1引言
沥青混凝土
摊铺机是用于铺筑沥青混凝土路面的机械,是路面机械的主要机种之一,它将拌和好的沥青混合料、稳定土等材料均匀地摊铺在路基或路面基层上,经初步振捣和整平后,形成具有一定宽度、厚度、平整度及密实度的有效摊铺层。由于其作业质量好、效率高,已经被广泛应用于路面施工中,特别是对于平整度及密实度要求较高的高等级公路、城市主干道的面层摊铺,性能优良的高档沥青混凝土摊铺机更是不可缺少。
沥青混凝土摊铺机作为自行式路面机械,其行驶性能直接影响到路面的平整度、初始密实度和摊铺的离析程度。在摊铺过程中,速度的控制至关重要,因为速度的偏差直接影响着道路路面的平整度,虽然现在摊铺机上一般都装配有自动调平装置,但是摊铺机行驶速度的稳定性是前提。另外,为了减小劳动强度,在摊铺机行走控制等方面也提出了更高的要求。 沥青混凝土摊铺机行驶系统控制器作为摊铺机的核心控制部件,不仅能实现对摊铺机的行走控制,而且对提高摊铺机行驶性能、施工自动化程度以及改善路面施工质量非常关键。因此,对沥青混凝土摊铺机行驶控制系统的研究就显得十分重要。
2沥青混凝土摊铺机行驶驱动方式
从动力传动的方式来分,目前摊铺机的行驶驱动主要有机械驱动、机械-液压驱动和全液压静压驱动三种方式。其中,静压驱动具有以下优点:易于实现无级变速,行驶灵敏;能实现转弯与原地转向;操作简单平稳;广泛的控制和调节方法;行驶自动控制;液压泵和马达能灵活地安装;可以有效地利用所提供的功率;能利用静压系统帮助制动;液压马达无超载等。 静压驱动系统可以分为开式系统和闭式系统,由于闭式系统结构紧凑,空气进入液压油的机会小,工作平稳,因此在行走驱动液压系统中大多采用闭式油路的容积调速系统实现无级变速。从动力传递的路线上分,行驶驱动液压系统可以采用单泵-单马达系统,也可以采用双泵-双马达系统。目前履带式沥青混凝土摊铺机普遍采用双泵-双马达系统,液压系统左右两侧为独立的行驶驱动液压回路,采用双泵-双马达行驶驱动系统,可以充分利用泵和马达的控制方式,来简化行驶控制系统的结构。
2.1液压泵和液压马达的压力、排量和流量
液压泵和液压马达的工作压力是指泵(马达)的实际工作能力。对于泵来说,工作压力是指它的输出压力;对于马达来说,则是指它的输入压力。液压泵(液压马达)的额定压力是指泵(马达)在正常工作条件下,按试验标准规定连续运转的最高压力,超过此值就是过载。
液压泵(液压马达)的排量(用V表示)是指泵(马达)轴每转一圈,由其密封容积腔几何尺寸变化所计算出的排出(即输入)液体的体积,排量分为理论排量(V理)和实际排量(V实)。
液压泵(液压马达)的理论流量(q),是指泵(马达)在单位时间内由其密封容积腔几何尺寸变化计算而得出的排出(即输入)的液体体积。亦即在无泄漏的情况下单位时间内所能排出(即输入)的液体体积。当泵(马达)的转速为n时,泵(马达)的理论流量为:
q=V理×n(1)
2.2液压泵和液压马达的功率
液压泵是由原动机驱动,输入量是转矩和转速(角速度),输出量是液体的压力和流量;液压马达刚好相反,输入量是液体的压力和流量,输出量是转矩和转速(角速度)。如果不考虑液压泵(液压马达)在能量转换过程中的损失,则输出量等于输入功率P,即:
P=qp=pV理n=TΩ=Tπn/30(2)
式中:T———液压泵(液压马达)的理论转矩;
p———理论额定压力;
Ω———液压泵(液压马达)的角速度。
3沥青混凝土摊铺机行驶控制系统控制方案的确定
针对双泵-双马达驱动的沥青混凝土摊铺机,本文提出以下控制方案。
图1为行驶控制系统控制框图。
由于摊铺机左右驱动为两套独立的变量泵-马达闭式回路,设Y11、Y12分别为变量泵左前进、左后退比例电磁阀;Y21、Y22分别为变量泵右前进、右后退比例电磁阀;Y3、Y4、Y5分别是左右双速马达换向电磁阀和制动油缸电磁阀。控制器的核心就是比例电磁阀Y11、Y12、Y21和Y22以及换向阀Y3、Y4和Y5,通过PWM调节Y11、Y12、Y21和Y22的电流控制泵的排量,达到控制左右履带行驶速度的目的。控制Y11、Y12、Y21和Y22四个电磁阀以不同组合方式工作,实现前进、后退及转向;通过Y3、Y4控制马达高低速转换,实现摊铺机行走/摊铺两种工作模式;控制Y5可以实现摊铺机的紧急制动。
图1中,RS、RD、RT分别为最大行驶速度电位器、驱动手柄电位器和转向电位器。数字控制器上的驱动手柄电位器RD确定摊铺机的行驶方向,同时对行驶速度进行无级调节,考虑到驱动手柄能转动的角度比较有限,如果直接利用驱动手柄电位器将速度从零调整到最大,则不易控制行驶速度的大小,因此另外设置一最大行驶速度电位器RS用于设定摊铺机行驶速度的最大值,当驱动手柄推至极限位置时,摊铺机所能达到的速度就是最大行驶速度电位器设定值,驱动手柄电位器要考虑一定的中位死区。
为了实现摊铺机左右转向,设置的转向电位器RT可以改变电磁阀输入电流,从而利用左右履带速度差实现转向,该控制器采用“C”形转向方式,直线行驶时,转向电位器处于中位,左转旋钮,则左侧速度减小,右侧速度增大或不变;右转旋钮,则右侧速度减小,左侧速度增大或不变。通过调整旋转角度,不断改变转弯半径,实现转向的圆滑性。
在数字控制器上专门设置一个原地转向按钮KTR,利用单片机外部中断实现摊铺机原地转向。按下原地转向按钮KTR,产生外部中断,给左右电磁阀通以相同大小的小电流进行低速原地转向,转向前判断左右两侧履带速度大小,向速度小的一侧进行原地转向。在摊铺模式下屏蔽中断,禁止原地转向。
KP为行走/摊铺二位开关,利用程序判断其工作状态。开关在“行驶”位时,行驶控制为开环状态,不进行恒速和直线控制,此时控制变量马达的电磁阀得电,马达处于最小排量;在“摊铺”位时,为了实现恒速和直线控制,利用速度传感器V1和V2将行驶速度反馈至输入端,行驶控制采用闭环模式,此时控制变量马达的电磁阀失电,马达处于最大排量。
摊铺机的起步、停车都和制动油缸有关。驱动手柄离开中位,在电流起作用之前,必须完全释放停车制动电磁阀。当驱动手柄返回中位,控制器以正常的减速比率控制驱动泵,停车制动电磁阀控制制动油缸进行延时制动。至于起步、停车的加速度可以通过软件来控制。
为了防止意外事故的发生,数字控制器上设置了紧急制动按钮KS。实际上,紧急制动和停车制动都是通过控制制动油缸电磁阀Y5来实现的,当电磁阀Y5断电时,制动油缸中压力释放,产生制动。紧急制动时KS切断数控制器电源,使变量泵排量为零,起到保护泵和马达的作用。
