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[摘 要]利用虚拟样机技术，建立了冲击压路机的动力学模型；主要对牵引主机在作业中所受水平冲击载荷进行了仿真研究。首先在pro/E环境下建立了冲击压路机的装配模型；然后将该模型导入独立的 ADAMS环境中，并建立整机的动力学仿真模型。在压实工况下，对该系统进行了动态特性仿真研究，并获得了地面和工作装置传递给牵引主机的水平冲击截荷及其变化规律。通过仿真结果与试验结果的对比验证了模型的正确性， 研究结果可为设计该类机械结构提供参考。；冲击压路机；仿真；虚拟样机
[关键词]ADAMS；冲击压路机；仿真；虚拟样机
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）48-0336-01
引言
冲击压路机是一种将夯实与滚动压技术相结合的压实机械，具有压实效果好、作业效率高的特点。但在合理利用它的良好压实性能和效率的前提下，如何尽可能地减小作业过程中，工作装置和地面载荷对牵引主机和驾驶员的不利影响（如冲击、振动和噪声等）就成为主要的研究课题。采用传统的设计手段，很难在产品方案设计和结构设计阶段获得定量的参考依据。
美国MSC公司开发的ADAMS 软件是机械系统动力学仿真分析软件，在此平台上可以建立机械系统的动力学模型，可对系统的作业过程和动力学特性进行仿真，并能方便地进行结果数据的后处理，有利于分析研究。
本文在高集成性的三维设计软件Pro/E 环境下，建立了冲击压路机的虚拟装配模型，并将其导入独立的ADAMS/View环境，建立了冲击压路机的动力学仿真模型。主要针对牵引主机所受水平冲击载荷进行了仿
真研究，并与试验结果对比，验证了模型的正确性和采用此种方法研究其它动态特性的可行性。
1.冲击压路机的工作原理
冲击压路机的工作原理是：利用非圆截面工作轮在滚动时质心的升高和下降，周期性地拍击被压材，利用工作轮动势能的周期性变化对被压材料施加低频大振幅的冲击力，使被压材料颗粒产生较大的运动加速度和位移，进而达到压实目的。由于工作装置作业的特殊性，工作轮对车架和牵引机产生了周期性冲击。这一冲击载荷和路面载荷共同作用于牵引机的水平、垂直、横向冲击振动，这就严重地影响了牵引机的动力输出性能和传动系统零部件的使用寿命。因此，驾驶员、牵引机、工作装置和地面组成了一个复杂的多自由度系统。由于冲击压路机在实际作业时，带给牵引主机和驾驶员的水平方向冲击和振动较大。所以，通过数字仿真技术对系统进行动力学研究，具有重要的工程实用意义。
2.整机模型
2.1 模型简化和建模建设
冲击压路机主要由牵引机、工作轮、车架、缓冲机构、牵引机构、举升机构、行走机构等组成。牵引机可以选择重型卡车和大马力的工程车辆。工作轮是三边的异型截面滚轮，其截面轮廓线由多段圆弧线组成。缓冲减振系统采用二级减振：第一级由牵引轴、车架和双向金属弹簧组成；第二级由滚轮轴、工作轮、安装于兩者之间的橡胶块及橡胶轮胎构成。为了减少具体结构对仿真过程的影响，保证解算器求解收敛，建模时忽略掉局部的结构细节和部分运动副的磨擦。因此，牵引主机简化为一个四轮小车，地面由长形的薄板代替。
2.2 实体装配模型
Pro/E是集成CAD/CAM/CAE 的基于特征的参数化三维设计软件，能够实现三维产品定义、多方位的综合功能设计和多用户并行工程设计。在 Pro/E环境中建立的单轮式冲击压路机的实体装配模型见图1 。
先按实际的物理样机尺寸建立各零部件的三维模型，再按实际位置关系建立装配模型。其中对部分结构进行了适当的简化。
2.3 虚拟样机模型
为了减少图形数据传递时的模型数据损失，采用Parasolid格式将实体装配模型导入ADAMS环境，进而定义各零件之间的运动关系，使整机有确定的自由度；定义具有弹性特性的零件。在建立仿真模型时，如果实体零件的材料属性与物理样机不符，可以直接进行重新定义，使其满足要求。
牵引轴和车架之间的减振金属弹簧被定义为两个弹簧力，分别设定弹簧的刚度和阻尼。工作轮、车架、轴之间的减振装置被定义为车架与轴和工作轮与轴之间的轴套力。小车车轮与地面、工作轮与地面之间的作用通过接触力模拟，在ADAMS中用碰撞函数定义接触力：
式中： 为接触刚度；X为两物体间碰撞过程中的实际距离；e是非线性指数； 是阻尼系数； d是穿透深度； X1是一个实常数；当 时表示物体不发生接触，此时碰撞力为零。当 时，表示两物体发生碰撞，其碰撞力大小与刚度系数、变形量、碰撞力非线性指、阻尼系数穿透深度有关。
3.动力学仿真
3.1 仿真条件的给定
以冲击压路机匀速工作工况作为仿真工况，它的水平运动速度为运动激励，运动驱动被定义为step阶跃函数，用于模拟小车的加速状态。根据试验条件与实测结果，可以求得试验过程中，压路机在正常压实工况的牵引速度均值约为3500mm/s（相当于12km/h），将此条件作为仿真的驱动条件。
ADAMS采用的计量单位分别为： N/mm ， N·S/mm， mm/s。根据压路机的相关资料，缓冲减振系统的结构参数可设置为：第一级弹簧刚度为400N/mm ，第二级减振阻尼系数为1000 ，刚度系数为300N/mm 。根据冲击压路机的压实工作周期设定仿真时间和步长，运动仿真。
3.2 仿真结果及后处理
在ADAMS环境下，采用给定的系统参数进行动力学性能仿真，并对相应数据结果进行后处理。可以获得牵引主机所受水平冲击载荷（即牵引载荷）的变化规律。
4.结论
通过对冲击压路机和地面组成的系统进行动力学，获得了压路机正常压实工况下牵引主机建模与仿真所受水平冲击载荷的变化规律，并讨论了不同车速下，水平冲击载荷的幅值和频率的变化。仿真结果能为工程设计人员提供参考，用以达到优化结构参数的目的。
参考文献：
[1]郑建荣ADAMS虚拟样机技术入门与提高[M]. 北京：机械工业出版社2002. 范成建，熊光明，周明飞 虚拟样机软件 应用于
[2]范成建，熊光明，周明飞 虚拟样机软件MSC.ADAMS 应用于提高[M].北京：机械工业出版社，2006.
[3]张 洪，智晋宁 单工作轮冲击压路机仿真模型[J]. 建筑机械2005（6） 83-84.
[4]孟宪顾，李韶岗. 基于虚拟样机技术的振动冲击夯参数设计研究 [J].系统仿真学报， 2007，01（2）； 326-339.
[关键词]ADAMS；冲击压路机；仿真；虚拟样机
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）48-0336-01
引言
冲击压路机是一种将夯实与滚动压技术相结合的压实机械，具有压实效果好、作业效率高的特点。但在合理利用它的良好压实性能和效率的前提下，如何尽可能地减小作业过程中，工作装置和地面载荷对牵引主机和驾驶员的不利影响（如冲击、振动和噪声等）就成为主要的研究课题。采用传统的设计手段，很难在产品方案设计和结构设计阶段获得定量的参考依据。
美国MSC公司开发的ADAMS 软件是机械系统动力学仿真分析软件，在此平台上可以建立机械系统的动力学模型，可对系统的作业过程和动力学特性进行仿真，并能方便地进行结果数据的后处理，有利于分析研究。
本文在高集成性的三维设计软件Pro/E 环境下，建立了冲击压路机的虚拟装配模型，并将其导入独立的ADAMS/View环境，建立了冲击压路机的动力学仿真模型。主要针对牵引主机所受水平冲击载荷进行了仿
真研究，并与试验结果对比，验证了模型的正确性和采用此种方法研究其它动态特性的可行性。
1.冲击压路机的工作原理
冲击压路机的工作原理是：利用非圆截面工作轮在滚动时质心的升高和下降，周期性地拍击被压材，利用工作轮动势能的周期性变化对被压材料施加低频大振幅的冲击力，使被压材料颗粒产生较大的运动加速度和位移，进而达到压实目的。由于工作装置作业的特殊性，工作轮对车架和牵引机产生了周期性冲击。这一冲击载荷和路面载荷共同作用于牵引机的水平、垂直、横向冲击振动，这就严重地影响了牵引机的动力输出性能和传动系统零部件的使用寿命。因此，驾驶员、牵引机、工作装置和地面组成了一个复杂的多自由度系统。由于冲击压路机在实际作业时，带给牵引主机和驾驶员的水平方向冲击和振动较大。所以，通过数字仿真技术对系统进行动力学研究，具有重要的工程实用意义。
2.整机模型
2.1 模型简化和建模建设
冲击压路机主要由牵引机、工作轮、车架、缓冲机构、牵引机构、举升机构、行走机构等组成。牵引机可以选择重型卡车和大马力的工程车辆。工作轮是三边的异型截面滚轮，其截面轮廓线由多段圆弧线组成。缓冲减振系统采用二级减振：第一级由牵引轴、车架和双向金属弹簧组成；第二级由滚轮轴、工作轮、安装于兩者之间的橡胶块及橡胶轮胎构成。为了减少具体结构对仿真过程的影响，保证解算器求解收敛，建模时忽略掉局部的结构细节和部分运动副的磨擦。因此，牵引主机简化为一个四轮小车，地面由长形的薄板代替。
2.2 实体装配模型
Pro/E是集成CAD/CAM/CAE 的基于特征的参数化三维设计软件，能够实现三维产品定义、多方位的综合功能设计和多用户并行工程设计。在 Pro/E环境中建立的单轮式冲击压路机的实体装配模型见图1 。
先按实际的物理样机尺寸建立各零部件的三维模型，再按实际位置关系建立装配模型。其中对部分结构进行了适当的简化。
2.3 虚拟样机模型
为了减少图形数据传递时的模型数据损失，采用Parasolid格式将实体装配模型导入ADAMS环境，进而定义各零件之间的运动关系，使整机有确定的自由度；定义具有弹性特性的零件。在建立仿真模型时，如果实体零件的材料属性与物理样机不符，可以直接进行重新定义，使其满足要求。
牵引轴和车架之间的减振金属弹簧被定义为两个弹簧力，分别设定弹簧的刚度和阻尼。工作轮、车架、轴之间的减振装置被定义为车架与轴和工作轮与轴之间的轴套力。小车车轮与地面、工作轮与地面之间的作用通过接触力模拟，在ADAMS中用碰撞函数定义接触力：
式中： 为接触刚度；X为两物体间碰撞过程中的实际距离；e是非线性指数； 是阻尼系数； d是穿透深度； X1是一个实常数；当 时表示物体不发生接触，此时碰撞力为零。当 时，表示两物体发生碰撞，其碰撞力大小与刚度系数、变形量、碰撞力非线性指、阻尼系数穿透深度有关。
3.动力学仿真
3.1 仿真条件的给定
以冲击压路机匀速工作工况作为仿真工况，它的水平运动速度为运动激励，运动驱动被定义为step阶跃函数，用于模拟小车的加速状态。根据试验条件与实测结果，可以求得试验过程中，压路机在正常压实工况的牵引速度均值约为3500mm/s（相当于12km/h），将此条件作为仿真的驱动条件。
ADAMS采用的计量单位分别为： N/mm ， N·S/mm， mm/s。根据压路机的相关资料，缓冲减振系统的结构参数可设置为：第一级弹簧刚度为400N/mm ，第二级减振阻尼系数为1000 ，刚度系数为300N/mm 。根据冲击压路机的压实工作周期设定仿真时间和步长，运动仿真。
3.2 仿真结果及后处理
在ADAMS环境下，采用给定的系统参数进行动力学性能仿真，并对相应数据结果进行后处理。可以获得牵引主机所受水平冲击载荷（即牵引载荷）的变化规律。
4.结论
通过对冲击压路机和地面组成的系统进行动力学，获得了压路机正常压实工况下牵引主机建模与仿真所受水平冲击载荷的变化规律，并讨论了不同车速下，水平冲击载荷的幅值和频率的变化。仿真结果能为工程设计人员提供参考，用以达到优化结构参数的目的。
参考文献：
[1]郑建荣ADAMS虚拟样机技术入门与提高[M]. 北京：机械工业出版社2002. 范成建，熊光明，周明飞 虚拟样机软件 应用于
[2]范成建，熊光明，周明飞 虚拟样机软件MSC.ADAMS 应用于提高[M].北京：机械工业出版社，2006.
[3]张 洪，智晋宁 单工作轮冲击压路机仿真模型[J]. 建筑机械2005（6） 83-84.
[4]孟宪顾，李韶岗. 基于虚拟样机技术的振动冲击夯参数设计研究 [J].系统仿真学报， 2007，01（2）； 326-339.