滚动冲击压实机械水平振动控制研究

　　引言

　　滚动冲击压实技术具有压实能量高、影响深度大及机动性能好等优点,但因其压实原理而造成的机架垂直与水平振动,一方面加剧轴承的磨损,另一方面通过机架影响牵引主机的动力输出及传动系统的寿命,尤其严重影响牵引主机的驾驶舒适性。最新研究成果表明,水平振动对驾驶员的操作能力有很大影响,如脚踩加速踏板能力及反应时间等。我国工程车辆及其他地面车辆均以ISO2631—1982为基础制订相应振动评价指标。由相应指标可以看出对于水平振动人体最敏感频率范围是1～3 Hz,在此范围内所容许承受的振动加速度有效值最小[1]。因为滚动冲击压实机的滚轮直径、边数和速度决定了水平振动的频率及强度,其频率恰好分布于人体最敏感范围内,频率的大小受压实机冲击能量是否足够大、压实效果是否理想等因素的限制而改变较小。

　　解决上述问题的唯一方法是设计合理的减振机构,确定不同工况合理碾压速度(冲击频率),减小机架振动以增加轴承的使用寿命,将冲击滚轮对牵引主机及驾驶员的影响降至最低。

　　1　水平振动影响

　　由工作轮动力学分析得出,异形工作轮滚动时其动力半径rk变化规律为rk1an2>…>ani;滚动阻力矩Mf=Gian/rk呈周期变化;工作装置系统在水平方向的加速运动和牵引力亦呈周期性变化,其位移周期为T=Djsin(π/np),其中Dj为工作轮理论直径,np为轮边数。故水平振动频率为f=v/T,v为行驶速度。

　　因此,减小工作轮与机架间的轮胎橡胶弹簧双级减振机构固有频率,对抑制作用于牵引主机的附加载荷非常必要。在工作轮与机架质量保持不变的情况下,只要调整两级隔振系统的刚度系数就能使隔振效果明显改善[2]。但以上分析结论是在假设牵引主机质量远大于机架质量的前提下得出的,为了分析牵引主机的动态特性及驾驶员的乘坐舒适性,应将牵引主机及驾驶员的质量以及机架在水平激励下的动态特性考虑在内。

　　2　理论分析

　　牵引主机压实机系统在匀速行驶条件下,工作轮在水平方向对机架形成周期性冲击。忽略持续作用牵引力,整个系统可简化为图1所示力学模型。

　　图1中:ms、m2、m1分别为驾驶员、牵引主机及机架的质量;ks、cs为驾驶员与牵引主机间的刚度与阻尼系数;k2、c2为牵引轴双向缓冲弹性结构刚度与阻尼系数;k1、c1为工作轮与机架间双级减振机构的刚度与阻尼系数;xs、x2、x1、u为分别取平衡位置为原点时相应质量的广义坐标;F(t)为工作轮对机架造成的周期性短暂冲击载荷。据牛顿第三定律可得3自由度系统运动方程为