唐必亮，張 洪，胡 亮，田 嬌，趙 繼，史富增，何康康

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

沖擊壓路機(jī)的出現(xiàn)是壓實(shí)行業(yè)的一次革命，沖擊壓路機(jī)集沖擊夯和滾壓碾的功能于一體，它以新穎的原理作業(yè)，突破了以往的壓實(shí)機(jī)械作業(yè)方式，是壓實(shí)技術(shù)的一次創(chuàng)新。它是利用非圓截面的工作輪的重心上下交替變化產(chǎn)生的勢(shì)能對(duì)土壤進(jìn)行沖擊壓實(shí)，同時(shí)它還能對(duì)土壤產(chǎn)生滾壓作用。其重心從最高點(diǎn)落下的過程中沖擊力大約為落體靜壓力的50倍。沖擊輪在周期性拍擊地面的同時(shí)，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換成被壓材料的動(dòng)能，使被壓材料產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)加速度和位移而密實(shí)在一起，能量在轉(zhuǎn)換中地面亦會(huì)對(duì)沖擊輪產(chǎn)生反作用。隨著壓實(shí)度的提高地面亦會(huì)對(duì)壓實(shí)輪產(chǎn)生更大的反作用力，因此該機(jī)在具有優(yōu)良性能的同時(shí)也對(duì)機(jī)械系統(tǒng)本身產(chǎn)生了嚴(yán)重的沖擊振動(dòng)，減弱有害振動(dòng)成為亟待解決的技術(shù)瓶頸問題。

1 沖擊壓路機(jī)水平減振系統(tǒng)

1.1 原水平減振系統(tǒng)分析

沖擊壓路機(jī)的振動(dòng)可分為水平和垂向方向的振動(dòng)，水平方向上牽引車，車架，沖擊輪組成的三自由度減振系統(tǒng)模型如圖1所示。而研究表明水平方向的振動(dòng)對(duì)牽引車和沖擊軸的影響很大，水平方向的沖擊與振動(dòng)使得整車零部件的受力狀態(tài)惡化，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命、動(dòng)力輸出性能和傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的使用壽命，同時(shí)也影響了牽引車的駕駛舒適性。因此作者在本文中對(duì)減振系統(tǒng)進(jìn)行了研究和改進(jìn)，將原來(lái)的雙向減振彈簧改進(jìn)成了液壓-彈簧聯(lián)合減振裝置，由于原來(lái)的K1和C1是雙向金屬?gòu)椈?，而金屬?gòu)椈呻m然是良好的彈性元件但阻尼系數(shù)非常低對(duì)振動(dòng)的衰減不明顯。

圖1 沖擊壓路機(jī)緩沖減振系統(tǒng)模型簡(jiǎn)圖Fig.1 Cushion system model diagram of impact rollert

圖1 中:m1，m2，m3分別為牽引車，車架，和沖擊輪的質(zhì)量;k1，c1為車架和牽引車之間的剛度和阻尼;k2，c2為沖擊輪和車架之間的剛度和阻尼;F為牽引車發(fā)出的牽引力;f(t)為沖擊輪產(chǎn)生的作用于車架的水平?jīng)_擊力;x1，x2，u分別為牽引車，車架和沖擊輪的水平位移。

1.2 改進(jìn)的水平減振系統(tǒng)

作者研究的液壓-彈簧聯(lián)合減振裝置是利用液壓油通過節(jié)流小孔時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈摩擦使振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱能達(dá)到減振目的，因此液壓-彈簧聯(lián)合減振器能顯著提高減振效果。金屬螺旋彈簧與液壓減振器組合使用是力學(xué)上的一種巧妙組合，組合使用后的減振裝置綜合了螺旋彈簧和液壓減振器各自的優(yōu)點(diǎn)。如果將液壓-彈簧聯(lián)合減振裝置安裝在沖擊壓路機(jī)上，對(duì)水平方向的減振將有顯著的效果。當(dāng)有高頻的振動(dòng)時(shí)，彈簧發(fā)揮作用，將沖擊和振動(dòng)能量暫存起來(lái)，緩慢釋放，延長(zhǎng)沖擊作用時(shí)間，從而緩和車架給牽引車帶來(lái)的沖擊和振動(dòng);低頻大幅振動(dòng)時(shí)，液壓部件提供大阻尼，將沖擊振動(dòng)能量的一部分轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，可以抑制大幅振動(dòng)，從而保證該減振器在高頻和低頻振動(dòng)時(shí)均有良好的減振性能。

2 液壓-彈簧聯(lián)合減振裝置振動(dòng)分析

2.1 運(yùn)動(dòng)方程及頻率響應(yīng)函數(shù)

圖2 計(jì)及減振器端部彈性的減振器振動(dòng)模型Fig.2 Vibration model of shock absorber considering the flexibility of absorber end

圖2中的減振器振動(dòng)模型考慮了端部的連接結(jié)構(gòu)的橡膠的彈性作用，這樣更符合實(shí)際情況，分析計(jì)算將會(huì)更精確。減振器一端串聯(lián)了附加彈簧K0，這樣就使系統(tǒng)增加了1個(gè)自由度而成為2個(gè)自由度的麥克斯韋模型.圖1中，M為牽引車的質(zhì)量，K為雙向彈簧的剛度，C為減振器阻尼率(系數(shù))，Z和Z0分別為牽引車和牽引軸的位移Zv(t)，為車架的振動(dòng)幅值隨機(jī)輸入函數(shù)，不計(jì)與K0串聯(lián)的減振器牽引軸的質(zhì)量，則系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為:

上式(1)和(2)分別除以K并令:P2=K/M;D=C/2MP;μ =K0/K得:

2.2 響應(yīng)的譜密度和均方值

系統(tǒng)振動(dòng)加速度的頻率響應(yīng)函數(shù):

功率譜密度:

式中的S(ω)為車架振動(dòng)不平順的輸入函數(shù)，其簡(jiǎn)化形式有:S(ω)=2πVG/ω2式中V為運(yùn)行速度;G為車架輸出幅值不均勻大小的幅值參數(shù)。

振動(dòng)加速度的均方值為:

應(yīng)用隨機(jī)振動(dòng)理論求解上式，最終可得振動(dòng)加速度均方值的解為:

3 阻尼對(duì)振動(dòng)的影晌

由式(13)可明顯的看出當(dāng)車架的振動(dòng)幅值越大或車速越高時(shí)，振動(dòng)加速度越大;車體自振頻率P愈低，則振動(dòng)加速度愈小，且其影響顯著，故在設(shè)計(jì)減振系統(tǒng)時(shí)，總是盡量使彈簧靜撓度加大以降低P值。但D和μ對(duì)的影響卻不能從式中直接看出，為了尋找合適的剛度比μ值和最佳的阻尼D值，從而使振動(dòng)加速度減小到最低程度，需對(duì)式中的μ和D值求其導(dǎo)數(shù)取極值:對(duì)(1+μ)3/μ2求導(dǎo)數(shù)最小極值可得μ =2;對(duì)1/(2D)+2D(1+μ)3/μ2求導(dǎo)數(shù)取極值可得:μ=0.5當(dāng)取理想值μ=2時(shí)，最佳的阻尼值D=0.193 ～ 0.2.由式(13)可得不同阻尼值對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1.

表1 不同阻尼值對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度比較(未注單位:常數(shù))Tab.1 The vibration acceleration corresponding to the damping values(Unit unnoted:constant)

以車體加速度a為縱軸，阻尼值D為橫軸做出當(dāng)μ=2時(shí)不同的D值對(duì)振動(dòng)加速度影響的曲線圖，如圖3所示。

圖3 阻尼對(duì)車體振動(dòng)加速度影響線圖Fig.3 The influencing curve of aamping on the body vibration acceleration

可見有無(wú)阻尼和阻尼的大小對(duì)振動(dòng)的影響很大，在D＜0.2范圍內(nèi)振動(dòng)加速度曲線變化很陡峭，而D＞0.2后的曲線變化緩和，因此在選定D值的優(yōu)化范圍時(shí)寧可取其值大于0.2也不可取小于0.2.需要注意的是，阻尼的優(yōu)化值不只是一個(gè)理論上的點(diǎn)，而是有一個(gè)優(yōu)化范圍，在此范圍內(nèi)，即使采用不同的D值，對(duì)振動(dòng)性能的影響也不大，如在圖3中，將D值從0.2增加到0.4即增大1倍時(shí)，振動(dòng)加速度也僅增大約0.131倍。這就解釋了為什么一些減振器盡管所采用的阻尼D值有所差異，但仍能獲得優(yōu)良減振性能的原因。文中μ=K0/K，而現(xiàn)在改進(jìn)的液壓-彈簧聯(lián)合減振裝置的液壓缸的兩端安裝在橡膠彈簧上，而原來(lái)的雙向金屬?gòu)椈蓽p振器在安裝時(shí)是和原車架的金屬鋼板直接接觸，因此改進(jìn)的減振系統(tǒng)的K0就會(huì)比原有的減振系統(tǒng)的K0小，當(dāng)K0減小時(shí)μ將減小;文中D=C/(2MP)，改進(jìn)的液壓-彈簧聯(lián)合減振裝置所用的減振油液的損耗因子β≥2×10－2是鋼材的1000倍以上，由于鋼鐵的損耗因子β很小只有1×10－4～6×10－4，固D將變大，由表1和圖3知在D ＞0.2范圍內(nèi)曲線變化很緩和，D ＜0.2時(shí)振動(dòng)加速度急劇增大;故經(jīng)分析可知該減振裝置能有效衰減沖擊壓路機(jī)水平方向的振動(dòng)。

上文不僅描述該聯(lián)合減振器隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)的基本特性，還以簡(jiǎn)潔的分析式直觀地揭示了影響車體加速度的參數(shù)及其所起的作用，為設(shè)計(jì)減振器阻尼值提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

液壓-彈簧聯(lián)合減振器綜合了螺旋彈簧和液壓減振器二者的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)分析計(jì)算研究可知將該聯(lián)合減振裝置應(yīng)用在沖擊壓路機(jī)上能有效衰減水平方向上的有害振動(dòng)，是性能比較優(yōu)良的減振器;本文為設(shè)計(jì)和解決沖擊壓路機(jī)的橫向減振提供了參考和依據(jù)。

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