水泥混凝土整平機(jī)自動(dòng)升降液壓系統(tǒng)仿真研究

馬麗英，徐建偉，楊隧中，曹源文，董琴琴

(1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛學(xué)院，重慶 400074；2.河南鄭州路橋建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，河南鄭州 475000)

0 前言

水泥混凝土整平機(jī)用于水泥混凝土路面，以發(fā)射器發(fā)射的激光為基準(zhǔn)平面，通過水泥混凝土整平機(jī)自動(dòng)升降液壓系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制整平達(dá)到規(guī)定整平標(biāo)準(zhǔn)[1]。自動(dòng)升降液壓控制技術(shù)對(duì)于降低人工作業(yè)操作誤差、提高平整作業(yè)精度和質(zhì)量非常關(guān)鍵[2]。

但尚未發(fā)現(xiàn)針對(duì)其自動(dòng)升降系統(tǒng)進(jìn)行專門的系統(tǒng)模型建立和液壓系統(tǒng)仿真試驗(yàn)。據(jù)此，本文作者對(duì)水泥混凝土整平機(jī)整平板和激光接收器系統(tǒng)進(jìn)行模型建立及對(duì)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)和仿真結(jié)果的分析，論證了整平機(jī)自動(dòng)升降控制液壓系統(tǒng)的可行性，對(duì)水泥混凝土路面平整度優(yōu)化以及整平機(jī)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力特性研究提供必要的參考[8]。

1 整平板和激光接收器系統(tǒng)模型建立

1.1 激光接收器與整平板升降驅(qū)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置

通過ADAMS軟件先對(duì)激光接收器和整平-振動(dòng)整平板進(jìn)行建模，然后根據(jù)水泥混凝土整平機(jī)作業(yè)順序，設(shè)置激光接收器上下驅(qū)動(dòng)，待激光接收器到達(dá)一定高度停止后，整平板開始實(shí)施升降功能[9]。升降驅(qū)動(dòng)的設(shè)置分別如圖1、圖2所示。

圖1 激光接收器升降驅(qū)動(dòng)設(shè)置

圖2 整平板驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)置

1.2 整平板振動(dòng)參數(shù)設(shè)置

由于路面整平通過整平板的周期性振動(dòng)完成，所以還需對(duì)整平板進(jìn)行振動(dòng)仿真分析。整平板振動(dòng)參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

圖3 整平板振動(dòng)參數(shù)設(shè)置

1.3 整平板和激光接收器系統(tǒng)模型的仿真試驗(yàn)

完成整平板與激光接收器升降驅(qū)動(dòng)與整平板的振動(dòng)參數(shù)設(shè)置完成后，設(shè)定仿真時(shí)間與步數(shù)，進(jìn)行仿真[10]。

仿真過后進(jìn)入后處理模式，查看仿真結(jié)果。激光接收器在豎直方向上的位移變化與整平板在豎直方向上的位移變化分別如圖4和圖5所示。

圖4 激光接收器在豎直 圖5 整平板在豎直方方向上的位移圖 向上的位移圖

圖4顯示：仿真設(shè)定其初始位置為離地500 mm的高度處，0～1 s內(nèi)曲線表示當(dāng)接收水平高度低于初始位置時(shí)，激光接收器實(shí)現(xiàn)下降，仿真速度約為20 mm/s；1～2 s內(nèi)曲線表示以離地480 mm為初始位置時(shí)，激光接收器實(shí)現(xiàn)上升，仿真速度約為30 mm/s。兩種狀態(tài)仿真結(jié)果表明能夠在1～2 s內(nèi)達(dá)到預(yù)定高度。待激光接收器達(dá)到預(yù)定高度后，能夠保持其高度不變，保證了水泥混凝土整平機(jī)整平作業(yè)過程中的水平精度。

由圖5可以看出：以整平板最高位置處為基準(zhǔn)，設(shè)置整平板初始位置在-70 mm，在接收到高度信號(hào)后，整平板在1 s內(nèi)識(shí)別輸入信息后開始下降，3 s后達(dá)到預(yù)定高度，仿真過程中設(shè)定下降高度為75 mm，第4 s時(shí)整平板達(dá)到預(yù)定高度，并在到達(dá)預(yù)定高度后保持當(dāng)前狀態(tài)開始作業(yè)。由此表明：仿真模型可實(shí)現(xiàn)激光接收器與整平板的自動(dòng)升降功能。

2 自動(dòng)升降液壓系統(tǒng)仿真

根據(jù)整平板和激光接收器系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)升降功能，針對(duì)自動(dòng)升降液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了以下仿真。

2.1 激光調(diào)平系統(tǒng)工作原理

水泥混凝土整平機(jī)是通過刮板將高出的水泥混凝土帶走并初步刮平，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的標(biāo)高。調(diào)平是由整平機(jī)上的激光測控系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制，根據(jù)激光掃描自動(dòng)調(diào)平。激光發(fā)射器發(fā)出的激光束圍繞著激光軸線方向進(jìn)行掃描，形成一個(gè)掃描平面。激光接收器接收到發(fā)射器所發(fā)射的激光束后，將信號(hào)傳輸至液壓控制閥，自動(dòng)調(diào)整高度與之對(duì)準(zhǔn)，從而達(dá)到找平的目的[11-12]。激光發(fā)射接收模塊如圖6所示。

圖6 激光發(fā)射接收模塊

整平機(jī)機(jī)身升降分為4個(gè)過程：機(jī)身的上升分為支腿著地、機(jī)身自動(dòng)調(diào)平、水平上升和位置保持4個(gè)過程；下降則分為檢查支腿是否充分著地、自動(dòng)調(diào)平、水平下降和位置保持4個(gè)過程[13]。整平機(jī)機(jī)身自動(dòng)調(diào)平升降系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7 整平機(jī)機(jī)身自動(dòng)調(diào)平升降系統(tǒng)組成

2.2 激光接收器自動(dòng)升降控制仿真

激光接收系統(tǒng)定位升降控制主要依靠電磁閥實(shí)現(xiàn)。電磁閥通過接收電動(dòng)機(jī)的指令，完成相應(yīng)的升降功能。當(dāng)電磁閥接收到正轉(zhuǎn)指令時(shí)，電磁閥左位接入，進(jìn)出口方式為P—B、A—T，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)電磁閥接收到反轉(zhuǎn)指令時(shí)，電磁閥右位接入，進(jìn)出口方式為P—A、B—T，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)[14]。

激光接收器自動(dòng)升降液壓系統(tǒng)原理如圖8所示。此系統(tǒng)通過角位移傳感器6采集激光信號(hào)，將采集的信號(hào)與重合水平位置進(jìn)行比較，得出角度差；然后激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)后傳至電磁換向閥3，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，從而控制激光接收器實(shí)現(xiàn)升降功能；達(dá)到發(fā)射器提供的高度后，電機(jī)1停止運(yùn)行，完成激光接收器對(duì)應(yīng)高度指令。

在仿真時(shí)，仿真時(shí)間設(shè)置為10 s，設(shè)置求解器誤差值為10-7，最大時(shí)間步長為30 s。

圖8 激光接收器自動(dòng)升降液壓系統(tǒng)

根據(jù)工作原理在AMESim軟件中對(duì)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)置，啟動(dòng)仿真后得到液壓控制閥進(jìn)出口流量及壓力值，該值表明在仿真過程中，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。得到激光接收器自動(dòng)升降系統(tǒng)中液壓控制閥仿真計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 電液換向閥仿真計(jì)算結(jié)果

如表1所示：P口流量與A口流量相對(duì)應(yīng)，均為-40.469 L/min，T口流量與B口流量相對(duì)應(yīng)，均為40.469 L/min，流量保持穩(wěn)定不變，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定;在載荷變化時(shí)能保持閥內(nèi)進(jìn)出口的壓差為定值150×105Pa。由此可以看出:在液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中，執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度非常穩(wěn)定。

2.3 整平板-振動(dòng)升降液壓控制仿真

整平板自動(dòng)升降液壓系統(tǒng)原理如圖9所示。此系統(tǒng)中液壓泵為系統(tǒng)供能，它以恒定的壓力向系統(tǒng)供油，溢流閥2決定液壓泵的壓力，液壓動(dòng)力裝置由三位四通電磁閥3和液壓缸5組成。位移傳感器6實(shí)時(shí)檢測路面位移，通過恒定信號(hào)源將信號(hào)傳輸至電磁閥3，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)輸出;PID伺服控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，使被控液壓推桿位移與實(shí)際輸入位移指令一致[15]。液壓缸5作為執(zhí)行裝置，通過通壓力油和回油控制整平板的升降。

圖9 整平板升降液壓系統(tǒng)原理圖

仿真時(shí)間設(shè)置及求解器設(shè)置同上，得到整平板自動(dòng)升降液壓系統(tǒng)中液壓控制閥仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 液壓控制閥仿真計(jì)算結(jié)果

如表2所示：液壓控制閥右位接通，P口與A口壓力差值和T口與B口壓力差值接近，液壓桿推動(dòng)整平板下降，保證整平板降落過程中的穩(wěn)定性。

3 液壓控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)對(duì)比

3.1 激光接收器自動(dòng)升降仿真試驗(yàn)對(duì)比

對(duì)于激光接收器的自動(dòng)升降液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)置角位移傳感器所接收到的角度分別為1 000°、1 500°和2 000°。角位移傳感器輸入值如圖10所示，電磁閥工作后得到馬達(dá)輸出角度如圖11所示。

圖10 角位移傳感器輸入數(shù)據(jù) 圖11 馬達(dá)輸出角度

可知，角位移傳感器在t=3 s輸入數(shù)據(jù)，并將角度位置信息輸入至電磁閥中，在AMESim工作環(huán)境中啟動(dòng)液壓仿真后，電動(dòng)機(jī)從第3 s開始進(jìn)行角度的對(duì)準(zhǔn)，大概在第6 s時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)1 000°，在第8 s時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)1 500°，大概在第10 s時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)2 000°，有效地實(shí)現(xiàn)了激光接收器與發(fā)射器的對(duì)準(zhǔn)。

從仿真結(jié)果可以看出:當(dāng)位移傳感器接收到角度信號(hào)之后，通過該液壓系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與輸入值完全相等，即激光接收器能夠自動(dòng)與激光發(fā)射器對(duì)準(zhǔn)并達(dá)到同一水平，電動(dòng)機(jī)會(huì)根據(jù)輸入角度轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，從而使得激光接收裝置實(shí)現(xiàn)與激光平面的對(duì)應(yīng)，完成其自動(dòng)升降。

3.2 整平板自動(dòng)升降仿真試驗(yàn)對(duì)比

對(duì)于整平板的自動(dòng)升降液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)置位移傳感器輸入位移分別為0.1、0.2、0.3 m，位移傳感器輸入位移如圖12所示，液壓缸輸出位移如圖13所示。

圖12 位移傳感器輸入數(shù)據(jù) 圖13 液壓缸輸出位移

對(duì)比位移傳感器輸入位移以及液壓缸輸出位移曲線可知:設(shè)定整平板分別需要移動(dòng)0.1、0.2、0.3 m，如圖12所示，位移傳感器t=3 s輸入數(shù)據(jù)，并將高度位置信息輸入至電磁閥中。圖13顯示：液壓缸推桿從第3 s開始進(jìn)行運(yùn)動(dòng)來完成整平板的升降，在4～5 s內(nèi)到達(dá)0.1 m處位置，在第6 s時(shí)到達(dá)0.2 m處位置，在第7～8 s時(shí)到達(dá)0.3 m處位置。通過兩條曲線的一一對(duì)應(yīng)可以看出：位移傳感器輸入位移值與液壓缸輸出位移值一致，說明液壓缸能夠準(zhǔn)確到達(dá)位移傳感器所輸入的位移位置處，表明該液壓系統(tǒng)能夠使得整平板實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)升降功能。

4 結(jié)論

通過ADAMS軟件建立激光整平機(jī)整平板和激光接收器系統(tǒng)模型，然后通過AMESim軟件進(jìn)行了整平板激光接收裝置和整平板自動(dòng)升降液壓控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)通過ADAMS軟件對(duì)激光整平機(jī)整平板和激光接收器系統(tǒng)模型的建立及驗(yàn)證，得出仿真模型可以很好地實(shí)現(xiàn)激光接收器與整平板的自動(dòng)升降功能。

(2)利用角位移傳感器輸入、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和電磁換向閥方向的控制，分別實(shí)現(xiàn)了激光接收裝置的自動(dòng)升降功能和電磁閥控制液壓缸推桿的運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)了整平板的自動(dòng)升降功能。

(3)根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真對(duì)比分析后得出：電動(dòng)機(jī)根據(jù)輸入角度自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，完成激光接收裝置和激光發(fā)射器自動(dòng)升降；同時(shí)整平板升降高度能夠一一對(duì)應(yīng)移傳感器輸入數(shù)據(jù)，最后通過液壓升降系統(tǒng)準(zhǔn)確完成自動(dòng)升降功能。

(4)通過自動(dòng)升降系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立和液壓控制系統(tǒng)的仿真分析，論證了該系統(tǒng)的可行性，為進(jìn)一步提高平整作業(yè)的精度和質(zhì)量、開展運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力特性研究提供了參考。