单钢轮振动压路机振动液压系统动态特性联合仿真_闫庆尧.pdf

年 月第 卷 第 期机床与液压 .：.本文引用格式：闫庆尧，沈振宗，崔成全，等单钢轮振动压路机振动液压系统动态特性联合仿真机床与液压，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（）作者简介：闫庆尧（），男，高级工程师，主要研究方向为道路施工技术与管理。：.。单钢轮振动压路机振动液压系统动态特性联合仿真闫庆尧，沈振宗，崔成全，吕文龙，姚运仕，唐正（.山东高速工程建设集团有限公司，山东济南；.长安大学，陕西西安）摘要：为研究实际压实工况下钢轮振动、振动液压系统压力和驱动扭矩随压实度变化的动态特性，利用 建立柔性体路面模型，在 中进行钢轮路面刚柔耦合动力学建模，通过 与 建立单钢轮振动压路机振动液压系统联合仿真模型，进行不同压实度时的压实仿真。结果表明：仿真模型准确，随着压实度的增大，钢轮振动容易出现二倍频，发生跳振，振动液压系统平稳压力减小，起振时间缩短，驱动扭矩减小。关键词：液压系统；振动压路机；联合仿真；压实度；柔固耦合中图分类号：.，（.，；.，）：，；，：；前言单钢轮振动压路机主要用于基层压实，目前普遍的驱动方式是全液压驱动，其振动液压系统能够驱动激振器旋转并产生离心力，进而带动钢轮振动，实现压实过程。目前检测压路机压实质量的常规手段是进行试验场试验，每进行一次压实，级配土的弹性参数就会发生变化，路面刚度变大，然而试验需要人工或机器反复翻动级配土，费时费力，试验可重复性较差，整个试验周期较长。因此，可通过计算机仿真软件建立压路机路面压实作用仿真模型，弥补试验场试验的不足。振动液压系统液压参数在压实过程中呈现出动态变化的特性，可以反映当前压实过程质量的好坏。本文作者以国产某 全液压单钢轮振动压路机为原型，利用 建立了柔性体路面模型，在 中建立了钢轮路面刚柔耦合动力学模型，在 中 建 立 了 振 动 液 压 系 统 模 型，进 行 了 联合仿真。同时，考虑了每遍压实后的压实度不同，通过改变路面弹性参数建立了不同压实度下的路面，研究了压实度对钢轮振动、振动液压系统和驱动扭矩的影响。柔性体路面建模真实环境中的压实路面是受压可变形的，路面由级配土组成，需要对路面模型进行柔性化以反映真实的路面作用情况。在 中对路面进行柔性体建模的步骤如下：（）导入外部建立好的路面模型（文中所用的路面尺寸为 .，格式为.）；（）设置单元类型为 和；（）设置路面材料属性（验证模型正确性时使用的参数为：弹性模量.，密度.，泊松比.）；（）划分六面体网格；（）设置 实常数；（）在不受压的 个面中心位置建立关键点，赋予 单元；（）对不受压的 个面建立刚性区域；（）导出.柔性体模型。土壤模型只用来加强仿真效果，不对应力传递进行研究，因此选择相对较大的网格高度来提高仿真模型计算速度。网格划分可根据下式选取：|（）（）式中：为单元高度，；为波长，；为土体剪切模量，；为土体密度，；为最大振动频率，。由于真实环境下每一遍压实后的压实度不同，可通过改变材料密度、弹性模量和泊松比来表征不同压实度的级配土。柔性体路面模型如图 所示。图 柔性体路面模型.钢轮路面刚柔耦合动力学建模在 中对钢轮和柔性体路面模型进行刚柔耦合动力学建模，如图 所示。根据实际工况下的压路机运动状态建立运动副、约束及作用力：（）激振器与钢轮，旋转副；（）钢轮与机架，旋转副；（）机架与路面，平行约束；（）路面不受压侧，固定副；（）活动偏心块与激振器，接触力；（）钢轮与地面，接触力；（）钢轮与机架，轴套力（用于模拟减振块减振作用）。另外，需创建 和 两个状态变量，分别表示激振器转速与转矩，并对激振器与钢轮之间的旋转副设置旋转驱动，驱动函数为 状态变量值。将 作为输入信号、作为输出信号，创建 .文件作为 与 的联合仿真接口。图 钢轮路面刚柔耦合动力学模型.振动液压系统建模与联合仿真单钢轮振动压路机振动液压系统主要由发动机、液压传动系统和振动轴承组成，其中液压传动系统包括液压泵、补油系统、压力切断阀、冲洗阀和马达等液压元件。由于 中没有斜盘式轴向柱塞变量泵模型，因此需要使用 库进行斜盘式轴向柱塞变量泵的建模；发动机模型通过 元件建立，此元件可以通过输入参数建立转矩与转速的关系；用 库建立振动轴承模型，将振动轴承计算所需的公式改写成函数即可。振动轴承的计算摩擦阻力矩公式为 （）（）（）（）式中：为运动黏度，；为转速，；、为摩擦阻力矩系数；为径向力，。振动轴承径向载荷按 集团给出的计算公式进行计算，如式（）所示：（）（）式中：为应用场合系数；为偏心质量，；为钢轮质量，；为偏心距，；为转动角速度，；为轴承数量。联合仿真需选择一种软件为主控软件，将另一软件的计算结果导入主控软件进行仿真，并且两个软件的编译器要设置相同，一般以模型较为复杂的软件为主控软件。本文作者以模型较为复杂的 为主控，将 生成的 文件导入，选择 编译器，在 中 模块输入和输出侧各加一个增益 进行单位转换。振动液压系统联合仿真模型如图 所示，液压主要参数如表 所示。第 期闫庆尧 等：单钢轮振动压路机振动液压系统动态特性联合仿真 图 单钢轮振动压路机振动液压系统联合仿真模型.表 振动液压系统主要参数.液压元件参数参数值补油泵排量（）溢流阀压力 流量压力梯度（）双向变量泵排量（）压力切断阀开启压力 流量压力梯度（）冲洗阀最大开启流量（）压降（）振动马达排量（）转速（）联合仿真模型验证为了验证联合仿真模型的正确性，将试验实测数据与联合仿真结果进行比较。研究所取的试验样机如图 所示。图 试验样机.试验实测数据与联合仿真结果如图 所示。由于联合仿真的部分条件采用了理想化建模，与实际工况不完全一致，因此数值会出现差异。可以看出：仿真结果与测试数据变化趋势一致且数值差异在合理范围内，因此文中所建立的联合仿真模型正确且具有较高的准确度，可以利用此模型在 中研究钢轮振动特性，在 中研究振动液压系统动态特性，并可进一步研究机液系统优化。图 系统压力仿真数据与现场测试数据对比.压实度的影响每遍压实后路面压实度不同，压路机的钢轮振动特性与振动液压系统动态特性也会改变。通过设置不同路面模型的材料参数以模拟不同压实遍数下的压实度，如表 所示，研究压实度对钢轮振动和振动液压系统特性的影响，可为振动系统的参数匹配提供一定帮助。表 路面模型材料参数.模型压实度 弹性模量 密度（）泊松比.压实度对钢轮振动的影响不同压实度下钢轮振动加速度时域、频域图仿真结果如图 和图 所示。可以看出：随着压实遍数的增加，钢轮振动加速度增长越来越小，加速度极差越来越大，说明路面由疏松变为密实的过程中，钢轮振动幅度逐渐趋于稳定，路面弹性模量增大到一定值后不再增加，路面越来越难以被压实。在压实后期钢轮容易发生跳振，即钢轮振动跳离路面。从振动信号频域中也可以看出，在压实度较机床与液压第 卷小即最初几遍压实过程中，频谱图中只有工作频率，而随着压实度增大，开始出现二倍频甚至三倍频，说明随着路面被压实紧密，路面对钢轮的反作用力越来越大，钢轮发生跳振。图 不同压实度下的钢轮振动加速度时域、频域图.：（）；（）；（）；（）图 不同压实度下的二倍频幅值.压实度对振动液压系统的影响振动液压系统压力变化仿真结果如图 所示，具体数值如表 所示。可以看出：随着路面弹性模量的增加，起振时间减少，平稳振动时压力降低，但是起振压力基本保持不变。说明压实度较小即土相对疏松时，激振器的大部分激振力被土吸收，而激振器需要维持运动平稳，因此液压系统压力需保持在相对较大的数值以提供足够的动力；压实度较大即土相对密实时，激振器的激振力被土吸收较少，土对钢轮的作用力较大，激振器的运动已经保持在相对稳定的状态，因此液压系统提供的压力相对较小。图 不同压实度下的液压系统压力.表 系统压力在不同压实度下的参数变化.压实度 压力峰值（）平稳压力（）起振时间 平稳时间 因此在特定的压实介质下，可以根据振动液压系统压力的大小来判断压实状况，驾驶员可及时改变振幅，提高压实效率。.压实度对驱动扭矩的影响发动机输出扭矩随路面压实度变化如图 所示，具体数值如表 所示。驱动扭矩随压实度的变化规律原理与振动液压系统压力随压实度变化规律原理相同：在压实度较小时液压系统需提供较大的驱动扭矩供激振器转动，产生稳定的激振力；在压实度较大时，激振力已经较为稳定，因此驱动扭矩较小，仅需维持激振器正常转动即可。图 不同压实度下的发动机输出扭矩.第 期闫庆尧 等：单钢轮振动压路机振动液压系统动态特性联合仿真 表 驱动扭矩在不同压实度下的变化.压实度 扭矩峰值（）平稳扭矩（）结论建立了单钢轮振动压路机振动液压系统与钢轮路面刚柔耦合动力学的联合仿真模型，分析了压实度对钢轮振动、振动液压系统和驱动扭矩的影响，得出以下结论：（）所提出的联合仿真模型可较为准确地模拟实际工况下单钢轮振动压路机与路面的压实作用过程。（）随着压实度的增加，钢轮振动容易出现二倍频，发生跳振，影响压实质量；振动液压系统平稳压力降低，起振时间缩短；驱动扭矩减小。（）提出的联合仿真模型可为压路机液压系统优化、压实仿真、压实性能分析、机器优化相关研究提供参考。参考文献：冯忠绪工程机械理论北京：人民交通出版社，冯建生，冯忠绪，胡碧阳振动压路机振动轮上机架的偏振分析长安大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：沈建军，刘龙，唐红彩基于 与 的双钢轮压路机振动液压系统的仿真分析中国工程机械学报，（）：，（）：朱武威，李雨，冯忠绪，等基于闭环控制的压路机行走系统改进中国公路学报，（）：，（）：刘大维，戴宗宏，陈洋，等车辆多轮动载作用下柔性路面动应力响应中国公路学报，（）：，（）：王选仓，乔志，尹燕，等半刚性路面材料大压实功压实规律研究中国公路学报，（）：，（）：马涛，方周路基振动压实动力学响应机理研究中国公路学报，（）：，（）：姬淑艳，韩军，李英民，等带深桩基础高层建筑结构的地震动输入问题地震工程与工程振动，（）：，（）：王松涛，曹资现代抗震设计方法北京：中国建筑工业出版社，刘龙，唐红彩，冯忠绪，等基于机液耦合的双钢轮振动压路机行走液压系统仿真工程机械，（）：，（）：翟大勇，周志鸿，林嘉栋基于 的压路机振动液压系统仿真研究液压气动与密封，（）：，（）：曹军，汤颖，张辉，等基于 的压路机液压系统仿真研究流体传动与控制，（）：，（）：侯劲汝，冯忠绪，杨璐，等基于 与 的振动压路机虚拟样机模型广西大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：钟飞，宋嘉翼振动压路机工作参数对压实度影响研究湖北工业大学学报，（）：，（）：曹丽萍，周杰，李涛，等基于连续压实控制技术的路基压实均匀性评价中南大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：赵江，曾晟，杨清华，等沥青路面振动压实过程动力学仿真分析公路交通技术，（）：，（）：机床与液压第 卷