攤鋪機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)研究

劉廣達(dá)，楊寅威，李翔

(1. 遼東學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，遼寧丹東118001;2. 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州221116)

攤鋪機(jī)是用于路面攤鋪的專業(yè)設(shè)備，具有攤鋪速度穩(wěn)定、精度高等特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用在各種高等級路面的施工中，是決定路面質(zhì)量的關(guān)鍵所在［1］。

現(xiàn)代攤鋪機(jī)的發(fā)展面臨諸多問題，主要有路面精度控制和節(jié)能方面的問題［2］。首先，攤鋪機(jī)找平系統(tǒng)受到路基平整度、螺旋分料器速度穩(wěn)定性以及振搗器、熨平板的振動頻率和攤鋪機(jī)工作速度穩(wěn)定性等因素的影響;另外，為了保證發(fā)動機(jī)不發(fā)生熄火，攤鋪機(jī)操作員不得不將發(fā)動機(jī)油門置于最大位置處，這就導(dǎo)致大多數(shù)情況下的阻力矩都將低于發(fā)動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，發(fā)動機(jī)效率較低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重［3］。

針對攤鋪機(jī)作業(yè)過程中存在的問題，結(jié)合有關(guān)功率自適應(yīng)的理論，提出攤鋪機(jī)功率自適應(yīng)電液控制系統(tǒng)的研究，以期提高發(fā)動機(jī)在工作過程中的效率。首先，基于功率自適應(yīng)原理，對攤鋪機(jī)各主要組成部分進(jìn)行了功率分析;然后在此基礎(chǔ)上，建立攤鋪機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)的模型，對該系統(tǒng)的功率分配等進(jìn)行了分析;最后，借助AMESim 軟件，對建立的模型進(jìn)行仿真，得到相應(yīng)的仿真參數(shù)和性能曲線。仿真結(jié)果表明:攤鋪機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)能很好地解決發(fā)動機(jī)工作效率低下的問題。

1 攤鋪機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)分析及方案

對于一段已經(jīng)擬定施工方案的公路，攤鋪機(jī)在工作時的攤鋪厚度和寬度都是確定的，因此生產(chǎn)率也是確定的，所以工作時刮板輸料的速度、螺旋轉(zhuǎn)速都應(yīng)當(dāng)與生產(chǎn)率保持匹配。要保證路面質(zhì)量，攤鋪速度也應(yīng)該始終穩(wěn)定在設(shè)定速度，振搗和振動頻率也隨攤鋪速度而確定［4］。

由于攤鋪機(jī)在工作時的載荷與攤鋪寬度密切相關(guān)，所以有必要依據(jù)攤鋪寬度的不同對油門進(jìn)行分負(fù)載控制，以提高發(fā)動機(jī)工作效率;同時在不同的油門開度情況下對負(fù)載功率進(jìn)行合理分配，促使發(fā)動機(jī)輸出的功率與負(fù)載需求相匹配。

在攤鋪機(jī)工作過程中，攤鋪路面的平整度和初始密實(shí)度直接和攤鋪速度相關(guān)，所以在攤鋪參數(shù)(生產(chǎn)率、攤鋪厚度等)一定的情況下，攤鋪機(jī)行駛速度應(yīng)該保持不變。因此，攤鋪機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)不能像其他連續(xù)作業(yè)的路面機(jī)械一樣靠調(diào)節(jié)作業(yè)速度來使負(fù)載功率與發(fā)動機(jī)功率匹配［5－7］。

結(jié)合以上分析，針對攤鋪機(jī)工作過程中發(fā)動機(jī)效率低下提出的解決方案是:根據(jù)作業(yè)時的不同寬度，對發(fā)動機(jī)油門進(jìn)行劃分，一個油門位置對應(yīng)一個攤鋪寬度;同時對行走變量泵的排量進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，以保證攤鋪速度不變;對發(fā)動機(jī)速度進(jìn)行檢測，當(dāng)速度出現(xiàn)波動時，調(diào)節(jié)螺旋分料器的分料轉(zhuǎn)速以減小其波動。

根據(jù)前面的分析，文中對于每個油門位置所對應(yīng)的功率自適應(yīng)控制方案如圖1 所示。

圖1 攤鋪機(jī)功率自適應(yīng)控制方案

該控制方案的作用原理是:開始工作時，根據(jù)攤鋪寬度的不同將發(fā)動機(jī)油門置于適當(dāng)位置，通過速度電位器設(shè)定攤鋪速度、螺旋電位器設(shè)定螺旋轉(zhuǎn)速，此時各變量機(jī)構(gòu)按照輸入電壓大小把泵排量設(shè)定在對應(yīng)的大小。當(dāng)攤鋪機(jī)作業(yè)時，通過檢測行走馬達(dá)轉(zhuǎn)速的變化進(jìn)而調(diào)整行走液壓泵的排量，使機(jī)器的作業(yè)速度保持不變;通過檢測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制螺旋分料液壓泵的排量，使發(fā)動機(jī)速度穩(wěn)定。如果發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速升高，說明功率富余，此時升高螺旋轉(zhuǎn)速，使螺旋部分消耗的功率上升;如果發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低，說明整機(jī)消耗的功率升高，此時控制液壓泵降低螺旋轉(zhuǎn)速，減小螺旋部分消耗的功率。

2 攤鋪機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)建模

要對攤鋪機(jī)的功率自適應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及動態(tài)性能進(jìn)行研究，必須建立在一個已有的正確的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上。結(jié)合攤鋪機(jī)已有研究成果，充分利用各種理論依據(jù)，對該控制系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)、行走部、螺旋等主要組成部分進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。

理論和實(shí)驗研究表明，發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是油門位置和轉(zhuǎn)速的函數(shù)。根據(jù)電樞回路的電壓平衡方程、電機(jī)的磁轉(zhuǎn)方程和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程得到油門開度與輸入電壓方塊圖［8］(見圖2)。

圖2 油門開度與輸入電壓方塊圖

對比例電磁鐵和泵控馬達(dá)建立數(shù)學(xué)模型，分別得到其傳遞函數(shù)方塊圖［9］，如圖3、圖4 所示。

圖3 比例電磁鐵輸入電壓與銜鐵位移方塊圖

圖4 馬達(dá)轉(zhuǎn)速與控制閥芯位移方塊圖

另得到行走馬達(dá)轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩方塊圖(圖5)和速度傳感器傳遞函數(shù)框圖［10］(圖6)。

圖5 行走馬達(dá)轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩方塊圖

圖6 速度傳感器傳遞函數(shù)框圖

根據(jù)以上建立的模型，連接可得到行走部分的總模型，如圖7 所示。

圖7 行走系統(tǒng)總模型

與行走系統(tǒng)一樣，螺旋分料系統(tǒng)也是采用比例閥控液壓缸來調(diào)節(jié)變量泵的變量機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到調(diào)速的目的。根據(jù)前文的泵控馬達(dá)系統(tǒng)的模型，這里假設(shè)兩馬達(dá)其他參數(shù)都一樣，只是馬達(dá)排量不一樣，因此可根據(jù)前文的計算結(jié)果得到螺旋系統(tǒng)泵控馬達(dá)模型的傳遞函數(shù)框圖見圖8。

圖8 馬達(dá)轉(zhuǎn)速與控制閥芯位移方塊圖

螺旋馬達(dá)轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)輸出扭矩方塊圖如圖9 所示。

圖9 螺旋馬達(dá)轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)輸出扭矩方塊圖

由以上框圖聯(lián)立，可得螺旋系統(tǒng)的總模型，見圖10。

依據(jù)前文建立的各個子模型，可以得到本文所研究的攤鋪機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如圖11 所示。

圖10 螺旋系統(tǒng)模型

圖11 攤鋪機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

3 攤鋪機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)仿真

前面對攤鋪機(jī)的功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析并提出了控制策略，建立了數(shù)學(xué)模型，接下來將在前面建立的模型的基礎(chǔ)上，利用AMESim 軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

發(fā)動機(jī)模型如圖12 所示，圖中模型共有7 個信號接口。

圖12 發(fā)動機(jī)模型

其中，信號口1 輸入的是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，同時向負(fù)載提供轉(zhuǎn)矩;信號口2 返回系統(tǒng)的廢氣溫度、流量以及尾氣中各種成分的含量指標(biāo)等;信號口3 返回的是發(fā)動機(jī)的平均有效壓力(BMEP);信號口4 返回的是冷啟動時系統(tǒng)的功率損失，通常用于起動時司機(jī)調(diào)整負(fù)載要求，在混合動力時該口不用;信號口5 是一個多路復(fù)用輸入接口，共可同時接受4 個信號:負(fù)載需求、燃燒模式、以及燃燒熱釋放系數(shù)和怠速模式;信號口6 給出系統(tǒng)燃燒熱功率損失并返回發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度;信號口7 返回冷卻液溫度。

對于螺旋分料機(jī)構(gòu)，在假設(shè)物料供應(yīng)充足的情況下，螺旋工作的阻力應(yīng)該保持不變，因此這里將工作阻力簡化為一常值，并通過函數(shù)添加。攤鋪機(jī)行走部分液壓系統(tǒng)同螺旋部分液壓系統(tǒng)相似，變量泵模型為PU003，定量馬達(dá)模型為MO001。在馬達(dá)輸出端加上了速度傳感器，用于檢測行走速度，負(fù)載通過函數(shù)添加。其中，工作負(fù)載通過階躍函數(shù)加載后經(jīng)輪邊減速器轉(zhuǎn)化為扭矩進(jìn)入系統(tǒng)。在AMESim 軟件中對攤鋪機(jī)功率自適應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，得到該控制系統(tǒng)的模型如圖13 所示。

圖13 攤鋪機(jī)功率自適應(yīng)系統(tǒng)仿真模型

4 仿真結(jié)果

根據(jù)文中所研究的攤鋪機(jī)型號和技術(shù)參數(shù)，控制系統(tǒng)的各項參數(shù)如表1 所示。需要對各仿真加載參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中的要求，結(jié)合文中所研究的攤鋪機(jī)的具體參數(shù)，加載參數(shù)值如表2 所示。

為簡化仿真過程，對攤鋪機(jī)工作情況進(jìn)行必要簡化。為方便觀察，施加的負(fù)載均為理想負(fù)載，攤鋪各部分均有料，攤鋪的路面質(zhì)量假設(shè)良好，且縱坡、橫坡坡度均為0。限于篇幅，文中僅給出攤鋪寬度B =12.5 m 的仿真結(jié)果。

表1 各系統(tǒng)參數(shù)

表2 系統(tǒng)加載參數(shù)

如圖14 所示，是階躍負(fù)載下攤鋪機(jī)的速度變化曲線。

圖15 所示為階躍負(fù)載時行走部分消耗的功率曲線。結(jié)果表明:系統(tǒng)未采用功率自適應(yīng)控制時控制效果與已采用的有差別，但相差較小。

圖14 行走速度曲線(B=12.5 m)

圖15 行走功率曲線(B=12.5 m)

圖16 所示為階躍負(fù)載下螺旋分料器的轉(zhuǎn)速變化曲線，可看出在:進(jìn)行了功率自適應(yīng)控制之后，螺旋能根據(jù)需要進(jìn)行速度控制。

圖17 為階躍負(fù)載下螺旋分料器消耗的功率變化曲線。由曲線2 看出，進(jìn)行了功率自適應(yīng)控制后，在撞擊自卸卡車時，螺旋功率減小并隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定而穩(wěn)定。

圖16 螺旋轉(zhuǎn)速曲線(B=12.5 m)

圖17 螺旋功率曲線(B=12.5 m)

圖18 為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線。在進(jìn)行了功率自適應(yīng)控制之后，發(fā)動機(jī)波動變化明顯小于原系統(tǒng)，這對穩(wěn)定輸出功率有好處，并且發(fā)動機(jī)始終工作在最少節(jié)能點(diǎn)附近有助于減少系統(tǒng)油耗。

圖19 所示為發(fā)動機(jī)輸出功率曲線。由曲線2 可以看出:在進(jìn)行了功率自適應(yīng)控制之后，發(fā)動機(jī)輸出更加穩(wěn)定，在頂推自卸卡車時的功率波動明顯降低，自適應(yīng)效果良好。

圖18 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(B=12.5 m)

圖19 發(fā)動機(jī)功率曲線(B=12.5 m)

5 結(jié)論

通過對攤鋪機(jī)進(jìn)行功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)，在頂推自卸卡車前進(jìn)時，行走速度受到的影響明顯較原系統(tǒng)小，受影響路面距離也短;螺旋在檢測到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動時，能對自身轉(zhuǎn)速自動進(jìn)行調(diào)節(jié)，很好地抑制了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的波動，使發(fā)動機(jī)始終輸出較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和功率，這對發(fā)動機(jī)的節(jié)能控制有好處。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，對于搭載BF6M1013 型發(fā)動機(jī)的CLG509 攤鋪機(jī)，當(dāng)發(fā)動機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速2 300 r/min，在對自卸卡車進(jìn)行撞擊的瞬間，發(fā)動機(jī)掉速達(dá)到了50 r/min以上，恢復(fù)原轉(zhuǎn)速時間超過10 s，受影響路面距離達(dá)到0.73 m［11］。因此，攤鋪機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)具有較好的控制性能，在提高路面質(zhì)量、控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動、匹配功率以及節(jié)能等幾方面都有較大的好處。

［1］解睿．瀝青混合料攤鋪機(jī)“輸－分料”系統(tǒng)粒料運(yùn)行機(jī)理研究［D］．重慶:重慶交通大學(xué)，2008．

［2］于槐三．?dāng)備仚C(jī)設(shè)計(二)［J］．建筑機(jī)械，2004(8):89－93．

［3］唐相偉．?dāng)備仚C(jī)作業(yè)速度與DSP 行駛控制器研究［D］．西安:長安大學(xué)，2005．

［4］郝鵬．基于DSP 的瀝青混凝土攤鋪機(jī)行駛系統(tǒng)數(shù)字控制器的研究［D］．西安:長安大學(xué)，2003．

［5］于槐三．?dāng)備仚C(jī)設(shè)計(三)［J］．建筑機(jī)械，2004(9):83－89．

［6］于槐三．?dāng)備仚C(jī)設(shè)計(五)［J］．建筑機(jī)械，2004(11):106－109．

［7］于槐三．?dāng)備仚C(jī)設(shè)計(四)［J］．建筑機(jī)械，2004(10):86－88．

［8］姚懷新．工程機(jī)械發(fā)動機(jī)原理與性能［M］．北京:人民交通出版社，2007．

［9］王春行．液壓控制系統(tǒng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999．

［10］馬鵬宇．冷銑刨機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)研究［D］．西安:長安大學(xué)，2008．

［11］莫德志．使用自卸車對瀝青攤鋪機(jī)施工的影響［J］．工程機(jī)械文摘，2007(2):7－8．