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冲击振动压路机实验样机的动态特性分析 中文摘要 压路机在公路施工、机场建设、兴修水利和建筑施工中发挥着越来越大的作用。 至今，振动压实技术和冲击压实技术都是作为单一分离的技术应用于工程施工当中， 冲击振动复合压实技术是继冲击压实技术之后出现的又一种新型压实技术，它将振 动压实、冲击压实和静力压实结合在一起，实现了振动、冲击压实的有效结合。 过去，冲击振动复合压实技术对铺层的压实效果一直停留在仿真研究阶段，而 这一效果还有待实验研究。用实验方法去研究冲击振动复合压实技术对铺层的压实 效果已经成为下一步深入研究的迫切任务。 本文根据张洪教授申请成功的冲击振动压实机专利( c n l 7 3 0 8 3 5 ) ，用静态的方 法并参考已有经验设计出一种能实现冲击振动复合压实功能的实验样机，得到实验 样机的结构图纸；根据样机结构设计图纸的几何参数和外部载荷特征求出样机的具 体外部载荷，即样机所受的冲击载荷和简谐振动载荷的力学模型；然后在a n s y s 中 建立样机机架的有限元实体模型；最后在a n s y s 中，用有限元方法分析实验样机的 固有振动特性及在冲击振动载荷作用下的动力学响应特性。 其中模态分析主要是为了研究样机在0 - - 2 5 h z 这一易受影响的频率范围内主要 振动模态的特点，预测样机结构在此频段内的外部或内部各种激励载荷作用下可能 出现的振动响应。谐响应分析主要是分析样机在0 _ 2 5 h z 的简谐载荷作用下的峰值 频率，及在峰值频率点是否会引起样机的共振等剧烈破坏性振动；而瞬态动力学分 析的目的是分析样机在外部具体冲击、振动载荷的复合作用下的动态刚度和强度状 况。 用动态分析的方法考察样机能否安全、稳定和可靠地工作，并根据动态分析的 结果，对样机进行结构修改优化，为制造实验样机做准备是本文分析的主要任务。 关键词：冲击振动压路机；实验样机；有限元；动特性分析 冲击振动压路机实验样机的动态特性分析 d y n a m i cp r o p e r t y a n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e o ni m p a c ta n dv i b r a t i o nr o l l e r g r a d u a t en a m e ：m e n gs h i w e i m a j o r ：v e h i c u l a re n g i n e e r i n g d i r e c t e db y ：p r o f e s s o rz h a n g h o n g a b s t r a c t t h er o l l e ri sp l a y i n ga ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l li n ，s u c ha s ，r o a d ，a i r p o r t ，w a t e rc o n s e r v a n c y , a n da r c h i t e c t u r ec o n s t r u c t i o ne t c b u t s of a r , t h e v i b r a t o r ya n di m p a c t i n gt e c h n o l o g yi sj u s tr e s p e c t i v e l ya p p l i e dt op r o j e c t c o n s t r u c t i o n ，a ss e p a r a t ec o m p a c t i o nt e c h n o l o g y t h ei n t e g r a t e dc o m p a c t i o n t e c h n o l o g yo fv i b r a t i o na n di m p a c ti san e wc o m p a c t i o nt e c h n i q u ea f t e rt h e i m p a c tc o m p a c t i o nt e c h n o l o g y t h en e wt e c h n o l o g y i n t e g r a t e dv i b r a t i n g ， i m p a c t i n ga n ds t a t i cc o m p a c t i o nt o g e t h e rc a no b t a i nt h ee f f e c t i v ec o m p o s i t e o fv i b r a t i o na n di m p a c ta n ds t a t i cc o m p a c t i o n i nt h ep a s t ，t h er e s e a r c ho ft h e c o m p a c t i o ne f f e c tw i t ht h ei n t e g r a t e d c o m p a c t i o nt e c h n o l o g yo fv i b r a t i o na n di m p a c th a sb e e nl i m i t e dt ot h es t a g e o fs i m u l a t i o n w h i c hi sw a i t i n gt ob ef u r t h e rc o n d u c t e db yt h ee x p e r i m e n t m e t h o d a n dt h i sa l s oi st h en e x tu r g e n tr e s e a r c ht a s k i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ep a t e n t ( c n l 7 3 0 8 3 5 ) s u c c e s s f u l l ya p p l i e d b yp r o f e s s o rz h a n g h o n g ，t h ee x p e r i m e n tp r o t o t y p e ，w h i c hc a na c h i e v et h e i n t e g r a t i o no ft h ev i b r a t i n ga n di m p a c t i n gc o m p a c t i o n ，w a si n i t i a l l yd e s i g n e d w i t ht h es t a t i cm e t h o d a n dt h ed e s i g n e dd r a w i n g so fp r o t o t y p es t r u c t u r e w e r eo b t a i n e d b a s e do nt h el o a d so u t s i d ea n dt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r si n t h ed e s i g n e dd r a w i n g so fp r o t o t y p es t r u c t u r e t h em e c h a n i c a lm o d e lo ft h e l o a do u t s i d e ，s u c ha st h ev i b r a t i n ga n di m p a c t i n gl o a d ，w a se s t a b l i s h e d n e x t ， t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e dw i t ht h ea n s y s a tl a s t t h en a t u r a l v i b r a t i o na n dd y n a m i cr e s p o n s ep r o p e r t yu n d e rt h ei m p a c t i n ga n dv i b r a t i n g l o a do u t s i d ew a sa n a l y z e dt h r o u g ht h es o f t w a r ea n s y s b vf i n i t ee l e m e n t m e t h o d t h ep u r p o s eo ft h em o d a la n a l y s i si sr e s e a r c h i n gt h em a i nm o d a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o t o t y p eb e t w e e n0a n d2 5 f r e q u e n c yr a n g ea f f e c t e d e a s i l y t h i sa l s oc a nh e l pu st oc a l c u l a t et h ep o s s i b l ev i b r a t i o nr e s p o n s eo ft h e p r o t o t y p eu n d e rt h ee x c i t a t i o no ft h el o a d si n s i d e sa n do u t s i d e s w 色c a nf i n d t h ek u r t o s i sf r e q u e n c ya n dt h ep o s s i b i l i t yo fs u c ha st h er e s o n a n c ea n dt h e i v j 查堡塾里堕垫塞墼堡塑塑垫查壁丝坌堑 o t n e rd e s t r u c t i v ev i b r a t i o no ft h ep r o t o t y p et h r o u g ht h eh a r m o n i c a n a l y s i s t h ed y n a m i cs t r e n g t h ，r i g i d i t ya n dr e l i a b i l i t yu n d e rt h ec o n c r e t e v i b r a t i n g a n di m p a c t i n gl o a d sw e r er e s e a r c h e dt h r o u g ht h e t r a n s i e n ta n a l y s i s t h ec h i e ft a s ko ft h i sp a p e ri s i n v e s t i g a t i n gt h ep r o t o t y p ew h e t h e rc a n w o r ks a f e l y , s t a b l ya n dr e l i a b l yo rn o t ，a n di m p r o v i n gt h es 咖c t u r eo f t h e p r o t o t y p e ，a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i ca n a l y s i sr e s u l t k e y w o r d s ：i m p a c ta n dv i b r a t i o nr o l l e r ；e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e ；f i n i t ee l e m e n t ； d y n a m i ca n a l y s i s v 冲击振动压路机实验样机的动态特性分析 承诺书承话吊 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在张洪导师 指导下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技 大学，如果今后以其它单位名义发表与在读期间学位论 文相关的内容，将承担法律责任。在完成论文过程中所 利用的一切资料均已在参考文献中列出。 研究生签字：壶牛乙 趔堕年立月斗日 第一章引言 第一章引言 1 1 冲击振动压路机简介 冲击压实是以高振幅，低频率的方式【1 2 1 将压实能量传给地基，冲击轮每进行一 次冲击，将对土壤产生一个压力波，使土壤处于运动状态，内摩擦减少【3 j ，从而使颗 粒向低位能方向移动。因为冲击力很大，冲击压实较振动压实，其影响深度更大， 单个压实周期土壤沉降量更大，压实效果更明显。图1 1 是五边圆弧形冲击块，图 1 2 是宝马公司生产的八边形直线冲击块，图1 3 是厦工生产并投入使用的五边圆弧 形冲击压路机。 图1 1 五边形整体冲击轮 图1 2 八边形冲击轮 12345678 1 冲击轮2 行走机构3 举升机构4 缓冲液压油缸5 缓冲机构6 车架7 牵引机构8 牵引机 图1 3 冲击压路机结构简图 虽然近几年来逐渐推广使用的冲击压路机表现出其特有的优点，但现有的冲击 压路机有以下缺点1 4 j ： ( 1 ) 冲击压路机的冲击轮和主轴之间冲击力非常大，致使主轴极易疲劳、寿命较短。 ( 2 ) 冲击压路机工作时，非圆形冲击轮造成车架对牵引车的冲击很大，致使牵引车 难以匹配以及对发动机负荷要求较高。 ( 3 ) 压路机工作装置对牵引车的冲击增加了驾驶员疲劳度。 ( 4 ) 现有的减振和隔振装置的减振效果不是很好，还有就是非圆形滚轮造成牵引动 力难以匹配剧烈变化的负荷。 冲击振动压路机实验样机的动态特性分析 为此太原科技大学工程车辆研究所张洪教授提出了一种新的冲击振动复合压实 技术【5 】，如图1 4 ，此压路机将整体凸块冲击轮设计成分瓣式的，主要由冲击块( 分 别可以绕各自冲击轴旋转) 、振动 轴( 振动机构安装在振动轴上) 、 振动轮等组成。两侧的振动轮沿 地面进行振动压实，若干个冲击 轴随振动轮同步转动带动冲击块 对地面进行冲击，达到了振动力 和连续冲击力、同时作用于土壤。 冲击块可以设计为四块或五块的 冲击振动压实机。此思想的创新 之处在于：把压路机冲击轴和振 1 牵引轴2 缓冲弹簧3 限位轴4 振动轮5 冲击轴 6 冲击块7 激振块8 振动轴9 限位装置 图1 4 冲击振动压实机的结构示意图 动轴分离，将压路机的结构和重要部件进行优化；冲击轴上带有冲击块，在牵引机 的牵引下，振动轮振动的同时会向前滚动压实，相应的冲击块会轮流对被压材料进 行冲击作用，达到了冲击、振动、滚压相结合复合压实的目的；实现冲击和振动压 实两者的优势互补的效果 6 - 9 。 过去针对冲击振动复合压实技术对铺层的压实效果一直停留在仿真研究阶段， 而这一效果还有待实验研究。用实验方法去研究冲击振动复合压实技术对铺层的压 实效果已经成为下一步深入研究的迫切任务。本课题正是分析设计出一种冲击振动 压路机的实验样机，为实验研究该技术对铺层的压实效果做好前期准备工作。 然而，实验样机不但受到地面随机激励载荷和上部传动装置所施加的载荷，而 且也受到冲击轴、振动轴所施加的剧烈的冲击载荷和简谐载荷作用。用静态和经验 的方法很难设计出安全稳定的实验样机，而必须采用动态分析与设计的方法来校验 利用静态方法设计出的样机结构的动态强度、刚度及影响样机安全性、稳定性的其 它参数。 1 2 机械动态分析设计方法介绍 传统的机械设计方法，对机械的运动分析与载荷计算一般建立在刚性假设的基 础上，按照静力学或刚体动力学的方法来分析机械的载荷。长期以来机械设计普遍 采用静态设计方法：包括理论设计、经验设计、模型实验设计等方法，这些方法往 往是静态的，半经验半理论的。传统的机械设计在设计过程中，只考虑了产品本身， 2 第一章引言 15 辅助设计、虚拟设计等现代设计方法的，一- 、q 早影，乞 综合应用。在经验的、感性的、类比的二j l j i 、 基础上，把设计上升到更科学的、更逻一r r n 、y 辑的设计方法，如图是现代机械设：! 歹乞人 、u 计方法的主要内容示意图。它在稳定分、- 一， 冲击振动压路机实验样机的动态特性分析 动态设计的专业基础是机械振动学、机械动力学和弹性力学，其数学基础是矩 阵理论和数值计算方法，依赖的软件是大型计算机仿真和大型数据计算分析软件， 同时高速大容量电子计算机的应用普及为数字化动态仿真设计提供了条件和现实可 行性。计算机与现代测试技术已为机械动力学的发展注入了巨大的动力，它们相互 结合，不但解决了在机械振动学科中用传统方法难以解决的问题，而且开创了动态 模拟、状态监测、故障诊断、模态分析等一系列有效的实用技术，成为生产实践中 十分有力的现代化技术手段。 机械系统的动态分析仿真技术，即机械工程中的虚拟样机技术，是2 0 世纪8 0 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( c a e ) 技术。 尤其是a n s y s 、m a t l a b 、a d a m s 、p r o e 等大型商业软件的问世，机械动力学的研究 也有了显著进展，在分析处理系统的动力学、构件的弹性、运动副的间隙等问题时， 都引入了数值计算方法。而机械动力学的发展为机械系统的动态设计技术的发展又 产生了巨大地推动作用。 1 3 机械动态分析设计技术的发展过程和应用现状 基于构件的动态设计理论，是在2 0 世纪6 0 年代开始研究的。动态优化设计的 初期研究规模一般局限于简单的梁、板、壳。伴随着静态结构系统分析和优化理论 的研究与发展，许多学者，特别是对系统动态特性有着特殊意义的航空、航天等方 面的专家，开始将动态分析和动态优化逐步应用到工程设计之中【1 9 2 4 】。 一般工程结构的动态设计理论：2 0 世纪7 0 到8 0 年代初，是动态设计理论的完 善和发展时期，动态分析能力的不断提高，优化方法的不断发展，使得动态设计成 为一个活跃的研究领域，其研究内容包括：系统参数识别与动特性修改、系统振动 分析和系统参数优化等。其研究应用对象也从简单的梁、板、壳到柔体结构，从简 单系统到复杂系统，从以固有频率和振型为约束条件发展到包括系统响应( 加速度、 速度、位移) 的约束。与静态优化相融合的静、动态优化也开始有所研究。目前， 与自动控制理论相结合的主动控制条件下系统的动态优化问题已有部分成果。对于 一般的工程结构，由于其构件及构件间的连接关系在物理性质和几何形状等方面均 较为简单，因此，在结构系统的建模、实验模态分析、分析模型的修改和精化、系 统的动力分析、动力修改和动态优化设计等方面进行了大量的系统研究的基础上， 已经形成了较为成熟、系统的理论和方法。此时，尽管动态设计的理论不断完善， 但是对于复杂的系统，动态分析计算的效率很难满足工程设计的要求，相关的研究 4 第一章引言 成果还无法用于工程设计，研究的问题仅是机械系统的局部问题或其中的某些部件。 在8 0 年代初期，在工程设计中使用的只是简化的局部分析模型，这种设计的结果要 么过于保守，要么不能保证系统的安全性。 2 0 世纪8 0 年代伴随着第三代计算机的出现，机械系统的动态优化设计才开始得 以大规模研究和应用。全面考虑大型机械系统的基本特点，从整机动态设计的高度， 全面、系统地研究动态设计理论和方法，使得分析计算模型既要正确反映各种实际 复杂因素，又要合理地进行简化，有着十分重要的理论和现实意义。2 0 世纪8 0 年代 末，9 0 年代初，大型的数值处理分析软件的商业化，以及优化计算方法、优化约束 函数的不断改进，给动态优化问题的解决提供了条件，从而使工程设计者在综合静、 动态特性的条件下可以进行综合优化设计。 目前，欧美、日本等国家通过计算机进行动态优化设计已经比较普及，在应用 上已有相当的成就。通过建立动态模型进行动态分析的现代设计方法，使机械设计 更接近工程实际的各种复杂环境，提高产品的可靠性。 我国在大型机械系统方面推行的设计理论和方法，基本上是采用国外的规范。 现在主要利用有限元法进行分析计算，其程序算法也基本上是从国外引进的，几乎 是照搬照套，得到什么用什么，设计理论和方法也同样存在着上述问题。研究解决 大型机械系统动态设计中的关键问题，将一般结构系统动态设计的基本理论、方法 和策略开拓应用到机械系统动态设计中，从而建立完整的大型机械系统动态设计理 论、方法及体系，将对提高我国机械装备的设计理论、设计水平和设计质量，完成 我国机械设计的理论和由经验设计、类比设计和静态设计向动态设计的转变产生巨 大地推动作用。 1 4 机械动态设计的实质和研究热点 1 4 1 机械动态设计的实质内容 在计算机技术迅猛发展的今天，功能日益强大的计算机使得复杂系统的动态优 化成为可能和现实。动态优化设计的实质内容可以概括为：建立符合实际的动力学 模型和选择有效的动态优化方法。其目的是建立一个切合实际的动力学模型，目前 建模方法有： ( 1 ) 有限元法。对于复杂机械结构的动态设计，有限元法是一种应用广泛的理论建 模方法。它的基本思想是把结构离散化，使结构变为离散的物理模型( 有限元模型) ， 然后利用弹性力学中的变分原理，建立单元的动力学方程，以此为基础，利用所有单 5 冲击振动压路机实验样机的动态特性分析 元在公共结点上位移相等的原理，对各单元动力学方程进行组织，便得到整个系统的 动力学方程，加上边界条件，就成为所需的数学模型。 ( 2 ) 传递矩阵法。传递矩阵法属于集中参数建模方法，它主要用于研究轴类组件的 弯曲振动和机械传动系统的扭转振动，其基本思想是将轴及轴上各组件简化成质量 元件、梁元件、径向支承元件、轴向支承元件等，根据相应理论分别写出各元件的传 递矩阵，将各元件的传递矩阵按一定顺序相乘，就得到轴的累积传递矩阵，而建立起 整个系统的数学模型。 ( 3 ) 实验模态法。2 0 世纪7 0 年代以来，由于快速傅立叶变换( f f t ) 技术的发展，模 态分析设备发展非常迅速，推动了试验模态整体技术的发展，它是利用试验的方法完 成数学模型的建立，通过测量对结构的激振和系统的响应来得到系统的模态参数，从 而完成对于系统特性的分析，它在实际中已经得到了广泛的应用。 ( 4 ) 混合建模法。它是将理论建模方法与实验建模方法相结合，利用理论建模方法 与实验建模方法各自的优点而形成的一种建模方法。 ( 5 ) 利用人工神经网络理论建模。 其中机械结构的动态有限元法分析主要是从8 0 年代开始的。到了9 0 年代，随 着数值模拟技术的引入，机械动态有限元分析法的广度和深度不断增加。在对复杂 机械结构动力分析和动态设计方面，有限元法是一种应用最广的建模方法。利用弹 性力学和有限元法建立结构的动力学模型，可以计算出结构的固有频率、振型等模 态参数以及动力响应，此基础上还可根据不同需要对机械结构进行动态设计。由于 有限元法具有精度高、适应强、计算格式规范统一等优点，已广泛应用于许多领域， 已成为现代机械产品设计中的一种重要工具。目前，通用的有限元计算软件有多种， 其中绝大多数不仅可以进行简单、线性、静态分析，也可以进行复杂、非线性、动态 分析。其分析功能几乎覆盖了所有的工程领域，程序使用也非常方便。选择有效的结 构动态优化设计方法，即对系统设计变量的初始参数，通过计算，做出必要的修改， 使机械机构的动态性能在规定的约束条件下达到最优。 1 4 2 目前动态设计理论研究的欠缺和热点 尽管系统动态设计的研究取得了巨大的成就，在工程应用中也不断向广度和深 度扩展，但是对整个系统进行分析设计的理论还有一定欠缺。目前动态设计理论研 究的欠缺和研究热点主要表现在： ( 1 ) 非线性问题，无法用准确的数学模型描述，或者描述不够清晰。 ( 2 ) 动态优化设计自身的理论，还不完善，很多方面有许多主观因素在内。 6 第一章引言 ( 3 ) 可靠而有效的数学描述研究，包括对非线性系统随机激励的准确求解。 ( 4 ) 优化算法的研究，不但使机械系统局部最优，而且达到全局最优。 ( 5 ) 人工神经网络，来解决非线性目标函数和约束函数难以准确描述的问题。 ( 6 ) 机械系统结构的动态虚拟优化设计应用研究。 其中( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 是对动态优化设计的数学理论进行基础性理论研究，数学基础理 论的发展状况，直接决定了工程难题能否准确、快速、高效解决。机械系统结构的 动态虚拟优化设计，是与工程实践密切联系，解决实际工程问题的技术。以计算机 仿真、建模为基础，集计算机图形学、智能技术、虚拟现实技术、多媒体技术、机 械动力学、有限元和优化设计方法为一体，由多学科知识组成的综合系统技术，是机 械结构动力学设计与分析在计算机环境中数字化、图像化的映射，通过虚拟动态环 境，进行虚拟产品开发，对于产品的动态特性做出分析，这种庞大的计算量是必需计 算机技术支持。 本课题选择有限元方法进行研究对象的建模，并对有限元模型进行动态特性分 析设计，在a n s y s i o 0 软件上实现分析过程，得到结果。之所以选择有限元方法进 行建模和模型分析主要原因有： ( 1 ) 有限元方法作为一种模拟实验建模和实验分析技术，已被工程实践证明是一种 非常有效的建模和模型分析技术方法。 ( 2 ) 本课题中所设计的实验样机结构相对比较复杂，而有限元方法中的模型节点可 任意配置，边界适应性良好。 ( 3 ) 有限元方法能够比较准确地模拟由不同结构元件组成的复杂结构，例如加强筋 板的壳体，板、梁、块体的组合结构【2 5 1 。 ( 4 ) 有限元方法适应支承条件和任意载荷，即载荷条件适应性比较好。 ( 5 ) 有限元方法比较规范，通用，容易使用掌握。 ( 6 ) 利用有限元方法建模和模型分析，具有经济实用性。 1 5 本课题研究的意义、任务和研究方法 1 5 1 本课题研究的意义和任务 过去，冲击振动复合压实技术对铺层的压实效果一直停留在仿真研究阶段，而 这一效果还有待实验研究。用实验方法去研究冲击振动复合压实技术的压实效果已 经成为下一步深入研究的迫切任务。本课题的主要任务就是利用静态和动态分析设 计的方法设计出一种具有冲击振动复合压实功能的冲击振动复合压路机实验样机， 7 冲击振动压路机实验样机的动态特性分析 为下一步实验研究冲击振动复合压实技术对铺层的压实效果做准备。 尽管冲击振动组合压路机采用冲击轴和振动轴分离的方法，来缓解原冲击压路 机冲击块与主轴同轴所带来的振动问题，但是冲击振动组合压路机仍然存在着一定 的振动危害问题，冲击振动压路机工作环境仍是十分恶劣，机架受到冲击、振动载 荷的复合作用。由于冲击振动压路机在工作过程中，机身受到剧烈的冲击和振动载 荷，机身载荷状态比较复杂，仅用静态和经验的方法很难设计出安全稳定的实验样 机，而必须采用动态分析的方法来校验利用静态方法设计出的样机结构的动态强度、 刚度及影响样机安全性、稳定性的其它参数。本课题的主要任务： ( 1 ) 研究样机机架的模态、谐响应和瞬态动特性。 ( 2 ) 研究样机机架在冲击和振动载荷激励下的动态强度和刚度。 ( 3 ) 从动态分析的角度对样机机架进行结构改进，以至最后达到满意的效果。 1 5 2 本课题选用的方法和具体实施步骤 本课题选用有限元动态分析方法，模拟冲击振动复合压路机的实际工作载荷状 态，从结构动力学角度，对冲击振动压路机离散化有限元模型进行结构动态分析， 最后由分析结果对原来用静态设计方法设计的样机结构、几何尺寸、物理参数等进 行优化。具体步骤可以概括为以下五点： ( 1 ) 根据实验过程对实验样机性能的要求，用静态设计( 静力学) 的方法对实验 样机进行初步结构设计，得到实验样机的初步设计图纸。 ( 2 ) 根据初步设计出的实验样机的结构几何参数，求出样机的外部载荷，即建立 冲击块冲击载荷和振动轮简谐载荷的力学模型。 ( 3 ) 并利用a n s y s 软件建立合理的实验样机动态有限元分析模型。 ( 4 ) 对动态模型进行模态分析、谐响应分析和瞬态动力学分析。重点分析试验样 机机架的固有模态振型，冲击装置铰接部位的瞬间反冲击力对振动轮和机架 的影响、共振的可能性及实验样机的动态刚度和强度状况。 ( 5 ) 根据动态分析数据结果，并用动态分析设计方法给出优化设计的建议和方法， 最终提出对整个冲击振动实验样机的动态修改设计方案，为实验样机的制造 和以后实验研究冲击振动压实技术对铺层的压实效果做准备。 8 第二章实验样机的结构设计及动态分析参数确定 第二章实验样机的结构设计及动态分析参数确定 2 1 冲击振动压路机的工作原理 虽然近几年来逐渐推广使用的冲击压路机表现出其特有的优点，但冲击压路机 有以下缺点：冲击压路机的冲击轮和主轴之间冲击力非常大，致使主轴极易损坏、 寿命较短；冲击压路机工作时非圆形冲击轮将造成车架对牵引车的冲击很大，致使 牵引车难以匹配以及对发动机负荷要求较高；压路机工作装置对牵引车的冲击增加 了驾驶员疲劳度；现有的减振和隔振装置对其的减振效果不是很好。 针对冲击压路机的以上缺点，我们提出了一种新的冲击振动复合压实方式，如图 2 1 所示，是该型压路机的工作原理图。将整体式冲击压实轮设计成分瓣式的，此压 实机主要由冲击块( 分别可以绕各自冲击轴旋 转) 、振动轴( 激振机构安装在振动轴上) 、振 动轮等组成。振动轮进行振动压实，若干个冲 击块对地面进行自由落体冲击，达到了连续冲 击力和振动力相互作用于土壤的目的。可以看 出此原理和该种结构的创新之处在于：把压路 机冲击轴和振动轴分离，减轻了单根主轴受冲 击载荷过大易疲劳破坏的状况；将压路机的结 构和重要部件进行优化，达到冲击、振动复合 压实的目的。 1 冲击轴2 冲击块3 振动轮 图2 1 冲击振动压路机结构原理图 2 2 冲击振动压路机实验样机的静力学设计 2 2 1 实验样机的性能和设计要求 实验样机主要性能参数要求：冲击块重量8 0 0 k g ，冲击频率3 0 一5 0 次分，冲击 高度8 8 0 - - - 9 1 0 m m ，最大冲击能量不小于7 k j ，振动轮工作频率为2 5 h z ，振动轮激 振力为2 0 k n ，振动轮振幅为2 m m ，实验样机工作速度1 2 k m h 。 因为振动压路机的原理和结构设计已经相当成熟，因此本文在对实验样机进行 原理和结构设计时，将工作重点放在实验样机冲击机构的设计上。振动轮激振装置、 动力源、传动系统的设计参考同型振动压路机有关近似参数。 2 2 2 实验样机的运动原理设计 与冲击压路机相比，由图2 1 可以看出，冲击振动压路机在原理和结构方面有两 9 冲击振动压路机实验样机的动态特性分析 处突出创新之处：( 1 ) 将冲击压路机冲击轴和主轴同轴改进为冲击轴和振动轴分离。 ( 2 ) 达到冲击、振动复合压实铺层，冲击压实和振动压实优势互补的目的。另外冲 击振动压路机的冲击类型为：自由冲击，即利用冲击块的自由落体运动来冲击被压 实材料。 在进行实验样机设计时，必须考虑到这些基本原理，保证实验样机能够最大限度 地实现原冲击振动压路机结构的工作原理，即必须保证实验样机：( 1 ) 能够实现冲 击、振动对实验铺层的组合压实。( 2 ) 实验样机同样是振动轴和冲击轴分离。( 3 ) 实验样机的冲击原理也是用自由冲击原理，对实验铺层进行冲击压实。 如图2 2 为根据以上原理要求，设计出的实验样机冲击机构的工作原理示意图。 实验样机冲击机构的动力传递和运动原理为：动力依次经由液压马达l 、联轴器2 、 减速器3 、减速器输出轴4 、超越离合器5 、曲柄6 、钢丝绳7 ，钢丝绳7 带动冲击块 1 23456 7 7 苌 彦j 刍，争j 0 、j 啦 r 屹 7r i i，l p 广 l 1 li j 翮1 i _ j 。北i 到 l 眨 孔暨c 1 一。 l 1 液压马达2 联轴器3 减速器4 减速器输出轴5 超越离合器6 曲柄 7 钢丝绳8 冲击块9 冲击块夹板 图2 2 冲击机构工作原理 8 运动。其中由曲柄6 ( 与超越离合器5 联接) ，钢丝绳7 、冲击块8 和冲击块夹板9 组成的曲柄钢丝绳摇杆机构，是样机完成自由冲击动作的执行机构。 如图2 3 为简化的曲柄钢丝绳摇杆机构：将冲击块夹板简化为摇杆0 a ，钢丝绳 简化为a b ，b c 代表曲柄，0 b 代表机架，冲击块的质心简化为铰接点a 。当杆位置为 0 a b c 时，曲柄作为原动件，驱动冲击块开始脱离地面上升，此时钢丝绳a b 受拉力作 用( 冲击块上升过程可以将钢丝绳等效为连杆) ，连杆a b 与曲柄b c 共线，摇杆对应 1 0 第二章实验样机的结构设计及动态分析参数确定 极限位置0 a 。当曲柄走过劣弧b b ”时，连杆( 钢丝绳) a b 第二次与曲柄b c 重合，摇 杆o a 对应第二个极限位置o ”a ”，此时冲击块上升到最高位置a ”处，此时摇杆在冲 击块重力作用下变为原动件，曲柄转在钢丝绳加速力矩的作用下，将加速转动，曲 柄转速将超越离合器转速，超越离合器星轮和套筒脱离。此后，冲击块在重力作用 下近似自由落体，曲柄b c 对应走过优弧b b ”。当曲柄转动到位置b c 时，冲击块冲 击地面，并与地面短时接触，直到超越离合器星轮与套简结合后，曲柄将又作为原 动件，重新带动冲击块升起。 b b 图2 3 曲柄钢丝绳摇杆机构 曲柄钢丝绳摇杆机构杆长的确定：由2 2 1 中对实验样机设计的性能参数要求， 可以知道摇杆o a 的极限位置必须能保证h 9 0 0 m m ，因此必须要求曲柄b c 的长度为 4 6 0 m m ，考虑到避免冲击块与其它构件发生干涉等因素，必须保证l a o a , 6 0 0 。根据 以上限制条件，最终确定杆长为：l o a - 1 0 1 0 m m ，l 应9 6 6 n 蚰，l b c = 4 5 0 m m ， l o c = 9 5 0 m m 。其中最小传动角为y 血= 4 3 0 ，能够满足实验样机冲击机构的传力性能 要求。 2 2 3 实验样机的静力结构设计 ( 1 ) 冲击机构所需驱动功率的确定 平均驱动功率的确定：由冲击块的冲击频率约为5 0 次分，可知冲击块的冲击 冲击振动压路机实验样机的动态特性分析 周期t = i 2 s ，曲柄的平均转速为5 0 转分( 对应平均角频率c o = 5 2 4 r a d s ) 。假设冲 击块由位置a 到a ”近似作匀加速直线运动，可以得到冲击块在被提升过程中，曲柄 所受到的最大阻力矩t = 4 6 8 k n m ，因此可近似求得冲击机构所需的平均驱动功率 p = 2 4 6 k w 。 ( 2 ) 主要标准件的选择 液压马达的选择：要考虑到传动功率( 压力与流量) ，压力，转速及经济性要求， 最后选择冲击块驱动液压马达型号为：c m g 2 1 0 0 ，额定压力1 6 m p a ，额定转速 1 5 0 0 r m i n ，容积效率为9 3 ，机械效率为9 2 。 联轴器选用k l 6 尼龙滑块联轴器，传递扭矩为5 0 0 n m 。 减速器选用d c y l 8 0 型，硬齿面三级齿轮减速器，输入功率3 3 k w ，传动比3 1 5 。 超越离合器选用c y l 2 1 0 滚柱式超越离合器，需用转矩4 0 0 0 n m 。 ( 3 ) 实验样机机架的设计 根据已有的振动压路机振动框的尺寸，有关车辆的车架的设计经验，本实验样 机整个车架选用型钢，型钢材料均为q 2 3 5 ，前装置架是由热轧1 4 号工字钢焊接而成 的组合架，振动轮框是分别由厚度为4 8 和3 0 的热轧钢板焊接而成。 如图2 4 所示，是根据以上原理及性能要求设计出的一种冲击块自由冲击和振 动轮振动压实相组合的实验样机结构图口6 - 2 9 。其工作原理是：冲击块8 的驱动力由 液压马达2 ，经联轴器3 、减速器5 、单向超越离合器1 0 传给曲柄6 ，然后曲柄6 通 1 2 第二章实验样机的结构设计及动态分析参数确定 o o o b 9 1 0 1 1 1 2 1 5 f1 4 ， 1 3 1 样机机架2 液压马达3 马达支座4 联轴器5 调速装置6 曲柄7 钢丝绳8 振动轮 9 减速器输出轴1 0 超越离合器1 1 轴承座1 2 冲击块1 3 冲击块夹板1 4 冲击轴1 5 轴承座 图2 4 冲击振动实验样机结构图 过钢丝绳7 带动冲击块1 2 冲击地面，其中超越离合器通过结合和超越两种工作状态， 分别实现冲击块的举升与自由下落冲击地面两个动作；振动轮单独作振动压实。设 计该实验样机的目的是进一步实验研究冲击振动压路机在冲击，振动，滚压组合压 实条件下对土壤的压实效果。 本论文的任务是：按照实验样机的工作性能参数要求，得到实验样机的设计图 纸；近似计算实验样机所受的载荷的力学模型；建立实验样机的a n s y s 有限元模型； 对样机加载力学参数，研究样机的振动特性，以及在高能冲击和振动载荷作用下的 瞬态和稳态响应特性。通过对研究冲击振动压路机机架在各种高能冲击和主要振动 1 3 冲击振动压路机实验样机的动态特性分析 激励载荷下的动特性响应分析，对样机结构参数进行改进。 如图2 5 所示，是实验样机机架结构图，机架主要由前装置架、振动轮框和牵 引座组成。其中液压马达，减速器，离合器，轴承等采用标准件( 主要工作参数在 下文列出) ，机架是焊件。初步设计出的实验样机的整机几何尺寸长x 宽x 高为 2 3 3 0 x 1 9 1 8 x 1 2 3 8 m m 。 l23 4 1 牵引座2 上横梁3 上边、次、中梁4 振动框 图2 5 装置架组件图 2 3 冲击振动压路机实验样机的动力学参数计算 2 3 1 简谐载荷力学模型的计算 振动轮激振力，可以近似看作样机机架所承受的简谐激励载荷， 下式描述 v o2 m 。s i n c o t 4 ：丝 m d a ，= 0 a o 其大小可以用 其中 r 为振动轮激振力，也是对有限元模型动态分析时的简谐载荷的最大幅值 m 。为激振器的静偏心距 c o 为激振器的角频率 1 4 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 第二章实验样机的结构设计及动态分析参数确定 m ，为激振器的振动质量 彳，为机架的振幅 么为振动轮的设计振幅或者名义振幅，一般取以= 0 8 3 5 m m 叩为振动传递系数，一般取叩= 0 0 2 0 0 4 样机机架所承受的外部激励载荷的频率范围要综合考虑机架外部和内部载荷的 具体情况而确定。虽然路面激励是随机振动激励载荷，但是考虑路面激励载荷频率 范围对确定机架所受载荷的频率范围是有参考意义的。由于路面激励的频率范围与 路面不平度和车速有关3 0 31 】，假设冲击振动压路机正常工作工况，工作行驶速度为 1 2 k m h ( 0 3 3 3 m s ) ，路面不平度取e 级，空间频率取0 1 2 m ，路面不平度的激励 频率大约为0 0 3 3 珈6 6 6 h z 左右，可以看出路面激励属于低频段随机振动激励载荷， 路面激励主要通过振动轮和前机架传给装置架。确定模态分析和谐响应分析的频率 范围时候，还要参考传动装置和工作装置的频率范围。齿轮轮齿的啮合频率可以看 作是相对高频段周期性激励，因此没有重点考虑。所参考的主要频率参数如表2 1 ： 表2 1 系统所受主要激励的频率参数 装置名称工作转速( r m i n )工作频率( h z ) 液压马达 1 5 0 02 5 0 0 一级减速从动轴 6 0 01 0 o o 二级减速从动轴 2 5 04 1 6 三级减速从动轴 5 00 8 3 3 振动轮激振器 1 5 0 02 5 冲击块 5 00 8 3 3 路面激励 0 0 3 3 0 6 6 6 由表2 1 确定实验样机所受外部载荷的频率范围为o _ - 2 5 h z ，即分析过程中，最 关心的频率范围为卜2 5 h z ，因此将该频率范围作为随后模态参数提取和谐响应分析 的重要频率参数，分析这些主要频率与模态固有频率之间的关系。 本分析中取模拟简谐载荷为f = 2 0 k n ，机架单侧简谐载荷最大幅值为1 0 k n ，设 计振幅为2 姗，频率范围为卜2 5 h z ，振动传递系数叩= 0 0 3 。 2 3 2 机架所受冲击载荷的计算 冲击轴对轴承座的冲击载荷，即轴承座支反力的求解，可以分为冲击块提升、 冲击块自由下落、冲击块冲击地面三个阶段求解。冲击块冲击频率为5 0 次分，即 冲击振动压路机实验样机的动态特性分析 冲击周期t = i 2 s ，冲击高度为h = 9 0 0 r a m ，与地面冲击接触时间为0 0 2 s ，重力加速 度g = 9 8 r r v s 2 。 冲击块下落过程看作是近似自由落体运动下落时间为f ：，下落起始速度为0 ，则 厨 乞1 i ( 2 4 ) 可以计算得到f 2 o 4 2 8 s ，考虑到上上升过程的减速过程，取r ：= o 4 8 s 。 冲击块与地面冲击接触时间f ，= f 可以从机械动力学的角度计算，根据动量定律： 聊( 1 ，一v ：) = f ) f d t ( 2 5 ) 冲击开始时，工作机构的速度v 。= v 。= 2 妇；冲击结束时，工作机构速度v ：= 0 。 即： 上c r a d t = m 。厨 ( 2 6 ) 冲击过程中，应力从零递增到最大值。假定其按线性规律变化，则， c r a d t v 丁o a ( 2 7 ) 乃 9 上式两边左右部分相等，化简得出冲击作用时间为 f 2 t o o _( 2 8 ) 仃o a 将盯。的值代入上式，化简可得到如下式子： 州璧 ( 2 9 ) 由此可见，冲击作用时间f 与工作机构的冲击下落高度日无关：与聊；和6 成正比； 与e ；和彳 成反比。2 5 2 9 式中 仃o 被压材料表面的最大应力； 口被压材料上层和下层应力值之比； 艿被压土层厚； 彳帅击压实的底面积； e 被压土层的形变模量： m 。冲击压实工作机构的质量，在这里肌。可以看作是冲击块的质量。 第二章实验样机的结构设计及动态分析参数确定 m