（机械制造及其自动化专业论文）基于plc的摊铺机自动找平控制系统研究结构.pdf

摘要 沥青混凝土摊铺机在高等级公路的铺筑中起着关键性作用，其自动找平性 能直接影响着黑色路面的平整度。本论文深入研究了沥青混凝土摊铺机的找平 机理，进行了研制高性能、符合现代科技发展水平的自动找平系统的理论和实 验探索，其中重点在于自动找平系统的结构设计。本文分析了影响路面平整度 的主要因素，指出路面不平度产生的原因主要来源于路基的不平度。对摊铺机 熨平板工作进行了力学分析和运动分析。通过研究自动找平系统的自动控制原 理，比较目前施工中常用摊铺机自动找平系统类型，确定了超声波自动找平系 统的方案和总体结构。选择了超声波传感器并模拟摊铺机工作现场对传感器进 行精度试验，提出了传感器的改进设计。根据摊铀机自动找平系统功能要求， 设计了基于p l c 的新型数字式控制器。通过分析几种典型的沥青混凝土摊铺机 的自动找平液压回路，设计了在实验室用于实验的液压系统。最后通过系统仿 真和在实验室及摊铺路面现场对本系统进行实验，证明本系统具有较高精度和 使用可靠性。 关键词摊铺机；自动找平：超声波传感器；数字式控制器：液压系统 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea s p h a l tp a v e ri st h ek e yo np a v i n gh i g h g r a d eh i g h w a y i t sc a p a b i l i t yo f a u t o l e v e la f f e c td i r e c t l yt h en e a td e g r e eo f t h eb l a c kr o a d t h i st h e s i sw e n td e e p l yt os t u d yh e a s p h a l tp a v e r sa u t o - l e v e lm e c h a n i s m ，p r o c e e d i n gt or e s e a r c ht om a n u f a c t u r et h eh i g h p e r f o r m a n c ea n dm a t c ht h em o d e mt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tt h e o r i e so fa u t o l e v e ls y s t e mt o i n v e s t i g a t ew i t ht h ee x p e r i m e n t a m o n gt h e mt h ep o i n tc o n s i s t si nt h ec o n s t r u c t i o nd e s i g no f a u t o - l e v e ls y s t e m w ea n a l y z e dt h em a i ns o u r c eo fa f f e c t i n gt h en e a to fr o a d ，p o i n t i n go u t r o a dg r a v a m e nc r e a t i o ni nt h eg r a v e nd e g r e eo f t h er o a d b e d t h i st e x ta n a l y s e ds c r e e d i n gp l a t e o nk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s b yt h er e s e a r c ht os e e kt h ea u t o m a t i cc o n t r o lp r i n c i p l eo ft h e a u t o l e v e ls y s t e ma n dc o m p a r et h ec t a t e n ta u t o l e v e ls y s t e mi na s p h a l tp a v e r s ，w ed e s i g n t h ep r o j e e ta n dc o n s t r u c t i o no fu l t r a s o n i ca u t o l e v e ls y s t e m t h eu l t r a s o n i cs e n s o r sa r ec h o s e d a n dt e s t e di nt h es p o tw h e r ea p p r o x i m a t ea s p h a l tp a v e rw o r k i n g a n dt h eu p w i s i n gd e s i g na r e p u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fa u t o l e v e ls y s t e m ，w ed e s i g n e dan e wd i g i t a l c o n t r o l l e rb a s e do np l c b ya n a l y s i s i n gaf e wt y p i c a la u t o l e v e lh y d r a u l i cl o o p ，w ed e s i g n e da h y d r a u l i cs y s t e mu s e di nt h el a b o r a t o r yf o rt h ee x p e r i e n c e f i n a l l yw ep r o o ft h i ss y s t e mh a st h e h i g h e ra c c u r a c ya n dd e p e n d a b i l i t yb ye m u l a t o ra n de x p e r i m e n ti nt h el a b o r a t o r ya n dw o r k i n g s p o to f p a v i n gr o a d k e y w o r d ：a s p h a l tp a v e r ；a u t o - l e v e ls y s t e m ；u l t r a s o n i cs e n s o r ；d i g i t a l c o n t r o l l e r ；h y d r a u l i cs y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意 签名：纽赴日期：垒翌幺墨兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 繇馥导师繇垒重兰啉 历晒9 f 勉 第1 章绪论 1 1 引言 沥青混凝土摊铺机在高等级公路的铺筑中起着关键性作用，它直接影响着 黑色路面的平整度、密实度等。深入研究沥青混凝土摊铺机的工作原理、找平 机理，设计高性能、符合现代科技发展水平的自动找平控带器，改进摊铺机性 能，提高路面摊铺质量一直是我国致力研究的方向之一。 对于沥青混合料的摊铺起始于2 0 世纪3 0 年代，从那时起，随着机械、电 子、液压技术的不断发展，其摊铺机械的结构与性能得到了很大发展。今天， 随着我国经济的发展，公路等级的提高，交通量、载重量都有大幅度提高，对 摊铺机的技术水平提出了更高的要求，特别是急需开发我国自己的、性能优良 的摊铺设备，以适应快速发展的国民经济的需要。 1 2 我国路面机械发展状况 我国工程机械行业从6 0 年代初期建立形成，经过4 0 年的发展，至今已成 为门类齐全、产品种类繁多、服务领域广泛、生产制造具有一定水平的新兴行 业。路面机械则是工程机械行业的一大分支，虽然目前还没有一个完全统一的 定义，( 有的称为筑路机械，道路机械等) 但就其用途而言，主要指沥青、水泥 路面、路基的修筑与养护机械，桥梁等专用机械以及各种检测设备等。 路面机械在工程机械大行业中属于一个新发展的行业。从6 0 年代初期到 7 0 年代末，路面机械处于刚起步的阶段。其主要表现在工业生产底子薄、技术 落后。针对当时国内公路建设，国内各厂家主要生产些适用于二级以下公路 的小型路面机械，如生产能力1 0 3 0 t h 的沥青混合料搅拌设备，铺宽4 5 米以 下的摊铺机，以及简易的公路养护机具等。国内第一台沥青摊铺机是7 0 年代初 依据国外样机研制生产的，其摊铺宽度2 7 4 5 m ，而且产量很少。当时，两个 方面的因素决定了路面机械发展缓慢。 北京工业大学工学硕士学位论文 - ii l 一、公路发展水平低，需求不高。这一时期公路建设发展较慢，公路等级 低，路面施工大多采用灌入式工艺，施工技术落后，机械化程度很低，相当程 度上主要以人工作业完成。二、人们对机械化的认识不够。面对机械，人们误 认为传统的人工炒拌和扒耙施工方法比搅拌站、摊铺机更经济、好使。 8 0 年代初期，我国国民经济迅速发展，国家将交通运输列为重点。随着公 路建设的发展和人们的认识逐步提高，以及对已有机械操作方法的进一步掌握， 机械的使用才多起来，使用的水平也逐步提高，传统的人工操作开始由机械化 所代替。尤其当时沈大、京滓塘等高速公路的修建，进口和使用了大批技术性 能先进的路面机械，路面水平上了一个大的台阶，人们开始形成机械化施工的 新概念。随着我国改革开发的进一步深入，公路建设、路面机械制造部门与先 进发达国家的技术交流日益加强，路面机械行业出现了前所未有的发展前景。 “七五”期间，交通部、建设部先后引进了沥青混合料搅拌设备、沥青摊铺机、 振动压路机的生产技术。通过弓1 进、消化、吸收国外的先进技术，使我国路面 机械产品开发的技术力量和生产能力有了较大的发展，初步形成了骨架产品一 一稳定材料拌和机，沥青摊铺机和沥青搅拌站，压路机等需求量较大的生产能 力。到“八五”期间，各方面更加重视路面机械的发展，使得路面机械有了一 个更大的发展。产品逐渐形成了系列化，设备性能上有了很大的提高。沥青摊 铺机形成了摊铺宽度为1 6 m - 1 2 m 的系列产品：搅拌设备形成了生产能力 1 5 - 2 4 0 t h 的系列产品：稳定土拌和机形成了2 0 0 3 0 0 k w ，场拌设备形成了 2 0 0 6 0 0 t h 的系列产品。与此同时，其它路面配套设备诸如路面养护、事故清 障及桥梁专用设备装置等也发展了起来。 1 3 沥青混凝土摊铺机自动找平控制系统的研究现状及发 展趋势 1 3 1 沥青混凝土摊铺机的发展 1 9 3 1 年圣路易斯道路展览会上首次展出了由巴伯一格林( b a r b e r g r e e n e ) 公司研制的沥青混合料摊铺专用设备，该机使用螺旋输送机摊平混合料，并用 第一章绪论 滑板予以刮平。机器行驶在预先铺设的轨道上，工作时摊铺机由一台路拌设备 牵引前进，后者将路面上的矿料送至拌和锅中与稀释沥青拌和，然后，整个拌 和料由摊铺机进行整平。 此后，又研制出了自行式摊铺机，由螺旋输送机输送到滑板前的混合料， 随后被滑板以一种在狭长面积上进行的夯击动作所刮平。它在摊铺粗级配热混 合料时，其工作性能非常令人满意，但这种滑板的动作，不适用于摊铺密级配 热混合料，因为路面会产生裂纹和其它表面缺陷。1 9 3 2 年，出现了采用浮动滑 板来整平并压实混合料的试验样机，这种机型仍然保持了在现场连拌带铺的特 性。1 9 3 3 年，巴伯一格林公司生产了独立的浮动滑板，这是现代沥青混凝土摊 铺机的前身。1 9 3 4 年研制成功了b g 一7 9 型摊铺机，该机包含有链板输送机，可 以将混合料输送到螺旋输送器的工作区域。大臂的拖挂点支撑在履带总成上。 1 9 3 6 年，生产出t 性能更高的b g 8 7 9 型摊铺机，1 9 4 0 年，生产出了b g 8 7 9 一a 型 样机，由此时起一直到2 0 世纪5 0 年代中期，这一机型曾是世界上标准的沥青 混凝土摊铺机机型。 进入2 0 世纪6 0 年代，由于液压技术以及机电液一体化技术的应用，路面 摊铺机械研究发展的总趋势是向大型化、系列化：多功能、高性能：智能化、机 电液一体化方向发展。 1 、大型化、系列化。 目前沥青摊铺机在摊铺宽度上已达9 1 5 米：滑模水泥摊铺机摊铺宽度己达 1 6 米，能满足多车道高等级公路面层全幅摊铺的要求。大型化已经是高生产率 的标志。摊铺机的系列化产品是根据等级公路和高等级公路修筑的要求而发展 起来的。其摊铺宽度分3 5 米以下、4 5 米、9 米、1 2 米、1 6 米若干档次。国 外的像德国a b g 公司的t i t a n 系列，美国b l o v 一k n o x 公司的p f 系列等：国内的 象 西安筑路机械厂、徐工集团等都有了系列化的沥青摊铺机产品。目前为止，应 用较多的水泥摊铺机产品大多从国外进口。水泥硅滑模摊铺机是技术含量较高 的产品，此类机型在我国发展较晚，设计与制造技术均与国外存在着较大的差 距。虽然国内郴f i 筑路机械厂，江苏建筑机械厂，镇江路面机械总厂，黄河工 北京工业大学工学硕士学位论文 程机械厂引进或开发了中小型水泥路面滑模摊铺机，但是作为产品供应市场， 还需经历市场培育过程和产品成熟阶段。而该类产品在国外己形成了系列化， 如美国c m i 公司的s f 系列，c o m a c 0 公司的g p 系列，德国w i r t g e n 公司的s p 系列等等。在摊铺机系列中，摊铺机宽度3 5 米以下的机型称为小型机，其主 机的基本宽度， 2 米，摊铺作业宽度在1 5 3 5 米之间。由于小型摊铺机灵活、 方便的特点以及一些特殊摊铺工况的需要( 例如摊铺非机动车道、城市人行道路 等) ，所以目前类似小型机也是一个发展方向。几个著名摊铺机厂家，在系列产 品中都有此类小型机，并各自有其风格，有些结构给人耳目一新的感觉。 2 、高性能、多功能。 路面摊铺机械向大型化、系列化发展的同时，综合功能的开发也成为发展 方向。沥青摊铺机除可用来摊铺沥青混合料，还可摊铺改性沥青材料和r c c 材 料，亦可摊铺路基稳定材料的多种材料。水泥混凝土摊铺机更是集众多功能于 一身。例如美国p o w e r 一一c u r b e r s 公司8 7 0 0 型多功能滑模摊铺机。该机除了 可铺筑水泥构造物( 路缘、隔离带、防护栏、边沟、人行道等) 之外，还可铺筑 2 7 5 5 m 宽水泥路面，可完成摊铺、捣实、整平、抹光等全套工序。 3 、智能化、机电液一体化。 机电液一体化的设计技术己普遍应用在摊铺机械中。摊铺机作业功能的先 进程度，主要体现在电液控制系统的性4 也就是系统的先进性和元件选择的先 进性。纵观路面机械发展史，在技术上大致经历了三次飞跃。第一次是柴油机 的出现，使机械设备有了较理想的动力装置：第二次是液压技术的广泛应用，使 设备的传动装置更趋合理：第三次是电子技术尤其是计算机技术的广泛应用，使 机械设各有了较完善的控制系统，提高了机械的性能。 机械智能化就是要求机械像人一样有自己的视觉、听觉、嗅觉和触觉，能 有“意识”地计算和推理，能有“记忆”地进行信息的存储、处理和选择：能自 动工作、学习和“自组织”自己的动作。机械智能化是各项现代先进技术的综 合体现。摊铺机控制技术的智能化，主要包括摊铺作业状态的自动显示、供料 系统料位的自动控制、摊铺作业的恒速控制、转向系统的自动控制、摊铺作、f k 第一章绪论 的自动找平控制，作业工况的状态监测以及故障诊断等几个部分。在主传动行 走系统和物料供给系统中，设置中央微控制器。传感器将各种检测到的数据， 如料位的高低、摊铺机作业阻力的大小、作业速度的快慢、发动机的输出功率 等送到中央微处理器。控制器处理完数据后，给出控制信号，自动调整液压系 统的流量等，以保证摊铺速度的恒定不变和物料供给的均衡性，从而保证摊铺 的质量。摊铺机处于自动转向和自动找平状态时，中央控制器可随时显示摊铺 作业状态情况：操作者可通过人机界面对计算机进行输入或设定和修改、调整参 数，以使机器进行更复杂，要求更高的作业。如弯道摊铺作业，可将弯道的设 计参数输入计算机：摊铺机可按输入的数据自动进行作业，并自动显示当前作业 的状态数据，随时跟踪修正，以保证摊铺路面符合复杂的曲面设计要求。 总地来说，由于带自动找平系统的摊铺机摊铺出的路面平整度大大超出了 浮动滑板的自找平能力，所以一直到现在，研制最新型的自动找平控制系统就 成为提高摊铺机摊铺质量的有效手段。 1 3 2 沥青混凝土摊铺机自动找平控制系统的发展 摊铺机熨平板在施工过程中处于浮动状态。主机仅通过两侧大臂铰点水平 牵引熨平板装置。这种熨平板对路基不平度具有初步的滤波和滞后效应。仅靠 浮动熨平板只能克服较小的不平度，不能满足施工要求。在实际中通常根据道 路不平度随时调节两大臂牵引点的垂直高度，弥补浮动熨平板的不足，使摊铺 出的路面平整度符合施工要求，而不受路基不平度的影响。 普通电控摊铺机采用手动调节大臂牵引点位置，在施工过程中必须不断地 操作左右牵引点升降开关以适应路基不平度变化。这种找平方式需要熟练工人 凭经验操作，工人工作紧张，找平效果反而不好。 从液压系统的控制元件类型看，可以将机电液自动找平系统分为两大类： 第一类是以一个伺服阀为核心的位置伺服系统：第二类是以一个脉冲调宽或调 频控制器控制一个开关式换向阀的闭环控制系统。这两类目前都己有成熟的产 品和应用实例，但应用最多的系统属第二类。 从检测装置的类型来分有四种： 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) “机一电式”。以机械杠杆和电子元件为检测装置 ( 2 ) “机一液式”。以机械杠杆和液压元件为检测和执行机构。 ( 3 ) “激光式”。以激光作为参考基准，以光敏元件作为检测装置。 ( 4 ) “超声波式”。以超声波及其感应元件作为检测装置。 其中( 3 ) 和( ( 4 ) 是非接触形式的自动找平系统。 按系统的调节原理可分为三类： ( 1 ) 开关式自控系统。以“开”和“关”的方式进行调节，不管所检测到的 偏差信号的大小，均以恒速进行断续控制。因此，这种自动找平系统就有一个 内在的反应误差，必须设置一个调节“死区”，传感器感测的偏差信号要在越过 死区后，控制器才会有控制信号输出。为了提高系统的反应精确性，死区大小 应尽量减小。但死区过小势必引起超调，这样就会引起在“死区”附近来回反 复“搜索”零点，使系统产生振荡，由此影响路面平整度，所以，这种系统的 性能是不理想的，但其结构简单，价格低廉，使用方便。 ( 2 ) 比例式自控系统。这种系统的原理是根据偏差信号的大小，以相应的快 慢速度进行连续调节，常用的有伺服电机一螺杆式、电液伺服式、电液比例式 和机液伺服式等。连续比例调节不会产生“搜索”、超调，故而不会有振荡现象， 大大改善了系统的动态性能，可使路面铺得十分平整，但其对结构精度和液压 系统要求高，造价昂贵。 ( 3 ) 比例一脉冲式自控系统。这种系统是在恒速调节区与“死区”之间设一 道“脉冲区”，脉冲信号根据偏差信号的大小成正比例地变化。不同的脉冲信号 推动电磁阀工作，从而控制油缸工作，常用的有脉宽比例和脉频比例式两种。 这种系统缩小了“死区”宽度，提高了调节精度，经济实用，是目前普遍使用 的系统形式。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，微电子技术和计算机得到了迅速发展与应用， 在工业控制技术上更是突飞猛进，变结构控制、自适应控制以及智能控制等理 论已有很成熟的应用实例，在机电液领域也大量应用了各种先进技术，极大地 推动了液压技术的发展。在摊铺机的自动找平系统中，为提高控制系统的精度、 抗干扰能力、优越的适应性、完善的故障诊断技术等功能，越来越多的人对计 算机控制自动找平系统感兴趣。就实用角度讲，国内在这一领域的研究工作尚 处于起步阶段。可以想象，随着计算机技术的飞速发展、数字化时代的到来及 其在控制领域上的广泛应用，对自动找平计算机控制系统的研究将是一个重要 的发展趋势。 1 4 论文研究的目的和内容 1 4 1 问题的提出 随着我国高等级公路的迅速发展，对其质量的要求也越来越高。路面的平 整度、密实度等都是评价高等级公路修筑质量的主要指标。为铺筑出高质量的 沥青混凝土路面，我国己经做了大量的研究工作，在理论上和实际中都取得了 很大的成果和丰富的经验，特别是在提高路面的平整度方面，一直是我国致力 于研究的方向。如何设计出具有功能先进、使用方便、安装灵活、成本低的自 动找平控制系统对于提高摊铺机摊铺路面的平整度有着重要的工程应用价值。 沥青混凝土摊铺机自动找平控制系统的工作过程会受到很多因素的干扰和 影响，特别是沥青混合料与熨平板之间的相互作用特点，将直接影响控制系统 的动态特性。另外，基准位置的选取、传感器参数的调整、控制系统模型的辨 识误差、控制策略的优劣等因素都会对系统产生影响，深入分析这些因素的作 用机理对控制系统的合理设计有着重要的理论指导意义。 随着计算机水平的发展与广泛应用，开发数字式自动找平控制器成为提高 控制器性能的重要方向之一。 本课题的研究目的主要是自动找平控制系统的设计，重点是该系统的结构 设计，应该达到： 1 研究自动找平系统的理论、设计方法和在工程实现中所具有的自身优势， 并努力在该系统的研究中达到充分的体现。 2 形成基本产品框架，根据实际现场需求的发展趋势，利用数字控制器的 优势，研制出可以使用于现场旌工中的符合国家精度要求的控制系统。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 4 2 主要内容 ( 1 ) 分析摊铺机自动找平机理，提出非接触式自动找平控制系统的组成方 案与基本结构。 ( 2 ) 选择自动找平控制系统主要部件传感器，对其进行精度分析和实验检 测。 ( 3 ) 根据非接触是自动找平控制系统需要，设计一种新型的自动找平数字 控制器。 ( 4 ) 设计可以在室内实验室中进行摊铺机模拟摊铺的液压系统，此系统可 以对摊铺机自动找平系统的各种参数进行测量与改变，分析提高摊铺质量的合 理控制结构与控制参数。 ( 5 ) 利用数字仿真技术对所建立的控制系统进行仿真分析，对摊铺机自动找 平控制系统进行实验研究。 第二章路面摊铺机械自动找平控制系统 总体方案设计 2 1 路面摊铺机械的工作状况与要求 路面摊铺机械是用来将拌制好的混合料均匀地摊铺在已修好的路面基层上 的专用设备。路面按铺筑材料分为沥青路面和水泥路面，摊铺机也分为沥青混 凝土摊铺机和水泥混凝土摊铺机。路面平整度是评价路面使用性能的一个重要 指标，其性能的高低对行使车辆的寿命、驾驶操作的舒适性、行车速度等都至 关重要。我国j t j 0 3 2 9 4 公路沥青路面施工技术规范中规定：高等级道路的 纵向平整度不大于3 m m m 。在以下章节中，本文主要针对沥青摊铺机的工作状况 进行分析。 2 1 1 影响路面平整度的主要因素 路面不平度产生的原因主要来源于两个方面。 1 、路基的不平度是主要因素。尽管随着机械化施工的不断发展和施：亡机械 性能的不断完善，路基的平整度得到了很大的提高，但误差始终是无法避免， 并且是允许存在的。如图2 1 所示： 图2 - 1 摊铺路面示意图 熨平板运动在这个粗基准面上，将热料均匀地摊铺在路基上而形成新的路 面。在这个过程中，对于误差波长l 1 ，l 2 小于熨平板宽度l o 时，这些误 北京工业大学工学硕士学位论文 差将被热料“填平”而消失。如果l l ，l 2 ”大于l o 时，这些误差将无法消除， 虽然沥青摊铺机自身杠杆作用对地面的这一误差有一定的“滤波”作用，但大 于熨平板宽度的误差还将再现于路面上。 2 、摊铺机运动在粗基准面，作业过程中受到的影响因素是多方面的。 主要影响因素首先是摊铺机自身速度的波动，其次是混合料组成的不均匀 和温度的不均匀以及混合料供给量和分料量的变化，还有操作者人为因素等。 路面不平度最终是由这两方面因素叠加产生的。要消除平整度误差，就必须从 这两方面入手，采取相应的措施修正。路基的平整度是靠筑路的前道工序来保 证的，而在摊铺过程中通过摊铺机来实现更高的路面平整度是至关重要的。 2 1 2 熨平板工作的力学分析 当摊铺机工作时，工作机构的重量以及左、右侧臂的部分重量传给熨平板， 对沥青混合料产生0 卜0 2 m p a 的平均压力。此时，熨平板象滑雪板一样沿混合 料滑行，而左、右侧臂为牵引杆。其工作原理见图2 2 。 4 卜前牵引枢铰2 一左、右侧臂3 一厚度调节装置4 一熨平板 图2 2 熨平板工作示意图 当调节装置螺杆在给定的位置时，振捣熨平板工作装置是一个刚性系统。 熨平板沿路面滑行，与运行方向构成一个仰角口。用直线把侧臂前牵引点0 与a 点连接起来，a 点是混合料对熨平板总反力的作用点。直线0 a 与熨平板的运行 方向构成一个角y 。在一定的运行工作速度和混合料的情况下，口角的变化将引 起y 角的改变，因而也就改变了铺层的厚度。 在振捣熨平板工作装置上，作用的外力有： s 一在牵引点0 上的牵引力( 熨平板拖动所必需的力) ： p 一在牵引点0 上的支反力； q 一作用在a 点上的振捣熨平板工作装置的重力( 包括安装在上面的机 构的重力) ： n 一被摊铺的混合料对熨平板的总垂直反力： t 一混合料对熨平板工作表面的摩擦力。 当摊铺机以恒速运行时，熨平装置处于平衡状态。从这个条件出发，所有 作用在该装置上的力组成个封闭多边形，则p 和s 力的合力s 必通过a 点。因 为口角变化甚小，距离l 值可以认为是一常值。 外力相对于0 点的力矩之和为 q c o s ) , 一t l s i np n l c o s f l = 0 式中p = ，一口一一熨平板表面与直线o a 的夹角。经代入丁= n t g p ( 其中p 一沥青混合料对熨平板的摩擦角) 后，整理得 = q c 。s p 磊c 万o s 刁7 当手动或自控调节厚度对，熨平板的工作仰角q 从增大到啦，则角将 从屈减小到履。因为q 和c o s p 是常值，而，角不发生变化，则n 值从n l 上升 到n 2 值，力的平衡被破坏。为了恢复力的平衡状态，了力的方向及其数值应有 所变化，角也应变小。由于仰角口增大，n 值也相应的增加，导致了熨平板的 抬升，摊铺层的厚度也将随之增加。在摊铺机恒速行驶时，前牵引点0 上的支 反力p 为常值，因而为了抬升熨平板，必须增加牵引力。当熨平板抬升时，y 角 减小，随之减小仰角口，又出现在熨平板位于新的位置( ，屈和，) 时的熨平 装置系统的平衡。这样，仰角口的增大将引起摊铺层厚度的增加；反之，口角 减小，甚至成为俯角，根据类似原理，熨平板将下降，摊铺层厚度随之减小。 熨平板的主要作用原理在于，口角的变化改变铺层的厚度，并依靠前牵引 枢铰点。高度位置的变化来实现。当铰点0 提升时，a 角和y 角增大，n 值增加， 北京工业大学工学硕士学位论文 _ i 同时熨平板抬升，增加铺层的厚度。若摊铺机爬坡运行时，由于铰点0 上升， 铺层厚度在调节装置位置不变的情况下仍然有所增加。因此，为了保持锚层厚 度不变，必须依靠侧臂前铰点调节装置来降低0 铰点位置的高度。 下面分析熨平板仰角变化量a 口与牵引点0 位置变化量h 1 、传感器放置 点b 的位置变化量h 2 之间的关系。 假设熨平板支点a 到牵引点o 之间长度为厶，a 与b 之间的距离为厶，简 化熨平板模型后其它参数如图2 3 所示。 上 a h 2 ；了 刊一扣爿咖( 等) 肾2 咖。s ( ，等 咖( 等) 于是瓮= 嘲, 2 o o s 7 - + 警 1 第二章路面摊铺及自动找平控制系统总体方案设计 如果取，= 理则得： 盟：蔓 啊f 1 2 1 3 熨平板工作的运动分析 熨平板工作过程中受力情况是比较复杂而且是不定的。因而从动力学的角 度很难得出比较精确的数学模型。为此，从运动学角度建立其与热料问的运动 模型如图2 - 4 所示。 图2 4 熨平板运动模型图 k 为单位体积热料流入熨平板底面的速度k 为流出的速度。因为这是从相 对运动的角度得出来的。实际上k 、砭的大小都等于沥青摊铺机前进速度的 大小。在沥青摊铺机处于稳定摊铺状态时，熨平板实际所完成的工作就是将流 入的热料，改变流向后铺设在地面上。 首先分析在稳定摊铺状态下熨平板的运动情况。如图2 5 所示，从矢量运 算原理可知，在热料的这个运动过程中，速度变化量为： v _ 2 i 呼 北京工业大学工学硕士学位论文 口 图2 5 熨平板受力图 其方向与垂直方向的夹角为叫2 。在熨平板处于平衡状态时，速度k 、k 的大小和方向是不变的，因而v 的大小和方向是不变的。由于在这个速度的变 化中，任意时刻加速度的方向与v 相同，即与垂直方向的夹角为叫2 ，大小与a v 成正比，即： q = k i v ( k 。为系数，量纲为l s ) 这时单位质量热料的加速度如图2 - 6 所示，沿垂直方向的分量为： o 图2 - 6 加速度分解图 a y l q c o s 等= 2 s i n 等毛v o c o s 等：毛v o s i n 口 a y - 这个垂直方向的加速度实际上是料流动时熨平板底面对料的作用力沿 垂直方向的分力c 。产生的，因而口，。正比于这个作用力，。如果料对熨平板 的作用力沿垂直方向的分力为z e 2 ，根据作用力与反作用力的原理e ：= e 。， 因而e z 也正比于q 。设这个比例系数为k ：( 女：与熨平板的质量m 及工作状 况有关) ，这时有 第二章路面摊铺及自动找平控制系统总体方赛设计 辑2 = k 2 y l = k a k 2 v os i n a = s i n a 忙= k l k 2 ) 我们再来从另一角度看熨平板的受力情况，设熨平板的自重g 、料的阻挡 力在垂直方向的合力为p ，方向向下，料的作用力矾。方向向上，于是有熨平 板在垂直方向的合力 瓯= 职2 一p = k v o s i n a p 令熨平板在垂直方向上的加速度为髓。可以得出 口，= 甄m = ( 七v o s i n a p ) m 在认为机车行进非常平稳，水平方向只做匀速运动，垂直方向维持固定厚 度不变时，瓯= 0 ，贝, l j a y = o ，可以得出： p v o p 这个力与熨平板的自重g 、料的摩擦力、料的阻挡力等有关，是一个永不 为0 的量。所以，要使熨平板维持一个固定的摊铺厚度，必须要有一个仰角， 这个仰角只与机器本身和热料本身有关，亦即与p 有关。 实际摊铺过程中，f ，受诸多因素的影响随机变化，并不为0 ，所以熨平板 在垂直方向上始终有速度v ，o ) 和位移 ( r ) ，而 q = 掣= 掣 当熨平板的平衡状态被破坏时，水平方向的速度由v 。变成v ( f ) ，垂直方向 的初速度由v y 。= o 变成v 。( f ) 、位移变化量由幽= 0 变成矗o ) ，对上式积分得出： 础) = s i n a - 熹 罢 而幽( f ) 就是摊铺厚度的瞬时变化量。可以看出，这个变化量由三个部分构 成：路基的不平度引起牵引点的上下运动，导致仰角口的变化：机车行进速度v ( ，) 的变化：料的情况变化引起p 的变化。这几个参量中任一个变化都将产生一个 附加的a h ( t ) ，即产生路面不平度变化。例如，当外界其它因素不变时，由于路 基出现了一个低区，牵引点下降使倾角减小，即口 ，于是幽o ) 减小，即摊 北京工业大学工学硕士学位论文 铺层有减薄的趋势，反之有变厚的趋势。 再如，其它情况都不变，机车突然加速，v ( f ) 增大，于是幽( f ) 增大，摊铺 层有变厚的趋势。 2 2 自动找平系统的自动控制原理 2 2 1 实现路面平整度的摊铺技术 从熨平板的运动分析中我们知道，摊铺厚度的变化主要和三个因素的变化 有关：1 ) 混合料的变化情况。2 ) 摊铺作业速度变化情况。3 ) 熨平板仰角口的 大小。 在摊铺作业过程中，如果保持料的温度、粒度、供料速度、料槽中料的高 度等始终比较均匀，不要出现较大的波动，同时熨平板振动、震捣、频率、振 ，、 幅都保持不变，这时候就保持了与k 的恒定性，这时若摊铺作业速度”w 不变， 则助t 0 = o ，即厚度不变。所以针对前两个影响因素，应尽可能地保持摊铺机的 稳定作业，即通过正确操作沥青摊铺机、保持刮板输送器和螺旋输送器工作稳 定、摊铺机的恒速控制等手段基本上可以使问题得以解决。 对于第三个影响因素，我们尽量保持熨平板的倾角“保持恒定，在其余参 量不变时就有幽( f ) = o ，厚度保持不变。但是，由于口的变化原因有两个：一、 由于地基不平因素引起的，我们只能通过对不平度误差进行检测，然后加以有 效的控制；二、由于料的不均匀和行驶速度的不恒定，引起摊铺厚度变化，熨 平板位置改变而产生了口的变化。所以对熨平板的仰角口加以控制，就可以间 接地控制路面平整度，这就是自动找平的理论基础。 从上面的分析知道，要消除路面平整度误差，可以通过调节沥青摊铺机熨 平板仰角口来实现。公路旋工的理论认为，路面不平度分解成两个方面：沿车辆 行进方向的凹凸不平的高度误差和垂直于车辆行进方向的坡度误差。自动找平 系统修正这两个误差的基本方法是：在沿机车前进方向设置一套高度误差检测 控制部件，称为纵向误差控制装置；在垂直于行车方向设置一套坡度误差检测控 制部件，称为横向误差控制装置。正如上所述，该装置在检测到路面标高或横 1 6 坡度不足的地方，增大熨平板相应一边的仰角，使摊铺厚度增加：路面标高或横 坡度过大的地方，减小熨平板相应一边的仰角口，使摊铺厚度减薄。所以无论 是纵向误差控制还是横向误差控制，都是通过调整熨平板的仰角a 来实现的。 2 2 2 自动找平控制系统的控制原理 首先分析纵向误差控制过程。先假定路面没有横向坡度误差，只有纵向坡 度误差。忽略一些次要因素，简化具体结构形式，以纵向控制器为核心的控制 系统如图2 7 所示。 图2 7 自动找平控制系统原理图 图中位置假设为最初调定的位覆，熨平板处于稳定状态，传感器位于0 位 没有误差信号送出，图中各量的含义如下： 风油缸牵引点距基平面的垂直高度 厶一牵引臂的有效长度 一传感器距熨平板后沿的距离 h r 一摊铺层的有效厚度 口一熨平板的稳定仰角 基准l 是设置好的理想路面模型，作为检出误差的参考点。传感器2 是将 实际路面不平度误差 转化成电信号的部件，它同时要对误差进行滤波，去掉 干扰信号，进行非线性校正，保证输出信号与矗严格成正比。控制器4 是中央 控制单元进行必要的信号处理和功率放大，以便驱动液压装置。电磁阀5 是将 北京工业大学工学硕士学位论文 电信号转化成液压控制信号的部件，它的开关状态、方向、通断时间均是受控 制器4 输出信号的控制。悬挂油缸6 将液压动作变成机械动作带动熨平板升降， 它的行程及动作方向受电磁阀5 控制。 作业过程中假定由于路基的误差出现一个低区髓，这时牵引点随车下降， 熨平板绕后沿点转动，传感器2 相对于基准点下降一个高度幽， 觇= 她去 传感器输出一个与幽，成正比的电信号到控制器，控制器即产生一个与之 对应的驱动信号到电磁阀5 ，使油缸向上运动，熨平板仰角增大，超过原来的值 口，从公式 幽( f ) = ( 如o ) s ；n 如+ 口) 一昙) 萼 可知，随着机车的前行，摊铺厚度将增大，因而这个低区的实际摊铺料层 将变厚，在合理地设计整个系统之后，能保证厚度的增加值正好“填平”这个 低区，达到上表面平整的目的。 如果机车车身稳定，牵引点并未移动，但是由于车速变化、料的变化等改 变熨平板的力平衡，引起摊铺层厚度 ( f ) 发变化。此时熨平板将绕牵引点a 转动， 传感器2 测得一个下降或上升的信号，最终根据此信号改变熨平板仰角，直至 没有误差重新达到一个平衡。 2 3 自动找平控制系统总体结构设计 2 3 1 控制系统方案确定 沥青路面旌工中摊铺机自动找平装置分为接触式和非接触式。无论是什么 型式的找平装置，其工作原理完全相同：首先由找平装置的传感器检测出摊铺 机因道路不平而离开基准平面的偏差，然后由处理器将该偏差信号进行放大、 运算、比较、处理，并及时发出脉冲调节信号作用于相应的高频电磁阀，控制 牵引大臂找平油缸升降，使显平板恢复到初始摊铺仰角。 接触式电子找平装置。摊铺时，纵坡控制器滑靴( 或滑杆) 在基准上滑行， 因此事先必须设定基准。根据使用的基准不同，它又分为两种：接触式传感器+ 钢丝线、接触式传感器+ 接触式平均梁。 应用最早的是”接触式传感器+ 钢丝线”的找平方式，如图2 - 8 所示： 图2 8 钢丝线基准图 它以人工设置的一段钢丝线作为参考线，是一个绝对基准，其优点在于能 较好地补偿路面高程误差，在基层稳定材料和沥青下面层的摊铺中非常有效。 但基准钢丝绳的架设质量完全取决于人，总会因人为因素产生一些误差，而且 这个误差有时候会很大。纵坡控制器在滑行时也可能因某种原因使滑靴( 或滑杆) 跳离基准。同时，滑靴( 或滑杆) 检测到的是一点的值，该值的误差将百分之百 地反映到找平油缸的升降上。因此，基准钢丝绳十纵坡传感器方案的找平精度 不高，路面摊铺平整度往往达不到设计要求，在高等级公路的面层摊铺时，一 般不采用这种方案。 “接触式传感器十机械式平均粱”的找平方式是针对挂线基准的不足而提出 的，机械式平均粱如图2 9 所示： 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 - 9 机械式平均粱 它用随主机移动的机械式平均梁产生一个相对平直的虚拟基准线，但是整 个控制系统功能没有改变控制器仍然是原来的。这种找平装置消除了”接触式 传感器+ 钢丝线”方案中影响摊铺平整度的诸多因素，使摊铺平整度显著提高。 在一定程度上提高了平整度，而且价格不高，但也带来了很多弊端，如行驶在 松铺层上的后梁的支滚轮( 或滑靴) 常粘结沥青混合料，除需人工清洗外，还使 找平系统引起找平误差；每个支撑弹簧的弹性以及枢轴点的灵活性都将影响均 衡梁的找平性能，所以，它的实际找平性能的影响因素很难发挥到它的理论找 平性能；而且沿着摊铺机行驶方向的纵向长度很长，转向性能较差，在曲率半 径较小的弯道路段无法使用均衡浮动梁。除此之外，它体积庞大，导致摊铺机 机动性差，在掉头、转移工地时都非常不便，而且施工中遇到井盖、涵洞、弯 道、上、下桥和路面起点、终点都无法使用。另一方面，由于这个系统是机械 动作反馈，多次拆装容易变形，而且受沥青污染、每次拆装位置不同、弹簧性 能的变化、摩擦力等因素的影响，造成使用过程中仍会有较大的误差。 针对上述两种方法的不足，国外许多厂商相继推出了非接触式找平装置， 即非接触式传感器+ 数字式控制器的方式。非接触式传感器有超声波传感器和激 光传感器两种。 非接触式超声波找平装置，又称为超声波平均梁，采用的是超声波测距原 理，如图2 1 0 所示： 悬挂梁 超声波 传感器 i i j j j j j j j a 图2 1 0 超声波平均梁 在路面以上一定高度处，每侧牵引大臂上固定一条悬挂粱，朝下布置多个 超声波传感器。摊铺作业时，超声波传感器向作为参考基准的地面发射超声波 信号并接收返回信号，从而计算出距地面的均值，以此来控制摊铺机牵引大臂 的升降，达到光滑平整的摊铺效果。优点是：安装简单方便；不与沥青混合料 接触，无须清洗维修；无论道路多么弯曲，都能连续摊铺，掉头也不成问题： 摊铺平整度相当好，完全符合国家标准要求。因此一经推出即深受用户欢迎。 激光扫描找平系统( r s s ) 与超声波平均梁一样，也属非接触式找平装置， 但采用的是激光测距原理。如图2 1 l 所示： 图2 一l l 激光扫描找平系统 机器工作时，通过安装在扫描器上的旋转镜头，从扫描器到路面各个角度 的距离都可以测量，所有数据从扫描器送入r s s 计算机，r s s 计算机筛选出有用 信息，这样路面的详细信息可经过r s g 计算机进行处理。机器前后方向的扫描 范围可在7 3 0m 之间调整，一般推荐1 6 m ；测量点数可多达1 5 0 个。 激光的传播速度比超声波快得多，又不受环境影响，故测距比超声波精确； 在摊铺机每侧牵引大臂上仅配置一个激光发生器和接收器探头，但可以在工作 北京工业大学工学硕士学位论文 平面的某一角度范围内，对作为参考基准的路面进行扫描，并逐点测量探头距 地面的距离并加以运算平均。从理论上讲，激光扫描找平系统的控制精度比超 声波平均梁高得多。然而据用户反映实际摊铺情况并非如此，可能是刚推出的 新产品设计和质量还存在问题。加上激光扫描找平的价格比超声波平均粱还要 高出l o 万元，故目前很少有中国用户采用。 非接触式找平装置都采用数字式控制器，数字式控制器是指输入量和输出 量以数字量的形式出现的控制器。自从单片计算机得到广泛应用之后，数字技 术就已经在各个行业得到应用，在控制系统领域中，其应用更是越来越引起人 们的注意。 摊铺机找平系统从挂钢丝线、接触式平均梁，到数字式非接触平均梁，经 历了三个阶段。从发展的眼光看，挂线钢丝应用于稳定土基层和沥青下面层的 摊铺，具有一定的生命力；接触式平均梁受体积庞大、适应性差、维护麻烦等 因素的影响已渐渐开始淘汰；数字式非接触平均梁以其技术和独特的优点， 大幅度提高了摊铺机的系统性能使路面平整度和摊铺厚度的控制更为精确、 操作更加简单，其前途也必将非常广阔。目前国内尚不能生产非接触式找平装 置，从国外进口的产品都非常昂贵，如一套超声波自动找平系统需要二十多万， 激光扫描找平系统还要更贵，我们就是基于这种情况而提出的研制适合摊铺机 使用的非接触式数字自动找平控制系统。从研制和生产成本及市场前景看，超 声波自动找平系统目前在国内比较受欢迎，因此，我们确定总体结构为超声波 自动找平系统。它有如下优点： ( 1 ) 该系统悬在