穩(wěn)定土拌和機(jī)全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)及仿真研究

馬麗英，歸少雄，曹源文

（1.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074;2.重慶交通大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，重慶 400074）

穩(wěn)定土拌和機(jī)全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)及仿真研究

馬麗英1，歸少雄2，曹源文1

（1.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074;2.重慶交通大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，重慶 400074）

在分析穩(wěn)定土拌和機(jī)全輪轉(zhuǎn)向試驗(yàn)平臺(tái)工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)四輪轉(zhuǎn)向各個(gè)工況進(jìn)行試驗(yàn)，繪制出系統(tǒng)的伯德圖，確定了系統(tǒng)的傳遞函數(shù);利用MATLAB/SIMULINK軟件對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。結(jié)果表明:系統(tǒng)具有的幅值裕度為13.4 dB，相位裕度為48.9°，顯示該穩(wěn)定土拌和機(jī)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)系統(tǒng)具有一定的儲(chǔ)備;試驗(yàn)系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快，系統(tǒng)的穩(wěn)定性符合要求;四輪轉(zhuǎn)向比傳統(tǒng)的二輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)彎半徑減小約20%左右。

全輪轉(zhuǎn)向;試驗(yàn)研究;仿真分析

穩(wěn)定土拌和機(jī)是一種直接在施工現(xiàn)場(chǎng)將穩(wěn)定劑與土壤或砂石均勻拌和的專用自行式機(jī)械。按拌和裝置的安裝位置分為轉(zhuǎn)子前置式、轉(zhuǎn)子中置式和轉(zhuǎn)子后置式，目前應(yīng)用最廣的是后兩種。中置式和后置式穩(wěn)定土拌和機(jī)因轉(zhuǎn)子安裝在機(jī)械的中部和后部，機(jī)身較長(zhǎng)使得轉(zhuǎn)向靈活性降低。而現(xiàn)場(chǎng)施工往往要求這類機(jī)械頻繁轉(zhuǎn)向，所以如何減小其轉(zhuǎn)彎半徑成為一個(gè)亟需解決的迫切任務(wù)［1-2］。筆者分析了穩(wěn)定土拌和機(jī)全輪轉(zhuǎn)向試驗(yàn)平臺(tái)的工作原理，利用試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行各種轉(zhuǎn)向工況的試驗(yàn)。結(jié)果表明，穩(wěn)定土拌和機(jī)全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎半徑減小約20%左右，操作穩(wěn)定性明顯改善。

1 試驗(yàn)平臺(tái)概述

穩(wěn)定土拌和機(jī)全輪轉(zhuǎn)向試驗(yàn)平臺(tái)主要由4大系統(tǒng)組成，即轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、氣動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。由于結(jié)合了電子控制技術(shù)，液壓傳動(dòng)及控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)3大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使得該轉(zhuǎn)向試驗(yàn)系統(tǒng)安全性和可靠性較高，同時(shí)具有一定的自動(dòng)化和智能化。為了提高實(shí)用價(jià)值，特別為該試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了加載系統(tǒng)和氣動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)。因此，可以在室內(nèi)試驗(yàn)條件下，較好的模擬穩(wěn)定土拌和機(jī)工作路面不平導(dǎo)致機(jī)體顛簸、作業(yè)負(fù)荷范圍大且變化頻率快、振動(dòng)大等真實(shí)作業(yè)特點(diǎn)［3-4］。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由液壓缸、流量控制伺服閥、精濾器、液壓泵、電機(jī)和溢流閥等組成，是組成穩(wěn)定土拌和機(jī)全輪轉(zhuǎn)向試驗(yàn)平臺(tái)的重要環(huán)節(jié)之一［5］。將非接觸式霍爾效應(yīng)傳感器安裝在4個(gè)轉(zhuǎn)向輪上，通過(guò)傳感器測(cè)得各個(gè)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角，并將該信號(hào)反饋給控制器，再經(jīng)過(guò)控制器的計(jì)算與分析，重新發(fā)出指令信號(hào)，比較實(shí)際與希望的轉(zhuǎn)角偏差，從而使得整個(gè)系統(tǒng)形成閉環(huán)回路，提高了系統(tǒng)的控制精度［6］。

為了比較全輪轉(zhuǎn)向與二輪轉(zhuǎn)向的不同特點(diǎn)，該試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)有5位旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)。通過(guò)操縱5位旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，便可實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)前輪的二輪轉(zhuǎn)向、偏轉(zhuǎn)全輪的4輪轉(zhuǎn)向和蟹形轉(zhuǎn)向等工況。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)原理

穩(wěn)定土拌和機(jī)全輪轉(zhuǎn)向試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)可以分為3大模塊，即輸入模塊、處理模塊和輸出模塊。試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)原理如圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure chart of test equipment control system

輸入模塊:系統(tǒng)的輸入信號(hào)主要包括2大類:源于方向盤轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)向傳感器的輸出信號(hào)，和源于相應(yīng)轉(zhuǎn)向輪上非接觸式霍爾效應(yīng)傳感器輸出信號(hào)的4個(gè)轉(zhuǎn)向輪的實(shí)際轉(zhuǎn)向角度。因此該全輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的控制精度。處理模塊:該模塊的主要功用是分析由輸入模塊獲取的方向盤轉(zhuǎn)角和4個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器的輸出信號(hào)等機(jī)械行駛狀態(tài)參數(shù)，運(yùn)用信號(hào)分析及數(shù)據(jù)處理技術(shù)和方法得到各個(gè)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度信息，為輸出模塊提供具體的指令。輸出模塊:該模塊主要包括液壓泵、流量控制伺服閥、各個(gè)轉(zhuǎn)向輪及其轉(zhuǎn)向液壓缸等。它是具體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于完成處理模塊提供的具體指令。為了能夠在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)條件下充分模擬穩(wěn)定土拌和機(jī)的實(shí)際工作狀況，增強(qiáng)路感，專門設(shè)計(jì)加載回路和氣動(dòng)振動(dòng)回路，使室內(nèi)試驗(yàn)盡量接近真實(shí)工況。

2.2 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)原理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)由磁帶記錄儀、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、電源、WYJ?-02B2晶體管直流穩(wěn)壓電源、正弦信號(hào)發(fā)生器、示波器、壓力傳感器及位移傳感器等組成。試驗(yàn)中通過(guò)儀器測(cè)取系統(tǒng)的工作壓力、各個(gè)轉(zhuǎn)向輪的角位移和線位移等參數(shù)。通過(guò)測(cè)取分別安裝在前左輪和后左輪的2個(gè)轉(zhuǎn)向缸上的位移傳感器的位移信號(hào)，可以計(jì)算液壓缸的流量。圖2為測(cè)試系統(tǒng)的工作原理。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic diagram of test system

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理

根據(jù)系統(tǒng)分析需要，本試驗(yàn)采集9個(gè)數(shù)據(jù)。1#磁帶記錄儀的1～5通道采集5個(gè)信號(hào)，即方向盤轉(zhuǎn)向角信號(hào)及4個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器信號(hào);1#磁帶記錄儀的6、7通道分別記錄工作壓力傳感器信號(hào)和負(fù)載壓力傳感器信號(hào);2#磁帶記錄儀的1、2通道記錄了安裝在前左輪和后左輪上的2個(gè)位移傳感器信號(hào)，前左輪和后左輪轉(zhuǎn)向液壓缸的流量通可以過(guò)這2個(gè)位移傳感器信號(hào)計(jì)算得出。為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每次都需對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)完畢后，在HP3562A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀上進(jìn)行各個(gè)通道信號(hào)的分析及處理，并讀取數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)向試驗(yàn)過(guò)程中，在4輪轉(zhuǎn)向、蟹行轉(zhuǎn)向及前輪轉(zhuǎn)向等轉(zhuǎn)向方式下，分別對(duì)無(wú)振動(dòng)工況和有振動(dòng)工況進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。限于篇幅，僅以4輪轉(zhuǎn)向模式為例進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)工作壓力為8 MPa，負(fù)載壓力為2.8 MPa時(shí)，測(cè)得在4輪轉(zhuǎn)向模式下，無(wú)振動(dòng)工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 全輪轉(zhuǎn)向模式試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Test data in the mode of all-wheel steering

表1中數(shù)據(jù)為輸入交流幅值為1.5 V，直流為2.5 V時(shí)，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的峰-峰值。其中，輸入信號(hào)是1#磁帶記錄儀第一通道的信號(hào)，即方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器的信號(hào)（單位:mV）;輸出信號(hào)是1#磁帶記錄儀第2通道的信號(hào)，即左前輪霍爾效應(yīng)傳感器的角位移信號(hào)（單位:mV）;相移差τ是輸入、輸出信號(hào)相鄰波峰/波谷之間的時(shí)間差（單位:s）。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出各個(gè)頻率點(diǎn)上的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的比值及相位差，從而求出系統(tǒng)的閉環(huán)伯德圖如圖3。由圖3不難看出，系統(tǒng)的截止頻率ωb=2.65 Hz，則系統(tǒng)的截止帶寬為0～2.65 Hz，滿足穩(wěn)定土拌和機(jī)的作業(yè)要求。

圖3 閉環(huán)伯德圖Fig.3 Close loop Bode diagram

2.4 系統(tǒng)傳遞函數(shù)的確定

借助現(xiàn)代控制工程理論［7］的知識(shí)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，可以得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如式（1）:

由式（1）可以求得系統(tǒng)所具有的幅值裕度Kg=13.4 dB，相位裕度γ=48.9°，符合系統(tǒng)穩(wěn)定性儲(chǔ)備的要求。

3 系統(tǒng)仿真分析

用MATLAB軟件對(duì)系統(tǒng)的頻域特性進(jìn)行分析，便于繪出系統(tǒng)的伯德圖和奈奎斯特圖［8］。筆者正是利用MATLAB軟件的這一特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)伯德圖進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果與試驗(yàn)得出的系統(tǒng)伯德圖非常接近，這足以說(shuō)明試驗(yàn)所確定的傳遞函數(shù)是準(zhǔn)確的。

用MATLAB/SIMULINK仿真軟件對(duì)系統(tǒng)傳遞函數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，得到試驗(yàn)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖4。

圖4 單位階躍輸入下的仿真Fig.4 Simulation of unit step input

由圖4不難得出，系統(tǒng)的上升時(shí)間tr=0.15 s，峰值時(shí)間 tp=0.25 s，最大超調(diào)量 Mp=11.5% ＜20%，調(diào)整時(shí)間ts=0.57 s。綜合以上指標(biāo)可見(jiàn)，本試驗(yàn)系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快，系統(tǒng)符合穩(wěn)定性的要求。仿真結(jié)果與頻域下的性能分析結(jié)果基本一致。

4 結(jié)語(yǔ)

1）試驗(yàn)系統(tǒng)的幅值裕度和相位裕度分別是13.4 dB和48.9°。因此，系統(tǒng)具有充分的穩(wěn)定性儲(chǔ)備，穩(wěn)定性滿足要求。

2）試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)施加隨機(jī)振動(dòng)荷載，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在ω﹤1 Hz的低頻階段，基本不受隨機(jī)振動(dòng)的影響;而當(dāng)處于頻率ω﹥1 Hz的頻段時(shí)，輸出波形有了一定的鋸齒狀波動(dòng)，但其整體形狀仍然是正弦信號(hào)，其幅值與不加振動(dòng)時(shí)相比基本不變?？梢?jiàn)，隨機(jī)振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響較小。

3）動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)的上升時(shí)間tr=0.15 s，峰值時(shí)間 tp=0.25 s，最大超調(diào)量 Mp=11.5% ＜20%，調(diào)整時(shí)間 ts=0.57 s?？梢?jiàn)，本轉(zhuǎn)向試驗(yàn)系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快，系統(tǒng)符合穩(wěn)定性的要求。

4）系統(tǒng)仿真及各個(gè)轉(zhuǎn)向工況的試驗(yàn)結(jié)果，表明全輪轉(zhuǎn)向比二輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎半徑降低20%左右。

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Test and Simulation of All-Wheel Steering System for Stabilized Soil Mixer

MA Li-ying1，GUI Shao-xiong2，CAO Yuan-wen1
（1.School of Mechatronics＆ Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.School of Application Technology，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Based on the analysis of the all-wheel steering test platform for stabilized soil mixer，a series of tests for each steering working condition are carried out.The transfer function of the system is determined，and Bode diagram is also drawn out.Meanwhile，the system is simulated dynamically by use of MATLAB/SIMULINK software.The research results show that the amplitude margins and phase margins of the steering system are respectively 13.4dB and 48.9°，which meets the stability reserve requirements of the steering system for stabilized soil mixer;the fast response speed and the stability of experimental system also meet the requirement;what’s more，all-wheel steering decreases about 20%turning radius than 2 wheel steering does.

all-wheel steering;experimental research;simulation analysis

U416.21

A

1674-0696（2011）06-1412-03

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.36

2011-03-21;

2011-07-15

交通運(yùn)輸部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目（200631879846）

馬麗英（1973-），女，河北盧龍人，副教授，博士研究生，主要從事道路工程施工技術(shù)及施工機(jī)械性能及理論、液壓傳動(dòng)及控制方面的教學(xué)與研究工作。E-mail:maliying801@yahoo.com.cn。