壓路機作業(yè)的主動安全控制技術研究

陳步童，李勝永，張智華，王玉柱

(1.南通航運職業(yè)技術學院，江蘇 南通 226010； 2.中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031)

0 引 言

壓路機是修建機場、鐵路、公路、港口等交通基礎設施的壓實機械，多采用全液壓驅動[1-2]?，F(xiàn)場施工作業(yè)過程中，由于壓路機操作人員缺乏相關專業(yè)知識和異常情況應變能力，對可能發(fā)生的危險抱著僥幸心理違章作業(yè)，加之施工現(xiàn)場交通復雜，故壓路機傷人和碰撞事故頻發(fā)，造成人員傷亡和財產損失。因此，加強壓路機作業(yè)過程主動安全控制技術研究尤為重要。

1 振動壓路機行駛液壓系統(tǒng)工作原理

雙鋼輪振動壓路機行駛液壓系統(tǒng)[3-4]如圖1所示，采用一泵雙馬達并聯(lián)閉式回路，最大工作壓力為40 MPa。系統(tǒng)的行走泵采用斜盤式軸向變量柱塞泵，行走泵通過管路與前、后行走馬達相連。前、后驅動采用斜軸式軸向柱塞馬達與減速機組合。壓路機行駛和作業(yè)過程中，手動伺服閥控制行走泵的斜盤擺動方向和擺角大小，使行走泵輸出的高壓油的流量大小和流動方向隨之改變；行走馬達伺服閥控制變量柱塞馬達(行走馬達)斜軸擺角大小，使前后行走馬達在最大排量和最小排量之間切換，以滿足壓路機行駛和作業(yè)過程中不同行駛速度的要求[5-6]。

圖1 雙鋼輪振動壓路機行駛液壓系統(tǒng)

若壓路機作業(yè)時突然過載，行走泵的輸出油壓會迅速上升。當系統(tǒng)工作壓力超過40 MPa時，多功能閥迅速開啟，雙向安全溢流，行走泵直接卸荷；壓力切斷閥使排量伺服油缸向排量減小方向移動，直至自動控制行走泵的排量為零；前、后行走馬達配有沖洗閥，以便將主油路低壓側部分液壓油沖洗至油箱，把閉式系統(tǒng)部分熱油排出。壓路機作業(yè)時頻繁換向、調速，導致前、后行走馬達背壓較大，其溢流閥會自動卸荷，壓路機的行駛平穩(wěn)性、被壓層的壓實均勻度及密實度、操作人員的舒適性均有所提高[7]。

2 制動系統(tǒng)工作原理

為了適應不同工況，雙鋼輪振動壓路機上設有工作制動和緊急制動[8]。工作制動是為實現(xiàn)壓路機壓實作業(yè)時前進、倒退、換向等工況的停車轉換：將操縱手柄由任一工作位置拉回中位，使行走泵的斜盤角度減少至0，前后行走馬達行走泵的輸入流量減小至0，前后行走馬達因閉鎖停止工作，壓路機實現(xiàn)停車。緊急制動則是將駐車制動閥緊急制動按鈕直接按下，使駐車制動閥斷電，進入前后行走馬達行走泵、前后行走馬達駐車制動器的壓力油被切斷，常閉式前后行走馬達行走泵、前后行走馬達駐車制動器在其彈簧力的作用下嚙合制動片，實施緊急制動；與此同時，進入手動伺服閥的油路也被切斷，行走泵的斜盤傾角不變，行走泵無壓力油輸出，壓路機實現(xiàn)驅動和制動互鎖[9-10]。

3 作業(yè)主動安全控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)總體布置

為提高壓路機作業(yè)過程的主動安全性，設計制作了一套壓路機作業(yè)過程主動安全控制裝置，該裝置由橡膠減震墊、中央控制單元、485通信線、超聲波信號處理器、超聲波信號線、超聲波傳感器、12 V電源線、行走制動電磁閥、駐車制動電磁閥、電磁閥控制線等組成，具體連接關系如圖2所示。

3.2 控制系統(tǒng)原理

當前、后超聲波傳感器前側有人通過或存在障礙物時，前、后超聲波信號處理器將傳感器檢測到的信號處理后傳送給中央控制單元，中央控制單元同時向行走制動電磁閥和駐車制動電磁閥發(fā)出指令，行走制動電磁閥和駐車制動電磁閥即刻斷電，行走泵變量機構使其斜盤回到零位，行走泵停止向前后行走馬達供油，使其停止工作；與此同時，進入前后行走馬達制動器的壓力油因前后駐車制動電磁閥斷電而被切斷，常閉式前、后行走馬達制動器在彈簧力的作用下嚙合制動片，實施緊急制動，最終鋼輪壓路機實現(xiàn)主動安全停車[11]?？刂葡到y(tǒng)邏輯關系如圖3所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體布置

圖3 控制系統(tǒng)邏輯關系

3.3 控制系統(tǒng)硬件結構

控制系統(tǒng)主要硬件由超聲波傳感器、超聲波信號處理器、中央控制單元、制動電磁閥等組成，其中超聲波信號處理器由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器、STC89C52RC單片機、485通信模塊、電源轉換模塊等組成。STC89C52RC單片機、485通信模塊、超聲波發(fā)射器和超聲波接收器由電源轉換模塊供電；STC89C52RC單片機通過超聲波發(fā)射器和超聲波接收器與超聲波傳感器間接連接，與485通信模塊是直接連接。超聲波信號處理板功能如圖4所示。

圖4 超聲波信號處理板功能

中央控制單元由STC90C516RD單片機、電磁閥線圈驅動模塊、485通信模塊、電源轉換模塊等組成。STC90C516RD單片機、485通信模塊、電磁閥線圈驅動模塊由電源轉換模塊供電；STC90C516RD單片機分別與電磁閥線圈驅動模塊、485通信模塊直接連接；電磁閥線圈驅動模塊分別與行走制動電磁閥、駐車制動電磁閥直接連接。485通信模塊是由MAX485芯片組建的通信電路，電磁閥驅動模塊是由TIP122晶體管組建的開關電路，電源轉換模塊是由LM2596S組建的降壓電路[12]。中央控制單元功能如圖5所示。

圖5 中央控制單元功能

3.4 控制系統(tǒng)硬件功能

(1)超聲波測距板。超聲波測距板由超聲波發(fā)送和接收模塊、485通信模塊、處理器模塊等組成。前后超聲波傳感器發(fā)送和接收超聲波，前后超聲波信號處理器進行數(shù)據轉換與精確計算，得出人或障礙物的距離數(shù)據，485通信模塊和處理器模塊將距離數(shù)據傳輸給超聲波處理板進行數(shù)據處理[13]。超聲波測距板電路如圖6所示。

圖6 超聲波測距板電路

(2)超聲波處理板。超聲波處理板由無線遙控開關模塊、電源模塊、485通信模塊、液晶顯示模塊、晶體管開關模塊、處理器模塊等組成。超聲波處理板接收超聲波測距板距離信號并進行計算，輸出信號控制電磁閥線圈驅動模塊通斷動作，或接收無線遙控信號控制電磁閥線圈驅動模塊通斷動作，繼而控制行走制動電磁閥、駐車制動電磁閥通斷動作[14]。超聲波處理板電路如圖7所示。

圖7 超聲波處理板電路

4 裝機試驗

依據雙鋼輪振動壓路機作業(yè)主動安全控制原理、超聲波信號處理器結構、控制器單元結構設計制作了雙鋼輪振動壓路機作業(yè)主動安全控制系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)安裝在DYNAPAC CC522型雙鋼輪振動壓路機上，進行了實車試驗。試驗測試數(shù)據及統(tǒng)計誤差分析結果見表1。

表1 實車測試數(shù)據及誤差分析結果

由表1可知，當壓路機前后2 m內有人通過或存在障礙物時，壓路機會在1.76～2.25 m內停車。

5 結 語

根據對壓路機行駛液壓系統(tǒng)和制動系統(tǒng)的分析，采取超聲感應和遠距離遙控技術，設計了振動壓路機主動安全控制系統(tǒng)。裝機現(xiàn)場試驗表明：當壓路機作業(yè)方向2 m內有人通過或遇到障礙物時，主動安全控制系統(tǒng)開始工作，振動壓路機會在1.76～2.25 m內實現(xiàn)停車。該系統(tǒng)的成功開發(fā)能有效提高道路施工過程的安全性，防止壓路機施工作業(yè)過程中傷人和碰撞事故的發(fā)生，從而有效保護施工作業(yè)人員生命財產安全，減少了不必要的損失。