張新榮，李元才，李寶蘊(yùn)

(1.長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064;2.陜西神洲自動(dòng)控制有限公司，陜西西安710077)

0 引言

在攤鋪機(jī)的作業(yè)過程中，其行駛性能的優(yōu)劣對(duì)攤鋪路面的平整度、密實(shí)度和均勻性等有著重要的影響［1］.在目前的攤鋪機(jī)行駛系統(tǒng)中，電液傳動(dòng)與數(shù)字控制技術(shù)的采用，使得行駛控制在精度和動(dòng)態(tài)特性上都得到大幅提高，也大大增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的抗干擾性和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的能力.

為了進(jìn)一步研究攤鋪機(jī)的工作機(jī)理，對(duì)一些設(shè)計(jì)參數(shù)與施工工藝參數(shù)進(jìn)行匹配和優(yōu)化，我們實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)建造了一套攤鋪機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái).通過該試驗(yàn)臺(tái)，可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬實(shí)際攤鋪中的大部分工作，并可通過改變各種參數(shù)、記錄各參數(shù)的變化以及通過數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一些具有理論與實(shí)際意義的重要實(shí)驗(yàn)，從而為攤鋪機(jī)的設(shè)計(jì)、制造及施工工藝提供理論指導(dǎo).鑒于攤鋪機(jī)行駛速度對(duì)攤鋪路面質(zhì)量有著重要的影響，研究者需設(shè)計(jì)一套行駛系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)該試驗(yàn)臺(tái)的活動(dòng)路面板，對(duì)活動(dòng)路面的行駛速度進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)和控制、模擬攤鋪機(jī)的行駛過程.筆者主要對(duì)其液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等方面的內(nèi)容進(jìn)行研究.

1 活動(dòng)路面板設(shè)計(jì)方案

圖1所示為活動(dòng)路面板行駛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖.由于活動(dòng)路面板只在導(dǎo)軌上進(jìn)行往復(fù)直線行駛，可采用一臺(tái)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的鋼絲繩卷揚(yáng)機(jī)和一個(gè)定滑輪組合來拖動(dòng)活動(dòng)路面板運(yùn)動(dòng).行走馬達(dá)經(jīng)減速機(jī)減速后驅(qū)動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，通過控制馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)活動(dòng)路面板的前進(jìn)和后退.

圖1 活動(dòng)路面行駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of the walking system of the mobile road slab

為適應(yīng)低速攤鋪需要，并結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)的整體性能，活動(dòng)路面板行駛系統(tǒng)采用泵控馬達(dá)的容積調(diào)速形式，通過使用專用控制器輸出PWM信號(hào)控制變量泵的排量，最終改變馬達(dá)轉(zhuǎn)速，達(dá)到改變活動(dòng)路面板行駛速度的目的.卷揚(yáng)機(jī)卷筒的一端安裝轉(zhuǎn)速編碼器來測(cè)量卷筒的轉(zhuǎn)速，以脈沖的形式返回給控制器的脈沖計(jì)數(shù)器，計(jì)算得到活動(dòng)路面板的行走速度，對(duì)活動(dòng)路面板進(jìn)行閉環(huán)控制.

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)［2］

攤鋪機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)行駛驅(qū)動(dòng)采用雙向變量泵-變量馬達(dá)的閉式液壓系統(tǒng)，具有驅(qū)動(dòng)力大、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、變量連續(xù)、調(diào)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)［3］.其液壓原理如圖2 所示［4］.

2.1 行走液壓泵和液壓馬達(dá)

(1)行走液壓泵.行走液壓泵1采用雙向軸向柱塞泵，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過控制油缸改變斜盤傾斜角度來改變排量，改變斜盤的傾斜方向來實(shí)現(xiàn)泵進(jìn)出油口的交換.

(2)行走馬達(dá).采用斜軸式軸向變量馬達(dá)9來驅(qū)動(dòng)活動(dòng)路面板，該馬達(dá)配有兩檔變量機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)攤鋪與轉(zhuǎn)場(chǎng)兩種速度的快速切換.

圖2 行走系統(tǒng)液壓原理圖Fig.2 Hydraulic principle diagram of the walking system

2.2 液壓系統(tǒng)輔助回路

(1)泵控馬達(dá)過載保護(hù)回路.當(dāng)某些因素使得行駛負(fù)載增加，系統(tǒng)工作壓力將升高，當(dāng)壓力升至溢流閥7額定壓力時(shí)，溢流閥開啟，泵的進(jìn)出油口連通，系統(tǒng)泄壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過載保護(hù)功能.

(2)補(bǔ)油回路.為了補(bǔ)充閉式系統(tǒng)由于內(nèi)泄的油液損失，維持系統(tǒng)內(nèi)油液壓力，以及為伺服變量機(jī)構(gòu)提供控制壓力油，系統(tǒng)設(shè)置了補(bǔ)油回路.

補(bǔ)油回路由補(bǔ)油泵3、濾油器4、安全閥5、單向溢流閥7、溢流閥8等幾部分組成.溢流閥8對(duì)整個(gè)補(bǔ)油回路起安全保護(hù)作用.單向溢流閥7內(nèi)的單向閥兩端分別與補(bǔ)油回路與閉式環(huán)路相連接，油液通過單向閥進(jìn)入閉式回路進(jìn)行補(bǔ)油.

(3)散熱回路.行走系統(tǒng)工作時(shí)，油液在閉式回路中循環(huán)，發(fā)熱量大，油液溫度過高將直接影響系統(tǒng)的工作性能，所以需降低油液的溫度.散熱回路將閉式液壓系統(tǒng)內(nèi)的熱油從回路中替換出來進(jìn)行冷卻，從而達(dá)到降低液壓油溫度的目的.

三位三通液動(dòng)換向閥13兩端的控制油路分別與閉式回路兩側(cè)的主油路相連，即一端與主壓力油路相連，另一端與低壓油路相連.在壓差的作用下，閥芯向左或向右移動(dòng)，使其實(shí)現(xiàn)右位或左位導(dǎo)通.主油路低壓一側(cè)的熱油通過換向閥13經(jīng)過溢流閥14進(jìn)入油箱散熱，同時(shí)補(bǔ)油系統(tǒng)將冷油注入閉式系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)冷熱油的自動(dòng)替換.

2.3 液壓行走變速換向系統(tǒng)

液壓行走變速、變向系統(tǒng)主要由電比例排量控制模塊15，節(jié)流器16，機(jī)械聯(lián)動(dòng)部件17和變量泵斜盤控制油缸18等組成.

電比例排量控制模塊由固定在一起的兩個(gè)三位三通閥及一對(duì)安裝在其兩側(cè)的比例電磁閥組成.控制信號(hào)為脈寬調(diào)制(PWM)電流信號(hào)，PWM信號(hào)通過電磁閥轉(zhuǎn)換為推力作用于控制主閥芯，閥芯移動(dòng)使得控制油液進(jìn)入泵斜盤控制油缸活塞一側(cè)，另一側(cè)回殼體，伺服活塞在兩側(cè)壓差作用下帶動(dòng)斜盤移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)泵在正最大排量和負(fù)最大排量之間的無極變化.通過機(jī)械聯(lián)動(dòng)部件及一根線性彈簧將斜盤位置反饋回控制主閥芯，當(dāng)斜盤位置反饋彈簧力正好等于電磁閥輸入力時(shí)，控制系統(tǒng)達(dá)到并保持于此平衡狀態(tài).

當(dāng)一個(gè)比例電磁閥電磁線圈通電時(shí)，變量泵斜盤由中立位置向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)另一個(gè)比例電磁閥電磁線圈通電時(shí)，變量泵的斜盤向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣便改變了油液進(jìn)出口的流向，使液壓馬達(dá)反向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了活動(dòng)路面板行走方向的改變.

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

攤鋪機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)活動(dòng)路面板泵控馬達(dá)行駛系統(tǒng)采用泰優(yōu)TCRC1010型可編程控制器來進(jìn)行控制.TCRC1010型控制器能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境，能在-40～85℃的溫度下工作，支持CAN 2.0B、RS-232、RS-485通訊協(xié)議，具有良好的接口性能，20路I/O端口可根據(jù)需要定義為該端口支持的多種不同的輸入輸出類型，該控制器可以輸出最大電流為3.5 A的電平信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、電磁繼電器和電磁開關(guān)等，也可以輸出最大電流為3.5 A，最高頻率為10 kHz的PWM信號(hào)對(duì)電液比例閥進(jìn)行控制，大大節(jié)省外圍驅(qū)動(dòng)電路，使得電液控制系統(tǒng)變得簡(jiǎn)潔.圖3為行駛控制系統(tǒng)原理圖.

圖3 行駛控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Principle diagram of speed control system

(1)設(shè)定速度值:通過速度給定電位器設(shè)定試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模擬攤鋪實(shí)驗(yàn)時(shí)活動(dòng)路面板的行駛速度，它也就是控制系統(tǒng)對(duì)其行駛速度進(jìn)行閉環(huán)控制的基準(zhǔn).

(2)返回速度脈沖:行駛系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速編碼器返回檢測(cè)到的卷揚(yáng)機(jī)卷筒轉(zhuǎn)速的脈沖，從而得出活動(dòng)路面板的行走速度.

(3)狀態(tài)開關(guān)按鍵:設(shè)定活動(dòng)路面板的前進(jìn)和后退兩種行駛方向以及攤鋪和轉(zhuǎn)場(chǎng)兩種運(yùn)行模式，分別在兩種模式下進(jìn)行開環(huán)和閉環(huán)控制.

(4)緊急制動(dòng)開關(guān):當(dāng)攤鋪機(jī)工作時(shí)遇到緊急情況時(shí)，駕駛員可以用該按鈕使PWM輸出口處于高阻狀態(tài)，將攤鋪機(jī)停止.

(5)輸出PWM:輸出兩路PWM脈沖分別作用于變量泵電比例排量控制模塊的兩個(gè)電磁閥，實(shí)現(xiàn)泵進(jìn)出油路方向的交換，控制活動(dòng)路面板的前進(jìn)和后退.控制器調(diào)節(jié)PWM的占空比來改變泵斜盤的傾斜角度，控制變量泵的排量.

(6)在狀態(tài)開關(guān)處于轉(zhuǎn)場(chǎng)狀態(tài)時(shí)，通過控制器輸出的開關(guān)信號(hào)，控制液壓馬達(dá)的變量線圈，使液壓馬達(dá)處于小排量狀態(tài)，提高馬達(dá)轉(zhuǎn)速，使活動(dòng)路面板在行駛導(dǎo)軌上能相對(duì)快速地移動(dòng)到所需的位置.

(7)控制器通過CAN總線可以和試驗(yàn)臺(tái)上的其它工作模塊實(shí)現(xiàn)通訊.

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 行走系統(tǒng)控制方案

希望達(dá)到的活動(dòng)路面板行駛情況如圖4所示，包括加速段、恒速段、減速段，分別對(duì)應(yīng)活動(dòng)路面板的起步、恒速攤鋪?zhàn)鳂I(yè)、停車3個(gè)過程.

圖4 理想速度控制曲線Fig.4 Ideal controlled speed curve

(1)活動(dòng)路面板行駛速度斜坡控制.在活動(dòng)路面起步或者急劇調(diào)節(jié)其行駛速度時(shí)，往往由于慣性容易產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重影響行駛系統(tǒng)的壽命，現(xiàn)通過調(diào)用斜坡處理模塊來實(shí)現(xiàn)速度的平穩(wěn)過渡.通常按一定的斜坡時(shí)間來完成過渡.斜坡時(shí)間是由斜坡函數(shù)確定的.斜坡時(shí)間過長(zhǎng)，影響機(jī)器的作業(yè)效率;時(shí)間太短，系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重沖擊.閥控馬達(dá)負(fù)載系統(tǒng)的最短斜坡時(shí)間可根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)近似計(jì)算［5］.

(2)活動(dòng)路面板的恒速行駛控制.在活動(dòng)路面板運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)狀態(tài)開關(guān)按鍵處于攤鋪?zhàn)鳂I(yè)時(shí)，控制器要通過程序?qū)崿F(xiàn)速度閉環(huán)控制功能，控制器一方面要讀取給定速度值，另一方面要獲取反饋速度值，然后通過比較得出偏差信號(hào).反饋速度值由轉(zhuǎn)速編碼器返回的脈沖通過脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)算而得.為了使偏差信號(hào)為零，保證速度恒定，此差值調(diào)用PID模塊后，得出應(yīng)當(dāng)輸出的計(jì)算值，最后此計(jì)算值經(jīng)PWM模塊處理后進(jìn)行輸出;當(dāng)狀態(tài)開關(guān)按鍵處于轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)，控制器無需對(duì)速度進(jìn)行閉環(huán)控制，所以也不用調(diào)用PID模塊，只需將速度設(shè)定值通過PWM模塊處理后輸出即可［6-7］.

4.2 控制器程序設(shè)計(jì)

控制器程序的設(shè)計(jì)流程如圖5所示［8］.本控制系統(tǒng)在Codesys軟件開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，按照模塊化設(shè)計(jì)的思想，將程序劃分為速度設(shè)定值讀入與數(shù)值整定功能模塊、斜坡處理功能模塊、速度脈沖計(jì)數(shù)功能模塊、PID調(diào)節(jié)功能模塊、PWM調(diào)制輸出功能模塊等.每個(gè)功能模塊由相應(yīng)的子程序和中斷程序組成，以完成特定的功能.

5 結(jié)論

(1)攤鋪機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)行駛系統(tǒng)采用雙向變量泵-變量馬達(dá)閉式回路容積調(diào)速，變速連續(xù)，調(diào)速范圍大.通過改變PWM控制電流的占空比來調(diào)節(jié)泵排量，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)的直接控制，調(diào)速靈敏、控制精度高，抗干擾能力強(qiáng).

圖5 程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 Programming flowchart

(2)使用TCRC1010型可編程控制器作為控制核心，所需的外圍電路簡(jiǎn)單，且TCRC1010型可編程控制器有能適應(yīng)惡劣環(huán)境，抗震、抗高溫、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，保證了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)攤鋪試驗(yàn)臺(tái)性能的可靠性，從而保證了模擬攤鋪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的客觀、準(zhǔn)確性.(3)采用斜坡處理模塊既避免在活動(dòng)路面板起步或急劇改變其速度時(shí)產(chǎn)生的沖擊，又兼顧了速度變化的快捷性.通過調(diào)用PID調(diào)節(jié)模塊對(duì)攤鋪機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的行駛系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，大大提高了對(duì)活動(dòng)路面板行駛速度控制的精度和動(dòng)態(tài)特性，保證了活動(dòng)路面板在進(jìn)行模擬攤鋪實(shí)驗(yàn)時(shí)的恒速行駛.

［1］楊士敏，孫祖望.攤鋪速度和熨平板靜壓力對(duì)碾壓混凝土路面成型質(zhì)量的影響［J］.公路交通科技2001，18(3):117-119.

［2］趙波.液壓與氣動(dòng)技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］馬喬林，楊開.Super1800瀝青攤鋪機(jī)行走液壓系統(tǒng)分析［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2009，26(12):45-47.

［4］焦生杰，吳濤.瀝青混凝土攤鋪機(jī)行駛系統(tǒng)模糊參數(shù)自整定PID控制［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003，23(2):91-94.

［5］郝鵬，張大慶，何清華.瀝青混凝土攤鋪機(jī)行駛驅(qū)動(dòng)斜坡函數(shù)控制方法的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2004，2(4):475-478.

［6］焦生杰，拾方治.PLC在瀝青混凝土攤鋪機(jī)行駛控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2003，20(1):27-29.

［7］朱濤，陳志，楊振華，等.基于嵌入式PLC的攤鋪機(jī)行駛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.建筑機(jī)械化，2011，32(5):34-37.

［8］吳金紅，祝靖，曹建，等.攤鋪機(jī)行走監(jiān)控系統(tǒng)研制［J］.現(xiàn)代制造工程，2011(7):27-31.