（机械电子工程专业论文）沥青混凝土摊铺机起步过程研究.pdf

t h er e s e a r c ho f a s p h a l t p a v e r ss t a r t u pp r o c e s s ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：g a oy a ji a n s u p e r v i s o r ：p r o f j i a os h e n g j i e c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 7 叭92叭03叭71y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：高亚走 弘后年年月，日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 高亚建 铷龇够 z 4 0 年年月，多日 乒钐。年彩月朔 摘要 随着沥青路面摊铺质量要求的提高和摊铺机技术的日益成熟，沥青混凝土摊铺机起 步问题越来越受到人们的关注。目前沥青混凝土摊铺机起步存在着液压冲击，起步压痕 和起步过程中的路面摊铺质量等问题。 论文通过对沥青混凝土摊铺机起步过程的分析，得出了起步过程中影响路面摊铺质 量的因素。通过a m e s i m 仿真，获得了在不同工况下，行驶、输料、分料、振捣及振动 液压系统的速度、加速度及系统压力的动态响应。进行分时起步仿真，确定相应液压系 统的起步先后顺序。采用c c s y s t e m 控制器，应用c o d e s y s 编程软件，根据仿真得到的 结果，并按照新的控制方法完成了电控系统设计，在z t 6 0 0 型摊铺机上已得到应用，初 步使用效果良好。 关键词：沥青混凝土摊铺机，起步过程，液压冲击，分时起步 a b s t r a c t a st h eq u a l i t yr e q u i r e m e n t so fp a v i n gt h er o a d i m p r o v e m e n t a n d a s p h a l tp a v e r t e c h n o l o g ym a t u r i n g ，t h e r ei sag r o w i n gc o n c e ma b o u tt h ei s s u eo fa s p h a l tp a v e r a tp r e s e n t ， w h e na s p h a l tp a v e rs t a r t e do f f ，s t a r t - u pp r o c e s sh a v eb e i n gs h o c k i n gp h e n o m e n o n ，i n d e n t a t i o n a n dt h eq u a l i t yi s s u e so fp a v i n g t h r o u g ha n a l y z i n gt h ea s p h a l tp a v e r ，t h et h e s i so b t a i a st h ef a c t o r s ，w h i c ha f f e c tt h e q u a l i t yo fp a v i n gr o a di nt h es t a r t - u pp r o c e s s b ya m e s i ms i m u l a t i o n ，o b t a i nt h e d r i v i n g ，c o n v e y i n g ，s u b f e e d ，t a m p e ra n dv i b r a t i o n sh y d r a u l i cs y s t e md y n a m i cr e s p o n s eo f s p e e d ，a c c e l e r a t i o na n ds y s t e mp r e s s u r ei nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h r o u g hs i m u l a t i o nf o r s u b - t i m es t a r t i n g ，a c q u i r et h es t a r t i n go r d e ro ff i v eh y d r a u l i cs y s t e m b yc c s y s t e mc o n t r o l l e r , u s es o f t w a r en a m e dc o d e s y st op r o g r a ma n dd e s i g ne l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e mi na c c o r d i n gt o t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ，t h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nu s e di nt h ez t 6 0 0a s p h a l t p a v e r ，a n dt h r o u g hp r e l i m i n a r yu s i n g ，t h ee f f e c ti sg o o d k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e r ，s t a r t - u pp r o c e s s ，h y d r a u l i c - s h o c k ，s u b - t i m es t a r t i n g i i 目录 第一章绪论1 1 1 沥青混凝土摊铺机国内外研究现状和发展趋势l 1 1 1 国内沥青混凝土摊铺机研究现状和发展趋势1 1 1 2 国外沥青混凝土摊铺机研究现状和发展趋势2 1 1 3 国内外沥青混凝土摊铺机比较4 1 2 论文研究的背景及意义4 1 3 本文研究的内容5 第二章沥青混凝土摊铺机起步过程对摊铺质量的影响6 2 1 沥青混凝土摊铺机的组成6 2 2 沥青混凝土摊铺机起步施工工艺及控制方法7 2 2 1 沥青混凝土摊铺机起步施工工艺7 2 2 2 沥青混凝土摊铺机起步过程控制方法7 2 3 起步过程中路面摊铺质量下降原因分析8 2 3 1 起步压痕产生的原因与解决方法8 2 3 2 冲击产生的原因与解决方法9 2 3 3 起步过程中路面摊铺质量与各种因素的关系1 l 第三章沥青混凝土摊铺机起步过程仿真12 3 1a m e s i m 软件介绍及仿真的提出1 2 3 1 1 仿真的提出1 2 3 1 2 a m e s i m 软件介绍1 2 3 2 液压系统建模13 3 2 1 系统建模13 3 2 2 系统参数设置1 7 3 3 液压系统仿真2 2 3 3 1 行走液压系统仿真2 2 3 3 2 输料液压系统仿真3 0 3 3 3 分料液压系统仿真3 2 3 3 4 振捣液压系统仿真一3 4 i i i 3 3 5 振动液压系统仿真3 7 3 3 6 液压系统功率与发动机转速仿真4 0 3 4 沥青混凝土摊铺机起步控制方案4 3 第四章沥青混凝土摊铺机电控系统设计4 5 4 1 控制器介绍4 5 4 2 电控系统硬件设计4 5 4 2 1 电控系统应满足的要求4 6 4 2 2 电控系统控制方案4 7 4 2 3 电控系统硬件设计。4 9 4 3 电控系统软件设计5 5 4 3 1 程序设计流程图一5 5 4 3 2 程序编写5 7 第五章结论与展望5 9 5 1 结j 沧5 9 5 2 展望5 9 参考文献6 0 致谢6 2 i v 1 长安大学硕j j 学位论文 第一章绪论 1 1 沥青混凝土摊铺机国内外研究现状和发展趋势 沥青混凝土摊铺机是一种边行走边施工的机械设备，主要用于进行沥青混合料摊铺 作业。它将拌制好的沥青混合料，按照路面的形状和厚度均匀地摊铺在已经修筑好的路 基或路面基层上，并给予初步的捣实和整平，形成满足一定宽度、厚度、平整度和密实 度要求的路面层或基层。 图卜lz t 6 0 0 犁摊铺机 1 1 1 国内沥青混凝土摊铺机研究现状和发展趋势 1 1 1 1 国内沥青混凝土摊铺机技术现状口也们 白上世纪七十年代开始，经过近四十年的发展，我国沥青混凝土摊铺机已成为集机 电液技术于一体的高科技产品。虽然与国外沥青混凝土摊铺机是有差距的，但我们正在 极力缩小这种技术差距。 液压技术方面 全液压技术以其独特的优势( 如优越的控制性能、灵活的传动方式、较大的功率重 量比和高可靠性等) 被应用于大中型摊铺机，开始了全液压技术在摊铺机上应用的新局 面。 机电液一体化 由于微电子技术和液压技术的应用，现在的沥青混凝土摊铺机已经发展为集机电液 一体化的先进设备。大部分的操作控制都采用电控方式，操作方便简洁，避免了以前机 第一章绪论 械方式笨重、费力、繁琐的操作步骤。 恒速摊铺技术 在摊铺作业中、负载的变化、液压元件容积效率和机械效率的变化、发动机转速的 变化以及地面附着情况的变化，都将引起摊铺机速度的变化，造成速度不稳定，严重影 响路面的摊铺质量。目前恒速控制是通过在行走马达上安装速度传感器，把速度反馈到 控制系统，如速度与目标值不同则通过控制变量泵排量尽可能使速度恒定。 供料技术 使用液压技术前，机械传动的输料和分料系统为开关量控制，输料量与生产量之间 难以达到合理的匹配，导致最终的摊铺质量不太理想。改用液压传动后，输料分料系统 实现比例控制，系统调速方便，基本可以达到生产量与输料量的合理匹配。 抗离析技术 分料机构的设计一直与离析问题休戚相关。由于分料机构的设计不合理或施工工艺 的不匹配，都可能导致离析问题加剧。为解决离析问题目前所采取的措施：1 物料满埋 螺旋工作：增大输料能力，降低螺旋转速，增加二次搅拌作用；2 采用变径螺旋设计： 可以达到全部物料满埋螺旋工作且搅拌强度相同的效果；3 增加整机功率匹配：发动机 转速下降会影响摊铺机的正常工作，是产生离析、影响平整度的不良因素；4 防止竖向 离析：根据摊铺材料和厚度不同适当调节离地问隙，同时前导板下部采用弹性橡胶板结 构，可以将离地间隙调为最小；5 防止纵向离析：在左右螺旋的断开处上各加装一组 角度可调的反向螺旋叶片，根据摊铺材料和厚度的变化来调节叶片角度和数量，使中缝 处物料充填密实且均匀。 由于沥青混凝土摊铺机具有广阔的市场，目前除一些老牌摊铺机生产厂家如西筑、 徐工、陕建、三一、天津鼎盛、华晨华通外，国内还有一些其它工程机械企业，如中联、 柳工等，也纷纷加入摊铺机的生产行列。 1 1 1 2 国内沥青混凝土摊铺机发展趋势 目前，我国沥青混凝土摊铺机产品开发的主要方向是：产品系列规格的逐步完善， 以适应不同工程的需要；在引进国外先进技术消化吸收的基础上，逐步扩大国产配套件 的比重，提高国产化水平；不断提高摊铺机的技术性能、工作可靠性和使用寿命。 1 1 2 国外沥青混凝土摊铺机研究现状和发展趋势 1 1 2 1 国外沥青混凝土摊铺机技术现状陋，引 国外沥青混凝土摊铺机厂家十分重视摊铺机的研究与开发，技术的不断发展和完善。 2 长安大学硕1 ：学位论文 目前，沥青混凝土摊铺机已形成系列，能充分满足各种工程的需要。在技术研究和产品 开发上，成熟地应用了机电液一体化技术，使沥青混凝土摊铺机具有结构合理、功能完 善、性能稳定、安全可靠和易于维修等优点。并且仍在不断采用新理论，主要体现在以 下几个方面： 环保节能 整机噪声控制方面：使整机噪声控制在11 0 d b 以下；节能方面：如福格勒超级1 6 0 0 系列、超级18 0 0 系列具有发动机经济型运转模式选择开关。由于发动机在3 4 的摊铺工 况不需要满负荷工作，故而该技术的应用可明显降低机器的磨损、燃油油耗及噪声； t i t a n8 8 2 0 型摊铺机采用道依茨b f 6 m 1 0 1 3 e c p 发动机，可满足欧i i 排放标准：散热 方面由马达带动风扇，具有温控系统，可以降低噪声并且节能。 智能控制操作 英格索兰一a b g 摊铺机的e p m 电子管理系统既有卫星跟踪定位、数据远程传送、电 子路面扫描系统及镭射找平等功能，还有触摸式操作平台可实现整机运作情况监测及故 障诊断，实现刮板无级调速、夯锤频率调整等。输料器、分料器可分别独立驱动，通过 超声波料位传感器组成的闭环控制系统能够精确控制料位高度，保证摊铺质量。其智能 发电机管理系统配置有一个三相交流发电机，不论发动机的转速高低如何，负载如何变 化，发电机输出都可满足需要，避免了负载突变，降低总燃油消耗。熨平板具有左右交 替加热模式，可以减少一半加热动力的消耗。 熨平板技术 英格索兰a b g 摊铺机的熨平板设有起步双重锁定及停车等料功能( 防起步爬升及 防停车下降) ；带张紧调节油缸机构，可防止熨平板纵向变形；拱度液压调节，施工方 便；夯锤和振动装置由马达直接驱动；可配置高密实度自动伸缩型熨平板和标准型伸缩 熨平板。 人性化设计 纵观国外厂商推出的摊铺机，大都体现以人为本的人机工程设计原则。英格索兰- a b g 熨平板拱度采用液压调整，使延伸段能快速连接机构；福格勒和戴纳派克螺旋分料器高 度采用机械或液压无级调幅等，使机器安装轻便快捷，效率更高；福格勒s u p e r2 1 0 0 c 摊铺机的驾驶台整体可以后翻，易于接近所有维修点，料斗前部采用液压折叠技术，可 确保料斗排空，减少人工劳动强度，控制面板和司机座椅可以一起摆动至两侧，视野更 佳。 3 第一章绪论 1 1 2 2 国外摊铺机发展趋势 1 产品系列化：为满足高等级公路路面整体平整度要求，减少路面纵向接缝，大型 沥青混凝土摊铺机，目前最大摊铺宽度可达1 2 - - 1 4 m 。同时，为适应路面养护的小型工 程施工需要，小型摊铺机也得到很大发展。 2 全液压全自动技术的应用：重点体现在作业速度的自动控制、供料速度的自动控 制和自动调平装置上。 3 先进的施工工艺及养护技术的发展，使新的设备不断涌现，如薄层带乳化沥青喷 洒装置的快速摊铺机和双层摊铺机等。 1 1 3 国内外沥青混凝土摊铺机比较 国内厂商参展的摊铺机通过几年的发展，在技术上有了一定的进步，可靠性有所提 高，特别是在外观方面有进一步的提高。但普遍技术含量较低，重复模仿痕迹仍较明显。 主要差距体现在4 个方面。 ( 1 )自主创新能力差 ( 2 ) 摊铺机国内配套件技术落后 ( 3 ) 控制技术落后 ( 4 ) 可靠性较差 1 2 论文研究的背景及意义 沥青混凝土摊铺起始于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，摊铺机械的结构与性能得到了很大发展。现在，我国经济飞速发展，公路质 量要求，交通量、载重量都有大幅度提高。随着路面施工技术的发展，对摊铺机械的要 求越来越高。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 路面的质量，所以摊铺机在起步时的问题越来越受到人们的关注。 鉴于在起步过程中存在的诸多问题，如冲击问题，人们在沥青混凝土摊铺机上可以 明显的感觉到不适，而且还将减小发动机、液压元件等的寿命，并且对路面质量也将产 生较大影响。在路面施工中，不可避免的会发生停车情况，而起步阶段常常使得摊铺质 量不太理想，所以深入研究沥青混凝土摊铺机起步过程，改善起步性能，提高起步过程 中路面摊铺质量势在必行。沥青混凝土摊铺机的起步不仅关系到行驶装置、动力装置， 而且还与其输料分料系统及、振捣振动系统都有莫大关系，所以对摊铺机起步过程的研 究不能仅仅局限在某个系统，而应从全局考虑。 目前已经有很多学者在摊铺机行走纠偏、自动找平、分料离析、和振捣振动方面做 4 长安人学硕1 ：学位论文 了很多工作，几乎都是针对沥青混凝土摊铺机在恒速段的研究。在行走方面有唐相伟的 基于d s p 的摊铺机行走系统控制，杨履冰的大型摊铺机行走控制系统研究、郝 鹏的基于d s p 的沥青混凝土摊铺机行驶系统数字控制器研究、拾方治的沥青混凝 土摊铺机行驶系统p l c 控制技术研究、吴涛的沥青混凝土摊铺机行驶系统数字控制 器研究、陈胜奇的履带式摊铺机行走系统的驱动与控制设计等，振捣振动方面有 王润宝的摊铺机振捣器的动力学分析与应用、田晋跃的摊铺机压实装置的振动特 性、输料和分料方面有解睿的沥青混合料摊铺机“输一分料”系统粒料运行机理研 究，自动找平方面有皮亚东的摊铺机自动调平控制系统的研制。由于论文侧重点 的不同，并没有将起步部分列出来，只是笼统地谈了谈。 1 3 本文研究的内容 根据目前沥青混凝土摊铺机起步过程中路面摊铺所存在的问题，确定本课题的研究 内容如下： 1 收集资料，对以前所做的研究进行总结归纳，并提出问题。 2 对沥青混凝土摊铺机起步过程施工工艺和影响因素做一具体分析。 3 利用a m e s i m 仿真软件对沥青混凝土摊铺机液压系统，在不同工况下的起过程 进行动态性能仿真。在以往控制方法的基础上，改进控制方法，并总结出合理 的起步方案。 4 完成电控系统硬件设计和软件设计。 s 第_ 二章沥青混凝十摊铺机起步过程对摊铺质量的影响 第二章沥青混凝土摊铺机起步过程对摊铺质量的影响 2 1 沥青混凝土摊铺机的组成 沥青混凝土摊铺机的主要组成部分：行走系统、输料系统、分料系统、振捣系统、 振动系统和凋平系统，动力装置、加热系统、辅助系统。 行走系统：沥青混凝土摊铺机的行走系统主要是 为其行走提供足够的牵引力，以满足摊铺工况和行走 工况两种模式的需要。除此之外，由于近年来摊铺技 术的发展并且其行驶速度的恒定性及行驶的直线性 对路面的平整度、初始密实度、离析程度有着很大的 影响，所以对沥青混凝土摊钠机行走机构也提出了越 来越多的要求，诸如恒速控制、纠偏、减小冲击等等。 其主要组成主要包括：发动机、分动箱、双向变量泵、 双速马达、减速机、履带、传感器等等。 图2 - 1 行驶系统动力传递图 输料系统：主要是将料斗中的沥青混合料转送到沥青混合料料槽中。小型摊铺机由 于摊铺厚度小，大都是水平输料；大中型摊铺机摊铺厚度大，基本上都是微斜输料。输 料系统的工作原理是沥青混合料通过输料螺旋的转动被转运至料槽中，螺旋转速的改变 可以调整供料量的多少，并通过安装在料槽上面的料位传感器，不断检测料位高度，以 确定输料螺旋的实时转速。 分料系统：分料螺旋主要是将沥青混合料向摊铺机两端输送，以满足摊铺宽度的需 要。分料系统所消耗的功率相对较大。摊铺机上左右两个分料螺旋分置于主机后面，在 摊铺机行进中将物料向两边输送，堆在熨平板前沿，供熨平板熨平夯实。分料系统的工 作原理是：带有螺旋叶片的轴在一由物料围成的料槽内旋转，使进入料槽的物料由于重 力、叶片摩擦力及料槽摩擦力的作用不和螺旋起旋转，而是向摊铺机两端运送，并同 时向螺旋下面落料和熨平板前沿塞料。 振捣系统：振捣系统是保障路面压实度的一个重要系统。在夯锤的作用下，初步压 实度几乎可以达到8 0 以上。为了达到最佳的压实效果，对于不同的摊铺速度需要一定 的振捣频率与之严格对应。压实度过高，摊铺层密实，碾压过程中易形成坚实的板块， 下层坑凹处摊铺层压缩量小，路面的平整度好；相反压实度低，摊铺层疏松，碾压过程 6 长安人学硕+ i ：学位论文 中石料发生错位，不易形成坚实板块，下层坑凹处摊铺层压缩量大，平整度差。 振动系统：振动系统主要用来提高路面平整度。经振捣系统夯锤振实后，路面留有 印痕，尽管熨平板可以起到整平路面的作用，但效果不如增加振动系统良好。 调平系统：调平系统通过超声波传感器返回的信号不断调节大臂的升降，使摊铺时 始终维持在一个水平。 动力装置：动力装置即指发动机，是为各大系统提供动力的唯一装置。发动机通过 分动箱为各大系统提供一定的转矩和转速，以驱动系统运转。 加热系统：主要用来给熨平板加热，防止熨平板冷却。由于熨平板温度过低将会与 沥青混合料发生粘结，不利于整平。 辅助系统：包括润滑，烟气回收，螺旋升降、散热系统等等。 2 2 沥青混凝土摊铺机起步施工工艺及控制方法 2 2 1 沥青混凝土摊铺机起步施工工艺n 玑1 沥青混凝土摊铺机起步就是摊铀机行走系统由零速度达到设定速度的整体过程。在 分析起步时，不得不讨论起步前的准备工作。 1 在现有施工技术中，沥青混凝土摊钠机各系统启动操作施工之前，首先让发动机空 转2 - 5 分钟，使沥青混凝土摊铺机液压系统得到预热。 2 手动控制沥青混凝土摊铺机的输料系统和分料系统丌始供料，使沥青混合料送至 摊铺机两端并且料槽中的混合料高度达到螺旋叶片直径2 3 高度处或以上。 3 设定行驶速度、振捣频率、振动频率，将输料系统和分料系统开关打至自动位置。 将振捣系统和振动系统的开关都打向自动位置，然后前推前进手柄。 2 2 2 沥青混凝土摊铺机起步过程控制方法 对于沥青混凝土摊铺机作业恒速段控制方法相对较多，但起步过程时的控制方法比 较单一。目前，起步过程控制方法如下： 行走系统：目前大都采用斜坡控制，即使输出的p w m 信号从0 开始，按照一定的 斜率变化，在一段时间后达到设定速度所对应的p w m 值。 输料、分料系统：采用超声波料位器反馈控制，检测料位差的大小，然后输出与料 位差对应的p w m 信号。分料系统控制方法与输料系统类似。 振捣、振动系统：当摊铺机起步后，控制器立刻按振捣系统设定频率对应的p w m 值输出。振动系统控制方法与振捣系统类似。 从施工工艺和控制方法上可以看出当沥青混凝土摊铺机起步时，几大系统同时动作， 7 第二章沥青混凝十摊铺机起步过程对摊铺质量的影响 这会造成发动机负荷瞬间增大，将会降低启动的平稳性。并且在系统控制中，大都按设 定值对应的p w m 信号输出，而设定值是在起步完成后需要达到的最终值，这样起步有 可能产生较大的液压冲击。 2 3 起步过程中路面摊铺质量下降原因分析 公路的等级越高，车速越高，对路面质量要求也越高。路面质量的好坏，不但直接 关系到行车的安全、舒适和车辆的行驶性能以及营运经济性，而且路面施工质量不好还 将使行驶车辆的附加振动作用反过来对路面施加冲击力，从而加剧路面损坏。 在路面施工中沥青混凝土摊铺机施工作业是其关键环节，这个环节对施工质量的影 响最为明显。目前，在沥青混凝土摊铺机作业中，恒速段的摊铺作业已经能够满足施工 要求，而在摊铺机起步阶段的问题仍不能很好的解决。由于在起步阶段压力，流量，负 载等的剧烈变化，沥青混合料的温度下降，施工工艺等问题，造成摊铺质量下降。摊铺 质量下降主要表现在产生起步压痕、压实度不一致，路面不平整。在此过程中也会产生 压力冲击，更加剧了路面摊铺质量的下降。 2 3 1 起步压痕产生的原因与解决方法 起步压痕有两种现象： 沥青混凝土摊铺机起步时有明显的痕迹，产生一条光亮带； 沥青混凝土摊铺机起步时无光亮带，但有明显拉裂现象。 1 原因分析： ( 1 ) 光亮带是由于沥青混合料在停机后，再次启动，沥青混合料流动性下降，振捣器 前部的料在进行振捣时前移速度下降，同频振捣后下压量较大，从而导致密实度较高。 ( 2 ) 开裂是由于停机一定时间后，沥青混合料表面温度下降，沥青黏度逐渐增大，刀 片部位与沥青混合料发生粘结，同时刀片前部沥青混合料沿刀片表层也发生粘结。当机 器重新起步前进时，由于振捣与行驶为同时运动，主振捣刀片i ； 部粘结的表层沥青混合 料尚未振松便受到挤压前推，带动下部的料一同前移，于是产生一条整齐的裂纹。 2 解决方法 ( 1 ) 解决起步光亮带问题有两种方法，一种是对冷料进行加热，因需增加一套加热系 统，不太经济；另一种是降低起步时的振捣频率，增加刀片前面沥青料的单次振捣前进 量，从而降低密实度，抵消因温度降低而产生的密实度增大。由于冷料带温度是逐渐变 化的，为保证其密实度与正常部位密实度始终相同，振捣频率必须随温度的升高而逐渐 加快。解决办法如下：对振捣的起步特性进行校验和速度关联。在控制程序中增加一个 8 长安人学硕i ：学位论文 校验函数，同时通过在现场试验的数据，将振捣的起步斜率与行走系统的起步斜率通过 函数进行关联，从而保证在任何摊铺速度下振捣的起步斜率能始终与行走速度达到匹 配。当沥青混凝土摊铺机起步时，行走速度较小，振捣频率应较小，随着行驶速度加快， 应提高振捣频率。这样，就可使单位距离的振捣次数基本上维持不变，从而使整个路面 的下压量基本一致，消除起步痕迹。 ( 2 ) 解决起步裂纹的方法是应在行驶前先进行振捣，将表层沥青混合料振松，从而 减小粘结力。 2 3 2 冲击产生的原因与解决方法 液压冲击就是管内油液中产生急剧交替的压力升降变化和阻尼波动的过程。冲击问 题产生的原因是由于起步速度设定过大，起步控制方法不合理等原因产生等。设定速度 太大，在短时间内由于外负载作用，沥青混凝土摊铺机不能立即响应，导致系统压力急 剧升高，对液压系统产生冲击。 尽管压力决定于负载，但在沥青混凝土摊铺机起步时，压力急剧上升的原因并不完 全由于负载的变化，而是由于1 系统的压力还不足以克服外界的静摩擦力；2 当系统压 力尚未达到溢流，变量泵排出的油液量大于马达流出的油液量。 假如我们以沥青混凝士摊铺机未起步时为参考条件，液压马达及连接管道内液压油 体积圪，压力为只； 变量泵排出的油液体积圪= p 。q 。d t ( 2 一1 ) 马达排出的油液体积= 卜。g 。d t 变量泵的泄露量：= 且( o 。一0 ：) + c 0 0 ， 出 马达的泄露量：= 且c f 卅以。一只：) + 已础 油管中增加的油液量：一= 圪一吃一一圪 式中：变量泵转速，r m i n ； 口6 变量泵排量，m l ； 9 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 第二章沥青混凝十摊铺机起步过程对摊铺质量的影响 刀。马达转速，r r a i n ； g 。马达排量，m l ； q 变量泵内泄漏系数； 乞变量泵外泄漏系数； 马达内泄漏系数； c e m 马达外泄漏系数； 液体压缩性的大小用体积压缩系数表示，其定义为液体所受压力增1k g c m 2 时， 所发生的体积v 的相对变化值： 即= 瓦西而v r ，则系统压力：即= ，则系统压力： 圪( e 一只) = 警专 c l py y p 1 = 讳“o 由上式( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 7 ) 得： n 吼出一f n m q m d t - j c i p ( p p 。一o ：) + 础一j i 眩。一只：) + 圪坤 e = l 卫1 一 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 由于变量泵泄露及马达泄露相对于流经变量泵和液压马达的油量较少，所以可忽略， 上式简化后可得： l，t l n b qh d 卜l n m q m d t p r = o ( 2 9 ) 由上可以看出压力的变化主要由于液压油体积的变化。追其原因是由于变量泵排出 油液与马达排出油液之问的不平衡引起的。当开始起步时，由于存在阻力作用，马达转 速为零，压力升高。当马达转速上升过程中，如果变量泵排出油液量依然大于马达流出 油液量，那么压力依然升高。 解决方法：在起步过程中仅泵的排量可控，其余为不可控量。如果泵排量较小，马 l o 长安人学硕1 ：学位论文 达有足够的反应时问，在起步时就可以降低油液体积变化速率，已达到降低系统压力的 目的。排量与设定速度( 即沥青混凝土摊铺机的施工速度) 相对应，但设定速度是根据 沥青混合料的供应能力、路面铺筑宽度、路面铺筑厚度来决定的，而不是任意确定的。 所以我们应从控制方法上面着手解决这个问题，减缓排量的增长速率，减小起步过程中 的加速度，尽可能在最短的时间内让变量泵排出的油液体积与马达排出的油液体积达到 平衡。 2 3 3 起步过程中路面摊铺质量与各种因素的关系 在起步过程中，路面的摊铺质量较差主要是由于沥青混凝土摊铺机行驶速度的不断 变化引起的。行驶速度在起步时呈上升趋势，但并非线性变化，且具有很强的不确定性。 这就导致振捣频率与施工速度不能很好的匹配，造成过压或欠压，密实度不一，路面质 量较差。造成速度剧烈变化的因素有以下几点：控制方法、设计因素、动力装置，所以 应该从这几方面考虑，尽可能降低其对速度的影响。 ( 1 ) 控制方法：控制方法的不同将直接导致变量泵排量变化规律的不同，即速度波动 程度的不同。过快的变化速率将引起冲击问题的产生，过慢的变化速率又会降低摊铺机 的生产效率。 ( 2 ) 设计因素：沥青混凝土摊铺机在实际作业时的速度为3 - 5m m i n ，且大部分在 3m m i n 以下，而摊铺机设计的最大作业速度大都在2 0 m m i n 左右，这样实际上摊铺机 在工程条件下的施工速度为最大设计速度的1 4 1 6 ，对应排量基本上不超过最大排 量的2 5 0 5 ，效率相对较低，而且也较不稳定心刳。 ( 3 ) 动力装置：动力装置即发动机，发动机是沥青混凝土摊铺机上的唯一动力装置， 负载对它的影响将直接关系到速度的变化。由于发动机的转速对变量泵的流量产生影 响，从而影响马达转速。 由于设计因素和动力装置在整机设计完成后，已经不能改变，。r 所以本人只能从控制 角度去解决起步过程中存在的问题。 第三章沥青混凝十摊铺机起步过程仿真 第三章沥青混凝土摊铺机起步过程仿真 3 1a m e s i m 软件介绍及仿真的提出 3 1 1 仿真的提出 对于沥青混凝土摊铺机起步过程的研究如果完全采用实验的方法，将会使得成本增 加，周期变长，费工费时费力，所以我们可以采用仿真与实验相结合的办法。在前期工 作中通过仿真计算，来分析起步过程的动态性能和一些起步控制方法，缩短周期，减少 重复试验，降低成本。通过仿真分析，可以指导我们的实验方向，找到一些更好的试验 方法。目前的沥青混凝土摊铺机大都采用液压传动如行驶系统、分料与输料系统、振捣 与振动系统等。所以采用液压仿真领域表现突出的a m e s i m ( a d v a n c e dm o d e l i n g e n v i r o n m e n tf o rs i m u l a t i o n ) 软件来对摊销机起步过程进行分析研究乜5 2 ”。 沥青混凝土摊铺机液压系统仿真的目的主要有三个： ( 1 ) 改变行驶、输料、分料、振捣、振动等系统的起步控制方法，研究起步过程速 度响应特性。 ( 2 ) 针对不同的起步控制方法，研究液压系统的起步过程冲击情况。 ( 3 ) 根据在不同的控制方法下，得到的速度特性和液压冲击特性，寻找一种比较合 理的控制方法或方案。 3 1 2a m e s i m 软件介绍陉3 拍钉1 a m e s i m 是i m a g i n e 公司推出的专门用于液压、机械、气动、电、磁及热等多学 科领域的建模、仿真及动力学分析的软件。它提供了一个系统工程设计的完整平台， 使得用户可以在一个平台上建立复杂的多学科领域的系统模型，并在此基础上进 行仿真计算和深入的分析。用户可以在a m e s i m 平台上研究任何元件或系统的稳 态和动态性能。如为流体动力( 流体及气体) 、机械、热流体和控制系统提供一个完善、 优越的仿真环境及最灵活的解决方案。a m e s i m 的主要特点如下。 1 a m e s i m 为用户提供了一个完善的时域仿真建模环境。 2 易于识别的图标和简单直观的框图，方便用户建立复杂系统及用户所需的特定应 用实例。 3 基于最先进的数字积分器，a m e s i m 求解器根据系统的动态特性，自动选择最佳积 分算法，且具有精确的不连续性处理能力。j 下是a m e s i m 这些技术，保证了仿真的速度和 精度。 4 基于物理原理和实际应用的1 2 个开放模型库，包含大量一维流体机械系统设计 1 2 长安人学硕1 ：学位论文 及仿真所必需的模型。 5 内置和其它系统仿真软件的接口。 6 安全地将受保护的模型传递给开发伙伴、为不熟悉仿真的用户提供简单实用且功 能强大的工具。 3 2 液压系统建模 3 2 1 系统建模 根据沥青混凝土摊铺机液压系统原理图， h y d r a u l i c 元件库，建立仿真模型。 利用a m e s i m 中的s i g n a l 、m e c h a n i c a l 、 图3 1 s i g n a l 元件库图3 - 2m e c h a n i c a l 元件库 卜一厂司 图3 3 h y d r a u l i c 元件库 建立z t 6 0 0 型沥青混凝土摊铺机液压系统仿真模型图如下所示： 1 3 第三章沥青混凝十摊铺机起步过程仿真 1 4 e 苗 求赣癸擎倏篌制靶赛靠糍+巅鬻犯爨 叶n 团 oil3_jd工晒-j一_o co嚣略一olij一e一e 长安人学硕l ：学位论文 1 5 求箍聋辎皤鹾矮龚求v龚簿暴嚣繁+繇寒忙恭n-c团 e苗ojn巴工coo i j o ko：o co#旦3eis lijise 第三章沥青混凝十摊铺机起步过程仿真 a m e s i ms i m u l a t i o no ft a m p e r h y d r u a l i cs y s t e m l 毒 f 一i 图3 - 6沥青混凝十摊铺机振捣液压系统模颦部分 a m e s i ms i m u l a t i o no fv i b r a t i o nh y d r u a l i cs y s t e m 图3 7 沥青混凝士摊铺机振动液压系统部分 模型总结：该沥青混凝土摊铺机液压系统模型包含了行驶系统、输料系统、分料系 统、振捣系统和振动系统。根据z t 6 0 0 型沥青混凝土摊铺机液压原理图组建，并在其中 作了适当调整，但都遵循不改变系统液压特性的原则。可以进行处理运算，研究某一参 1 6 ，。 j k 了 一 一 一 a丫害 一 壬 a工誉 t -。l早卜丫i- 一。厶卜亨。 。厶卜丫。 长安人学硕+ l ：学位论义 数变化对系统的影响。信号加载方便，可直接施加排量比，不用将电流转化为流量，再 转变为排量进行控制。利用不同的信号输入，可以对系统进行分时控制。参量较多，参 数设置较为复杂。 3 2 2 系统参数设置 在系统仿真之前，先要对系统参数进行设定：变量泵排量、溢流阀压力、发动机转 速、液压马达排量等，可以根据其型号设定它们参数，但液压马达负载参数需要通过计 算才能确定。以下简要说明液压马达参数的确定： 3 2 2 1 液压马达转动惯量、粘性阻尼系数确定： ( a ) 实际负载 ( b ) 等效负载 图3 - 8液压马达等效负载模型 在沥青混凝土摊铺机液压系统模型中，采用了如图旋转负载模块。在 其参数设定表中我们需要设定粘性系数，负载惯量，而对于负载扭矩不需 要设定，因为负载扭矩可以由外负载通过减速器等施加给液压马达，所以不需要转化到 旋转负载模块上。 转动惯量和粘性阻尼系数转化：在图3 8 中，负载的转动惯量为，黏性阻尼系数 为b l ，角速度为吼，马达轴转动惯量为二，黏性阻尼系数为既，角速度为。 假设减速机构中齿轮系( 或链传动系) 是理想的，即齿轮( 或链传动系) 为绝对刚 性，齿轮( 或链轮) 的惯量和游隙为零。 根据能量守恒原理有： 圭，二缈三+ 三，彩：= 三，。彩2 c 3 一t ) 由于 缈。= i 吼 ( 3 2 ) 由式( 3 1 ) 与式( 3 2 ) 化简得： 厶= ，：+ j l i 2 ( 3 - 3 ) 1 7 镑 第三章i l f i 青混凝t 摊铺机起步过程仿真 厶即为最终折算到马达输出轴的等效转动惯量，同理可以求出马达和负载折算到马 达输出轴上的等效黏性阻尼系数。 吃= 或+ b t i ( 3 4 ) 扭转弹簧刚度：由于前面已做过假设，即减速机构的齿轮( 或链轮) 和齿轮( 或链 轮) 轴为绝对刚度。因此，马达和负载转化至马达轴上的扭转弹簧刚度可以用马达轴的 扭转弹簧刚度代替。 3 2 2 2 行走系统负载计算： 行走系统主要承受沥青混凝土摊铺机的滚动阻力、爬坡阻力、顶推料车的工作阻力 及拖挂熨平板装置的工作阻力。 沥青混凝土摊铺机的滚动阻力 一= ( ，l l + ，1 2 + m 3 ) g f c o s a ( 3 5 ) 式中：，l l 沥青混凝土摊铺机的主机质量，取2 3 t ； 料斗中混合料的质量，取1 3 t ； 鸭料车向料斗中卸料后剩余的混合料，取o ； g 重力加速度，取9 8 m s 2 ； 沥青混凝土摊钠机滚动阻力系数，取0 0 6 ； 口地面纵坡角度，取4 。 沥青混凝土摊铺机的坡度阻力：c = ( 强+ 朋2 + 鸭) g f s i n a ( 3 6 ) 项推料车的工作阻力：f = f 。+ z ：+ 只， 其中：f i = ( m + m 4 ) g 彳c o s a c 2 = ( m + ) g s i n a f 3 = ( m m 2 ) g 正 式中：f 。料车的滚动阻力，n ； f ：料车的坡度阻力，n ； f ，料车的刹车阻力，n ； 1 8 ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) k 安人学硕1 二学位论文 耽料车的空车质量，t ； 料车车厢中剩余混合料分配给料车的混合料质量，t ； 石料车滚动阻力系数，0 0 5 ； 正料车刹车阻力系数，0 0 5 ； 拖挂熨平板装置的工作阻力：c = c 。+ ： 其中： e i = m y g - l l e 2 = a l d y l 9 1 t 2 式中：e 。混合料对熨平板的摩擦阻力，n ； c ：_ 熨平装置混合料的推移阻力，n ； m 。熨平板装置的质量，6 2 t ； “混合料与熨平板的摩擦系数，取0 5 5 ； a 熨平板装置推移混合料的长度，取6 m ； 料槽的宽度，取o 8 m ； d 熨平装置推移混合料的宽度o 8 5m 九料槽中混合料的密度，沥青混合料密度取1 5 2 0 k g m 3 鸬混合料的内摩擦系数，沥青混合料取0 7 o 8 切线牵引力最 f x = f f f n 七f t 七fp 驱动力矩m k m 足：亟 l l 式中：k 车轮动力半径，m ； 珂行走机构效率。 3 2 2 3 输料螺旋负载计算： 1 9 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) 第三章沥青混凝十摊铺机起步过程仿真 输料螺旋阻力主要指移动物料与底板之间，移动物料与不动物料之间的摩擦阻力。 所谓移动物料是指运动中的输料螺旋所携带的沥青混合料，不动物料是相对于输料螺旋 运动方向无位移的沥青混合料。实际上，后者在不停地补充被输料螺旋带走的物料，是 移动物料的料源。 料斗内的移动物料与底板之问的摩擦阻力 b i = ( i - i - 圪2 ) 几g a s i (