基于路面不平度的膜體切割機構的研究與實現

蔣 陽，王小龍

(成都大學 工業制造學院，四川 成都 610106)

0 引 言

在放射污染事故應急中，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［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場放射性沉降物的目的.膜體切割機構是將膜體連續切割成一定寬度的膜條，以便回收機構進行剝離輸送至儲料箱的裝置.為保證膜體切割機構能夠對膜體切割的連續、可靠，防止切刀在車輛行駛時產生跳動，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的三維模型，充分考慮路面不平度函數對模型的激勵，再現了機構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，為膜體切割機構的進一步優化設計提供了基礎數據.

1 模型建立

1.1 膜體切割機構運動原理

本研究的膜體切割機構對稱安裝在膜體回收車兩側的支架下方，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.

膜體切割機構的2 個切割刀盤安裝在車輛兩側的支撐臂上，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 的機構模型

1.2.1 機構模型.

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

圖3 膜體切割機構三維模型示意圖

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

1.2.2 約束設置.

機構模型的運動系統中含有2 個轉動副、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 模型約束設置示意圖

將支架與固定坐標系連接，桿件繞支架轉動，圓盤繞桿件轉動，地面滑塊設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，通過調試參數確定懲罰系數和補償系數，并用采用拉格朗日擴張法以保證計算結果的收斂.

1.2.3 驅動設置.

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計特征——均方根值或功率譜密度函數來描述路面不平度［5］.在地面滑塊的移動副上加載路面不平度時域函數作為激勵輸入，帶動構件運動，以此來分析膜體切割機構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［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，Gq(n0)=64 ×10－6m3;標準B 級空間路面譜的截止頻率范圍設0.011 m－1＜n ＜2.83 m－1.

通過Matlab 軟件，對路面功率譜密度函數(1)進行計算，獲得的數據庫保存至data.txt.將data.txt中數據導入ADAMS 軟件，創建樣條曲線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(INVPSD)能快速生成標準級別路面，其數學模型［6］為，

式中，Ai2=2Gq(fi)·Δfi;i=(1 ～n);θ =(－π，π).Ai2表示每個Δfi小區間被包含的功率譜，將n 個這樣的正弦函數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 結果與分析

利用路面不平度函數作為激勵輸入，在ADAMS/View 模塊中設置仿真時間為30 s，步數為50，獲得膜體切割機構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，得到膜體切割機構的工作狀況.仿真結果如圖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輸入，壓力逐漸上升，并出現周期性震動，其最大值650 N，最小值48 N，均在正常工作范圍內，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，其中在15.9 s 時出現了最大值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，說明此計算模型與研究對象的實際工作狀況吻合.

3 結 論

本研究對膜體切割機構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作為激勵輸入的情況下，采用ADAMS/View 軟件對膜體切割機構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.分析結果表明:模擬氣缸的受力在48 ～650 N 范圍內周期震動，在正常的工作壓力范圍內;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，平均壓力為810.8 N，說明切割刀盤與路面間保持正常持續地接觸;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;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的優化及后續相關研發提供相應參考.

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

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

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［4］喻凡，林逸.汽車系統動力學［M］.北京:機械工業出版社，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.四輪非平穩隨機激勵路面模型的研究［J］.汽車工程，2013，35(10):868－872.