雙履帶橋面攤鋪機(jī)自找平控制系統(tǒng)研究

杜高昱，李民孝，馬登成

（1. 陜西省西安公路管理局，陜西 西安 710003；2. 中交西安筑路機(jī)械有限公司，陜西 西安 710032； 3. 長安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

隨著我國公路交通事業(yè)快速發(fā)展，橋梁在公路網(wǎng)上越來越多，越來越重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)截至2018年底，我國已擁有公路橋梁513702座，里程約48392km。由于橋梁的天然布置和作用，要求橋梁承載能力大，自身重量輕，使得橋梁橋面結(jié)構(gòu)和厚度受到嚴(yán)格限制。現(xiàn)在橋梁鋪設(shè)一般為澆筑式瀝青混合料攤鋪或一種新型改性聚氨酯材料鋪裝，這兩種材料由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、鋪裝厚度小、路面壽命長等特點(diǎn)，目前已得到很好的推廣應(yīng)用。但這種材料攤鋪機(jī)由于攤鋪橋面及其攤鋪材料的特殊性，采用前面供料中間抹平的雙履帶攤鋪機(jī)進(jìn)行攤鋪，攤鋪平整度如何滿足要求非常重要。本文就這種雙履帶橋面攤鋪機(jī)找平系統(tǒng)進(jìn)行探討，以提出可行的理論依據(jù)及解決方法。

攤鋪機(jī)自找平控制系統(tǒng)由液壓缸來控制其升降以實(shí)現(xiàn)找平作用，液壓缸在電控閥的控制下輸出所需的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力進(jìn)行自動(dòng)控制。雙履帶橋面薄層攤鋪機(jī)擠壓成型底板的厚度控制是電控閥通過控制機(jī)架兩邊的4個(gè)支撐油缸來實(shí)現(xiàn)，在攤鋪過程中通過控制這4個(gè)支撐油缸實(shí)現(xiàn)擠壓成型底板找平，達(dá)到攤鋪路面平整度要求。

1 自找平系統(tǒng)控制機(jī)理和類型

自找平控制系統(tǒng)核心是電控閥控制液壓缸輸出所需的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力實(shí)現(xiàn)工作裝置運(yùn)動(dòng)。電磁閥是整個(gè)系統(tǒng)控制和動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵，它接受控制器的信號(hào)并轉(zhuǎn)化液壓動(dòng)力輸出?？刂破鲗⒅噶钚盘?hào)與傳感器反饋信號(hào)進(jìn)行比較和加工，向電磁閥發(fā)出指令。自找平系統(tǒng)控制原理如圖1所示。

圖1 自找平系統(tǒng)控制原理圖

自找平控制系統(tǒng)主要有：（1）電液開關(guān)控制自動(dòng)找平系統(tǒng)。這種系統(tǒng)中反饋檢測元件為開關(guān)型傳感器，電液轉(zhuǎn)換元件為電磁換向閥?？刂破饔赡M電路構(gòu)成，輸出PWM控制信號(hào)。（2）電液伺服控制自動(dòng)找平系統(tǒng)。這種系統(tǒng)中反饋檢測元件為可連續(xù)輸出模擬量電信號(hào)的傳感器，電液轉(zhuǎn)換元件為電液伺服閥，控制器由模擬電子線路構(gòu)成，可根據(jù)傳感器檢測到的誤差信號(hào)輸出連續(xù)變化的模擬量控制信號(hào)。（3）數(shù)字式自動(dòng)找平系統(tǒng)。這種系統(tǒng)與前兩種系統(tǒng)的主要區(qū)別是控制器采用了數(shù)字電路或直接采用微機(jī)構(gòu)成，可輸出數(shù)字控制信號(hào)。反饋檢測元件與控制器的接口采用A/D轉(zhuǎn)換。電液轉(zhuǎn)換元件可采用數(shù)字控制閥，電控制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)，也可將控制器輸出的數(shù)字控制信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)常規(guī)的電液伺服閥或電磁換向閥。目前超聲波和激光找平系統(tǒng)就是數(shù)字式自動(dòng)找平系統(tǒng)的應(yīng)用。 （4）全液壓自動(dòng)找平系統(tǒng)。這種系統(tǒng)中找平的控制由一個(gè)將反饋檢測元件和機(jī)液伺服閥整合為一體的全液壓自動(dòng)找平傳感器來實(shí)現(xiàn)，控制過程為全液壓傳感器檢測誤差信號(hào)，直接控制進(jìn)入自找平油缸的流量，控制油缸的升降，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找平。美國CMI公司生產(chǎn)的SF系列水泥攤鋪機(jī)及美國PROHOFF公司生產(chǎn)的PAV-SAVVER系列滑模攤鋪機(jī)均采用這種找平系統(tǒng)。全液壓自動(dòng)找平原理如圖2所示。

圖2 全液壓自動(dòng)找平原理

2 雙履帶橋面攤鋪機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 雙履帶橋面攤鋪機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

雙履帶橋面薄層攤鋪機(jī)采用浮動(dòng)機(jī)架每邊兩點(diǎn)支撐方案。它是通過調(diào)整立柱油缸來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)機(jī)架，使機(jī)架始終保持在設(shè)定的高度，而攤鋪機(jī)中間的擠壓抹平成型板與機(jī)架永久性聯(lián)接，因此通過設(shè)定和調(diào)整機(jī)架高度可保證攤鋪出來的路面達(dá)到預(yù)設(shè)厚度和平整度。圖3所示為雙履帶攤鋪機(jī)結(jié)構(gòu)圖，圖4所示為雙履帶攤鋪機(jī)的簡化模型。

圖3 攤鋪機(jī)結(jié)構(gòu)圖

為了便于分析和研究問題，基于雙履帶橋面攤鋪機(jī)在縱向相對于其縱向中間平面是對稱的，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)簡化模型如圖5所示。圖中的G點(diǎn)為機(jī)架底部的擠壓抹平成型板的后沿位置，2m為機(jī)架 重量。

圖4 雙履帶攤鋪機(jī)的簡化模型

圖5 雙履帶攤鋪機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)簡化模型

2.2 雙履帶橋面攤鋪機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

如果雙履帶橋面攤鋪機(jī)運(yùn)行在平整的路面上時(shí)，機(jī)架平面無起伏波動(dòng)，攤鋪的路面也是平整的。反之如果路面起伏不平，機(jī)架平面要隨之波動(dòng)，將會(huì)影響攤鋪質(zhì)量。因此需配自動(dòng)找平控制系統(tǒng)，用傳感器來檢測由于路面不平造成的機(jī)架波動(dòng)量，再由系統(tǒng)及時(shí)來糾正補(bǔ)償由此造成的誤差，保證攤鋪機(jī)機(jī)架在設(shè)定的高度上工作，保證攤鋪路面平整度。

這里不考慮找平立柱油缸的彈性和阻尼，并假設(shè)找平立柱油缸與機(jī)架是剛性聯(lián)接時(shí)，當(dāng)攤鋪機(jī)越過凸起處，使履帶前段抬升H1，整個(gè)工作裝置（擠壓抹平成型板）隨機(jī)架繞履帶后支點(diǎn)B為轉(zhuǎn)軸向上仰升，如圖6所示。

圖6 雙履帶攤鋪機(jī)工作示意圖

機(jī)架仰升角

擠壓抹平成型板的后沿抬升高度

因此，在不平整的路面上行駛，雙履帶攤鋪機(jī)能將路面不平度的隨機(jī)波形消減后再感應(yīng)到機(jī)架上，減少地基路面不平度對攤鋪路面的影響，即攤鋪機(jī)的履帶和機(jī)架本身也具有濾波功能。隨著攤鋪路面平整度要求越來越高，攤鋪機(jī)自身的濾波遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足攤鋪路面平整度要求，必須依靠加裝的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)提高攤鋪平整度。

2.3 雙履帶橋面攤鋪機(jī)自動(dòng)找平系統(tǒng)原理

雙履帶橋面攤鋪機(jī)的自找平液壓系統(tǒng)原理與控制過程如圖7、圖8所示。

圖7 自找平液壓系統(tǒng)原理圖

圖8 雙履帶橋面攤鋪機(jī)自動(dòng)找平控制過程圖

如圖7、圖8所示自動(dòng)找平系統(tǒng)，控制由一個(gè)將反饋檢測元件和機(jī)液伺服閥整合為一體的全液壓自動(dòng)找平傳感器來實(shí)現(xiàn)?？刂七^程為全液壓傳感器檢測誤差信號(hào)，直接控制進(jìn)入自找平油缸的流量，控制油缸的升降，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找平。

3 自找平系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 電液開關(guān)控制自動(dòng)找平系統(tǒng)應(yīng)用

電液開關(guān)控制系統(tǒng)一般為比例-脈沖式自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，如圖9所示為自動(dòng)找平系統(tǒng)布置圖，系統(tǒng)由參考基準(zhǔn)、控制器、接觸式縱坡傳感器、調(diào)平油缸及電磁換向閥等組成。

圖9 自動(dòng)找平系統(tǒng)布置圖

圖9 中，參考基準(zhǔn)線是攤鋪機(jī)兩側(cè)縱向架設(shè)的具有一定張力的鋼絲或一定長度的平衡梁、平整路面或道緣等，縱坡傳感器通過支架安裝在支撐油缸處的機(jī)架上，其垂直位置可以調(diào)節(jié)。調(diào)平油缸為機(jī)架支撐油缸，通過控制器控制電磁換向閥來控制支撐油缸實(shí)現(xiàn)找平。由于雙履帶橋面攤鋪機(jī)機(jī)架由4個(gè)支撐油缸（找平立柱油缸）支撐，位于攤鋪機(jī)中間的擠壓抹平成型板與機(jī)架剛性聯(lián)接，因此找平控制為4個(gè)相對獨(dú)立控制系統(tǒng)，為簡化這里僅說明其中一個(gè)控制應(yīng)用過程。

找平系統(tǒng)工作過程如下：

攤鋪過程中，當(dāng)左側(cè)路面不平，攤鋪機(jī)機(jī)架前端升降時(shí)，安裝在機(jī)架前端的縱坡傳感器也將隨之升降，這就改變了傳感器（見圖10）的傳感臂與基準(zhǔn)線之間的夾角（一般設(shè)定為45°），從而產(chǎn)生高度偏差信號(hào)?？v坡傳感器（通過控制器）將此高差信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镻WM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)左側(cè)電磁閥使找平立柱油缸上升或下降，直到擠壓抹平成型板恢復(fù)到設(shè)定位置。此時(shí)偏差信號(hào)消失，油缸停止調(diào)節(jié)。

圖10 傳感器結(jié)構(gòu)圖

比例-脈沖式自找平系統(tǒng)其特點(diǎn)是在“恒速調(diào)節(jié)區(qū)”與“死區(qū)”之間設(shè)置“脈沖區(qū)”。在脈沖區(qū)內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電磁閥的電信號(hào)為脈沖信號(hào)，其隨著偏差的不同而成比例變化。變化的方式有兩種，即改變脈沖寬度和改變脈沖頻率（見圖11）。當(dāng)偏差較小，位于死區(qū)內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)不起調(diào)節(jié)作用。當(dāng)偏差越死區(qū)而進(jìn)入脈沖區(qū)時(shí)，控制器便以寬度或頻率與偏差大小成比例的脈沖信號(hào)推動(dòng)電磁閥，使找平立柱油缸以相應(yīng)的速度調(diào)節(jié)機(jī)架的垂直高度。當(dāng)路面的不平度較大而使偏差進(jìn)入恒速調(diào)節(jié)區(qū)時(shí)，控制器便輸出連續(xù)不間斷的調(diào)節(jié)信號(hào)，使調(diào)平油缸恒速調(diào)節(jié)。改變脈沖寬度時(shí)的調(diào)節(jié)過程如圖12所示。這種控制系統(tǒng)采用的高頻（一般為5～6Hz）開關(guān)型電磁閥，脈沖信號(hào)的占空比決定了電磁換向閥通斷時(shí)間的長短，從而控制了通過電磁換向閥單位時(shí)間的流量，這樣就實(shí)現(xiàn)了找平立柱油缸速度及位置的 控制。

圖11 脈沖信號(hào)波形

圖12 改變脈沖寬度時(shí)的調(diào)節(jié)過程

3.2 數(shù)字式自動(dòng)找平系統(tǒng)應(yīng)用

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式自動(dòng)找平系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。典型的應(yīng)用為多探頭超聲波自找平控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)組成和圖9描述的基本相同。核心是傳感器由接觸式傳感器升級(jí)超聲波非接觸式，避免了架設(shè)鋼絲等基準(zhǔn)，控制器由模擬信號(hào)處理升級(jí)為數(shù)字信號(hào)處理。

超聲波傳感器實(shí)質(zhì)上是一種可逆的換能器，它將電振蕩的能量變?yōu)闄C(jī)械振蕩形成超聲波，或者由超聲波能量變成點(diǎn)振蕩。超聲波傳感器可分為發(fā)送器和接收器，發(fā)送器將電能變?yōu)槌暷?，而接收器則將接受超聲波的能量變?yōu)殡娔?。超聲波在待測高度的空氣介質(zhì)中傳播時(shí)，若測出超聲波發(fā)出或回波接收時(shí)間差及傳播速度，則可計(jì)算出機(jī)架（擠壓抹平成型板）的高度。

超聲波傳感器（見圖13）一般采用多探頭超聲波技術(shù)，在攤鋪機(jī)上使用多探頭超聲波高度傳感器，通過多點(diǎn)探測可以精確的檢測面或線的細(xì)微變化。但超聲波受環(huán)境溫度、風(fēng)、煙塵等影響，其應(yīng)用受到一定局限。

圖13 超聲波傳感器

3.3 全液壓自動(dòng)找平系統(tǒng)應(yīng)用

全液壓自動(dòng)找平系統(tǒng)由參考基準(zhǔn)、全液壓縱坡傳感器、調(diào)平油缸等組成。將圖9中的控制器和電磁換向閥功能綜合到全液壓縱坡傳感器中，即將反饋檢測元件和液電閥整合為一體，由全液壓自找平傳感器來實(shí)現(xiàn)。如美國的CMI公司的SF系列水泥滑模攤鋪機(jī)使用的全液壓自找平系統(tǒng)（如圖14所示），在轉(zhuǎn)軸上裝有一個(gè)偏心輪，偏心輪推動(dòng)一個(gè)高精度的滑閥閥芯，工作時(shí)利用滑閥閥芯的位移直接改變系統(tǒng)液壓油的流量和方向，從而直接控制找平立柱油缸升降。

圖14 全液壓自找平應(yīng)用

4 全液壓自動(dòng)找平系統(tǒng)應(yīng)用分析

由于攤鋪機(jī)自動(dòng)找平系統(tǒng)由設(shè)定-誤差檢測反饋處理-電磁閥及油缸執(zhí)行元件構(gòu)成，系統(tǒng)為閉環(huán)控制，由于檢測信號(hào)處理傳輸及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等“滯后效應(yīng)”的影響，因此中間環(huán)節(jié)越少越好。對于電液開關(guān)式和數(shù)字式自找平控制系統(tǒng)來說，由于控制器發(fā)出的信號(hào)并不是直接控制立柱找平油缸，控制器和油缸之間通過液電信號(hào)的傳遞，傳感器到控制器，由控制器控制信號(hào)的發(fā)出到電磁閥的響應(yīng)再到油缸的運(yùn)動(dòng)直至達(dá)到要求的位置需要一個(gè)響應(yīng)時(shí)間。如圖15所示，t1代表滯后時(shí)間，S1代表油缸動(dòng)位。

圖15 油缸響應(yīng)函數(shù)

而這段時(shí)間內(nèi)控制器也同時(shí)在不停的對機(jī)架的位置狀態(tài)進(jìn)行檢測。在油缸還沒達(dá)到要求的位置時(shí)，控制器所采集的信號(hào)并沒有真實(shí)地反映控制信號(hào)效果，但控制器后續(xù)信號(hào)還需緊跟處理，因此找平效果受影響因素較多。而全液壓自動(dòng)找平系統(tǒng)由全液壓自找平傳感器來直接改變系統(tǒng)液壓油的流量和方向，直接控制找平立柱油缸升降，這樣控制環(huán)節(jié)少，精度高，在水泥滑模攤鋪機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，因此雙履帶橋面攤鋪機(jī)采用全液壓自動(dòng)找平系統(tǒng)有一定應(yīng)用優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

通過對這種雙履帶橋面攤鋪機(jī)找平系統(tǒng)的探討，分析、歸納了雙履帶橋面攤鋪機(jī)自動(dòng)找平的組成、工作原理，對其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，研究了地面不平整度波形波長和履帶長度之間的關(guān)系對擠壓抹平成型板的影響，得出了地面不平度能通過履帶和機(jī)架過濾消弱的結(jié)論，闡述了雙履帶橋面攤鋪機(jī)的3種自動(dòng)找平系統(tǒng)應(yīng)用。目前在雙履帶橋面攤鋪機(jī)上采用全液壓自動(dòng)找平系統(tǒng)有一定應(yīng)用優(yōu)勢。由于數(shù)字液壓技術(shù)的發(fā)展，未來成本低、性能好的高速開關(guān)閥取代常用的伺服閥和比例閥實(shí)現(xiàn)數(shù)字式找平控制系統(tǒng)升級(jí)將變成可能。