四自由度振动压路机
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[摘 要]结合实际压实过程土体变形是利于变形的关系建立新的非线性振动压路机模型，并选用给定的压路机参数进行仿真，通过改变给定的压路机激振力参数和土壤刚度参数得到不同仿真结果，根据仿真结果分析不同参数值对非线性振动压路机模型振动加速度的影响。
[关键词]激振力；土壤刚度；非线性模型；振动加速度；
中图分类号：J62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）13-0156-02
前言
近年来，振动压路机在土建工程施工项目以及道路工程项目中的应用越来越广泛，而振动压路机的压实机理则是依靠机器自身的重量与振动轮的振动作用来实现对不同作业介质的压实作业。为了能够在压路机压实作业过程中对压路机与土壤组成的振动系统进行研究，往往要建立“压路机——土壤”动力学模型实现对其的研究。目前所建立的“压路机——土壤”动力学模型多为较为理想的线性模型，而很少涉及非线性模型。本文在参考前人的研究的基础上建立了四自由度的振动压路机——土壤非线性动力学模型。
1 非线性动力学模型的建立
以往建立的“压路机——土壤”动力学模型多为较为理想的线性模型，而在实际中压路机与土壤之间的关系并非理想的线性关系，特别是振动轮与土壤之间的关系为非线性关系，此次所建立的“压路机——土壤”动力学模型则主要考虑振动轮与土壤之间的关系为非线性关系，同时以往的动力学模型只涉及竖直方向，而此次所建立“压路机——土壤”的动力学模型也将机架对振动轮水平方向，以及随振土体对振动轮水平方向的作用予以了考虑。
本次所建立的“压路机——土壤”非线性动力学模型的前提是振动轮与与机架均为刚性质量块；压实过程中振动轮始终与土体保持耦合；被压实的土体具有一定的刚度与阻尼，但其刚度为非线性的；减震器元件的刚度与阻尼为线性；假设整机质量在径向和轴向对称分布，忽略作业时振动轮的轴向窜动以及振动时随振质量在水平方向上的位移，假定被压实材料铺层的厚度均匀布置，考虑到机架与振动轮在水平、垂直两个方向上的整体耦合作用。基于以上假设，根据振动理论建立如图1所示的“压路机——土壤”非线性动力学模型。
其中m1为机架质量，m2为振动轮质量，x1为机架水平方向位移，x2为振动轮水平方向位移，y1为机架竖直方向位移，y2为振动轮竖直方向位移，ky1为竖直方向减震器刚度，cy1为竖直方向阻尼，ky2为随振土体竖直方向等效刚度，cy2为随振土体水平方向等效阻尼，kx1为水平方向减震器刚度，cx1为减震器水平方向阻尼，kx2为随振土体水平方向等效刚度，cx2为随振土体水平方向等效阻尼。 为竖直方向激振力， ， 为水平方向激振力， 。由于振动轮与土壤之间的关系为非线性关系，因此 ， 。
2 Matlab仿真求解
2.1 确定仿真基本参数
在进行仿真求解时，首先需要根据实际作业情况来确定该压路机模型的相关参数。所确定的该非线性压路机模型的相关参数如下：
激振力 ，角速度 。
2.2 建立Simulink仿真程序
仿真的目的就是发现问题和预测未来，通过时间轴前推，仿真能实现发现问题或预测未来的目的。对所建立的动力学方程组的计算采用 MATLAB 的 Simulink 仿真模块，从而得到对振动轮振动速度和振动加速度变化的预测。 其仿结构图如图3所示。
2.3 仿真结果及分析
根据上述设置的基本参数采用Matlab仿真，得到此参数下压路机钢轮与机架的基本运动情况如下：
在实际中影响压路机作业性能的主要因素往往是偏心块旋转产生的激振力的大小以及土壤的基本参数。振动压路机的作业工况可以分为静碾，a低频高幅，高频低幅三种，不同的作业工况对土壤的压实产生不同的效果。而振动压路机的作业对象是土壤，在进行作业介质的铺设是往往不可能实现土壤的均匀分布，从而会导致不同位置的土壤的物理参数不同，其中对振动压路机压实效果有明显影响的就是土壤自身的刚度。故可以从激振力变化与土壤刚度的变化来分析所建立的非线性模型的运动性能。
（1）土壤刚度不变，激振力增加时得到振动轮的振动速度以及振动加速变化如图所示：
从图可以看出，当激振力增加二倍时，振动轮的速度以及加速度都呈现出增大的趋势，但并不改变波形即运动规律。（2）激振力不变，土壤刚度增加时得到振动轮的振动速度以及振动加速变化如下图所示：
从上图可已看出，当土壤刚度增加二倍时，振动轮的速度以及加速度与土壤刚度为发生变化时的大小基本一致。
3 结语
本文主要从压路机实际作业情况出发，建立更贴合实际作业状况的压路机动力学模型，加入水平方向的约束，使压路机的非线性模型更加完整，也更加符合其实际作业情況。由于压路机作业过程是一个非线性过程，而本文所建立的动力学模型虽然采用阶段线性来代替土壤压实过程中刚度的非线性变化，在一定程度上能够真实反应实际压实过程，但由于分段较少，并不能完全精确地展现实际压实过程。
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作者简介
乔佳斌（1992.01--）， 男，陕西咸阳人，学历：硕士研究生，专业：机械设计及理论。
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