1、振捣器几个参数对摊铺机压实机构的非线性动力学特性影响分析第 l9 卷第 3 期振动与冲击JOJRNAL 晒 VIBRATIONANSHOCK振捣器几个参数对摊铺机压实机构的非线性动力学特性影向分析回厂探讨了压实机构中的一十部件一振捣器的几十参数对压实机构动力学特性的影响,弥补了迄今尚未研究振捣器运动规律工I 的不足,以及因忽略振捣器对压实机构有关部件动力学特性影响而得出不完整的结果的缺憾./一,关键词:摊铺机.压实机构,非线性动力学,仿真-f 舌彳/中图分:5.52,O32 一一,叫嚣0 引言捣,振动压实与熨平作业.其中,由位于熨平板装置.盹虽拿振动摊铺机高一航嚣嚣但于国内引警生产尚不足 10
2、 年 1 日寸间,对摊铺机釜一对物振动压,后由在方动的最重要的工作机构压实机构的动力学研究还很平板平台底部实现熨平.前后脉冲压实梁则通过各少.3214在不计熨平板平台的运动和振捣器影自的予压弹簧(复位弹簧)和激振油缸分别平行与熨响的情况下,对脉冲振动压实梁在一个自由度下进行平板平台连接在一起,工作时由各个激振油缸克服复了研究;文5则是在考虑到熨平板平台和振捣器运位弹簧力并驱使前后压实梁向下运动而压实物料,压动与脉冲振动压实梁运动相互影响的情况下,研究了实梁的返程则由复位弹簧来实现.激振油缸的进出2 个自由度下的压实机构的动力学问题,是对一个自油借肋于转阀即脉冲发生器与主油路接通或断开.由度振动
3、压实梁动力学的重要补充,但对振捣器自身 NNNNN-N,激振油缸进出油各四次.熨平板平及对其它部件影响的研究仍不足.造成研究压实台则在振捣器,激振油缸,复位弹簧等反作用力以及机构动力学问题稀少的原固是多方面的,既有压实机物料的共同作用下,上下浮动(实为振动) 进而在摊铺构动力学问题的复杂性,又是人们对这个问题重视程机的行进中熨平物料.摊铺机压实机构可简化为由度不足的表现.当然,还有国外同行出于保密而不愿一个振捣器,前后两个压实梁和熨平板平台等四个质公开动力学研究成果等等.为改变这种现状,本文对量组成,其力学模型如图 1 所示.图中,m,m:,m3,这个问题进行了较深入的研究.通过对本文作者提依
4、次表示熨平板平台质量,iti,实梁质量,前压实出的一个 3 自由度的包含振捣器,前后压实梁和熨平梁质量和振捣器质量,:, 奶,分别为它们对应板自身的压实机构的非线性动力学模型(见本文作者的位移.F,F 为液压激振器对平台和压实梁的作用另文)的研究 ,讨论振捣器几个参数对其它部件的影力(F 为后压实梁激振油缸作用力,F.为前压实梁响.激振油缸作用力,一般二者不同.图中未画出激振油压实机构的一种非线性动力学模型;见,这几个元件摊铺机是用于在路基上摊铺,压实并熨平沥青混经过对图 1 力学模型的分析并将振捣器的加速凝土或水泥混凝土物料进而形成路面的一种路面筑度合并到熨平板平台的方程中后,得到压实机构的
5、如路机械.工作时,借肋于摊铺机上的刮板输送机,将下运动微分方程:料箱中的物料送往位于行进中的摊铺机后下部的螺(m1+m4)茔+(c1+c4 印)主一c2 一 c.r3旋分料器,在处于水平位置的螺旋分料器作用下,物+(+4+b)z】一 k,ex2 一b3=(md 一一料沿摊铺机的宽度方向均匀等厚地落在路基上.随 4r)sineotc42zacosatF2一十(ml+%)g着摊铺机的行进,位于摊铺机最后部的呈浮动状态的?收稿日期19991018 修改稿收到日期:1999 1206第一作者严世榕男,博士研究生.尉教授,1960 年 7 月生第 3 期严世榕等振捣嚣几十参数对摊铺机压实机拘的非装吐动力
6、学特性影响分析ct-2.1:1+(k2+)21+(k3+ky3)31=(1)kfl3-1:1=图 1 摊铺机压实机构动力学模型式中 C,C,c,c 依次为熨平板平台,后压实梁,前压实梁和振捣器处物料介质的阻尼系数,c,c13 为后压实梁和前压实梁复位弹簧阻尼.kl,k2,k 依次为熨平板平台,后压实梁,前压实梁和振捣器处压实介质的刚度,kf3 为后压实梁和前压实梁的复位弹簧刚度,F2,F 为后压实梁和前压实梁处激振油缸的激励力,r 为振捣器驱动轴的偏心距大小,m 为振捣器激振园频率.这组方程对应于摊铺机生产厂家在摊铺机出厂前,在汽车轮胎上振动调试摊铺机压实机构时的情形.此时虽然压实介质是线弹性
7、机构,但由于油缸激振力与其柱塞移动速度(即压实梁的振动速度与熨平板平台速度之差)的非线性关系(参考文献6 得出).方程 (1)是一个非线性微分方程组.激振力 F2,F3 分别为J“(2)【F3=n5其中户:lP,z-(rtlsg1 煳洲(3)!Pee+()(一), 排油时一(等)(2.进Ps=t4)l.,+(詈)(一.771)2 排油时式中.,分别对应后压实梁与前压实梁的转阀前油源压力大小,一般情况下,二者不一定相同;P,P03则为后压实梁与前压实梁转阀处主油路回油背压大小,一般情况下它们也不一定相同;s 为油缸横截面积大小;m 为每个转阀对应油缸个数;为作用在后压实梁或前压实梁上的油缸个数;
8、p 为油的密度;c 是度量压力油流过阀口时能量损失系数;ss 为转阀开启或关闭过程阀口的面积大小,它是一个变量.与时间及转阀的转速直接相关,且与时间呈非线性关系,需借助积分求解.可见方程(1)又是时变系数的微分方程组.从方程组(1)可以看出 .振捣器,前后压实梁以及熨平板平台等的运动是相互联系的.只有熨平板平台自身的重量相当大的时候(此时它静止不动),前,后压实梁及振捣器的运动才是独立的.且各为一个自由度的情况.2 压实机构的动力学仿真从方程(1)与式 (2),(3)及(4)可看出,方程(1)是由两段组成的,每段均为非线性时变的,并且由于该方程的复杂性,无法获得其解析解.本文借助数值积分的方法
9、,求该方程组的解.这里采用四阶龙格一库塔法,并借助于 c 语言编制计算机仿真程序 .该仿真程序在 486,586 及以上型号的计算机上均可运行.仿真参数参照国内一种摊铺机压实机构的有关参数给出:k】=2625000/ 一 1.kz=1575ooo/_.,k=1050000/r,a_.,kj=1050000/r,a 一,f1=7900/ke,s,=2287200/.=2287200/IX,2=4740/kgs 一 ,3=3160/kgs 一,cj=3160/kgs 一,=17600/一.=17600/ke,s_.,1=2oo0/kg,2=405/kg,m=405/kg.m4=192.6/kg,偏
10、心距 z=0.O02/m,振捣器频率 30/.激振油缸脉冲频率 40/,油缸柱塞直径 0.028/m.转阀内径 0.04/m,油口直径 0O06/m.前压实梁激振油缸最大油压 5.6/Mp,后压实梁激振油缸摄大油压 5.76/Mpa 等.al 熨平板平台 a2 后压实粱 a3 前压实粱 a4 振捣器pl 前压实粱油压 p2 后压实粱油压图 2 压实机构加速度与油压仿真图 2 是在上述仿真条件下得到的压实机构各部.印23“僧+m+m一一十一+振动与冲击 2000 年第 19 卷a 前压实粱 b 熨乎板平台 c 后压实粱 d 振捣器图 3 加速度功率谱件的加速度与前后压实梁激振油缸的油压随时间的变
11、化规律.图中加速度单位为一,油压单位为Ncm,横坐标时间单位为 S.由上图看出,平台与前后压实梁的运动是周期的,但形态各异,成分复杂,由几个不同的简谐信号迭加而成.对于振捣器而言,其信号也是很复杂的,在没有考虑熨平板平台运动的情况下是无法发现其真实情况的.a 前压实梁 b 熨平板平台 c 后压实梁 d 振捣器图 4 振捣频率与备加速度振捣分量关系羽:匾着对上述信号进行了频谱分析.图 3 即为此时的各部件加速度信号功率谱图.从图 3 可见,前压实梁速度主要是由 40/Hz 的咏冲频率成分构成 ,而对应 30/即振捣频率的成分此时较小.后压实梁的情况与其基本相似,但 40/Hz 的脉冲主频成分大些
12、 .这与作用在后压实梁上的激振力较前压实梁大,且介质刚度不同等有关熨平板平台由于同时受到 2 个激振油缸和一个振捣器的作用.其成分更复杂,主要由 40/Hz,的脉冲频率成分和 30/Hz,的振捣频率成分组成.振捣器的加速度信号主要为 30/振捣频率成分,但熨平板平台也传给它其它频率的成分.功率谱单位为m2sa 前压实梁 b 熨平板平台 c 后压实梁 d 振捣器图 6 偏心距对各加速度振捣分量的影响兰囡a 前压实梁 b 髓平板平台 c 后压实粱 d 振捣器图 7 偏心量对各加速度脉冲分量影响3 振捣器几个参数对压实机构动力学影响分析压.慧动力学的 5 图振捣频率与各加速度脉冲主频分量关系卅阻为从
13、定量上了解压实机构的动力学特性,本文接影响,本文通过改变振捣频率,振捣器偏心距来探讨蛐睢*鲫第 3 期世榕等:振捣器几个参数对摊铺机压实机构的非线哇动力学特性影响分析这些问题.首先研究振捣频率的影响.图 4,图 5 为仅当振捣频率从 20 变化到 50Hz,且保持偏心距 0.002/m,脉冲激振频率 40/H等其它一切参数与图 2对应的完全一样时,压实机构各部件加速度主要分量随振捣频率变化而变化的规律(两图均为加速度功率谱图).从图 4,图 5 可以看出,当振捣频率变化时,前,后压实梁在振捣频率为 40/I时各自的加速度的振捣分量为最大,过了该点后这两个部件的加速度的振捣分量明显减小.前,后压
14、实梁的 40/Hz 的脉冲分量则在振捣频率低时较大,其中在振捣频率为 20/I,25/Hz 时为最大值 ,过了 40/H后振捣器对它们的影响明显减弱.振捣器和熨平板平台的加速度中的振捣分量随振捣频率增大呈波浪式增加,且在过了 401后,由于前,后压实梁的加速度的振捣分量和脉冲分量均较小,对其影响减小,随着振捣频率的进一步加大,它们呈直线上升.振捣器和熨平板平台中的脉冲分量在振捣频率增加过程形状不同,平台在经过波浪式下降后,在振捣频率 40/Hz 后变得较小.振捣器本身在 36.667/前几乎没有脉冲分量,但在 40/Hz时出现一个很大的共振点,过了此点后,脉冲量马上又降为小量.前,后压实粱加速
15、度的主要分量在振捣器的振捣频率变化过程出现峰值等有规律变化是与包含介质在内的整个压实机构的动力学特性有关.振捣频率的变化直接改变着振捣器加速度的大小和与其直接相连接的熨平板平台的加速度大小(当不计熨平板平台的运动时,振捣器的加速度是与其振捣频率的平方呈正比).当振捣频率小时,它对压实粱的运动等产生的影响较小.故压实梁等的加速度以脉冲分量为主.当振捣频率相当于脉冲激振时系统的某些次谐波频率时,会诱发系统较大的振动,尤其与脉冲频率相同时,由于脉冲激励力和振捣反力对平台的抵消作用,使后者加速度减少,同时,固此时外界通过振捣器和激振油缸等对系统输入能量,故此时压实梁的加速度振捣分量明显增大.当过了这个
16、点后,振捣器的加速度明显大于压实梁等,故脉冲激励力对振捣器和平台影响明显减弱,振捣频率的增加主要是提高平台和振捣器的加速度振捣分量.3.2 振捣器偏心距对压实机构动力学的影响图 6,图 7 为保持脉冲频率 40/Hz,振捣频率 301等其它参数均与图 2 对应的参数一样,仅将振捣器偏心距从 0.002/m 变化到 0.004/m 时,压实机构各部件的加速度主要分量随偏心距大小的变化而变化的过程.对于前,后压实梁来说,当偏心距刚增大时,振捣引起的加速度下降,在过了极小点后,这两个元件加速度中的振捣分量呈曲线上升.这表明,当偏心距较小时,振捣器输出的能量仅是提高振捣器自身和平台的运动,并且还削弱压
17、实梁的运动.过了极小点后,随着平台运动的增大,附带地驱使压实梁的加速度的振捣分量加大.当然,前,后压实粱的加速度振捣分量随偏心距变化得不完全一样,极小点也不同时出现.偏心距加大使前,后压实梁的加速度的脉冲分量下降,即此时油压对前,后压实梁的作用均减弱偏心距的增大使平台和振捣器自身的加速度增大,这不论是它们的振捣分量还是脉冲分量均如此.4 结论摊铺机压实机构各部件的运动情况是复杂的.一般情况下,前,后压实梁的运动以油缸的脉冲激振频率分量为主;振捣器则以其自身驱动频率为主要分量频率;熨平板平台以油缸脉冲频率和振捣频率二个分量为主要成分.不论是振捣器的振捣频率还是振捣器的偏心距的改变,均使整个压实机
18、构的动力学参数发生改变.可以单独利用振捣器的频率或偏心距的改变来使压实梁或平台的运动发生变化,进而调整摊铺工艺参数.压实机构的动力学和振捣器紧密相关,不可忽略振捣器对压实梁等动力学和运动学的影响.参考文献1 韩清凯摊铺机振动系统非线性动力学特性的研究:学位论文沈阳 ;东北大学,19962 阮国平,姚国荣沥清混凝土振捣装置的数学模型显参数分析建筑机械,1992(8):12 183 朱家链,杨银柱.摊铺机平板强力液压压实器的计算机仿真工程机械,1992(6):22 264 南永生摊铺机脉冲振动粱的动力学研究:学位论文 沈阳:东北大学,19995 徐天宁.摊铺机压实机构的动力学研究:学位论文 .沈阳:东北大学,19996 卢长耿,李金良.液压控制系统的分析与设计.北京:煤炭工业出版社,19917 凌复华非线性振动系统周期解的数值分析应用数学与力学.1983(4):4895048 徐士良.计算机常用算法北京:清华大学出版社,1989
