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        基于路面不平度的膜體切割機構(gòu)的研究與實現(xiàn)

        2014-08-01 10:07:50王小龍
        成都大學學報(自然科學版) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:平度氣缸路面

        蔣 陽,王小龍

        (成都大學 工業(yè)制造學院,四川 成都 610106)

        0 引 言

        在放射污染事故應(yīng)急中,為快速消除大面積的放射性沉降物,通常采用“剝離型壓制”去污技術(shù)[1-2],其主要工作原理是:利用專用噴灑車將去污材料噴灑在受污染的地域,去污材料將近地表和地面上的放射性顆粒和氣溶膠吸附并包埋起來,形成具有一定力學特性的放射性黏染膜體,然后利用膜體回收車對形成的放射性黏染膜體進行剝離回收,從而達到快速清除現(xiàn)場放射性沉降物的目的.膜體切割機構(gòu)是將膜體連續(xù)切割成一定寬度的膜條,以便回收機構(gòu)進行剝離輸送至儲料箱的裝置.為保證膜體切割機構(gòu)能夠?qū)δんw切割的連續(xù)、可靠,防止切刀在車輛行駛時產(chǎn)生跳動,切割刀盤與地面必須隨時接觸并滿足一定的工作壓力.對此,本研究運用ADAMS 仿真軟件,建立了膜體切割機構(gòu)的三維模型,充分考慮路面不平度函數(shù)對模型的激勵,再現(xiàn)了機構(gòu)隨車輛的真實運動軌跡,通過試驗達到預期效果.該仿真模型算法研究,為膜體切割機構(gòu)的進一步優(yōu)化設(shè)計提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

        1 模型建立

        1.1 膜體切割機構(gòu)運動原理

        本研究的膜體切割機構(gòu)對稱安裝在膜體回收車兩側(cè)的支架下方,主要功能是有效切斷地面形成的去污劑膜體[3-4],其主要由氣缸和刀盤組成.膜體切割機主要有2 種工況.

        1.1.1 切膜工況.

        膜體切割機構(gòu)的2 個切割刀盤安裝在車輛兩側(cè)的支撐臂上,由氣缸控制收放.氣缸伸張行程中,刀盤被推壓在地面膜體上,車輛前行拖動刀盤將地面膜體縱向切斷為可回收的長條形狀.切膜工況如圖1 所示.

        圖1 切膜工況示意圖

        1.1.2 非切膜工況.

        膜體切割機構(gòu)的加壓氣缸回位至上止點,將切割刀盤提起,其切割刀盤收回復位后的離地高度不影響整車的行駛.非切膜工況如圖2 所示.

        圖2 非切膜工況示意圖

        1.2 基于ADAMS 的機構(gòu)模型

        1.2.1 機構(gòu)模型.

        基于ADAMS 的膜體切割機構(gòu)模型主要由支架、桿件、彈簧構(gòu)件和切割刀盤等部分組成,具體如圖3 所示.

        圖3 膜體切割機構(gòu)三維模型示意圖

        通過設(shè)置彈簧構(gòu)件的彈性剛度和阻尼系數(shù)模擬氣缸的力學性能,并分別設(shè)置支架、桿件和切割刀盤的材料屬性.

        1.2.2 約束設(shè)置.

        機構(gòu)模型的運動系統(tǒng)中含有2 個轉(zhuǎn)動副、一個移動副和膜體切割刀與地面間的接觸,具體如圖4 所示.

        圖4 模型約束設(shè)置示意圖

        將支架與固定坐標系連接,桿件繞支架轉(zhuǎn)動,圓盤繞桿件轉(zhuǎn)動,地面滑塊設(shè)置為垂直方向的隨機振動來模擬路面不平度的輸入.切割刀盤與地面之間的接觸通過運動補償方法來定義,通過調(diào)試參數(shù)確定懲罰系數(shù)和補償系數(shù),并用采用拉格朗日擴張法以保證計算結(jié)果的收斂.

        1.2.3 驅(qū)動設(shè)置.

        在路面不平度的描述上,通常把路面的垂直縱斷面與路面表面的交線作為路面不平度的樣本,通過樣本隨機過程的統(tǒng)計特征——均方根值或功率譜密度函數(shù)來描述路面不平度[5].在地面滑塊的移動副上加載路面不平度時域函數(shù)作為激勵輸入,帶動構(gòu)件運動,以此來分析膜體切割機構(gòu)的運動情況和受力情況.

        1)路面不平度功率譜密度.

        當汽車以恒定的車速u 通過空間頻率為n 的路面不平度時,輸入的時間頻率f 是兩者乘積,由此可以得到一定車速下的時間功率譜密度函數(shù)[5]為,

        以B 級路面為例,假定車速為u=10 m/s;n0為參考空間頻率,n0=0.1 m-1;Gq(n0)為參考空間頻率n0下的路面不平度系數(shù),Gq(n0)=64 ×10-6m3;標準B 級空間路面譜的截止頻率范圍設(shè)0.011 m-1<n <2.83 m-1.

        通過Matlab 軟件,對路面功率譜密度函數(shù)(1)進行計算,獲得的數(shù)據(jù)庫保存至data.txt.將data.txt中數(shù)據(jù)導入ADAMS 軟件,創(chuàng)建樣條曲線Spline-1,如圖5 所示.

        圖5 路面功率譜密度樣條曲線

        2)路面不平度時域模型.

        在ADAMS/view 模塊中,對路面不平度功率譜密度使用功率譜逆變換函數(shù)(INVPSD)能快速生成標準級別路面,其數(shù)學模型[6]為,

        式中,Ai2=2Gq(fi)·Δfi;i=(1 ~n);θ =(-π,π).Ai2表示每個Δfi小區(qū)間被包含的功率譜,將n 個這樣的正弦函數(shù)疊加起來就可得到時域上的隨機路面位移輸入.

        當時間頻率f 范圍為0.11 ~28.3 Hz 時,ADAMS 分析軟件通過INVPSD 函數(shù)對B 級路面功率譜進行計算,獲得的路面不平度的時域信號如圖6 所示.

        圖6 路面不平度時域信號

        2 結(jié)果與分析

        利用路面不平度函數(shù)作為激勵輸入,在ADAMS/View 模塊中設(shè)置仿真時間為30 s,步數(shù)為50,獲得膜體切割機構(gòu)中切割刀盤與桿件的受力情況,進而分析切割刀盤與地面間的接觸力和相對運動,得到膜體切割機構(gòu)的工作狀況.仿真結(jié)果如圖7 ~9所示.

        圖7 氣缸受力曲線

        圖8 地面與刀盤的接觸力

        圖9 地面與刀盤的相對位移量

        圖7 描繪了模擬氣缸的輸出壓力.因為切割刀盤與地面間存在一定的間隙,彈簧預載荷為500 N,隨著模擬氣缸的運動,彈簧壓力從500 N 逐漸減小.此外,隨著路面不平度的激勵持續(xù)輸入,壓力逐漸上升,并出現(xiàn)周期性震動,其最大值650 N,最小值48 N,均在正常工作范圍內(nèi),表明氣缸始終對桿件施加正壓力,從而保證切割刀盤與地面的正常接觸.

        圖8 所示為切割刀盤與地面間的接觸力.可以看出,接觸力均為正值,絕大部分在200 ~1 000 N范圍內(nèi),其中在15.9 s 時出現(xiàn)了最大值16 729.9 N,多個較大的壓力值可能是瞬時沖擊碰撞所致.接觸力的平均值為810.8 N,表明切割刀盤與地面之間接觸良好,能夠滿足機構(gòu)正常工作壓力的要求.

        圖9 表示地面垂直運動位移量與切割刀盤垂直位移量.可以看出,各個時刻切割刀盤的位移量不超過地面位移量,這表明切割刀盤與地面保持正常接觸或嵌入地面狀態(tài),說明此計算模型與研究對象的實際工作狀況吻合.

        3 結(jié) 論

        本研究對膜體切割機構(gòu)工作原理進行了討論并建立其三維模型,在利用路面不平度時域函數(shù)作為激勵輸入的情況下,采用ADAMS/View 軟件對膜體切割機構(gòu)模型進行了動力學和運動學計算,探究了氣缸的工作受力情況和切割刀盤與地面間的接觸壓力.分析結(jié)果表明:模擬氣缸的受力在48 ~650 N 范圍內(nèi)周期震動,在正常的工作壓力范圍內(nèi);切割刀盤與路面間的接觸壓力均為正,絕大部分在200 ~1 000 N范圍內(nèi),平均壓力為810.8 N,說明切割刀盤與路面間保持正常持續(xù)地接觸;各個時刻切割刀盤的位移量不超過地面位移量,且兩條曲線相當一致,表明切割刀盤與地面保持正常接觸或嵌入地面狀態(tài);該模型與研究對象的實際工況吻合,此為下一步膜體切割機構(gòu)的優(yōu)化及后續(xù)相關(guān)研發(fā)提供相應(yīng)參考.

        [1]趙東,田青青,林楨輝.可剝離膜去污技術(shù)研究[C]//第七屆核化學與放射化學學術(shù)討論會論文集.珠海:中國核工業(yè)技術(shù)學會,2005:134-135.

        [2]王舉,申祖武,李堅,等.放射性膜體回收作業(yè)車剝離技術(shù)研究[J].機械設(shè)計,2012,29(6):58-60.

        [3]王天運,劉永江,劉國強,等.具有自動切割功能的膜體回收機構(gòu)[P].中國:200420074847.6,2004-10-15.

        [4]喻凡,林逸.汽車系統(tǒng)動力學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

        [5]段虎明,石峰,謝飛,等.路面不平度研究綜述[J].振動與沖擊,2009,28(9):95-99.

        [6]孫濤,徐桂紅,柴陵江.四輪非平穩(wěn)隨機激勵路面模型的研究[J].汽車工程,2013,35(10):868-872.

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