1 引 言
平整度是评价高等级公路施工质量的一个重要指标平整度较差的路面将会引起车辆振动,降低行车舒适性,增加车辆运营费用,加速路面结构破坏。
沥青混凝土摊铺机在进行路面摊铺作业时,熨平板通过两侧牵引大臂由主机牵引,熨平板始终处于浮动状态。这种浮动式熨平板虽然对路基不平整度具有初步的滤波和滞后效应,具有一定的调平功能,但是只能消除波长较小的凹凸。如果要使路面的摊铺平整度不受基层的影响,就必须在摊铺过程中根据基层平整度误差随时调节牵引大臂牵引点的垂直高度,并保证摊铺仰角为初始值[1]。
摊铺机调平系统工作基准的选择对平整度具有较大的影响。传统的调平基准如人工架设的弦线基准、浮动基准等均属于接触式基准,前者使用不方便,且架线过程中的人为影响因素太多,后者则存在着体积庞大、拆装运输不方便、使用寿命低、弯道摊铺受限、易粘结沥青、维护工作量大等缺点。非接触式超声波调平装置,又称为非接触式平衡梁,是一种基于超声波测距原理进行工作的找平基
准,他克服了传统接触式调平基准的不足。此外现代摊铺机调平系统大多采用了基于DSP技术的数字控制器,多个超声波传感器与控制器之间的数字信号传输方便、迅速、可靠,抗干扰能力强,从而使调平系统的综合性能得以大幅度提高。
非接触式平衡梁在1997年首先由美国的拓普宽(TOPCON)公司研制成功,自从推广以来,已经逐步在世界各地得到广泛使用。1999年该产品在中国开始试销,2000年在国内宽幅高速公路路面摊铺试验中初步获得成功。国外的非接触式平衡梁其他主要生产厂家还包括丹麦的TF-Trading公司和德国的MOBA公司,而我国的非接触式平衡梁多为国外公司的仿制产品。下面以美国拓普宽公司的超声波非接式平衡梁为例,来说明其研究与应用情况。
2 工作原理
如图1所示,工作前首先利用超声波测距原理先设定1个基准面:在摊铺机左、右两侧平衡梁上均朝下布置4个声纳传感器,声纳传感器发射器发出声脉冲,这些声脉冲到达地面以后再以声速返回发射器。然后以地面为基准连续不断地测出地面与4个超声波传感器之间的距离,最后经过采样处理后对这些距离取平均值。
如图2所示,当摊铺机在凹凸不平的路面上工作时(设工作速度和供料均不变),与机架连接的牵引点也随之上下起伏变化。因此摊铺机每一侧非接触式平衡梁上元器件与应用蒋 波等:沥青混凝土摊铺机非接触式平衡梁的应用与研究4个超声波传感器的平均高度和角度与工作前的设定值之间将会产生偏差。偏差信号经过DSP控制器综合处理以后,系统通过控制电磁换向阀的油路流向来控制油缸活
塞的上升和下降,通过改变高速开关阀的通断时间来控制油缸活塞的运动幅度,实现熨平板对路面波动的自动补偿,消除误差,保证路面对平整度和厚度的要求。
非接触式超声波调平装置是一个机、电、液一体化的闭环控制系统,具有大滞后、非线性、多变量等特征,其控制原理图如图3所示。由于摊铺机调平系统的作业质量受到牵引点和熨平板的扰动干扰,而牵引点和熨平板高度的变化则是由于摊铺机行走在高低不平的支承面上而引起的。为了获得平整的摊铺质量,在摊铺时应尽可能地保持摊铺机摊铺速度、刮板输送器供料量和螺旋输送器送料量的稳定性[2]。
W为检测点设定高度;E为误差信号;H为检测点实际高度;H1为牵引点实际高度;H2为熨平板实际高度;k1,k2为修正系数,取决于检测点位置的选择。
3 结 构
拓普康摊铺机数字调平控制系统主要由调平控制器、纵坡传感器、横坡传感器及电缆等元件组成。不同的纵坡传感器采用相同的电缆连接,以保持系统的互换性,便于用户升级。
3.1 控制器
拓普康摊铺机数字调平控制器有18项参数可供精选,以适合所有机型;显示窗口可显示菜单及设置摊铺厚度(精确到毫米);调节旋钮可在设置菜单中进行各种选项设置及调节摊铺厚度;控制显示面板可以及时反映调平系统的运行状态。
自动调平控制器的硬件结构如图4所示,主要包括开关量输入输出、CAN通讯接口、驱动电路、故障诊断模块、显示模块、智能传感器节点等元件组成。
控制器采用美国TI公司设计的TMS320LF2407A型芯片。该芯片是一款支持CAN数据总线结构的DSP芯片,采用了高性能静态CMOS技术,电压从5 V降为3.3 V,减少了功耗,而且指令执行速度提高到40MIPS,几乎所有指令都可以在25 ns的单周期内完成,如此高的运算速度可以通过采用高级控制算法如:自适应控制、卡尔曼滤波以及状态控制,来提高系统的性能。而且,他还包括32 k片内FLASH、2 k单访问RAM、串行外设接口(SPI)、两个事件管理模块、16通道双10位A/D转换器等外设。不仅如此,片内还有串行通信接口(SCI)和CAN控制器模块,为多机通信的实现提供了可能。其数据通讯格式如图5所示[3]。
图5 控制器芯片数据存储格式
3.2 纵坡传感器
拓普康非接触式平衡梁纵坡传感器采用铝合金外壳,增设高程变化显示灯,灵敏度可达0.38 mm。纵坡传感器中的每个探头每秒种发射39次声脉冲,实时测量浮动平衡梁与路面基准之间的距离,对数据进行采样、过滤后取平均值,然后通过RS 485总线传送给调平控制器。下面对纵坡传感器超声波的测距原理进行说明:
假设超声波脉冲从发射到接收所经历的时间为t,超声波探头到路面基准之间的距离为L,那么测距公式如下:
式中c为超声波在空气中的传播速度,受温度、湿度、风力以及含尘量等因素影响较大。其中温度对声速的影响为:
其中T为空气温度,单位为℃;co为0℃时的声速。温度越高,声速越快,温度每提高1℃,声速大约提高0.6 m/s。
摊铺机调平控制系统对测距精度要求较高。仅通过温度补偿法加以校正远不能满足要求。因而采用如图6所示的校正法,即在探头与基准面之间设置一根U型参考杆,固定在探头上,并在探头与基准面之间保持固定的距离L1。由式(1)得到:
式中c1为超声波在校正段的传播速度,单位m/s;t1为超声波在校正段的传播时间,单位为s。
如果超声波在校正段L1和目标段L2的传播速度相等,则可得:
式中t2为超声波在目标段的传播时间, L1是一个已知的固定量,因此只需测量时间t1和t2,即可计算出探头到基准面的距离L2[1]。
图6 超声波声速较正原理
3.3 横坡传感器
拓普康非接触式平衡梁采用单/双接口横坡传感器,用于摊铺机控制系统作为横向坡度检测用。传感器通过RS 485通讯接口协议与调平控制器进行联接。内装有经温度补偿的陶瓷水平计,可满足不同工况下的高性能测量要求。双接口通常用于和两个单功能控制器组成的系统,用于摊铺机调平控制。启动系统时,横坡传感器向两侧控制器发送信号。如果有一侧控制器设定为横坡作业模式,则另一侧的通讯就自动切断。这是为了避免两侧控制器均选用同一横坡传感器进行测量。
4 应用实例
广州花都区迎宾大道改建工程位于新都大道和迎宾大道之间,公路全长6 488 m,道路规划宽度达到100 m,中间快速行车道设计为双向8车道。该工程于2004年2月5日开工,同年8月5日全线建成通车,成为花都区经新机场高速公路来往广州市区的最快捷的交通干道。在施工过程中,采用安装了拓普宽非接触式平衡梁的戴纳派克F141C履带式摊铺进行沥青混凝土摊铺作业。研究发现,与传统的接触式浮动基准梁相比,拓普康非接触式平衡梁除了具有设计合理、结构简单、操作方便、控制精度高、便于施工与运输,受转弯半径、起步、收尾、接缝的影响小等特点之外,更适合改性沥青路面及其他特殊路段的摊铺控制。路面平整度的改善一般在5~8%的范围内,节约时间,提高工效5%。经过近两年的使用,至今没有发现该项目的新摊铺沥青路面有混凝土板块接缝处产生反射裂纹现象。
5 结 语
近年来,随着我国公路建设,特别是高等级公路建设的快速发展,对沥青混凝土路面施工工艺要求越来越严格。路面要保证沥青混凝土施工的各项技术指标,沥青混凝土的压实度要达到96%以上,路面平整度均方差要达到0.8以下。为了提高路面施工质量,2001年我国开始大幅度地引进超声波平衡梁,由于该设备在路面施工中相对于接触式平衡梁具有无可比拟的优点,因此一经推出即深受用户欢迎。本文以美国拓普康非接触式平衡梁为例,对摊铺机超声波调平系统的工作原理、结构特点进行了分析。结论对于广大公路施工技术人员提高路面施工质量具有一定的参考作用。
