显示为动画和曲线 图形； 可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷以及计算有限元 的输入载荷； 支持同大多数c a d 、f e a 和控制设计软件包之间的双向通讯等； 3 2a d a m s 软件模块简介 a d a m s 软件由若干模块组成，分为核心模块、功能扩展模块、专业模块、工具 箱和接口模块5 类，其中最主要的模块是a d a m s v i e w 一一用户界面模块和 a d a m s s o l v e r 一求解器。通过这两个模块可以对大部分的机械系统进行仿真。 a d a m s v i e w ( 界面模块) 是以用户为中。t l , 的交互式图形环境。它将简单的图标、 1 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 菜单、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、x - y 曲线图处理、 结果分析和数据打印等功能完美地集成在一起。 a d a m s s o l v e r ( 求解器) 是a d a m s 软件的仿真“发动机”，它自动形成机械系统 模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学解算结果。a d a m s s o l v e r 有各种 建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程问题。 a d a m s c o n t r o l ( 控制模块) 可以通过简单的继电器、逻辑与非门、阻尼线圈的 建立简单的控制机构，或者利用在通用控制软件( 如：m a t l a b ，m a t r i x ，e a s y 5 ) 中 建立的控制系统框图，建立包括控制系统、液压系统、气动系统和运动机械系统的 仿真模型。 a d a m s l i n e a r ( 系统模态分析模块) 可以在进行系统仿真时将系统非线性的运 动学或动力学方程进行线性化处理，以便快速地计算系统的固有频率( 特征值) 、特 征向量和状态空间矩阵，更快更全面地了解系统的固有特性。 a d a m s