（机械设计及理论专业论文）冲击振动压路机振动机构仿真研究.pdf

n - - - 1 一 b l m u l a t l o nr e s e a r c n i m p a c t v i ad i s s e r t a t i o ns u b m i r e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l e n gx u e y u a n s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gr e n f e n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 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 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：湾r 寥侮 加，。年期2 7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：污惩p 导师签名： 讲3 人甲 例哞，肛7 日 2 u 年，月27 日 摘要 现代交通运输，具有高速度、高密度、重载荷的特点，这就对路的强度、平整度等 提出了更高的要求。因此，路基路面在铺筑时，必须达到设计的密实度，以保证路的强 度和稳定性。路基路面密实度使压实技术得到快速发展。 冲击振动压实技术是近年来出现的又一种新型压实技术，它将振动、冲击和静力三 种压实方法结合在一起，实现了冲击和振动功能的有效结合。这种技术将几种压实技术 集中于一台压路机中，可得到更好的压实效果。但冲击振动压实机还处于研发阶段，一 些部件需要进一步的设计研究。 论文首先理论说明了冲击振动压实的机理，比较了几种冲击振动压路机的优缺点， 分析了目前冲击振动压路机存在的主要问题。为了深入研究冲击振动压路机的振动特 性，论文利用三维建模软件p r o e 建立了振动部分( 含定向与非定向振动) 的几何实体 模型，利用a n s y s 建立柔性体模拟地面，利用动态仿真软件a d a m s 对实体模型进行 了一系列振动仿真，分析比较了定向与非定向两种振动方式在水平方向的作用力、跳振 临界振幅大小。同时以该仿真模型为参考，对振动功率进行了相关计算和比较。 论文研究的相关结论对于进一步研究冲击振动压实是非常有益的，同时对于工程实 践也具有一定的参考价值，为冲击振动压路机振动部分的参数确定提供可靠的技术支 持。 关键词：冲击振动，压路机，动态仿真，振动功率 t h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo fv i b r a t i n gp a r ti sc r e a t e db ys o f t w a r ep r o e ( i n c l u d i n g d i r e c t e da n dn o n d i r e c t e dv i b r a t i o n ) ；f l e x i b l eb o d yc r e a t e d 、丽t l la n s y si ss i m u l a t i n gt h e g r o u n d ；o nt h eu s eo fd y n a m i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ea d a m s ，as e r i e so fv i b r a t i o ns i m u l a t i o n s a r ec a r r i e do u t 硼舱nt h ef o r c ei nt h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o no fd i r e c t e da n dn o n - d i r e c t e dm o d e s o fv i b r a t i o n , t h ec r i t i c a lv i b r a t i o na m p l i t u d eo f j u m p i n gv i b r a t i o na r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ， a n db a s e do nt h es i m u l a t i o nm o d e l ，t h ev i b r a t i o np o w e ra r ec a l c u l a t e da n dc o m p a r e d t h ec o n c l u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o ni s v e r yu s e f u lf o rf u r t h e rr e s e a r c ho nj u m p i n g v i b r a t o r yc o m p a c t i o n , a n dh a sr e f e r e n c ev a l u ef o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e w h a t sm o r e ，t h e c o n c l u s i o n sc a np r o v i d er e l i a b l et e c h n i c a ls u p p o r tt od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r so fv i b r a t i n g k e yw o r d s ：i m p a c tv i b r a t o r y , r o l l e r , d y n a m i cs i m u l a t i o n , v i b r a t i o np o w e r 目录 第一章绪论1 1 1 压实的重要性1 1 2 压实设备的发展1 1 3 国内外压路机现状与发展趋势k 2 1 3 1 国外压路机发展趋势2 1 3 2 国内振动压路机现状及发展趋势4 1 4 虚拟样机技术的发展。5 1 5 本文研究问题的提出和内容。6 1 5 1 研究问题的提出6 1 5 2 本文的主要内容6 1 5 3 本文的主要研究方法6 第二章压实方法与压路机7 2 1 压实机理与压实方法7 2 2 压实机械。9 2 4 冲击振动压路机12 2 4 1 冲击振动压路机原理一l3 2 4 2 两种冲击振动压路机比较13 第三章冲击振动压路机振动机构建模1 4 3 1a d a m s 介绍。1 4 3 1 1a d 削s 基本模块1 4 3 1 2a d a m s 软件中的约束、驱动与接触1 6 3 2 压路机实体模型建立1 9 3 2 1 压路机振动轮钢圈几何模型建立。2 0 3 2 2 压路机偏心块几何模型建立2 0 3 2 - 3 压路机振动轮在p r 0 e 中的装配与输出2 l 3 3 橡胶柔性地面模型的建立2 2 3 3 1a d a m s f l e x 柔性分析模块介绍2 2 3 3 2m n f 模态文件的生成2 3 i i i a d a m s 整机仿真模型的建立2 4 3 4 1 仿真前处理2 4 3 4 2 仿真描述( s i m u l a t i o ns c r i p t ) 的创建2 6 模型验证及减振器参数选取2 8 仿真模型的验证2 8 减振器参数的选择3 0 4 2 1 减振器刚度的选择3 0 4 2 2 减振器阻尼的选择3 2 仿真与结果分析3 4 非定向振动与定向振动受力分析3 4 仿真分析非定向振动与定向振动受力。3 5 5 2 1 频率为2 5 h z 时的仿真结果曲线分析3 6 5 2 2 频率为3 0 h z 时的仿真结果曲线分析3 8 非定向与定向振动跳振仿真4 0 5 3 1 非定向振动跳振情况4 1 5 3 2 定向振动跳振情况4 2 5 4 本章小结4 4 第六章冲击振动压路机振动功率分析4 5 6 1 几种振动压路机振动功率的计算方法4 5 6 1 1 经验公式。4 5 6 1 2 单自由度模型功率计算方法。4 5 6 1 3 两种公式比较4 8 6 2 两种振动方式振动功率的计算比较4 8 结论与展望5 0 参考文献51 到c 谢5 4 i v 长安大学硕士学位论文 1 1 压实的重要性 第一章绪论 现代的土建工程，包括公路、铁路、港口、机场、水电、和国防工程等基础设施工 程，都是在原始的土方基础上，分层填方压实铺起来的。这些结构层除了承受固定载荷 外，还要受到车辆行驶带来的变载荷作用【3 】。此外，基层和面层还受到常年的日晒、风 霜雨雪等气候侵蚀，甚至要受到洪水、干旱、地震等自然灾害的影响和破坏。天长日久， 基层将出现各种破坏。公路基层如果存在隐患，就会加快面层的破坏，致使路面出现深 陷、波浪、裂纹等等病害。而路面的损坏，又会使行车舒适度下降、运输成本提高、运 输效率降低，严重时将危及行车安全，导致交通事故【2 3 j 。 现代交通运输，具有高速度、高密度、重载荷的特点。这也就对路的强度、平整度 及粗糙度提出了更高的要求。因此，路基路面在铺筑时，必须达到设计的密实度，来保 证路的稳定性和强度。 我国公路在建国以来这6 0 多年里，发生了翻天覆地的变化。建国前我国的公路总 里程8 万公里，到2 0 1 0 年底，我国公路总里程已超过3 7 0 万公里。我国的高速公路起 于1 9 8 8 年，但真正发展起来始于1 9 9 8 年的亚洲经济危机。到2 0 1 0 年，我国高速公路 总里程为6 5 万公里，仅次于美国，居全球第二。 2 0 0 8 年的经济危机，又一次推动了我国基础设施建设，不但推动了高速公路发展， 还推动了我国铁路的发展。2 0 0 9 年，我国高速公路开工里程达1 0 0 0 0 公里。 要使这么多公路经久耐用，就必须使路基路面达到要求的强度。而路面的破坏很大 一部分是路基的变形引起的。在公路结构的变形中，路基的变形所占比重很大。约占总 变形的7 0 _ 9 5 1 3 2 1 。所以，增加路基强度，是提高路面结构整体强度和刚度的重要 措施。路基的强度和刚度是通过提高基层材料的密实度实现的，因此，压实对于公路的 建设十分重要的。对压实不断研究，可使路更加坚固，从而降低路的运营成本。 1 2 压实设备的发展 对于压实设备的研究已经有了相当长的历史时期。早在远古时期，人们就利用人力、 畜力，对土壤进行踩踏、搓揉、捣实等方法，对房屋的地基、大坝、河堤进行压实。1 9 世纪中期以前，西方道路工程以碎石铺筑为主，压实主要靠车辆行驶自然压实。直到1 8 5 8 第一章绪论 年，轧石机的发明，促进了碎石路面的发展，逐渐出现了用马拉的滚筒对路面进行压实， 这就是最早的压路机雏形。随着工业革命，世界上优良的路面推广于全球，压实的概念 被人们所认识，压实机械也随之出现在各个道路施工工地上。内燃机的发明，给压实设 备的发展带来了巨大的生机。2 0 世纪初，第一台内燃机驱动的压路机诞生，随后出现了 轮胎压路机。羊足碾压路机与光轮压路机几乎是同时产生的。人们对静碾压路机研究发 现，增加压路机的重量可以提高压路机的静线压力，从而提高压路机的压实效果。于时， 在很长一段时期内，人们致力于开发大吨们重型压路机。不过在这段时间内，压路机的 变化还是主要表现在动力及外形的改进上【5 】。 直到上世纪4 0 年代，振动压实机械的出现是压实机械发展过程中的一个划时代的 革命，从此压实效果的提高不再简单地依靠吨位或线压力的增加而实现。世界各国开始 了不断的改进和探索，又陆续推出了轮胎振动压路机，双钢轮压路机等等【5 】。振动压路 机压实效果好，对被压材料的作用深度大，生产率高，适用于多种类型的被压材料的压 实，因此，振动压路机逐渐成为许多压实工作的标准设备和首选设备。 7 0 年代，随着液压传动技术、液压控制技术和计算机技术的发展，人们对压实设 备及压实技术的研究也有了长足的进展。通过液压系统流量的控制可以改变马达转速， 实现压路机振动频率的调节。这一时期，振动压路机的研究主要集中在振动参数优化方 面，并实现了振动频率与振幅的无级调节，大大改善了压实效果。 8 0 年代，瑞典的h t h u r n e r 博士提出了振荡压实的新概念，与传统的振动压路机 利用垂直振动的原理不同，振荡压实是利用振荡碾滚内的偏心机构诱发的振荡压力波， 使土壤在水平面内承受交变剪切作用。在这种连续交变剪切力的作用下，土壤将沿剪切 力的方向产生急剧变形，剪切面滑移错位，填筑层被压材料的颗粒将互相填充、重新排 列、嵌合楔紧，达到稳定的密实状态。在反复循环的水平剪切应力和振荡压路机静荷载 的共同作用下，在水平和垂直平面内同时压实土壤【2 - 引。 之后，各国对压路机的研究也有新的进展，出现了垂直振动压路机，混沌振动压路 机，冲击压路机，冲击振动压路机。压路机的性能，效率和驾驶员的舒适性也有了进一 步的提高和改善。 1 3 国内外压路机现状与发展趋势 1 3 1 国外压路机发展趋势 1 新的压实技术和压实机械的研究1 ，3 ，4 5 ，6 1 2 长安大学硕士学位论文 为了使压实效果更好，各国研究人员对压实理论进行着不断的研究。压实理论上取 得了突破，那么，新的压实技术及压实机械的研究也就有了理论依据。压实理论的研究， 将更加注重综合性的研究，即从被压材料的性质特性、施工工艺以及压路机的结构特点、 工作参数的综合角度来分析压路机的作业过程和被压材料的变化特性。新的压实技术和 压实机械将综合有多种压实方法联合工作的特点，从多方面强化压实过程和改善压实质 量。 2 时时监测、自动化、网络化 在监测方面，先将整机各工作系统信息编成软件，装于压路机微电脑中，并在需要 监测的部位安装传感器。工作时，微机将传感器采集到的信号处理后，显示出来，为操 作人员提供信息，方便驾驶员操作。 在网络化方面，将网络传输和卫星定位系统( g p s ) 装于产品上。这种系统可以非 常精确地记录下压路机的位置。它通过安装在压路机上的g p s ，将整机的工作情况传输 到空间的卫星上；卫星将汇集到的信息形成图像或数据住处重新发到压路机上的g p s 接收装置上，并显示出来；还可同时通过地面的g p s 信号装置向压路机发出指令，启 动或调节振动参数。有的压路机在机身周围布置传感器和超声波发射装置，压路机在行 驶时若遇到障碍物，接收装置就会接收到障碍物反射回的信号，触发警报器，提醒驾驶 员注意；如果和驾驶的手持式传感遥控器相连接，就能实现信息的远距离自由传递，并 实现整机的无人驾驶1 9 1 。 3 智能压实 智能压实是指压路机在工作过程中，能对压实进程和压实质量进行一定的分析，并 能提供最佳控制的对策，并在施工过程中判断压实的效果，进而进行必要的修正，从而 使压实作业的过程始终在最佳状况下进行。智能压实的目的是使压路机对被压材料作用 的力达到最大，被压材料吸收的有效压实能量最多，并尽可能多地转化为压实功，以提 高压路机的生产率和作业质量。智能压实的基础条件在振动压路机上的应用已经成熟， 振动压实的近周期和一次简谐振动的研究成果为实现压实进程受控地进行提供了必要 的理论支撑。在调节压路机振动能量的三个主参数( 振幅、频率、工作速度) 无级调节 中，最难调节的是对振幅的无级调节，但也已取得了突破进展。目前，在智能化压实方 向上的有一些初步尝试，b o m a g 公司的压实机械，分别推出了振动方向和激振力无级调 节的自动控制技术。智能压实下一步的目标是让机械自动适应和学习压实过程中对问题 的分析和处理能力，以实现压实作业的自动控制和最优化控制。此种技术如果尝试成功， 第一章绪论 那么压路机将具有相当的智能，当对一种被压材料进行压实作业时，通过一定时间的压 实工作之后，就可以判断出被压材料在特定情况下的最优工作参数，并自动进行调节， 以达到最好的压实效果，提高压实生产率。 4 压实技术的信息化、计算机辅助工程化( c a e ) 、远程通讯化 压实管理系统的发展是压实技术在信息化、计算机辅助工程和通讯化方向上近期可 能取得进展的主要目标之一。压实管理系统在近期能取得的进展，首先将体现在压实机 械技术状况监测、故障诊断等运转工况的管理上。运转工况管理系统的进一步发展将是 实现对故障分析和诊断的远距离通讯服务；压实过程的计算机仿真和辅助工程系统将是 压实管理系统未来发展的另一个主要亮点。 5 无人化和机器人化 。 压实过程自动化追求是希望实现完全无人操纵和能在远距离现场的终端来指挥和 控制整个压实作业的施工过程。虽然无人操纵的压实机械已经应用在某些特殊环境中， 但与上述目标还有相当遥远的距离。压实技术的发展的过程中可以看到，许多压实技术 上的重大突破都是采用复合压实技术来强化压实过程的结果，这一现象表明多种压实方 法的综合作用是强化压实过程的一种十分有效的手段。 6 注重产品的舒适性和安全性以及环保设计 国外工程机械产品在人性化设计方面做了大量细致、有效的努力，来满足驾驶员的 需求。在操作方面，不但使复杂的操作简易化，还考虑到驾驶员的生理特点和行为习惯， 尽量减轻驾驶员的劳动强度，以减少操作上的失误，最大限度体现人性化1 0 】。 在安全方面，普遍采用防止倾翻及落物保护的驾驶室，或者独立的防倾翻及落物保 护装置，并配有重型座椅及安全带。刹车系统采用了钳盘式气推液无动力制动系统，可 在无动力的情况下，实现压路机的有效制动。 作为重型机械，压路机发噪音和排放也是相当大的。为了适应社会的发展需求，国 外一些振动压路机的设计制造过程中注意寻找降噪减排的方法。比如，采用先进的燃油 电控喷射、废气再循环和使用催化净化器等新技术，提高燃油利用率，减少排放。降噪 方面，通过使用弹性阻尼元件，提高制造装配精度，涂覆吸声材料等方法来降低机械的 噪声。以达到环保的效果。 1 3 2 国内振动压路机现状及发展趋势 自上世纪8 0 年代以来，国内工程机械企业通过引进、消化、吸收国外的先进制造 4 长安大学硕士学位论文 技术，在压路机的设计制造方面已取得了长足的进步。国产的工程机械已在市场上点有 相当的份额。出口量也在增加。在良好的外部环境和行业内激烈的竞争下，我国己成为 世界压路机制造和销售大国。 近几十年来，国内各厂家不懈地努力，我国的工程机械已经拥有了世界上较先进的 技术水平。但是，与国外先进技术之间还存在着较大的差距，主要体现在技术含量、机 械的可靠性上。所以，国内的厂家仍需更加努力，提高自主开发能力，提高机械的技术 比例，加强对压实方法，压实性能等方面的研究，以提高国产压路机的技术含量和可靠 性。 1 4 虚拟样机技术的发展 虚拟样机技术是一种基于产品的计算机模型的数字化设计方法，这种开发技术以计 算机的建模和仿真技术为支持，融合了智能化设计技术、并行工程、仿真工程和网络技 术等，其最终目标是在产品加工前对产品的性能、可制造性等进行预测，从而对设计方 案进行评估和优化，以达到产品的最优化。与传统的开发物理样机的设计方法相比，利 用虚拟样机技术开发产品具有很大的优越性，虚拟样机可以代替物理样机对产品进行创 新设计、测试和评估，缩短开发设计周期，降低成本，改进产品设计质量。机械工程中 的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上二十世纪八十年代随着计算机 技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术，机械工程师在计算机上建立样 机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传 统的实物样机试验。运用虚拟样机技术，可以减少产品开发费用和成本，明显提高产品 质量，提高产品的系统及性能，获得最优化和创新的产品设计产品。因此，该项技术一 出现，立即受到了工业发达国家、科研机构和公司的极大重视，许多著名制造厂商纷纷 将虚拟样机技术引入各自的产品开发中，取得了很好的经济效益【1 2 , 1 3 , 1 4 】。 虚拟样机的优势主要体现在： ( 1 ) 成本低，速度快。不但节约了制造物理样机的昂贵费用，而且在计算机上建 立虚拟模型的时间远远小于物理样机的制造所用的时间； ( 2 ) 有利于优化设计。虚拟样机易于修改，可以利用虚拟样机对各种设计方案进 行仿真比较，从而选择较好的设计方案； ( 3 ) 可以有效支持并行设计，方便地实现上下游并行设计和多专家协同设计； ( 4 ) 可以实现虚拟制造，虚拟模型的数据可以直接用于虚拟制造； 气 第一章绪论 失效。 ( 5 ) 在安全环境下工作，不必担心关键数据的丢失或由于恶劣天气而造成的设备 1 5 本文研究问题的提出和内容 1 5 1 研究问题的提出 冲击振动压路机，是利用振动压路机的高频率和冲击压路机的大振幅，使被压材料 得到更大的密实度，它兼有振动压路机和冲击压路机的作用，从而压实效率较高【1 2 1 。 冲击振动压实技术是近年来出现的又一种新型压实技术，它将振动、冲击和静力三 种压实方法结合在一起，实现了冲击和振动功能的有效结合。将几种压实技术集中于一 台压路机中，可得到更好的压实效果。但冲击振动压实机还处存研发阶段，一些部件需 要进一步的设计研究。此种压实机是压实机械将成为压实领域的发展趋势1 2 】。 1 5 2 本文的主要内容 本文主要研究冲击振动压路机的振动部分，针对冲击振动压路机振动部分作了以下 工作： 1 建立冲击振动压路机振动部分( 非定向与定向振动) 的几何实体模型。 2 利用仿真软件a d a m s 对实体模型进行仿真，分析比较非定向与定向振动两种 方式在水平方向的作用力。 3 对模型仿真，分析比较非定向振动与定向振动两种方式跳振临界振幅。 1 5 3 本文的主要研究方法 本文利用三维建模软件p r o e 对压路机进行实体建模。利用a n s y s 建立柔性体模 拟地面。利用动力学仿真软件a d a m s 对冲击振动路机振动部分进行了工作状态仿真和 动力学的分析，得出的相应的结果，为冲击振动压路机振动部分的参数确定提供可靠的 技术支持。 6 2 1 入大 数目，使土颗粒变得更紧凑，让土体变得更为密实，以便获得较高的承载能力。这个过 程的突出特征是单位体积内的土颗粒逐渐增多、土颗粒之间的空隙逐渐变少、土体的干 密度提高。 下面讨论一下在土体压实的过程中出现的几个问题【5 】： ( 1 ) 土体压实过程实现需要的两个基本的条件 土体压实的第一个基本的条件：对土体施加必要的外力或对土体做功，用来克服土 体颗粒内部的阻力，使土体颗粒之间发生相对滑移； 土体压实的第二个基本的条件：土体必须在压实过程中保持必要的稳定结构，在外 力的作用情况下，不出现“流动”现象。 在讨论第一个基本条件时，需要指出的是，并不是所有施加给土体的力或功都能有 效地促使土体颗粒发生位移而变得紧密，在某些情况下，只有一部分施加给土的外部力 或功转变为克服土体颗粒的内部阻力的有效压实功。 在讨论第二个基本条件时，一个显著的例子就是振动压路机碾压干砂，碾压的过程 中可以看到砂粒在振动轮的前方、侧向急剧地向外拥翻，而振动压路机的滚轮则陷入砂 中而无法前进。显然，垂直方向上的压力和振动作用同样可以克服砂颗粒之间的内摩擦 而促使砂颗粒发生位置移动，但这种位移仅仅促使砂颗粒发生流动和向外壅翻但非使之 变得密实。 ( 2 ) 被压土体的性质影响压实的物理过程 不同的土体在接受压实设备做功时，其转化为克服内部颗粒之间阻力的有效压实功 方面的能力是不同的。一个显著的例子就是，由于粘性土的颗粒之间有着很大的内聚力， 在振动压实设备的压实作用下，粘性土的颗粒之间几乎不产生的相对运动，它对外部激 振作用的响应表现为粘性土的整体性运动。 ( 3 ) 压实方法和工艺影响土体的压实效果 7 第二章压实方法与压路机 不同的压实方法和压实设备对土体施加外力或做功的机理是不尽相同的。对土体采 用不同的压实方法和压实设备的全过程就形成不同的压实工艺。 从上面几点，我们可以说土体压实过程的有效实施不仅取决于压实方法本身，还有 赖于被压土体本身的可压实性，压实设备的组合和运用，以及最佳的压实工艺的实现， 当然这一理论同样适用于其它材料的压实过程。 二、压实方法 压实就是通过专门的压实设备给被压材料施加作用力，强迫被压材料的颗粒产生相 应的位置移动，从而使被压材料变得更加密实的一个过程。由于压实设备工作原理的不 同，就会相对应地产生不同的作用力，对被压材料的作用力性质不同，又会引起被压材 料变形的巨大差异。到目前为止，压实的基本方法可以归纳为以下几种【3 ，5 ，1 7 1 。 l 、静力压实 将压实设备放在被压材料的表面，利用压实设备的重力，对被压材料施加垂直方向 上的压力作用，在被压材料内部产生相应的法向应力和剪切应力。在剪切应力达到被压 材料的抗剪强度时，被压材料的颗粒之间就会发生相对滑动，重新排列，从而变得更加 密实。 由于受制于重物尺寸，静力压实的作用力大小是有限的，因而，重力压实只能获得 较小的压实度，压实效果受到一定的限制。 2 、搓揉压实 在搓揉压实的过程中，搓就是将水平方向的反复交变的作用力施加给被压材料的表 层，使被压材料表层颗粒产生相对位移上的滑动，实现重新排列；揉却是一种压入的作 用力，它是将很大的垂直方向上的作用力施加给被压材料的局部，使压头直接剪切侧面 被压材料，破坏压力头下方的局部材料与被作用的材料整体之间的联系，使之受到很大 压缩。搓揉作用的深度较浅，但可获得较高的表面压实度和平整度 3 、振动压实 振动压实是利用振动压路机振动轮内部的偏心机构转去，使振动轮产生振动，此振 动传给被压实材料，使被压实材料产生了接近自身固有频率的振动，从而减小材料内部 颗粒间的黏着力和摩擦力，各颗粒处于相对运动的状态。再通过碾压轮对被压材料进行 静压、搓揉、冲击等作用，使被压材料的颗粒间距变小，密实度变大，达到压实的效果。 振动压实不仅作用深度大，而且压实度较高，所以被广泛应用于各种类型材料的压实。 4 冲击压实 8 材料 但其 应用 2 2 压路 图2 1 静碾压路机原理图图2 2 振荡压路机原理图 2 、振荡压路机口5 】 振荡压路机是搓揉压实作用的代表机型，其特点是：压实表面光滑平整；压实过程 进展平缓而无冲击力，不易压碎骨料；减少机架和邻近地面的振动、节省压实能量、改 善驾驶员的工作条件、延长机器使用寿命和降低使用成本。但振荡压实影响深度浅，不 适合厚层压实。 振荡压路机原理如图2 2 所示。钢圈内的偏心装置向相反的方向旋转，使钢圈对被 压材料产生扭矩作用，从而达到搓揉压实效果。 3 、振动压路机 到目前为止，关于振动压实的学说主要有如下几种【1 5 】： ( 1 ) 内摩擦减少学说 内摩擦减少学说的主要论点是：在振动作用下，使铺筑材料的内部摩擦力急剧下降， 剪切强度变弱，抗压阻力变得很小，因而在重力的作用下易于压实。实践表明，由于振 动作用，粗沙的抗剪阻力减少到原来的几十分之一，沥青混合料的内摩擦大约减少到1 5 9 第二章压实方法与压路机 以下。 闻邦椿教授( 中国科学院院士) 在其著作振动机械的理论及应用中提到“利用振 动可以显著减少物料的内摩擦系数，增加其流动性，使物料易于成型与紧实 。 ( 2 ) 共振学说 共振学说的主要论点是：当激振频率与被压材料的固有频率一致时，振动压实最有 效。实践证明，共振效果是显著的，显示了这说法的正确性。但是又有许多实验表明， 振动压路机对砂土压实效果最佳的激振频率不在固有频率附近，是在距离共振频率较远 的过共振频率处，所以这种观点还具有一定的局限性。 ( 3 ) 反复载荷学说 反复载荷学说的主要论点是：材料受到由振动所产生的周期性压缩运动的作用，而 达到振动压实的效果。这种学说在低频范围内具有一定的现实性。试验证明，在高频范 围内( 共振频率在1 0 0 0 h z 以上) ，振动作用的效果远远超过反复载荷作用的效果。 振动压路机在压实地面时，靠振动轮中心轴上的偏心块高速旋转在垂直方向产生一 个大小和方向交变的激振力，激振力通过振动轮传到地面上。在振动压路机的激振作用 下，被压材料在垂直方向受到一个大小不断变化的压力作用，该作用以一种振动波的方 式向被压材料的四周及下层传播，而使一定范围的被压材料颗粒发生振动，内部各点处 产生方向和大小都不断变化的应力和应变，并以波的形式传播。特别是在激振频率达到 土的自振频率时，被压材料产生较大振幅的共振，被压材料中的应力和应交的变化幅值 也加大，促使被压材料颗粒发生位移。 现在的压路机大多采用单轴的非定向振动，其原理如图2 3 所示，靠偏心块转动产 生激振力，所以在圆周各个方向都存在激振力。对振动压实起作用的是在竖直方向的力， 所以在其他方向上的力造成了能量的浪费与对压路机机架水平方向的冲击。双轴定向振 动压路机原理如图2 4 所示，两个偏心块分别沿各自的轴向不同方向转动，这样两者产 生的激振力在水平方向上的分力相互抵消，而在竖直方向上的力相互叠加。既没有能量 的浪费，也没有对机架水平方向的冲击。但其较单轴振动压路机结构复杂，成本相对较 高，所以在应用上没有单轴振动压路机广泛，主要应用于大型压路机 4 , 9 a 8 , 3 8 a 9 1 。 1 0 图2 3 单轴振动压路机原理图图2 4 双轴振动压路机原理图 4 、冲击压路机【5 , 2 0 1 在压实施工中，提高压实生产率，增加压实度是压实施工的主要目的。加大填料的 铺层厚度，提高压实机械的速度是提高压实生产率的重要手段。而振动压路机受小振幅 振动原理的限制，施工中必须严格控制铺层厚度和机械的作业速度，这就影响了压实生 产率的提高。近些年国外开始尝试一种新型具有异形非圆滚动轮的滚动冲击压实技术， 突破传统的压实方式，将往复夯击压实与滚动压实技术相结合，既发挥夯击压实打击能 量大、影响力深、效果好的优势，又具有滚动压实连续作业效率高机动性好的特点【1 9 加】。 这种冲击压路机的作用原理是：由牵引车牵引非圆形的冲击滚动轮滚动，多边形冲 击轮在滚动时其大小半径能产生势能落差，沿地面对路基填料进行冲击和连续揉搓碾压 作用。当滚动轮的一角支于地面，向前翻滚时，产生强大的冲击力，强烈的冲击波向地 面深层传播，具有地震的传播特性。 此种冲击压路机的工作过程可分为滚动和冲击过程。结构上最显著的特点是滚轮的 形状不是圆形，而是三边、四边和五边形，滚轮上有一系列交替排列的凸点和平整的冲 击面。具有四边形压实轮的冲击压路机如图2 5 所示。 冲击压路机的压实特点与普通振动压实不同，冲击压实具有低频率、高振幅的“高 能量冲击压实特点，这种压实方式能产生峰值极大的力脉冲，而且输出的能量大，作 用深度大。冲击压路机以巨大的冲击力冲击填筑体，并辅以滚压、揉压等综合作用，使 土石混合料更好地克服颗粒之间的摩擦力而产生滑动和移动，重新排列到更稳定的平衡 位置上去，减少孔隙体积；另一方面，在巨大的冲击力作用下，土石混合料中的块石颗 粒被剪切、破碎而互相填充、紧密，从而使土体深层随着冲击波的传播得到压实，土石 混合料填筑体更加密实，从而形成更加稳定的结构。 第二章压实方法与压路机 图2 5 四边压实轮冲击压路机原理图 在实际的工作过程中，冲击轮在完成一次冲击之后，其动能和势能基本上都用来土 的压实，其水平速度和转动角速度都降至很小，而此时，牵引车以原来的水平速度牵引， 使其再次举升时，其转动角速度就会突然增大，产生的转动惯性力矩很大。结合重力矩 和水平、垂直惯性力的作用，使得牵引力突然加大。工作轮在其重心下降冲击地面时， 产生了水平冲击加速度，同时由于牵引车、车架位移的滞后性，对牵引车及牵引机构有 向前的水平冲击力。冲击轮在作业过程中，给牵引车的传动系和发动机带来了冲击，严 重影响发动机的动力性和经济性，并对其零件结构产生不利影响【4 】。 在水平方向上，由于工作轮的冲击作用，所需要牵引力是不断变化的，这就引起了 整车系统水平方向的振动，同时路面不平度和工作轮重心的升降能够造成系统垂直方向 的振动，水平、垂直方向的振动会对驾驶员产生不利影响。所以，冲击压路机的工作原 理决定了系统不可避免的要产生一系列的不良影响，为了能更好的发挥冲击压路机的路 面压实性能，并能有效改善作业环境，必须对冲击压路机进行有效的缓冲与隔振1 4 。 2 4 冲击振动压路机 虽然冲击压路机较振动压路机具有影响深度大、压实速度高、被压材料级配要求低 等优势，但它特有的异性截面轮造成强大的冲击力致使整机受到的冲击过大，机械零部 件负荷大，寿命短，同时驾驶员的操作舒适度也很低。 将冲击作用和振动作用结合在一起，具有更高的压实效果从理论上说显而易见的。 振动作用可以减少土颗粒间的内摩擦和粘聚力，而冲击压实所产生的对土施加的作用力 比静压力大得多，从表面传至土层内部的压力波比振动波更深更强。所以出现了冲击振 动复合式压路机【5 2 1 1 。 1 2 置于轮毂内的偏心装置产生振动，对地面进行振动压实，同时，置于振动轮内部的冲击 块随振动轮运动，当运动到最高点时，由于重力下落，而对地面产生冲击作用6 ，1 7 1 。 2 4 2 两种冲击振动压路机比较 1 两种结构都是圆形，不会对牵引机车造成冲击。 2 由图可以看出，图2 6 所示冲击振动压路机在工作过程中冲击块先作用于地面， 而后振动轮压过，再进行振动压实。并没有实现冲击振动同时作用。可以看作两种压路 机压实的组合。而图2 7 所示压路机，在工作过程中冲击块是在振动作用的同时冲击， 这就使土壤颗粒在振动的同时再受到冲击作用，效果较佳。 3 图2 6 所示压路机冲击设置为3 5 块，而图2 4 所示压路机冲击块为7 9 块， 所以图2 7 所示压路机的冲击均匀性较好，但冲击行程会受到一定的限制。 4 图2 6 所示压路机的冲击轴受到的冲击较大，长时间作用，容易损坏。而图2 7 所示压路机冲击块作用于轮毂，轮毂与钢圈相连，所以对轴影响较小。 5 图2 6 所示压路机由于结构原因，在操作时具有一定的危险性。而图2 7 所示压 路机冲击块置于振动轮内部，与常见压路机无异，并无危险性。 综合上述比较，本文主要研究图2 7 所示冲击振动压路机的振动部分。 各行业数百家制造商所采用【1 3 1 。 a d a m s 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建全部参数化的机 械系统模型，其求解器采用拉格朗日方程方法( 多刚体系统动力学理论中的一种) ，建 立系统动力学方程，并对虚拟机械系统进行运动学、静力学和动力学等全面分析，输出 位移、速度、加速度、作用力和反作用力曲线。a d m a s 软件的仿真可用于预测机械系 统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷和计算有限元的输入载荷等等1 2 0 - 2 1 1 。 3 1 1a d a m s 基本模块 a d a m s 由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱等各类模块组成。 使用者不但可用通用模块对一般的机械系统仿真，还可以用专用模块对特定应用领域问 题进行建模和仿真分析【1 3 , 2 4 , 2 5 2 6 捌。 1 用户界面模块( a d a m s v i e w ) a d a m s n i e w 是a d a m s 的核心模块之一，采用交互式图形操作环境，将图标、 菜单、鼠标点击等操作与交互式图形建模、仿真、动画显示、优化设计、曲线处理、分 1 4 长安大学硕士学位论文 析和打印等功能集成于一起。 a d a m s n i e w 采用分层方式完成建模工作。用p a m s o l i d 内核进行实体建模，提供 丰富的图形库、约束库和力力矩库等。支持布尔运算和多种函数。此外，还提供丰富 的位移、速度、加速度、接触、样条、力力矩、数据元函数以及若干子程序函数、常 量和变量等。 2 求解器模块( a d a m s s o l v e r ) a d a m s s o l v e r 是a d a m s 的核心模块之一，是处于a d a m s 心脏地位的仿真器。 该模块自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学、动力学的计算结果。 有各种建模和求解选项，可以精确地解决各种应用问题。 a d a m s s o l v e r 可对刚体和弹性体进行仿真研究。使用者可以让模块输出除位移、 速度、加速度和力以外自己定义的数据，以便进行有限元分析和控制系统研究。 3 后处理模块( a d a m s p o s t p r o c e s s o r ) 后处理模块用来处理仿真结果和数据、显示仿真动画等。它既可以在a d a m s v i e w 环境中运行，也可以脱离该环境独立运行。 a d a m s p o s t p r o c e s s o r 模块的主要特点是：采用快速高质量的动画显示，从可视化 角度深入理解设计方案的有效性；使用树状结构，层次清晰，可快速搜索所需要的对象； 具有强大的数据作图、数据处理及文件输出功能；窗口风格灵活多变，支持多窗口画面 显示及多页面存储；多视窗与曲线结果同步显示，还可录制成电影文件；完备数据曲线 统计功能；支持模态开头动画；还可进行几何属性细节的动态演示。 4 a d a m s 扩展模块 a d 舢s 的扩展模块见表3 1 ： 表3 1a d a m s 扩展模块 模块名称作用 液压模块对液压元件驱动的机械系统动力学仿真分析 振动分析模块检测受迫振动，从时域向频域转化的桥梁 线性化分析模块将非线性运动学或动力学方程线性化处理 高速动画模块增强动力学仿真分析结果动画显示的真实感 试验设计与分析模块将仿真结果置于网页上以便与其他用户分享 耐久性分析模块解答“机械何时报废或零件何时失效 问题 数字化装配回放模块将分析结果导入c a t i a 显示仿真结果 第三章冲击振动压路振动机构建模 5 a d a m s 接口模块 a d a m s 接口模块见表3 2 ： 表3 2 舢接口模块 接口模块作用 柔性分析模块支持有限元软件，将仿真结果输出其中分析研究 控制模块建立控制元件，仿真控制模型 图形接口模块完成a d a m s 与其他软件间的数据双向传输 c a t i a 接口模块完成a d a m s 与c a t i a 之间数据传输 p r o e 接口模块实现p r o e 与a d a m s 这问的无缝连接 6 a d a m s 专用领域模块 a d a m s 专用领域模块包括：轿车模块、悬架设计软件包、概念化悬架模块、驾驶员 模块、动力传动系统模块、轮胎模块、柔性环轮胎模块、柔性体生成器模块、经验动力 学模型、发动机设计模块、配气机构模块、正时链模块、附件驱动模块、铁路车辆模块、 f o r d 汽车公司专用汽车模块。 7 a d a m s 工具箱 a d a m s 工具箱包括：软件开发工具包、虚拟试验工具箱、虚拟试验模态分析工具箱、 钢板弹簧工具箱、飞机起落架工具箱、履带轮胎式车辆工具箱、齿轮传动工具箱1 2 2 】。 3 1 2a d a m s 软件中的约束、驱动与接触 j o i n t s 剑舅翊剖剑 剑剑翻型翊 到 纠刿剑型剧 m o t i o ng e n e r a t o r s 型到到到 h i g h e rp a i rc o n s t r a i n t s 劐到 图3 1a d a m s 中约束和驱动 图3 1 为软件界面中约束和驱动图标。 1 6 长安大学硕士学位论文 1 a d a m s 的约束 一个系统是由多个构件组成的，名构件之