攤鋪機(jī)振搗裝置的動力學(xué)仿真分析

顧秋軍，李曉輝，李　耀，張玉雙(長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安　710064)

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攤鋪機(jī)振搗裝置的動力學(xué)仿真分析

顧秋軍，李曉輝，李耀，張玉雙
(長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064)

摘要:利用Pro/E軟件建立某型攤鋪機(jī)振搗裝置的三維虛擬樣機(jī)模型。利用Adams軟件的相關(guān)模塊對攤鋪機(jī)振搗裝置進(jìn)行三維動力學(xué)仿真試驗(yàn)，分析振搗頻率和振搗裝置行程對機(jī)器工作的影響，建議在實(shí)際施工中選擇振搗裝置的振搗頻率不宜超過25 Hz，行程以6 mm為宜。

關(guān)鍵詞:攤鋪機(jī);振搗裝置;仿真

振搗裝置是攤鋪機(jī)熨平板的重要組成部分，是攤鋪機(jī)的主要工作裝置之一，它的性能直接影響著路面的施工質(zhì)量［1－3］。目前，國內(nèi)高端攤鋪機(jī)的技術(shù)差距主要體現(xiàn)在熨平板的振動、振搗裝置等部件上［4］。振搗裝置安裝于熨平板箱體前面，主要用于混合料的初步搗實(shí)，對提高攤鋪混合料的密實(shí)度起著關(guān)鍵性作用［5－6］。

為了提高攤鋪機(jī)振搗裝置及熨平板的性能，國內(nèi)對振搗裝置進(jìn)行了大量的研究，但研究大多采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)工具和力學(xué)工具，缺乏對振搗裝置的三維動力學(xué)仿真研究［7－8］。因此對攤鋪機(jī)振搗裝置進(jìn)行多體系統(tǒng)動力學(xué)分析研究具有較高的實(shí)踐價值。

1　　建模

Pro/E軟件三維建模功能強(qiáng)大，適合對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的攤鋪機(jī)振搗裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，為了進(jìn)行下一步的多體動力學(xué)仿真分析，需要將模型通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入Adams軟件中。Adams軟件提供多種約束工具來限制構(gòu)件之間的運(yùn)動，并以此將不同構(gòu)件連接起來組成一個獨(dú)立的機(jī)械系統(tǒng)。該軟件最大的特點(diǎn)是無需建立數(shù)學(xué)模型，只要根據(jù)機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動施加相應(yīng)的約束副和力(或驅(qū)動)，求解器Adams/Solver即可自行進(jìn)行運(yùn)算［9］。通過定義固定幅、轉(zhuǎn)動副、接觸幅以及相關(guān)的運(yùn)動約束，構(gòu)建好的振搗裝置虛擬樣機(jī)模型如圖1所示。

圖1　振搗裝置虛擬樣機(jī)模型

2　　仿真

2．1振搗頻率對振搗梁的動力學(xué)性能影響分析

振搗頻率對于攤鋪機(jī)振搗系統(tǒng)的動力學(xué)性能影響非常顯著［10］。隨著攤鋪機(jī)的運(yùn)行，一般每2～5 mm振搗1次。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動力配置等原因，振搗頻率一般最高為30 Hz［11］。以某型攤鋪機(jī)的振搗梁為例，在虛擬樣機(jī)中設(shè)定振搗梁的行程為5 mm。當(dāng)振搗頻率分別為10，15，20，25 Hz時，在后處理模塊中觀察到的攤鋪機(jī)振搗頻率對振搗裝置振搗梁加速度的影響如圖2所示，對振搗梁慣性力F的影響如圖3所示。

圖2　不同振搗頻率時振搗梁加速度波形圖

圖3　不同頻率時振搗梁的慣性力曲線

從圖2可以看出，不同的振搗頻率對振搗梁的加速度影響顯著。振搗頻率增大，則振搗加速度也增大。進(jìn)一步的研究結(jié)果表明:振搗裝置的加速度與振搗頻率的平方近似成正比。振搗頻率過低，會使得攤鋪的預(yù)壓實(shí)度降低;振搗頻率過高，則會產(chǎn)生共振，使熨平板處于不穩(wěn)定狀態(tài)，熨平板的工作仰角會改變，導(dǎo)致混合料由于過度壓實(shí)而破壞材料粒度，影響路面攤鋪質(zhì)量。同時，也會造成攤鋪機(jī)加速損壞，降低整機(jī)工作壽命及工作可靠性。由圖3所示的仿真曲線能夠看出，振搗頻率越高，振搗裝置引起的慣性力合力越大，即壓實(shí)作用力越大，壓實(shí)作用增強(qiáng);但隨著振搗頻率的升高，慣性力的波動也不斷增大，即不平衡慣性力也增大，這將在一定程度上導(dǎo)致熨平板運(yùn)動平穩(wěn)性降低，影響攤鋪路面的平整度。由機(jī)械動力學(xué)可知，機(jī)械慣性力的不斷增加將導(dǎo)致桿件的柔度增加，進(jìn)而使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。在實(shí)際施工中，振搗頻率的大小與攤鋪材料、攤鋪厚度和攤鋪速度有很大的關(guān)系，既不能過高，也不能過低。因此，選擇正確、合適的振搗頻率對攤鋪機(jī)的工作性能很重要［12－13］。國內(nèi)外攤鋪機(jī)生產(chǎn)廠家的最高振搗頻率為28 Hz，一般為25 Hz。結(jié)合以上仿真結(jié)果，建議實(shí)際施工中，振搗頻率不宜超過25 Hz。

2．2行程對振搗梁的動力學(xué)性能影響分析

一般攤鋪機(jī)的雙振搗裝置采用后振搗梁行程固定、前振搗梁行程可調(diào)的結(jié)構(gòu)［14］。調(diào)節(jié)前振搗梁偏心套的安裝角度，可以使前振搗梁的行程分別為3，6，9，12 mm。調(diào)整虛擬樣機(jī)中前振搗梁的行程參數(shù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，讀取各行程下慣性力與慣性力矩的最大值和穩(wěn)定值如表1所示。通過后處理模塊截取各行程下前振搗梁的慣性力與慣性力矩曲線如圖4、5所示。

表1　各行程下的慣性力最大值與穩(wěn)定值

圖4　不同行程時前振搗梁的慣性力

圖5　不同行程時前振搗梁的慣性力矩

由以上分析可知，隨著行程的增大，振搗裝置的慣性力和慣性力矩不斷增加，并且出現(xiàn)不規(guī)則的峰值，這是由于振搗裝置從靜止到啟動，加速度由0急速增大導(dǎo)致的。雖然增大行程能顯著提高作用在攤鋪路面的壓實(shí)力，但增大行程使振搗裝置的慣性力和慣性力矩波動性明顯增大，這將導(dǎo)致攤鋪路面的不平整度增加。在實(shí)際施工中，根據(jù)具體的攤鋪路面材料的不同，所需要的行程也不相同。當(dāng)攤鋪面層時，采用小行程;攤鋪基層時，采用大行程;攤鋪穩(wěn)定土等大顆粒材料時，采用大行程;攤鋪瀝青等材料時采用小行程;攤鋪對路面平整度要求高的機(jī)場等路面時采用小行程，反之則采用大行程攤鋪［15］。對于攤鋪機(jī)而言，振搗頻率調(diào)整方便，且在使用中振搗頻率較容易保證;而行程要經(jīng)過加工、安裝和調(diào)整來保證，調(diào)整起來比較困難，頻繁調(diào)節(jié)行程還容易導(dǎo)致振搗裝置左右兩邊運(yùn)動不同步。因此，建議在施工作業(yè)中，選取振搗裝置的行程為6 mm，這樣既能達(dá)到一定的預(yù)壓實(shí)度，又不會產(chǎn)生過大的不平衡慣性力，而且對大部分施工情況都比較適應(yīng)。

3　　結(jié)語

采用動力學(xué)仿真軟件Adams對振搗裝置動力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析，實(shí)現(xiàn)了攤鋪機(jī)振搗裝置仿真的三維效果和可視化效果。與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)力學(xué)建模方法相比，大大減少了理論計(jì)算、縮短了研究周期，同時提高了分析結(jié)果的精確度和可視化程度。

分析了振搗頻率和振搗裝置的行程對振搗裝置動力學(xué)性能的影響，同時結(jié)合攤鋪機(jī)的實(shí)際工作情況，建議在實(shí)際施工中選擇振搗裝置的振搗頻率不宜超過25 Hz，行程以6 mm為宜。

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(責(zé)任編輯:郭守真)

Dynamics Simulation Analysis on Paver Vibration Device

GU Qiujun，LI Xiaohui，LI Yao，ZHANG Yushuang
(Key Laboratory of Highway Construction Technology and Equipment of Ministry of Education，Chang'an University，Xi'an 710064，China)

Abstract:A three-dimensional virtual prototype model of the vibration device of a paver is established with Pro/ E．The related modules of Adams software is used to carry out the 3-D dynamic simulation on paver vibration device，analyze the effect of vibration frequency and the stroke of vibration device on the machine．It is suggested that the frequency of the vibration device is less than 25 Hz and the stroke is fit for 6 mm in actual construction．

Key words:paver; vibration device; simulation

作者簡介:顧秋軍(1990—)，男，江蘇無錫人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動化．

收稿日期:2014－09－10

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．01．014

文章編號:1672－0032(2015) 01－0069－04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:U415．521