ADAMS二自由度振动压路机验证分析

李孟洵，曹源文,王　荣

(重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074)

ADAMS二自由度振动压路机验证分析

李孟洵，曹源文,王荣

(重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074)

为验证现有振动压路机-沥青路面系统二自由度动力学模型的可靠性，运用ADAMS软件建立沥青路面、偏心块、振动压路机虚拟样机模型，确定合理路面刚度值，得到振动压路机位移、速度、加速度响应图，以及改变路面刚度值后所对应振动压路机各参数的变化图.通过分析各参数影响图形变化趋势，对比实际情况中各参数的影响，可知该理论研究与实际情况符合，为振动压路机相关参数的设定提供理论依据．

振动压路机；ADAMS软件；虚拟样机；二自由度；振动加速度

近年来，随着我国的高速公路发展迅速，压实度作为高速公路建设质量的一个重要指标，其检测技术至关重要[1]．在对压实度检测中，研究振动压路机的振动性能是其中的关键，沈培辉等根据振动模式可调压路机的特点，提出新型压路机模型，研究了振动轮在不同振动模式下与地面作用的动力响应特征[2]．国内外关于压路机模型的建立方法主要有以下几种：一是TooTS和SeligET提出的二自由度的模型，该模型计算简单，在完全弹性振动理论的基础上提出；二是马培新提出的三自由度振动压路机模型，该模型考虑了前后两个振动轮振动对机架产生的不同影响；三是五自由度振动压路机模型；四是七自由度振动压路机模型[3]．针对三自由度、五自由度及七自由度振动压路机模型已有相关仿真分析，但这几种模型结构相对复杂，涉及的参数更加多样化，给整机分析带来很大困难.相比较而言，应用较多的二自由度振动压路机模型仿真分析却较少.本文以具有普遍性的现有振动压路机二自由度模型为基础，运用ADAMS虚拟样机软件建立振动压路机模型，对压路机各个工作情况进行仿真分析，得到振动压路机在不同技术参数下的动态响应，通过参数分析所建立模型，进而验证二自由度振动压路机模型的可靠性．

1　振动压路机动力学模型

目前普遍采用的振动压路机动力学模型为二自由度线性模型，该模型是由美国学者E.T.Selig和T.S.Yoo根据垂直振动压路机工作原理，在完全弹性振动理论的基础上提出的[4]，振动压路机动力学模型如图1所示．

图1中:m1为振动压路机上车质量；k1为减振器的刚度；m2为振动压路机下车质量；k2为土的刚度；c1为减振器的阻尼；x1为上车瞬时位移；c2为土的阻尼；x2为下车瞬时位移.

2　基于ADAMS的振动压路机模型建立

2.1沥青路面建模

建立沥青路面模型时，力求模型与真实情形相符．沥青路面通常是多层体系，较为理想的力学模型应当是层状体系理论模型，沥青路面的层状模型如图2所示[5].考虑面层的粘塑性,其它层为塑性，各层之间假设为完全连续，考虑其轴对称性，道路结构参数如图3所示[5-6].

2.2偏心块建模

振动装置中偏心块结构通常有3种形式，分别为半圆式、过半圆式、少半圆式[7]，文中振动轴模型采用半圆式圆角偏心块形式，如图4所示.2.3“振动压路机-沥青路面”系统建模

振动压路机建模参数采用沃尔沃DD138HF型号压路机参数．建模过程中进行适当简化，将发动机、机架、驾驶室等部分的参数提取定义为一体，但不改变其质量等材料特征[8-9]．在ADAMS中建立模型并进行约束、载荷等条件的施加，得到的振动压路机模型如图5所示[10-11]．

3　系统模型仿真与分析

3.1振动压路机前轮振动响应图

仿真中，由实测振动压路机振动加速度信号数据反推出振动压路机振动轮与沥青路面的接触刚度，得到接触刚度k2的取消范围为： 1.12×109～6.75×109N/m，阻尼c2的范围是8.8×104～3.58×105N·s/m．取c2=2×105N·s/m，k2=1.12×109N/m对模型进行仿真[12]．图6为振动压路机前轮振动加速度、速度、位移随时间变化的规律图．

由图6(a)和(b)可以看出，振动加速度与速度没有特殊仿真效果，与实际测试范围相符合；由图6(c)中可以看出，压实位移向下沉降，开始振动后，振动压路机向下压实，振动位移有向下的沉降量，实际压实过程中，振动压路机由于自重及振动作用，因此理论与实际情况相符．

3.2参数变化对仿真的影响

3.2.1弹性系数变化对仿真的影响

保持c2=2×105N·s/m及其他参数不变，增大k2=2.47×109N/m对模型进行仿真，将此次仿真曲线与前面仿真曲线放在同一个坐标系下进行直观比较．图7中实线表示k2=2.47×109N/m，虚线表示k2=1.12×109N/m，均为前轮振动．

由图7可以看出，振动加速度、振动速度、振动位移均随着刚度的增大而增大．图7(c)更加直观地显示了振动压实过程，随着沥青路面刚度增大，压实沉降量减小，说明沥青路面密实度增加，与实际压实情况相符合．

3.2.2阻尼系数变化对仿真的影响

保持k2=2.47×109N/m,c2分别为2.23×105N·s/m和3.58×105N·s/m，对模型进行仿真，图8分别为振动加速度、振动速度、振动位移响应情况.图8中：实线表示c2=2.23×105N·s/m,虚线表示c2=3.58×105N·s/m，均为前轮振动．

由图8可以看出，阻尼系数增大对振动轮的加速度、速度、位移都有影响，且都呈反比的关系，与实际情况相符合．

4　结论

本文以振动压路机振动加速度与路面压实度关系研究为背景，以现有的“振动压路机—沥青路面”系统二自由度模型为基础，通过ADAMS仿真分析以验证目前应用广泛的二自由度模型的可靠性，取得了以下2点主要结论：1)用ADAMS作出的仿真曲线，分析结果与实际所测得的振动信号差别表现不明显.由此说明了用该二自由度数学模型进行分析的可行性与科学性，进而肯定其在现实中应用的可靠性．2)在位移-时间曲线图中能更加清晰直观地看到振动压路机随路面刚度的变化及对路面的不同作用效果，说明用路面刚度反应路面压实度的科学性，进而说明现实中应用的可靠性，也为振动加速度与路面刚度之间的关系研究建立基础．

[1]夏继荣.公路工程路基路面压实施工技术措施分析[J].科技创新导报,2012(14):67-70.

[2]沈培辉,林述温.振动模式可调压路机的激振动力特性建模分析[J].中国机械工程学报,2006,4(2):145-149.[3]黄登，龚涛，龚创先.基于Simulink的振动压路机七自由度模型的动力学分析[J].湖南工程学院学报，2012,22(3)：34-39.[4]YOOTAI-SUNG,EMESTTS.Dynamicsofvibratory-rollercompactionjournalofthegeotechnicalengineeringdivision[J],1979,10：

[5]谢欣然.振动加速度与土壤压实状况关系分析[D].重庆：重庆交通大学,2009.

[6]李冰,焦生杰.振动压路机与振动压实技术[M].北京:人民交通出版社,2001.

[7]邢晓琳,张海军,闫霞.振动时效装置激振器偏心块优化设计[J].中国新技术新产品,2012(17):120-121.

[8]秦四成.振动压路机[M].北京:化学工业出版社,2006.

[9]郑书河,林树温.水平振荡和垂直振荡压路机动力学模型研究及展望[J].中国工程机械学报,2011，9(3):278-283.[10]李军,李言,周志立.振动压路机振动频率控制系统研究[J].机械科学与技术,2012,4(2):159-163.

[11]田丽梅,杨春红,王国安.国内外振荡压路机动力学模型[J].吉林大学学报：工学版,2003,33(2):101-103.

[12]王荣.振动压路机振动加速度与路面刚度关系研究[D].重庆：重庆交通大学，2014.

(责任编辑李宁)

ADAMS-Based Validation of Vibratory Roller Having Two Degrees of Freedom

LI Meng-xun，CAO Yuan-wen，WANG Rong

(CollegeofMechanicalandAutomotiveEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

Tovalidatethereliabilityofadynamictwodegree-of-freedommodeloftheexisting“vibratoryroller-asphaltpavement”system,anasphaltpavement-eccentricblock-virtualprototypemodelofvibratoryrollerwasbuiltusingADAMSsoft.Theproperpavementstiffnessvaluewasdetermined,displacement,velocityandaccelerationresponsediagramoftherolleracquired,andtherollerparameterchangescorrespondingtothechangedpavementstiffnessvalueattained.Theverificationfiguresagreewiththeactualworkingcondition,thusprovidingtheoreticalgroundsforsettingrelevantparametersofvibratoryrollers.

vibrationroller;ADAMSsoft;virtualprototype;twodegree;vibrationacceleration

2014-11-20

2015-02-02

重庆市自然科学基金计划项目(CSTC2011jjA30006)

李孟洵(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为机械设计及理论．通讯作者：曹源文(1963-)，女，教授，硕士，研究方向为交通运输工程.E-mail：270680384@qq.com

U415.52A

1673-4432(2015)01-0018-04