冲击振动压路机冲击机构的仿真研究＊

朱命怡

（河南机电高等专科学校汽车工程系，河南新乡453000）

冲击振动压路机冲击机构的仿真研究＊

朱命怡

（河南机电高等专科学校汽车工程系，河南新乡453000）

利用ADAMS仿真软件建立冲击振动复合压路机的虚拟样机；对其冲击机构进行运动特性的研究分析，得到导轨盘豁口大小与行驶速度之间关系曲线；利用仿真结果，优化改进工作滚轮的结构，并验证改进后的机构提高了冲击效率。

ADAMS；虚拟样机；冲击振动；压路机

0 引言

虚拟样机就是利用软件建立机械的实体模型或力学模型，通过模型的分析，评估机械结构的性能，为物理样机的设计、制造提供合理的参数。

ADAMS仿真软件能够创建参数化的模型，通过对模型进行运动学、动力学分析，得到模型部件的位移、速度、加速度和反作用力曲线，从而预测模型的运动范围、峰值载荷以及有限元的输入载荷等各种性能指标。

1 冲击振动复合压实技术

图1为冲击振动复合压实的原理图。此种设备具有以下几个特点：

（1）对地面的冲击和振动作用是连续进行的；

（2）把圆形工作滚轮分成几个相同的空间，冲击机构布置于其中，保证了在行驶过程中，工作滚轮不会失衡。

相比现有的压实机械，冲击振动复合压路机有着很多的技术优势，为了更好地研究冲击振动复合压实技术，课题组研制了冲击振动复合压实机械的物理样机，物理样机主要由冲击机构、振动偏心轮、工作滚轮、导轨盘以及上车身等五部分组成。液压马达驱动工作滚轮，冲击机构从高处落下，冲击滚轮，形成冲击做功；振动偏心轮旋转，对地面进行振动压实；压路机利用本身的自重对路面有碾压作用，从而实现了冲击、振动和静压的复合压实效果。

图1 冲击振动复合压实原理图

2 冲击机构的状态分析

2.1 冲击机构的工作过程

冲击机构在工作滚轮中的位置排列如图2所示，冲击机构的工作过程分为4个阶段：

（1）在导轨盘的外轨道上运动

冲击机构在驱动机构的驱使下，由轨道的最低端上升到最高端，储蓄冲击能量。

（2）第1次冲击

当运行到轨道的最高处时，遇到轨道的豁口，冲击机构在重力作用下，冲击工作滚轮的内圈做功。

图2 冲击机构在工作滚轮中的位置

（3）在工作滚轮前进的过程中，冲击机构高度下降阶段

在完成第1次冲击后，在工作滚轮的驱使下，到轨道的最低点。

（4）第2次冲击

当运动到导轨的最低处时，遇到轨道的豁口，冲击滚轮的外圈，进行第2次的冲击做功。

2.2 冲击能量的分析

冲击机构在冲击做功中的高度落差分别为H1＝82.1mm，H2＝55.1mm，冲击块的质量约为15.01kg。

（1）冲击能量理论值计算

冲击机构是有水平初速度的落体运动，利用重力做功，冲击能量的理论值为：

第1次冲击：mg H1＝12.053（J）；第2次冲击：mg H2＝8.084（J）

（2）冲击速度计算

若考虑各种摩擦，冲击机构冲击瞬间的速度为：

（3）冲击力的计算。

冲击块和滚轮都为钢质的，设冲击时间为t＝0.02S，则冲击力如下：

3 仿真模型建立和验证

3.1 仿真模型的建立

将利用三维软件建立各部件的三维模型，并进行装配，然后导入ADAMS软件中，并定义各个部件的质量属性，添加相应的约束关系，即可完成仿真模型的建立。

3.2 模型的仿真验证

这里我们只验证样机的冲击机构，包括冲击机构的运动轨迹，冲击速度，冲击能量等，振动机构暂不做分析研究。

（1）模型的完善

为了仿真的方便，添加另外一个压实轮、上车身（用质量球来代替）以及用于行走的地面，如图3所示。

图3 完善后的样机模型

（2）模型验证

模型仿真的假设条件：行驶的速度为1.281km／h，仿真时间为11s，图4、5、6是一个冲击机构的运动仿真情况。

图4 垂直方向运动轨迹

图5 垂直方向的速度

图6 运动能量

图7 豁口大小和极限行驶速度的曲线

从图4－图6我们可以看出：冲击块的运动轨迹、速度以及冲击能量与理论值相近，我们所建立的仿真模型是合理的，可以用于仿真实验。

4 冲击机构仿真分析

4.1 行驶速度和导轨盘豁口大小的仿真

利用样机进行试验时，冲击机构有时会被卡死。我们对冲击机构进行分析：冲击机构在下落的过程是一个有水平初速度的落体运动，如果行驶速度过大，在冲击机构还没有落下来的时候，冲击机构的支撑导动杆已经通过豁口，不能冲击做功或刚好被卡在导轨盘豁口之间，造成卡死现象。为了解决这个问题，我们需要研究导轨盘豁口大小和滚轮极限行驶速度的关系。课题组为此建立了导轨盘豁口宽度为31－42mm的系列模型进行仿真实验。通过对上述不同豁口的仿真过程的记录，得到如图7的理论曲线，为下一步物理样机的设计制造提供了理论参考。

4.2 现有导轨盘的结构改进

从图6中可以看到，第1和第4峰值处有能量损失，这两个峰值发生在冲击机构由内滚轮滑到内轨道的时刻，损失的能量没有用于冲击。

（1）改进方案设计

设计改进方案：①去掉导轨盘的外缘，以便减少冲击机构支撑滚动导杆与外缘的接触；② 减少内轨道的半径。现有内轨道的半径为161mm，改进后的半径为145mm，提高冲击行程16mm，从而提高了冲击能量。

（2）仿真结果的比较

①对地面压力比较，结果见图8和图9：

图8 机构改变前

图9 结构改变后

从两图中的第1和第3峰值可以看出：改进后的压力有所提高。

②运动能量比较，结果见图10和图11：

图10 结构改变前

图11 结构改变后

从两图中的第1和第3峰值可以看出：改进后的运动能量大于改进前的。

③ 冲击块质心竖直方向的运动轨迹比较，结果见图12和图13：

图12 结构改变前

图13 结构改变后

从两图的对比分析中可以看出：滚轮内半径减少，冲击机构的质心在轨道下半部分的竖直方向的冲击高度变大，这也是地面接触力和冲击块运动能量得到提高的根本原因。

5 结束语

利用ADAMS仿真软件建立冲击振动复合压路机的虚拟样机；利用虚拟样机研究了导轨盘豁口大小与极限行驶速度关系，并得到两者的理论曲线，为下一步物理样机的设计制造提供了参考；通过改进导轨盘的结构，提高了冲击效果。

目前，我们仅仅研究了冲击机构的工作过程，接下来还要研究振动机构和冲击机构同时工作时的状况；另外，为进一步研究冲击振动复合压实技术，需要改进物理样机的结构。

（责任编辑 吕春红）

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Simulation Study of Vibratory Impact Mechanism of Shock

ZHU Ming－yi

（Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang 453000，China）

Establish virtual prototype of shock and vibration composite roller using ADAMS simulation software；Through the study of the movement characteristics of impact mechanism analysis，we get the guide plate opening size and the relation curve between speed；Using the simulation results，optimizing the structure improvement of working roller，and validate the improved mechanism improves the impact efficiency

ADAMS；virtual prototype；impact vibration；roller

U415.52

A

1008－2093（2015）01－0001－04

2014－10－25

朱命怡（1967－），男，河南新乡人，教授，硕士，主要从事汽车零部件制造与汽车检测技术研究。