基于路面不平度的膜体切割机构的研究与实现

蒋 阳，王小龙

(成都大学 工业制造学院，四川 成都 610106)

0 引 言

在放射污染事故应急中，为快速消除大面积的放射性沉降物，通常采用“剥离型压制”去污技术［1－2］，其主要工作原理是:利用专用喷洒车将去污材料喷洒在受污染的地域，去污材料将近地表和地面上的放射性颗粒和气溶胶吸附并包埋起来，形成具有一定力学特性的放射性黏染膜体，然后利用膜体回收车对形成的放射性黏染膜体进行剥离回收，从而达到快速清除现场放射性沉降物的目的.膜体切割机构是将膜体连续切割成一定宽度的膜条，以便回收机构进行剥离输送至储料箱的装置.为保证膜体切割机构能够对膜体切割的连续、可靠，防止切刀在车辆行驶时产生跳动，切割刀盘与地面必须随时接触并满足一定的工作压力.对此，本研究运用ADAMS 仿真软件，建立了膜体切割机构的三维模型，充分考虑路面不平度函数对模型的激励，再现了机构随车辆的真实运动轨迹，通过试验达到预期效果.该仿真模型算法研究，为膜体切割机构的进一步优化设计提供了基础数据.

1 模型建立

1.1 膜体切割机构运动原理

本研究的膜体切割机构对称安装在膜体回收车两侧的支架下方，主要功能是有效切断地面形成的去污剂膜体［3－4］，其主要由气缸和刀盘组成.膜体切割机主要有2 种工况.

1.1.1 切膜工况.

膜体切割机构的2 个切割刀盘安装在车辆两侧的支撑臂上，由气缸控制收放.气缸伸张行程中，刀盘被推压在地面膜体上，车辆前行拖动刀盘将地面膜体纵向切断为可回收的长条形状.切膜工况如图1 所示.

图1 切膜工况示意图

1.1.2 非切膜工况.

膜体切割机构的加压气缸回位至上止点，将切割刀盘提起，其切割刀盘收回复位后的离地高度不影响整车的行驶.非切膜工况如图2 所示.

图2 非切膜工况示意图

1.2 基于ADAMS 的机构模型

1.2.1 机构模型.

基于ADAMS 的膜体切割机构模型主要由支架、杆件、弹簧构件和切割刀盘等部分组成，具体如图3 所示.

图3 膜体切割机构三维模型示意图

通过设置弹簧构件的弹性刚度和阻尼系数模拟气缸的力学性能，并分别设置支架、杆件和切割刀盘的材料属性.

1.2.2 约束设置.

机构模型的运动系统中含有2 个转动副、一个移动副和膜体切割刀与地面间的接触，具体如图4 所示.

图4 模型约束设置示意图

将支架与固定坐标系连接，杆件绕支架转动，圆盘绕杆件转动，地面滑块设置为垂直方向的随机振动来模拟路面不平度的输入.切割刀盘与地面之间的接触通过运动补偿方法来定义，通过调试参数确定惩罚系数和补偿系数，并用采用拉格朗日扩张法以保证计算结果的收敛.

1.2.3 驱动设置.

在路面不平度的描述上，通常把路面的垂直纵断面与路面表面的交线作为路面不平度的样本，通过样本随机过程的统计特征——均方根值或功率谱密度函数来描述路面不平度［5］.在地面滑块的移动副上加载路面不平度时域函数作为激励输入，带动构件运动，以此来分析膜体切割机构的运动情况和受力情况.

1)路面不平度功率谱密度.

当汽车以恒定的车速u 通过空间频率为n 的路面不平度时，输入的时间频率f 是两者乘积，由此可以得到一定车速下的时间功率谱密度函数［5］为，

以B 级路面为例，假定车速为u=10 m/s;n0为参考空间频率，n0=0.1 m－1;Gq(n0)为参考空间频率n0下的路面不平度系数，Gq(n0)=64 ×10－6m3;标准B 级空间路面谱的截止频率范围设0.011 m－1＜n ＜2.83 m－1.

通过Matlab 软件，对路面功率谱密度函数(1)进行计算，获得的数据库保存至data.txt.将data.txt中数据导入ADAMS 软件，创建样条曲线Spline－1，如图5 所示.

图5 路面功率谱密度样条曲线

2)路面不平度时域模型.

在ADAMS/view 模块中，对路面不平度功率谱密度使用功率谱逆变换函数(INVPSD)能快速生成标准级别路面，其数学模型［6］为，

式中，Ai2=2Gq(fi)·Δfi;i=(1 ～n);θ =(－π，π).Ai2表示每个Δfi小区间被包含的功率谱，将n 个这样的正弦函数叠加起来就可得到时域上的随机路面位移输入.

当时间频率f 范围为0.11 ～28.3 Hz 时，ADAMS 分析软件通过INVPSD 函数对B 级路面功率谱进行计算，获得的路面不平度的时域信号如图6 所示.

图6 路面不平度时域信号

2 结果与分析

利用路面不平度函数作为激励输入，在ADAMS/View 模块中设置仿真时间为30 s，步数为50，获得膜体切割机构中切割刀盘与杆件的受力情况，进而分析切割刀盘与地面间的接触力和相对运动，得到膜体切割机构的工作状况.仿真结果如图7 ～9所示.

图7 气缸受力曲线

图8 地面与刀盘的接触力

图9 地面与刀盘的相对位移量

图7 描绘了模拟气缸的输出压力.因为切割刀盘与地面间存在一定的间隙，弹簧预载荷为500 N，随着模拟气缸的运动，弹簧压力从500 N 逐渐减小.此外，随着路面不平度的激励持续输入，压力逐渐上升，并出现周期性震动，其最大值650 N，最小值48 N，均在正常工作范围内，表明气缸始终对杆件施加正压力，从而保证切割刀盘与地面的正常接触.

图8 所示为切割刀盘与地面间的接触力.可以看出，接触力均为正值，绝大部分在200 ～1 000 N范围内，其中在15.9 s 时出现了最大值16 729.9 N，多个较大的压力值可能是瞬时冲击碰撞所致.接触力的平均值为810.8 N，表明切割刀盘与地面之间接触良好，能够满足机构正常工作压力的要求.

图9 表示地面垂直运动位移量与切割刀盘垂直位移量.可以看出，各个时刻切割刀盘的位移量不超过地面位移量，这表明切割刀盘与地面保持正常接触或嵌入地面状态，说明此计算模型与研究对象的实际工作状况吻合.

3 结 论

本研究对膜体切割机构工作原理进行了讨论并建立其三维模型，在利用路面不平度时域函数作为激励输入的情况下，采用ADAMS/View 软件对膜体切割机构模型进行了动力学和运动学计算，探究了气缸的工作受力情况和切割刀盘与地面间的接触压力.分析结果表明:模拟气缸的受力在48 ～650 N 范围内周期震动，在正常的工作压力范围内;切割刀盘与路面间的接触压力均为正，绝大部分在200 ～1 000 N范围内，平均压力为810.8 N，说明切割刀盘与路面间保持正常持续地接触;各个时刻切割刀盘的位移量不超过地面位移量，且两条曲线相当一致，表明切割刀盘与地面保持正常接触或嵌入地面状态;该模型与研究对象的实际工况吻合，此为下一步膜体切割机构的优化及后续相关研发提供相应参考.

［1］赵东，田青青，林桢辉.可剥离膜去污技术研究［C］//第七届核化学与放射化学学术讨论会论文集.珠海:中国核工业技术学会，2005:134－135.

［2］王举，申祖武，李坚，等.放射性膜体回收作业车剥离技术研究［J］.机械设计，2012，29(6):58－60.

［3］王天运，刘永江，刘国强，等.具有自动切割功能的膜体回收机构［P］.中国:200420074847.6，2004－10－15.

［4］喻凡，林逸.汽车系统动力学［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［5］段虎明，石峰，谢飞，等.路面不平度研究综述［J］.振动与冲击，2009，28(9):95－99.

［6］孙涛，徐桂红，柴陵江.四轮非平稳随机激励路面模型的研究［J］.汽车工程，2013，35(10):868－872.