智能振動壓路機的設(shè)計研究

（山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073）

1 研究背景

工程機械一體化施工已經(jīng)成為工程機械發(fā)展的主流，在一體化施工路面壓實中對智能壓實，精密壓實，遠(yuǎn)程自主作業(yè)等提出了更高的要求。振動壓路機是路面工程施工重要的機械設(shè)備之一，主要用來壓實各種碎石料、土壤、混凝土、瀝青等不同路基、路面材料，是一體化施工中工程機械建筑領(lǐng)域不可缺少的壓實設(shè)備。

在路面壓實過程中，振動鋼輪內(nèi)部的激振器高速轉(zhuǎn)動，通過鋼輪將激振力傳遞給路面、路基松散材料，使其聚集達(dá)到壓實效果。傳統(tǒng)壓路機實現(xiàn)振動主要靠偏心凸輪塊旋轉(zhuǎn)，如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)激振器（凸輪快）

常規(guī)路面壓實中，對不同路基、路面的壓實，振幅的選定幾乎憑借施工經(jīng)驗選擇不同噸位的壓路機，激振力的大小及頻率不能準(zhǔn)確設(shè)定，同一施工現(xiàn)場可能出現(xiàn)多臺壓路機共同配合完成施工；隨著一體化施工的應(yīng)用推廣，如何通過控制平臺對多種施工設(shè)備進(jìn)行調(diào)用，實現(xiàn)精準(zhǔn)遠(yuǎn)程控制，即用最優(yōu)的施工方案去完成復(fù)雜的施工已成為發(fā)展趨勢。為了減輕控制平臺作業(yè)負(fù)擔(dān)，降低施工成本，在滿足施工工藝的前提下需要數(shù)量少且智能化高的設(shè)備自主作業(yè)，精準(zhǔn)施工，因此如何設(shè)計具有無級調(diào)幅調(diào)頻振動、故障自動分析檢測、能夠自主作業(yè)的智能化壓路機是亟須解決的技術(shù)問題。

2 無級調(diào)頻調(diào)幅振動壓路機方案研究

2.1 無級調(diào)頻、調(diào)幅方案設(shè)計

智能振動壓路機振動鋼輪機械結(jié)構(gòu)剖視圖，如圖2 所示，除無級調(diào)頻，無級調(diào)幅結(jié)構(gòu)之外，其它的具體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的凸輪塊激振器一致，具體如振動鋼輪、傳動軸、相應(yīng)的軸承、減震器等。智能型振動壓路機液壓系統(tǒng)原理圖，如圖3所示；整個液壓系統(tǒng)緊湊，控制精度高，操作靈敏，可以實現(xiàn)無級調(diào)頻調(diào)幅控制。

2.2 無級調(diào)幅控制分析

2 個無桿振動油缸固定在傳動軸總成上，并嚴(yán)格對稱分布在滾動鋼輪兩腔內(nèi)，高速旋轉(zhuǎn)接頭固定在傳動軸總成上，上面布置了與外部液壓系統(tǒng)連接的油管。無級調(diào)幅液壓系統(tǒng)由調(diào)幅泵（定量齒輪泵）、電磁閥、高速旋轉(zhuǎn)接頭、雙向液壓鎖、無桿液壓缸組成。

圖2 智能振動壓路機振動鋼輪機械結(jié)構(gòu)剖視圖

圖3 智能型振動壓路機液壓系統(tǒng)原理圖

智能振動壓路機采用無桿液壓缸（伺服缸）作為激振偏心機構(gòu)，這種機構(gòu)簡單，安裝方便，突破了套軸式與雙軸式無級調(diào)幅機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜的局限性，只需根據(jù)壓路機的噸位設(shè)計要求，將無桿液壓缸固定在振動軸上，通過液壓控制調(diào)節(jié)缸體內(nèi)活塞相對位置，就可以保證振動時獲得不同的離心力。無桿伺服缸內(nèi)自帶位移傳感器，可以實時檢測活塞在缸體內(nèi)的相對位置，準(zhǔn)確反饋給控制系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)根據(jù)反饋確定了活塞的具體位置后，雙向液壓鎖開啟，保證液壓缸活塞固定在控制系統(tǒng)調(diào)定的位置。

2.3 無級調(diào)頻控制分析

振動壓路機都是采用液壓傳動來驅(qū)使振動系統(tǒng)。只要改變振動馬達(dá)的轉(zhuǎn)速就能實現(xiàn)多頻控制。在方案設(shè)計中采用容積調(diào)頻方式，通過改變泵和馬達(dá)的排量來對液壓馬達(dá)進(jìn)出口的排量進(jìn)行控制，進(jìn)而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制。容積調(diào)頻能較大范圍的改變轉(zhuǎn)速，而且沒有節(jié)流損失。

無級調(diào)頻液壓系統(tǒng)采用閉式液壓回路，無級調(diào)頻控制由振動泵、振動馬達(dá)完成，補油泵補償閉式系統(tǒng)泄漏及換熱油，效率高，響應(yīng)快。

3 參數(shù)計算與選擇

液壓泵、液壓馬達(dá)等原件基本已經(jīng)實現(xiàn)了專業(yè)化和系列化，在參數(shù)計算與選型過程中根據(jù)壓路機整機參數(shù)及施工要求反推計算所選型的液壓元件參數(shù)。

3.1 行走動力傳動系統(tǒng)元件選擇

3.1.1 馬達(dá)參數(shù)計算及選型

壓路機在正常行走中，輸出牽引力的大小是靠馬達(dá)的輸出力矩決定的。以斜坡走車為例匹配最大牽引力，壓路機在斜坡受力分析簡化的示意圖如圖4 所示。

圖4 壓路機斜坡受力分析示意圖

為保證良好的壓實效果，壓路機走車速度較小且勻速行駛（加速度為零），所受空氣阻力幾乎為零，壓路機的斜坡走車受力平衡方程為

式中Ft——行駛需要的牽引力，N；

m——壓路機的總重量，kg；

g——重力加速度，9.8m/s2；

f——滾動摩擦系數(shù)；

θ——斜坡角度，rad。

要讓壓路機正常行駛，馬達(dá)的輸出力必須要大于牽引力，即

式中Tm——行走馬達(dá)輸出力矩，Nm；

R——振動鋼輪半徑，m；

N——驅(qū)動馬達(dá)數(shù)量。

由公式（1)、式（2)可知，所選型馬達(dá)的最大輸出力矩必須大于此Tm值。行走馬達(dá)排量Vm為

式中Vm——行走馬達(dá)排量，mL/r；

ηm——行走馬達(dá)容積效率；

Pmax——行走傳動系統(tǒng)最高壓力，MPa。

則行走馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)速nmax為

根據(jù)公式（3)～式（4)再結(jié)合整機參數(shù)要求可以計算行走馬達(dá)的排量、轉(zhuǎn)速、輸出力矩等參數(shù)；結(jié)合樣本可以確定所需要的馬達(dá)型號。

3.1.2 泵參數(shù)計算及選型

根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計要求，行走泵的最高壓力必須滿足馬達(dá)最高壓力與行走液壓系統(tǒng)壓力損失之和，即

式中PPmax——泵最高壓力，MPa；

PMmax——馬達(dá)最高壓力，MPa；

ΔP——液壓系統(tǒng)壓力損失，約0.5～2MPa。

當(dāng)壓路機在非啟振狀態(tài)下最大速度走車時所需要的流量為

式中QP——泵所需要的最大流量，L/min；

ηN——泵的容積效率；

i——馬達(dá)減速機傳動比。

則可得到行走泵的排量VP為

式中nP——泵的轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)式（5)～式（7)再結(jié)合整機參數(shù)要求可以計算行走泵的排量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)；結(jié)合樣本可以確定所選泵的型號。

3.2 振動液壓系統(tǒng)元件選擇

由于閉式容積回路壓力大，壓力損失小，換向沖擊小，因此，智能振動液壓系統(tǒng)采用閉式容積回路。

3.2.1 振動馬達(dá)參數(shù)計算與選型

振動馬達(dá)在工作時需要克服無桿液壓缸高速旋轉(zhuǎn)加速時的加速阻力，則需要的馬達(dá)最大輸出力矩TM為

式中K——阻力系數(shù)；

J——無桿液壓缸轉(zhuǎn)動慣量，kgm2；

α——無桿液壓缸角加速度，rad。

無桿缸高速選擇時振動馬達(dá)排量VM為

式中PMmax——閉式液壓系統(tǒng)最高壓力，MPa；

ηM——振動馬達(dá)的容積效率。

振動馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速nM為

根據(jù)式（8)～式（10)再結(jié)合整機參數(shù)要求，可以計算振動馬達(dá)的排量、轉(zhuǎn)速、輸出力矩等參數(shù)；結(jié)合樣本可以確定所需要的馬達(dá)型號。

3.2.2 振動泵參數(shù)計算與選型

根據(jù)閉式液壓系統(tǒng)設(shè)計要求，振動泵的最高壓力必須滿足振動馬達(dá)的最高壓力與閉式液壓系統(tǒng)的壓力損失之和，即

式中Ppmax——泵最高壓力，MPa；

Pmmax——馬達(dá)最高壓力，MPa；

ΔP——閉式系統(tǒng)壓力損失，約0.2～1MPa。

則振動頻率Qp為

式中ηp——振動泵的容積效率。

振動泵的排量Vp為

式中np——振動泵的轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)式（11)～式（13)再結(jié)合整機要求參數(shù)可以計算行走泵的排量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。結(jié)合樣本可以確定所選泵的型號。

4 智能振動壓路機控制系統(tǒng)研究

智能控制系統(tǒng)在硬件上使用轉(zhuǎn)速傳感器、土壤密實度傳感器、位移傳感器等進(jìn)行閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。在軟件上通過編寫智能控制程序保證路基的最佳壓實效果，進(jìn)一步實現(xiàn)“一機多用”以及在出現(xiàn)故障時及時準(zhǔn)確的進(jìn)行問題排查及處理。如圖5 所示。智能型振動壓路機控制系統(tǒng)主要包括5 個模塊：控制模塊1 主要是內(nèi)容為土壤密實度最佳控制振幅、頻率，控制模塊2 為模糊PID 自適應(yīng)數(shù)據(jù)處理器，模塊3 為故障分析數(shù)據(jù)庫，模塊4 為同步缸控制系統(tǒng)，模塊5 為人機交換-速度、振幅、頻率故障顯示。

圖5 智能型振動壓路機控制原理圖

1）無級調(diào)幅控制方法 在振動壓路機起振初期，鋼輪上的土壤密實度傳感器自動檢測土壤密實度并將信息反饋到控制模塊（土壤密實度最佳控制振幅、頻率）分析提供最佳的振幅并經(jīng)過分析計算得到相應(yīng)的活塞位移輸出，確定位移輸出后雙向液壓鎖開啟，此時活塞的位置將不會變動。

2）同步缸控制方法 控制系統(tǒng)嵌入了一種同步缸控制方法；在調(diào)幅結(jié)構(gòu)中涉及左右各1 個高速旋轉(zhuǎn)的無桿缸作為激振器，如果左右2 個無桿缸活塞位置不一致，在振動時左右兩側(cè)激振力不同造成壓實效果不一致。模塊2 中嵌入了同步缸控制方法（模糊自適應(yīng)PID 控制）并借助無桿伺服缸位移傳感器形成閉環(huán)控制，保證兩缸活塞相對位置嚴(yán)格一致。

3）無級調(diào)頻控制方法 智能振動壓路機要實現(xiàn)一機多用，完成對不同路面、路基狀況壓實，除了要選擇合適的振幅外還要準(zhǔn)確控制振動頻率；采用了斜盤柱塞變量振動馬達(dá)來實現(xiàn)振動頻率的無級調(diào)節(jié)。馬達(dá)上裝有轉(zhuǎn)速傳感器、速度傳感器可以實時檢測振動軸轉(zhuǎn)速及鋼輪行駛速度并反饋給控制器形成閉環(huán)控制并與數(shù)據(jù)庫最佳頻率比對優(yōu)選出最理想的振動頻率。

4）故障自動檢測方法 傳統(tǒng)壓路機故障分析處理主要靠檢測儀器及經(jīng)驗，故障分析響應(yīng)時間慢，需要逐個排查故障原因點，處理時間長，耽誤作業(yè)時間。控制模塊1 中嵌入了振動壓路機各個方面的參數(shù)（機械、電氣、液壓）并根據(jù)經(jīng)驗將振動壓路機可能出現(xiàn)的故障信息參數(shù)寫入程序；當(dāng)壓路機工作中某一結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題時，傳感器即將檢測參數(shù)反饋控制器并與控制其中“知識庫”相關(guān)參數(shù)比對，經(jīng)過運算推理找出故障原因并給出準(zhǔn)確的處理方法；操作者只需要根據(jù)提示維修或者更換零部件消除故障即可，此智能系統(tǒng)大大縮短了故障排查時間，提高作業(yè)效率。