（机械工程专业论文）沥青防水卷材自动铺设机的研发.pdf

j ，l- u 、 一 独创性声明 i i i ll lii i ii iii i i l liiif y 1 7 8 8 4 0 8 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：鱼喳翩签名：日期：驯郴 1 j 摘要 摘要 近年来，随着国民经济的快速发展，高速公路、高速铁路也进入快速发展阶 段，与此同时，为了抵御国际金融风暴对经济的影响，我国采取一揽子经济刺激 政策，更加速了高速公路、高速铁路的建设和发展。而在高速公路、高速铁路的 建设中，道桥的施工建设占施工量的6 0 左右，因此，作为决定道桥寿命的“生 命层”防水层的施工显得尤其重要，这是因为好的防水层能够有效防止桥面 水蚀，延长桥梁的使用寿命。但是，目前我国防水层施工机械化水平与国际先进 水平相比存在很大的差距，国内普遍采用的防水层施工设备都为简易型铺设机， 利用汽油喷灯等对防水材料进行烘烤，这种办法不仅能源利用率低，而且操作复 杂，需要多个专门工作人员进行操作，严重制约了施工效率，同时控制精度、稳 定性、可靠性也受到限制，质量无法得到保证。因此，国内某知名防水企业为了 提高施工效率，保证施工质量，亟需一种适合其施工的沥青防水卷材自动铺设机。 本文就是在此背景下与企业合作进行的研究开发工作。 本文主要包括五个部分。 第一章，主要对国内外占据绝大部分市场的沥青防水卷材施工背景以及施工 设备的发展情况进行综合论述，阐述了本文的研究意义以及主要研究方向； 第二章，介绍了沥青防水卷材自动铺设机的整体结构设计方案，其中包括一 种新型前驱前转向的差速机构的设计、烤箱设计以及铺设机构的设计等； 第三章，搭建了沥青防水卷材铺设机的控制系统，该控制系统采用可编程逻 辑控制器( p l c ) 作为核心处理器，引进多种模块，以多传感器信号为基础，进 行信号采集，实现对铺设机各种功能的控制。其中，为了实现其无线遥控操作， 进行了无线遥控模块的设计； 第四章，针对本课题采用的差速驱动机构的特性，对铺设机控制系统中的行 驶测控模块进行了设计与实现，主要包括两种模式行驶模式和铺设模式的设 计。其中，为了保证铺设机铺设时行驶的直线性和恒速性，引进了一种模糊参数 自整定p i d 算法。另外，为了实现铺设状态的自动寻线功能，提出了一种自动寻 线算法，该算法是基于模糊参数自整定p i d 算法的基础上，以实验为导向，适应 于该铺设机的一套算法； 第五章，为本文的试验环节，大量模拟试验以及现场试验，尤其是在武广线、 哈大线等高速铁路防水工程应用中展示了此沥青防水卷材铺设机功能实用性。该 设备的设计特点对于相似类型的工程机械具有一定借鉴价值。 关键词自动铺设机；防水卷材；差速机构；p l c ；模糊参数自整定p i d ，j t j l u i nt h er e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y e c o n o m y , h i g h w a y sa n dh i g h - s p e e dr a i l w a y sa r e a l s o g o i n gi n t h e f a s td e v e l o p i n gs t a g e m e a n w h i l e ，b e c a u s eo ft h ew o r l de c o n o m yc r i s i s ，o u rg o v e r n m e n tt a k e sap a c k a g eo f e c o n o m i cs t i m u l a t i o np l a n s ，s ot h eh i g h w a y sa n dh i g h s p e e dr a i l w a y sa r ed e v e l o p i n g o nas c a l e i nt h ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a y sa n dh i g h s p e e dr a i l w a y s ，r o a d - b r i d g e sa n d v i a d u c t st a k ea b o u t6 0 o ft h e i ra s s i g n m e n t s ot h ec o n s t r u c t i o no ft h ek e yl a y e r “w a t e r p r o o f i n gl a y e r w h i c hc a l ld e t e r m i n et h el i f eo f t h eb r i d g ei sv e r yi m p o r t a n t ，t h e r e a s o ni st h a tab e t t e rw a t e r p r o o f i n gl a y e rc a nt a k ei t sg r e a te f f o r tt op r e v e n tt h ed e c k o fb r i d g ef r o mw a t e re r o s i o n ，a n dp r o l o n gi t sa g e so fu s a g e h o w e v e r , t h e r ei s s t i l la g r e a tg a pi nt h em e c h a n i z a t i o nd e g r e eo fw a t e r p r o o f i n g - c o i l e d - m a t e r i a lc o n s t r u c t i o n e q u i p m e n t sf o ro u rc o u n t r yw i t ht h ei n t e m a t i o n a la d v a n c e dl e v e la tp r e s e n t m o s to f t h ed o m e s t i cw a t e r p r o o f i n g - c o i l e d - m a t e r i a lc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t sa r es i m p l e p a v i n gm a c h i n e s ，w h i c hu s ep e t r o lb l o w t o r c ht o h o tu pt h ew a t e r p r o o f i n gc o i l e d m a t e r i a l t h e r ea r em a n yd i s a d v a n t a g e sf o rt h i sh e a t i n g u pm e t h o d ，i n c l u d i n gl o w u t i l i z a t i o nr a t eo fe n e r g y , c o m p l e xo p e r a t i o nw h i c hn e e d ss e v e r a ls k i l l e do p e r a t o r sa n d u n f a v o r a b l ec o n s t r u c t i o ne f f i c i e n c y a tt h es a m et i m e ，t h ec o n t r o la c c u r a c y , s t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n dc o n s t r u c t i o nq u a l i t ya r e1 i m i t e d t h e r e f o r e ，ad o m e s t i c r e n o w n e d w a t e r p r o o f i n gc o m p a n yu r g e n t l yn e e d s ak i n d o fp a v i n gm a c h i n ef o ra s p h a l t w a t e r p r o o f i n gc o i l e dm a t e r i a l t oi m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c ya n dg u a r a n t e et h e q u a l i t y u n d e rt h eb a c k g r o u n dm e n t i o n e da b o v e ，t h i sd i s s e r t a t i o ni sj u s t a b o u tt h e r e l a t i v er e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gw o r kc o o p e r a t i o nw i t ht h i sc o m p a n y t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yc o n t a i n sf i v ec h a p t e r s f i r s t l y , t h e r ei sac o m p r e h e n s i v ed i s c u s s i o na b o u tt h ec o n s t r u c t i o nb a c k g r o u n d a n dd e v e l o p m e n to fc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n tf o ra s p h a l tw a t e r p r o o f i n gc o i l e dm a t e r i a l ， w h i c h o c c u p i e st h em o s to ft h e d o m e s t i ca n df o r e i g nm a r k e t s m e a n w h i l e ，i t e x p o u n d st h es i g n i f i c a n c eo ft h i ss t u d ya n dt h em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o n s s e c o n d l y , t h ew h o l es c h e m eo nt h e s t r u c t u r a ld e s i g no fa u t o m a t i cp a v i n g m a c h i n ef o ra s p h a l tw a t e r p r o o f i n gc o i l e dm a t e r i a li si n t r o d u c e d i nt h i sc h a p t e r , an e w k i n do fd i f f e r e n t i a lm e c h a n i s m ，ak i n do fo v e na n dap a v i n g m e c h a n i s ma r ed e s i g n e d t h i r d l y , t h e c o n t r o l s y s t e m o fa u t o m a t i c p a v i n g m a c h i n ef o r a s p h a l t w a t e r p r o o f i n g c o i l e dm a t e r i a li ss e t u p t h i s c o n t r o l s y s t e mm a i n l y u s e s p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) a sc e n t r a lp r o c e s s o ru n i t ，m e a n w h i l e ，s e v e r a l m o d u l e sa r ea d o p t e dt oc o m p l e t er e l a t i v ef u n c t i o ni n t h i ss y s t e m ，w h i c ha r eb a s e do n m u l t i - s e n s o rs i g n a l s i na d d i t i o n ，aw i r e l e s sm o d u l ei sa l s od e s i g n e dt or e a l i z et h e w i r e l e s sc o n t r o lf o rp a v i n gm a c h i n e f o u r t h l y , t h ed e s i g na n df u n c t i o n a l r e a l i z a t i o no fd r i v i n gm e a s u r e m e n ta n d c o n f f o lm o d u l ea r es t a t e d ，w h i c ha r ei nc o n n e c t i o nw i t ht h en e wk i n do fd i f f e r e n t i a l 北京丁业人学t 学硕i ：论文 m e c h a n i s m t h i sm o d u l er u n si nt w om o d e s ，d r i v i n gs t a t ea n dp a v i n gs t a t e i nt h e m o d eo fd r i v i n gs t a t e ，o p e n - l o o pc o n t r o li su s e dt or e a l i z em a n u a lc o n t r o l ，i n c l u d i n g t u r n i n gl e f t ，t u r n i n gf i g h ta n do t h e ra c t i o n s ，w h i l ec l o s e d - l o o pc o n t r o li sa d o p t e dt o k e e pg o i n gs t r a i g h t h o w e v e r , i nt h em o d eo fp a v i n gs t a t e ，w ea d o p tak i n do ff u z z y p a r a m e t e r ss e l f - t u n i n gp i da l g o r i t h mt ok e e pt h ep a v i n gm a c h i n ed r i v i n ga ta c o n s t a n t s p e e da n dg o i n gs t r a i g h t o t h e r w i s e ，ak i n do fa u t o m a t i cs e a r c h i n gl i n ea l g o r i t h mi s p r e s e n t e dt oi m p l e m e n tt h ef u n c t i o no fa u t o m a t i cs e a r c h i n gl i n ep a v i n g a tl a s t ，t h i sp a r ti sa b o u te x p e r i m e n t so ft h i sp a v i n gm a c h i n e ，al o to fr e l a t i v e s i m u l a t i v ea n df i e l de x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h i sm a c h i n ec a nm e e tt h en e e do fw i d e w a t e r p r o o f i n gc o n s t r u c t i o nf o rr o a d - b r i d g ea n dv i a d u c t e s p e c i a l l y , t h ew a t e r p r o o f i n g c o n s t r u c t i o nf o rh a d aa n dw u g u a n gh i g h - s p e e dr a i l w a y sd e m o n s t r a t e di t sa p p l i e d a b i l i t y t h ef e a t u r e so ft h i se q u i p m e n tc a na l s ob eo f r e f e r e n c eb ys i m i l a rc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y k e y w o r d sa u t o m a t i cp a v i n gm a c h i n e ，w a t e r p r o o f i n g - c o i l e d - m a t e r i a l ，d i f f e r e n t i a l m e c h a n i s m ，p l c ，f u z z yp a r a m e t e r ss e l f - t u n i n gp i d 1 v 1 1 道桥防水施工背景1 1 1 1 国内高速公路以及高速铁路的发展1 1 1 2 防水施工工艺2 1 2 国外沥青防水卷材施工的发展情况4 1 3 国内沥青防水卷材施工的发展情况6 1 4 本文的研究意义与主要研究方向7 1 5 本文主要研究内容与创新点8 1 5 1 本文主要研究内容8 1 5 2 本文的创新点9 第2 章沥青防水卷材铺设机的结构设计1 1 2 1 铺设机的总体结构设计1 1 2 2 铺设机的驱动转向机构设计1 2 2 2 1 连接轴的设计1 2 2 2 2 电机的选择13 2 2 3 减速器的选择：1 6 2 3 烤箱的设计1 6 2 3 1 烤箱形状的设计1 7 2 3 2 烤箱材料的选择19 2 3 3 烤箱的成型1 9 2 4 铺设机的铺设机构设计2 0 2 5 本章小结2 l 第3 章沥青防水卷材铺设机的控制系统设计2 3 3 1 铺设机控制系统整体组成2 3 3 2 中央处理器2 3 3 2 1 可编程序控制器系统的基本组成2 4 3 2 2 可编程序控制器的工作原理2 6 3 3 行驶测控模块2 7 3 4 无线遥控模块2 9 3 4 1 无线遥控模块的硬件设计3 0 3 4 2 无线遥控模块的软件设计3 5 北京t q k 人学t 学硕i 学化论文 3 4 3 无线遥控模块与p l c 的通讯3 9 3 5 烤箱铺设控制模块4 0 3 6 显示操作模块4 0 3 6 1 人机界面4 1 3 6 2 操作面板。4 4 3 7 温度模块和其他模块4 4 3 8 本章小结4 8 第4 章行驶测控模块的设计与实现4 9 4 1 行驶测控系统控制方案及其功能4 9 4 2 行驶测控模块的硬件选择与设计5 2 4 2 1 中央处理器5 2 4 2 2d a 模块5 5 4 2 3 变频器5 8 4 2 4 传感器6 1 4 3 行驶测控模块的软件设计一7 1 4 3 1p i d 算法7 l 4 3 2 自动寻线算法7 9 4 - 3 3 行驶测控系统软件流程。8 l 4 4 本章小结一8 2 第5 章整体试验以及结果分析8 5 5 1 小车架限位问题的试验8 5 5 1 1 问题出现的原因8 5 5 1 2 试验中问题的分析与解决8 5 5 2p i d 算法相关试验8 6 5 3 自动寻线算法的相关试验8 7 5 4 沥青卷材自动铺设机综合性能测试试验8 9 5 4 1 防水卷材铺设质量检测试验一8 9 5 4 2 烤箱能耗的分析9 2 5 4 3 铺设机行驶功能试验9 3 5 5 本章小结9 3 结论与展望9 5 参考文献9 7 附勇乏10 1 攻读硕士学位期间取得的研究成果1 0 5 致谢10 7 第1 章绪论 第1 章绪论 沥青防水卷材铺设机是一种专用的防水卷材铺设施工机械，主要应用于高速 公路、高速铁路以及城市立交桥等道桥防水工作。伴随着我国经济的高速发展， 公路、铁路等级多元化发展，均以前所未有的规模、标准和速度向前推进，使得 道桥施工的速度“飞速 提高，同时对道桥的施工技术水平、施工工艺和路面材 料以及路面的结构设计也提出了越来越高的要求。决定道桥寿命的防水层施工也 遇到发展“瓶颈”，之前的防水卷材一般采用人工手持汽油喷灯来铺设，这种施 工方法耗能多、污染大、效率低，质量难以保证，因此，亟需研制出一种专用的 防水施工机械代替手工铺设工作。 1 1 道桥防水施工背景 1 1 1 国内高速公路以及高速铁路的发展 交通一直是困扰地域经济发展一个重要因素，随着经济的发展，这种矛盾进 一步尖锐。同时人类一直在追求方便、快捷、舒适的交通，因此，高速公路与高 速铁路应运而生，如图1 1 所示，它是社会经济发展的必然选择，从某种意义上 说，高速公路与高速铁路的发展水平标志着一个国家的经济发展水平。 目前，我国的高速公路建设正处于加速扩张阶段。高速公路建设在我国仍然 处于黄金发展阶段。随着国家经济的高速发展，汽车工业化和城市化进程的推动 给高速公路发展带来极大机遇，由于公路仍然作为我国最主要的运输方式，依然 承担着9 1 8 4 的客运量和7 3 2 9 的货运量，因此高速公路未来发展仍然存在巨 大空间。根据交通部的规划，如图1 2 ( a ) 所示，到2 0 1 0 年，我国公路总罩程 要达到2 3 0 万公罩，2 0 2 0 年，全国公路总里程要达到3 0 0 万公罩。 同样，铁路也迎来发展的黄金期，从图1 2 ( b ) 可知，从2 0 0 9 年至2 0 1 2 年铁路线总长度将增长4 1 万公里，其中高速铁路是一个相当重要的活动因素， 这种增长速度对于许多国家来说是不可思议的。1 9 9 9 年8 月中国第一条高速铁 路秦沈客运专线开工，揭开了高铁建设的序幕。2 0 0 5 年陆续开工了1 1 个高铁项 目，中国的高铁建设进入高潮。目6 订竣工的高铁基本都是2 0 0 5 年开工的。2 0 0 7 年开工了6 条。2 0 0 8 年又是一个高潮，共丌工了1 7 条。2 0 0 9 年为应付经济危机， 刺激内需，更是把规划在1 0 年甚至2 0 年以后的计划都统统提前了，年内相继开 工了1 7 条。2 0 1 0 年一大批规划要落实，预计至少又有2 2 条开工，中国的高铁 建设进入新的高潮。以上仅仅是新开工的，不算既有线改造和电气化改造。当然， 2 0 1 0 年以后还会陆续有新的高铁开工。比如渝郑，渝西，渝长，渝昆这四条和 北京t 业人学t 学硕t 学位论艾 昆台铁路至今还没有敲定，各方还在激烈的争夺中瞳3 。 ( a )( b ) 图1 1 高速公路与高速铁路 f i g 1 - lh i g h w a ya n dh i g h - s p e e dr a i l w a y ( a ) ( b ) 图1 2 我国的公路与铁路的发展趋势 f i g 1 2d e v e l o p i n gt r e n d so f r o a da n dr a i l w a yi nc h i n a 1 1 2 防水施工工艺 在高速公路和高速铁路的道桥施工中，道桥的强度、寿命、刚度、密实性、 均匀性、平整度是施工质量的重要指标，其中特别是道桥的强度和寿命如何得到 保证，这就得从道桥面的基本机构入手，如图1 3 所示，该图为道桥面的基本构 造，从下至上，分别为混凝土桥面板，基层处理剂，桥梁专用防水卷材，下面层 沥青混凝土和上面层沥青混凝土五部分组成，其中，中间层桥梁专用防水卷材的 作用是保护混凝土桥面板，而防水层铺设质量不好将导致钢筋锈蚀，混凝土强度 降低，结构使用寿命的缩短，因此，防水层是保证高架桥、高架公路、铁路施工 质量的关键。目前，常用的防水材料可分为：防水卷材、防水涂料、密封材料和 刚性防水材料等四类，其中防水卷材的使用最广，占防水材料使用总量8 0 左右。 从施工工艺角度可分为热压型、冷压型、自粘型及喷涂型等防水材料，其中热压 型防水卷材应用最广。因此，本文主要针对热压型防水卷材施工工艺进行介绍以 及施工设备进行研制。如图卜4 ( a ) 所示，该图为普通防水卷材，而高速公路 d b 0 0 0 0 b b 弘如筋加 坫加5 图1 - 3 道桥面基本构造 f i g 1 - 3b a s i cs t r u c t u r eo fr o a d - b r i d g e ( a )( b ) 图l _ 4 热压型防水卷材 f i g 14w a t e r p r o o f i n gc o i l e dm a t e r i a lo fh e a t i n g p r e s st y p e 如图1 5 所示，防水卷材铺设工艺，其过程分为：基面处理，涂刷基层处理 剂，铺设防水卷材，防水卷材铺贴质量检测，沥青混凝土摊铺。其中，最为重要 的是铺设防水卷材，铺设防水卷材又分为：加热基层，热熔铺贴防水卷材，滚压 防水卷材，铺设过程的控制。 ( 1 ) 加热基层，在施工过程中，需要燃烧箱对沥青防水卷材进行加热至1 3 0 左右，同时对已涂刷处理剂的混凝土基层进行加热，排除基层中参与的水汽，保 证防水卷材与基层之问持久的粘结效果。 ( 2 ) 热熔铺贴防水卷材，需要恒温加热防水卷材下表面，使沥青至熔融状态， 并通过这层熔融的沥青防水卷材完全粘贴于基层，同时自动完成防水卷材搭接边 的定位和热熔粘贴，确保搭街边宽度一致。 ( 3 ) 滚压防水卷材，热熔铺贴防水卷材以后，需要对己粘贴在桥面的防水卷 材进行滚压，彻底排除防水卷材下方可能存在的气泡，促进熔融状态的沥青进一 步渗透基层。 1 2 国外沥青防水卷材施工的发展情况 国外最为著名的是s o p r e m a ( 索普瑞玛) 集团，1 9 0 8 年创建于法国，是 集改性沥青防水材料( s b s 、a p p ) 、f l a g ( 法拉格) 高分子防水材料( t p o 、 p v c ) 及配套辅材的研发、生产、设计、销售、施工及服务于一体的国际化集团， 是世界最大的环境友好型建筑防水系统供应商之一，是改性沥青防水卷材技术的 发明者领导者，是欧洲高分子防水材料著名供应商之一。为了配合他们自己的道 桥防水卷材产品，他们研制开发了世界专利产品全自动防水卷材铺设系统 m a c a d e n ( 如图1 6 所示) 和与其配套的2 0 0 米长桥面专用s b s 改性沥青防水卷 材a n t i r o c k ，并在欧洲和北美洲成功地运用，完成工程数百项，其出色的品质， 赢得了广泛的信誉。 筇1 章绪论 图1 - 6 索普瑞玛研制的全自动铺设机 f i g 1 - 6f u l l ya u t o m a t i cp a v i n gm a c h i n em a d eb ys o p e r e m a 索普瑞玛道桥防水技术采用的是s b s 改性沥青防水卷材，高强度聚酯胎基， 页岩覆面，4 2 m m 厚，偏胎，下表层改性沥青2 m m 厚，每卷2 0 0 米长，重1 吨 多。连续自动铺设防水卷材装备是一个无人驾驶的遥控车，约5 米长，以液化气 为燃料和动力。由叉车将1 吨多重的2 0 0 米长的防水卷材吊装在自动铺设车上， 铺设车自动控制燃气温度和铺设速度，以每分钟l 2 米的速度将防水卷材热熔 于已涂好冷底油的混凝土基层表面。车内导航装备控制铺设车自动铺设。搭接边 约有1 厘米宽溢出的热改性沥青封边。铺设速度、质量效果及粘结强度明显好于 手工喷灯方法h 儿引。 ( a )( b ) 图l 一7s h e a f e r 公司的铺设机 f i g 1 - 7p a v i n gm a c h i n em a d eb ys h e a f e rc o m p a n y 德国s h e a f e r 公司是全球知名的道路养护机械制造商，也研制了卷材铺 设机并向多个国家出口。s h e a f e r 公司研制的铺设机如图1 7 ( a ) 所示，设备 特点：采用柴油发电机驱动三轮车结构，人工手动转向，用液化气作燃料烘烤改 性沥青卷材，最大可铺设6 0 米长的卷材m 1 ；实现了卷材铺设的半自动化，能减 轻工人的劳动强度，在一定程度上提高了工作效率；但该铺设机承载能力小，不 适合大卷材长距离的铺设，而且需要多种燃料，液化气更换频繁，购买更换不方 设，而且需要多种燃料，液化气更换频繁，购买更换不方便，而且自动化程度低， 增大了主观因素对铺设效果的影响。 图1 - 9 哈工大研制的自动铺设机 f i g 1 - 9p a v i n gm a c h i n em a d eb yh a r b i ni n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y f i g 1 - 10p a v i n gm a c h i n em a d eb yo r i e n ty u h o n g 尽管国内沥青防水卷材铺设机已经有了一定程度的发展，但是与国外的铺设 机相比，还存在着很大差距。主要表现在，国内铺设机主要依赖于引进国外技术， 自主创新能力不够，成本高。而且，国内现有的铺设装备具有以下缺陷： ( 1 ) 整体落后，自动化程度低，不适合大防水卷材长距离的铺设； ( 2 ) 人工参与多，易受到人为因素影响，如现有设备都是采用人工手动转 向； ( 3 ) 耗能多，烘烤系统大都采用喷灯用的喷嘴，热量流失较多；随着国外 公司进入中国市场，竞争加剧，急需研制一种自动化的防水卷材铺设设备。 ( 4 ) 防水卷材烘烤不均匀，滚压不严。 要解决以上问题，提高国内自动铺设机的性能，这就亟需在现有的水平上研 制出专业的拥有自主知识产权的自动铺设机。 1 4 本文的研究意义与主要研究方向 目前我国处于高速公路、高速铁路发展的黄金阶段，道桥防水工作急需一种 自动化程度高、能耗低、低排放、低污染的低碳、环保的防水施工设备。另一方 面，防水行业是近二十年才发展起来的新兴行业，从事防水行业的企业都是私营 企业，这些企业一般规模较小，不具有研发条件，而进口国外设备又受同行竞争 限制，买不到先进设备。通过本项目的开展，在总结卷材施工过程中的经验基础 1 5 1 本文主要研究内容 本文针对研究课题主要目标参数进行了设计，包括驱动转向机构、烤箱、铺 设机构等几部分进行了设计。同时针对该设备的特殊性，提出了一套基于中央处 理器( p l c ) 控制方法，并用软件实现了三个方面的功能，一方面是在行驶模式 下，不管是前进还是后退，采用开环和闭环相结合的方式进行控制；第二方面是 在铺设模式下，采用模糊参数自整定p i d 实现两个电极各自独立调整到行驶速度 的设定值，确保无差速走直线，同时也能实现差速转向；第三方面也是在铺设模 式下进行自动寻线。另外，也进行了大量的相关模拟试验以及现场试验。 全文共分为五章，各章具体的设计研究内容为： 第1 章：主要介绍了防水工作的背景以及防水工艺的特点，阐述了铺设机国 内外的发展情况，说明了沥青防水卷材自动铺设机研究的重要性，指出了本文的 第1 章绪论 工作重点。 第2 章：介绍了沥青防水卷材自动铺设机的整体结构设计方案，其中包括驱 动转向机构的设计、烤箱的设计以及铺设机构的设计等。 第3 章：主要介绍了沥青防水卷材自动铺设机的控制系统，包括控制系统的 总体组成以及各模块进行相关设计。 第4 章：介绍了控制部分核心内容，行驶测控模块的设计与实现，包括方案 确定、硬件的选择与设计以及软件设计。 第5 章：试验以及结果分析，对沥青防水卷材自动铺设机关键性能进行相关 实验，并对结果进行分析。 最后，在结论与展望部分，总结了本人对铺设机进行研究工作成果，给出了 铺设机的发展趋势。 1 5 2 本文的创新点 本文的创新点在于： ( 1 ) 基于目前的研究实践的成果，设计并制作了一种沥青防水卷材自动铺 。 设机，四轮车，设备整体技术水平达到实用水平，在沥青防水工程施工中具有广 泛的应用前景； ( 2 ) 设计了一种新型前驱前转向的差速机构，它具有窄轮距( 8 0 0 r a m ) 、能 够承受较大负荷、能精密灵活控制行走方向等特点。 ( 3 ) 研制出一种高效节能的烤箱，此烤箱的特点在于结构紧凑、出火口热 量分布合理、燃烧效果好、热量损失低，与传统喷灯相比节能率达到3 0 ，有利 于环保。 ( 4 ) 针对本课题采用的差速驱动机构的特性，设计了沥青防水卷材铺设机 的控制系统，这种控制采用可编程逻辑控制( p l c ) 为核心处理器，引进多种模 块，以多传感器信号为基础，进行信号采集，实现对铺设机的各种功能控制。 ( 5 ) 在行驶测控模块的设计中，深入研究铺设机行驶测控系统的工作原理， 将模糊参数自整定p i d 算法运用到铺设机的行驶控制当中，实现其低速恒速行驶 功能；为了满足铺设机在曲线或弧线道桥面的施工要求，设计了一种自动寻线算 法，并将该算法应用于寻线铺设中。 筇2 市沥青防水卷村铺设机的结构设计 第2 章沥青防水卷材铺设机的结构设计 作为道桥防水施工的重要机械设备，沥青防水卷材铺设机结构相对较复杂， 一般包括，车体、燃烧器、铺设机构、烤箱以及驱动机构等主要构成部分，各部 分相互关联，共同实现其功能将沥青防水卷材均匀、平整地铺设在混凝土桥 面板上，构成致密的防水层。 2 1 铺设机的总体结构设计 如图2 1 所示，为沥青防水卷材铺设机的总体结构，其中主要由车体、燃烧 器、铺设机构、烤箱、驱动机构以及发电机组等部分构成，其中最重要的是烤箱、 铺设机构以及驱动机构。由于沥青防水卷材的烘烤、铺设以及滚压都是在铺设机 的尾部进行，后轮无法完成驱动的功能，因此驱动机构必须采用前驱前转向，这 也是本文设计一个难点和重点。 沥青卷材燃烧器 车体发电机组 铺设机构烤箱 图2 1 沥青防水卷材铺设机的总体结构概念图 f i g 2 一lo v e r a l ls t r u c t u r ec o n c e p tp i c t u r eo fp a v i n gm a c h i n e f o ra s p h a l tc o i l e dm a t e r i a l 车身总体尺寸为：长木宽宰高( 3 8 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 ，单位：m m ) 。车身总体使用 方钢结构车架，空载时车重约1 5 吨，沥青防水卷材规格为2 0 0 m 长，l m 宽，重 量约1 吨，因此，满载工作时，该铺设机重量将达到2 5 吨，所以本车采用实心 轮胎，避免在施工过程中出现漏气等现象影响施工进程，其直径为0 5 3 5 m 。要 求铺设机运行时工作速度为0 6 6 m m i n ，最大非工作行驶速度为3 0 m m i n ，工作 量要求每天工作2 0 小时左右，每周7 天。车上自备工具箱，出现一般的设备故 障操作工人能白行解决，不耽误工期。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 工作环境为露天路面施工，环境恶劣，预计的工作温度范围为：摄氏零下 1 5 度到摄氏4 5 度，因此，在设计过程中，要充分考虑温度因素对内部结构以及 电气工作器件的影响。为了避免需要多种燃料，同时液化气需要频繁的更换，以 及由于施工地点可能处于偏僻山区，无法购买到所需燃料等问题，故在设计过程 中，否定了液化气方案，所以决定采用柴油作为燃料，采用柴油发电机组产生电 力作为驱动能源，也采用柴油燃烧器作为烤箱热源。 2 2 铺设机的驱动转向机构设计 如图2 2 所示，本驱动机构部分运用机器人结构思想设计，两侧实心轮、减 速器以及电机构成小车架，通过图示连接轴与车身连接，形成一个灵活的驱动转 向机构。由于两侧实心轮、减速器以及电机具有相同的尺寸和参数，这就保证两 个电机在相同的控制量的驱动下，传递到轮胎时具有相同转速，这样在小车架的 驱动下，整个铺设机将直行。当需要转向时，则采用差速驱动，即左右两轮采用 不同速度下，小车架将向一个方向驱动，实现转向。 连接轴 实心轮减速器 电机 图2 2 驱动机构概念图 f i g 2 2c o n c e p tp i c t u r eo fd r i v i n gm e c h a n i s m 2 2 1 连接轴的设计 驱动机构的关键组成部件为连接轴，其设计图如图2 3 所示，主要由连接轴 5 、圆锥滚子轴承、轴套等组成，其中标注7 和标注1 0 都为圆锥滚子轴承3 0 0 0 0 型，分别通过槽钢9 和槽钢1 1 螺栓连接由驱动机构构成的小车架以及由车身构 成的大车架。两个圆锥滚子轴承对称安装，这能最大限度地利用圆锥滚子轴承既 能承受径向力又能承受轴向力的特点，符合驱动转向机构在承受较大轴向压力以 及径向压力方面的双重要求。 第2 章沥青防水卷材铺设机的结构设计 卜六角头螺栓，2 弹簧挚圈，3 一平垫圈，4 - 六角螺母，5 连接轴，6 平垫圈，7 圆锥滚子轴承，8 连接轴套， 9 普通槽钢，1 0 - 圆锥滚子轴承，1 1 普通槽钢 图2 3 连接轴设计图 f i g 2 3d e s i g nd r a w i n go fc o n n e c t i n ga x l e 2 2 2 电机的选择 1 电动机类型结构的选择 在选择电动机类型时优先考虑使用三相交流电动机，因为三相交流电动机较 其他类型的电动机具有驱动力大、运行平稳等优点。并且铺设机上面的柴油发电 机组可以方便地提供三相交流电。 虽然自动铺设机行驶在较为平整的路面上，但是，根据施工特点电动机要求 具有低速平稳性好、低速大扭矩、能适应频繁启动和制动等特点，因此，我们选 择了永磁无刷电机。对于电动机的结构，根据铺设车给动力部分预留的空间的结 构需要选择的电动机的尺寸，选择的电动机需要有一个圆柱型的轴伸，用以和蜗 轮蜗杆减速器连接，电动机要求卧式安装。 2 电动机功率及电压的选择 进行电动机功率