攤鋪機模擬試驗臺行駛系統(tǒng)研究

張新榮，李元才，李寶蘊

(1.長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西西安710064;2.陜西神洲自動控制有限公司，陜西西安710077)

0 引言

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

為了進一步研究攤鋪機的工作機理，對一些設(shè)計參數(shù)與施工工藝參數(shù)進行匹配和優(yōu)化，我們實驗室設(shè)計建造了一套攤鋪機模擬試驗臺.通過該試驗臺，可以在實驗室內(nèi)模擬實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)實現(xiàn)一些具有理論與實際意義的重要實驗，從而為攤鋪機的設(shè)計、制造及施工工藝提供理論指導(dǎo).鑒于攤鋪機行駛速度對攤鋪路面質(zhì)量有著重要的影響，研究者需設(shè)計一套行駛系統(tǒng)來驅(qū)動該試驗臺的活動路面板，對活動路面的行駛速度進行精確的調(diào)節(jié)和控制、模擬攤鋪機的行駛過程.筆者主要對其液壓驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等方面的內(nèi)容進行研究.

1 活動路面板設(shè)計方案

圖1所示為活動路面板行駛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意簡圖.由于活動路面板只在導(dǎo)軌上進行往復(fù)直線行駛，可采用一臺由液壓馬達驅(qū)動的鋼絲繩卷揚機和一個定滑輪組合來拖動活動路面板運動.行走馬達經(jīng)減速機減速后驅(qū)動卷揚機，通過控制馬達的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)活動路面板的前進和后退.

圖1 活動路面行駛系統(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)合試驗臺的整體性能，活動路面板行駛系統(tǒng)采用泵控馬達的容積調(diào)速形式，通過使用專用控制器輸出PWM信號控制變量泵的排量，最終改變馬達轉(zhuǎn)速，達到改變活動路面板行駛速度的目的.卷揚機卷筒的一端安裝轉(zhuǎn)速編碼器來測量卷筒的轉(zhuǎn)速，以脈沖的形式返回給控制器的脈沖計數(shù)器，計算得到活動路面板的行走速度，對活動路面板進行閉環(huán)控制.

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計［2］

攤鋪機模擬試驗臺行駛驅(qū)動采用雙向變量泵-變量馬達的閉式液壓系統(tǒng)，具有驅(qū)動力大、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、變量連續(xù)、調(diào)速范圍大等優(yōu)點［3］.其液壓原理如圖2 所示［4］.

2.1 行走液壓泵和液壓馬達

(1)行走液壓泵.行走液壓泵1采用雙向軸向柱塞泵，由電動機驅(qū)動，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現(xiàn)泵進出油口的交換.

(2)行走馬達.采用斜軸式軸向變量馬達9來驅(qū)動活動路面板，該馬達配有兩檔變量機構(gòu)，實現(xiàn)攤鋪與轉(zhuǎn)場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)泵控馬達過載保護回路.當某些因素使得行駛負載增加，系統(tǒng)工作壓力將升高，當壓力升至溢流閥7額定壓力時，溢流閥開啟，泵的進出油口連通，系統(tǒng)泄壓，實現(xiàn)系統(tǒng)的過載保護功能.

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

補油回路由補油泵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對整個補油回路起安全保護作用.單向溢流閥7內(nèi)的單向閥兩端分別與補油回路與閉式環(huán)路相連接，油液通過單向閥進入閉式回路進行補油.

(3)散熱回路.行走系統(tǒng)工作時，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行冷卻，從而達到降低液壓油溫度的目的.

三位三通液動換向閥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，使其實現(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進入油箱散熱，同時補油系統(tǒng)將冷油注入閉式系統(tǒng)內(nèi)，實現(xiàn)冷熱油的自動替換.

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，機械聯(lián)動部件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三位三通閥及一對安裝在其兩側(cè)的比例電磁閥組成.控制信號為脈寬調(diào)制(PWM)電流信號，PWM信號通過電磁閥轉(zhuǎn)換為推力作用于控制主閥芯，閥芯移動使得控制油液進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)壓差作用下帶動斜盤移動，從而實現(xiàn)泵在正最大排量和負最大排量之間的無極變化.通過機械聯(lián)動部件及一根線性彈簧將斜盤位置反饋回控制主閥芯，當斜盤位置反饋彈簧力正好等于電磁閥輸入力時，控制系統(tǒng)達到并保持于此平衡狀態(tài).

當一個比例電磁閥電磁線圈通電時，變量泵斜盤由中立位置向一個方向轉(zhuǎn)動，當另一個比例電磁閥電磁線圈通電時，變量泵的斜盤向相反的方向轉(zhuǎn)動，這樣便改變了油液進出口的流向，使液壓馬達反向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了活動路面板行走方向的改變.

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

攤鋪機模擬試驗臺活動路面板泵控馬達行駛系統(tǒng)采用泰優(yōu)TCRC1010型可編程控制器來進行控制.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的電平信號直接驅(qū)動電磁閥、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信號對電液比例閥進行控制，大大節(jié)省外圍驅(qū)動電路，使得電液控制系統(tǒng)變得簡潔.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)定試驗臺進行模擬攤鋪實驗時活動路面板的行駛速度，它也就是控制系統(tǒng)對其行駛速度進行閉環(huán)控制的基準.

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

(3)狀態(tài)開關(guān)按鍵:設(shè)定活動路面板的前進和后退兩種行駛方向以及攤鋪和轉(zhuǎn)場兩種運行模式，分別在兩種模式下進行開環(huán)和閉環(huán)控制.

(4)緊急制動開關(guān):當攤鋪機工作時遇到緊急情況時，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電磁閥，實現(xiàn)泵進出油路方向的交換，控制活動路面板的前進和后退.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)場狀態(tài)時，通過控制器輸出的開關(guān)信號，控制液壓馬達的變量線圈，使液壓馬達處于小排量狀態(tài)，提高馬達轉(zhuǎn)速，使活動路面板在行駛導(dǎo)軌上能相對快速地移動到所需的位置.

(7)控制器通過CAN總線可以和試驗臺上的其它工作模塊實現(xiàn)通訊.

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 行走系統(tǒng)控制方案

希望達到的活動路面板行駛情況如圖4所示，包括加速段、恒速段、減速段，分別對應(yīng)活動路面板的起步、恒速攤鋪作業(yè)、停車3個過程.

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

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

(2)活動路面板的恒速行駛控制.在活動路面板運動過程中，當狀態(tài)開關(guān)按鍵處于攤鋪作業(yè)時，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.反饋速度值由轉(zhuǎn)速編碼器返回的脈沖通過脈沖計數(shù)器計算而得.為了使偏差信號為零，保證速度恒定，此差值調(diào)用PID模塊后，得出應(yīng)當輸出的計算值，最后此計算值經(jīng)PWM模塊處理后進行輸出;當狀態(tài)開關(guān)按鍵處于轉(zhuǎn)場時，控制器無需對速度進行閉環(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

控制器程序的設(shè)計流程如圖5所示［8］.本控制系統(tǒng)在Codesys軟件開發(fā)平臺上進行程序設(shè)計，按照模塊化設(shè)計的思想，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)攤鋪機模擬試驗臺行駛系統(tǒng)采用雙向變量泵-變量馬達閉式回路容積調(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，實現(xiàn)了數(shù)字信號的直接控制，調(diào)速靈敏、控制精度高，抗干擾能力強.

圖5 程序設(shè)計流程圖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、抗干擾能力強的優(yōu)點，保證了進行實驗時攤鋪試驗臺性能的可靠性，從而保證了模擬攤鋪實驗數(shù)據(jù)的客觀、準確性.(3)采用斜坡處理模塊既避免在活動路面板起步或急劇改變其速度時產(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)模塊對攤鋪機試驗臺的行駛系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，大大提高了對活動路面板行駛速度控制的精度和動態(tài)特性，保證了活動路面板在進行模擬攤鋪實驗時的恒速行駛.

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