（机械设计及理论专业论文）基于参数辨识的智能压路机振频系统pid控制器设计.pdf

摘要 随着高新技术向1 ：程机械领域的渗透和振动压实理论的逐步完善以及新的 压实技术和控制技术在压路机中的应用，智能型振动压路机的研制逐渐成为压实 机械领域中的焦点。本文正是针对智能型振动压路机的振频控制系统而作，作为 控制系统方案设计的基础，首先分析了振动频率对振动效果的影响。在分析智能 振动压路机振频液压系统的基础上，建立了系统的数学模型，然后利用最小二乘 法辨识出系统的参数，以辨识的模型为基础来优化设计系统的p i d 参数。选择了 遗传算法作为参数设计的最终方法。最后，用m a t l a b s i m u l i n k 对系统模型进行 仿真，来验证方法的可行性。尽管由于课题的前沿性和时间的限制，本文对智能 型振动压路机振频控制系统p i d 控制器的设计还没有应用到实际工程中去，但通 过理论分析与仿真计算证明该设计是可行的。 关键词：智能化振频调节参数辨识p w m 控制p i d 控制最小 二乘法遗传算法 a b s t r a c t a st h en e wt e c h n o l o g yp e n e t r a t e si n t ot h er e a l mo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y a n dt h ev i b r a t o r yc o m p a c t i o nt h e o r ys l o w l yh a sb e e np e r f e c t e da n dw i t ht h e a p p l i c a t i o no ft h en e wc o m p a c t i o nt e c h n o l o g ya n d t h ea d v a n c e dc o n t r o lt e c h n o l o g y t ot h er o l l e r ，t h er e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tv i b r a t o r yr o h e rb e c o m e st h ef o c u so ft h e c o m p a c t i o nm a c h i n e r y t h i sp a p e rj u s ta i m sa tt h ef r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e mo f i n t e l l i g e n tv i b r a t o r yr o l l e r t h ep a p e ra n a l y s e st h ev a r i o u sv i b r a t o r yf r e q u e n c y a f f e c t i n gt h ec o m p a c t i o n ，w h i c ha c t s a st h eb a s i so ft h ec o n t r o lp r o j e c to ft h e c o n t r o ls y s t e m i ta n a l y s e sv i b r a t i o nh y d r a u l i cs y s t e mo f i n t e l l i g e n tv i b r a t o r y r o l l e ra n db u i l d st h em a t h sm o d e lo ft h es y s t e m t h e n ，i d e n t i f y i n gt h ep a r a m e t e r s o ft h es y s t e mt h r o u g hl e a s ts q u a r e sa n da tt h es a m et i m e ，o p t i m i z i n gt h e p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l - d i f f e r e n t i a lf p t d ) p a r a m e t e r sb yt h em a t h sm o d e lw h i c h h a sb e e ni d e n t i f i e d t h e p a p e r c h o o s e g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m s ) a s t h e a l g o r i t h m so p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r s t h er e s u l to fs i m u l a t i o nd e s c r i b e sp r o m o t i n g a b i l i t yo fc o n t r o la n dt h er o b u s to fs y s t e m b e c a u s eo ft h e i n n o v a t i o na n dt h et i m e l i m i t ，i nt h ep a p e r ，t h ed e s i g n i n gp i dp a r a m e t e r so ft h ev i b r a t i o ns y s t e mo ft h e i n t e l l i g e n tv i b r a t o r yr o u e ri ss t i l ln o tp r o f o u n da n dd e t a i le n o u g ha n ds t i l le x p e c tt o b ei m p r o v e d k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tf r e q u e n c ym o d u l a t i o np a r a m e t e r si d e n t i f i e d p w m c o n t r o l ( p u l s e w i d t h - m o d u l a t i o nc o n t r 0 1 ) p i dc o n t r o l ( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d i f f e r e n t i a lc o n t r 0 1 ) l e a s ts q u a r e s g e n e t i ca l g o r i t h m s 第一章绪论 本章论述了压路机的几个发展阶段，介绍了国内外对新的压实技术和方法的 探索，以及目前压实控制技术最新的发展成果和趋势。【q 内外压路机的发展现状 及现在压路机中普遍存在的些问题。从压实的特点及提高压实效率的角度指出 压路机必将走向智能化的发展趋势。 1 1 压路机的发展历程及趋势1 j 压路机是筑路施工中最主要的压实机械。它的发展经历了个漫长的发展历 程。最先出现于1 8 世纪的压路机是畜力牵引的光轮和羊角碾。1 9 世纪中叶出现 了第一台蒸气机驱动的压路机。随后，在2 1 世纪初出现了以内燃机为动力的压 路机和轮胎压路机。 2 0 世纪4 0 年代出现的振动压路机是压路机发展史上的一次革命性的突破。 振动压路机的出现大大提高了压实效率。一台5 6 t 的振动压路机，其压实力可 以胜过一台2 0 t 的静碾压路机，而它们的金属材料的消耗量之比仅为1 ：3 。压路 机用于压实填方时，静碾压路机的每立方米土壤能耗量约为自行式振动压路机的 2 倍；压实粘士铺层和沥青混合料时，静碾压路机每立方米能耗量为自行式振动 压路机的l ，5 倍。目前在压路机市场上，振动压路机的销售量以占据了6 0 以上 的份额。 2 0 世纪7 0 年代，人们开始将静液传动和液压技术应用于压路机，大大提高 了压路机的控制性能。到了7 0 年代末期出现了调频、调幅式的振动压路机。 在出现了调幅、调频振动压路机之后，大大扩展了压路机的适用范围。根据 被压实材料的不同调节振幅、振频使压实效果更好，效率更高。但是这种调节更 多的是根据是个人员的经验来进行的，对压实度是否达到施工要求缺乏客观的、 现实有效的依据。基于普通振动压路机的上述缺点，人们一直在寻求一种能够在 压实过程中对被压实材料的压实状况进行实时在线检测并根据被压实材料的压 实状况自动调节压路机压实参数的控制方法和装置。 2 0 世纪8 0 9 0 年代，随着自动控制技术的发展和电子技术、网络技术向传 统产业部门的渗透，使得振动压路机对压实过程自动检测、对压实参数自动调节 成为可能，压实控制技术出现了智能化的发展趋势。1 9 9 6 年，德国宝马公司成 功的开发出双钢轮自动控制压实系统“v a r i o m a t i c ”，简称b v m 。浚系统的特点 是能够自动判别和控制所需的眍实力的大小，也叮称作自动调幅压实系统。在此 压路机中安装了b t m 压实计，它是依据压实过平f ! 中振动部件与基础之恻相互作 用的动力特性来判断被压实材料的状况的。因为j 1 1 地面在振动部件的作用下逐步 压实的时候地面与机器组成的压实系统的动力学特性也在变化，这种变化将指 示出地面承压能力的变化的相对数值，从而也反应的地面被压实的程度。如图1 一l 所示。 1，f 1 (p 沥彩彩黝勿彩钐形幼绷 图l 一1 在压路机振动压实过程中钢轮所受的反作用力f 4 是由静轴荷f 1 ，偏心质量 产生的离心力f 2 和依据钢轮加速度而产生的惯性力f 3 所产生的。钢轮与地面问 的相互作用会随不断增加的密度而变化。只有有效振幅和当时的土壤刚度相匹 配，才能向地面传递最大的压实力。钢轮与地面接触时所受的反作用力信号通过 加速度传感器收集并将信号传送给可编程逻辑控制器，经过控制器运算处理将相 应的调节信号输送给调幅油缸。 v a r i o m a f i c ( b v m ) 系统在实际簏工中取德了满意的效果。但是这种压路机 还是由很大的局限性：( 1 ) 只能自动调幅而不能自动调频，频率的调节还是靠手 动调节完成，而且只有高频和低频两种频率，无法实现频率的无级可调；( 2 ) 不 能一机多用，v a r i o m a t i c ( b v m ) 只能用于沥青路面压实。宝马还有款v a r j o m a t i c ( b v c ) 单钢轮智能压路机是专门针对土石方压实的。( 3 ) 其智能控制系统不具 备自学习能力。 除了压实控制技术向智能化发展之外，在2 0 世纪8 0 9 0 年代通过对压实技 术压实方法的探索，出现了许多新型压路机，如振荡压路机、冲击压路机、垂直 2 振动门、路机等等。 l 一2 课题提出的背景及意义 随着我国高等级公路的建设的全面展开以及其他各项基础建设的飞速发展， 在今后一段较长的时间里，压实机械的产销仍将保持较高的增长势头。就目前而 言，国产压实机械占据了国内压实机械市场绝大部分份额。但是我们应该清楚国 际上那些极具实力的压实机械厂商无不对现今的中国市场虎视眈眈，毕竟原来潜 在的市场需要正逐步变为现实的市场需要，国内的压实机械厂商已经清楚的看到 这一点。 国家8 6 3 项目“机群智能化工程机械”课题最终目标是：加快我工程机械的 升级换代与产品结构调整，形成产业化；有效地控制施工质量，降低施工成本， 提高沥青路面铺筑质量：提高道路使用率，延长道路使用寿命，降低道路维修费 用；形成自主知识产权的核心技术，形成企业核心力，参与国际竞争。课题的主 要研究内容是： ( 1 ) 沥青混凝土机械化施工工艺：将沥青道路施工机械机群视为一虚拟的自动 化生产线，产品即为沥青路面，以最终产品质量最优为目标函数来研究施 工工艺。 ( 2 ) 机群和单元智能化施工技术：机群智能化技术主要研究基于网络的机群自 动信息交换、递阶智能控制系统的组织、旌工调度优化技术、中央智能监 控技术；单元智能化技术主要研究嵌入式技术、远程网络通讯接口及应用 层协议、在线检测及智能诊断、c a n - b u s 技术、遥控作业。 ( 3 ) 沥青路面施工机械机群在线智能故障诊断和智能维护技术：利用微电子技 术、信息技术和自动控制技术，对在线的机群的运行状况进行监测和辨识， 建立故障诊断专家系统。 ( 4 ) 沥青路面施工机群施工管理技术：将现代化设备管理思想创造性地应用到 沥青混凝土路面施工机群施工管理上，以达到对施工机群设备的物质运动和 价值运动进行全过程的科学管理。 智能压路机是此课题的一部分。 1 3本文研究的主要内容和意义 1 3 1 本文研究的意义 本文以智能压路机的振频系统为研究对象，将先进的控制策略和系统的数学 模型结合起来，通过在线辨识的方法对系统的参数进行估计，在此基础上来优化 设计p i d 控制器。它即是将自校正控制思想和常规p 1 d 调节器结合起来，它吸 收了两者的优点。自校正p i d 调节器需要整定的参数少，而且能够在线调整这些 参数从而增加控制器的自适应能力。自校正调节器的产品商品化已经成为了其主 要的发展趋势。 1 3 2 本文研究的内容 本文第二章是分析振动压实的机理，振动频率对压实效果的影响及智能压路 机振频系统的设计。 第三章是以智能压路机的振频系统为研究对象，推导它的l a p l a c e 形式的传 递函数，并将其简化，建立数学模型。 第四章首先将传统的l a p l a c e 模型转变成可以用于参数辨识的输入输出规范 化模型( o 讯m a 模型) ，然后详细介绍基于最小二乘法和递接最小二乘法的参数 辨识过程。 第五章是在参数辨识的基础上对系统p 毋参数进行寻优设计。 第六章是对本文的研究对象用m a t l a b 进行仿真，来确定控制器算法的可行 性。 4 第二章振动压路机振动频率对压实效果 的影响及调节方式 2 1 压实机理 一、压实的物理过程“ 压实是通过施加外力，使被压实材料单位体积内固体颗粒的数量增加，孔隙 率减小，提高密实度的过程。被压实材料的级配不同，压实时的物理过程也有所 不同。用机械或其他工具对不含或含很少量的砾石颗粒的土填筑成的路基进行压 实时，产生的物理现象有：使大小土块重新排列和互相靠近；使单个土颗粒重新 排列和互相靠近；使土块内部的土颗粒重新排列和互相靠近；使小颗粒进入丈颗 粒的孔隙中。多种路面结构材料通常主要是由各种不同粒径的单个颗粒组成的。 在碾压过程中，主要发生的现象是颗粒重新排列、互相靠近和小颗粒进入大颗粒 的孔隙中。在对粘土进行压实对，一般碾压机械的短时间载荷或振动载荷不能将 粘土中的水挤出，仅是从孔隙中将空气挤出。在对砂的碾压过程中，砂粒组成的 均匀程度对所能达到的密实度起着很大的作用。不同粒径的砂粒在压实过程中， 细颗粒填入粗颗粒间的孔隙中，使砂的密实度增加。由各种不同粒径组成的砂可 能达到的密实度经常大于单一粒径砂的密实度。 二、压实方式 筑路材料的压实过程是向被压材料加载，克服原松散多相材料中固体颗粒问 的摩擦力、粘着力，排除气体或液体，使各个颗粒发生位移、互相靠近。对材料 的压实，一般都用周期性的加载。在加载过程中，材料的应力可增加到最大值； 卸载时，材料的应力下降，然后经间歇，重复循环。现代压实技术所采用的压实 方法可归纳为以下五种：滚压、夯实、振动、揉搓、捣实。以上方法中的凡中组 合在一起，便可产生新的压实方法，如振荡( 振动与揉搓相结合) 和冲击( 夯实 和揉搓相结合) 。 1 、滚压是用具有一定重量的滚轮慢速滚过料层，用静压力使被压实层获得永久 残留变形。随碾压次数的增多，材料的密实度增加，而永久残留变形减小，最后 实际残留变形等于零。要进一步提高被压材料的密实度，必须用较重的滚轮来滚 压。依靠静载荷压实，材料颗粒之网的摩擦力阻止颗粒进行大范围的运动，而且 随着静载简的增加，颗粒问的摩擦力也增加。所以静作用压实，有一个极限的压 实效果，无限的增加静载荷，可能达不到要求的压实效果，反而会破坏土的结构。 滚压的特点是，循环延续时间长，材料应力状态的变化速度不大，但应力较大。 2 、夯实是利用物体从某一高度自由下落时产生的冲击力，把材料压实。当自 由下落物体与材料表面接触时，冲击力产生的压力波传入铺层材料中，使材料颗 粒运动，趋向于稳定位置重新排列。夯实的特点是，对材料所产生钓应力变化速 度很大。在压实土壤时，特别是对粘土有较好的压实效果。 3 、振实是将固定在物体上的振动器所产生的高频振动传给被压实材料，使其发 生接近自身固有频率的振动，材料颗粒间的摩擦力减小或消除，在这种状态下。 小颗粒填充到大颗粒材料的孔隙中，材料处于容积尽量小的状态，压实度增加。 振实的特点是，表面应力不大、过程时间短、加载频率大，可广泛用于粘性小的 材料如砂土、水泥混凝土混合料。 4 、振荡是利用土力学中交变剪切应力的原理，用机械在壤等基础材蚪的上面 施加周期性交变力，材料表面产生揉搓作用，从而使材料的颗粒重新排列而变的 更加密实。振荡的特点是振动能量沿着水平方囱在某一层面内传播，其在深度方 面的压实影响不如在水平方向的振动压实，但是在表面层某一深度范围内的压实 效果优于振动压实。交变的剪切力对地面产生一种类似轮胎压路机的揉搓作用， 这种揉搓作用能防止表面的裂缝并使压实表面光滑平整。可用于难于压实的粗集 料开级配的改性沥青路面和碎石沥青玛蹄脂路面以及不宜使用振动压实的地方。 5 、冲击利用非圆碾轮滚动时对地面产生向前冲击，从而向前搓挤土壤而产生某 种强力的搓揉作用，将土壤压实。广泛适用于原地基的压实、填方土和干砂的压 实。 三、振动压实机理“1 叫“1 振动压实就是对地面作用一个往复冲击力，依靠周期性的冲击来进行压实。 每对地面冲击一次，被压实材料中就产生一个冲击波。同时，这个冲击波在被压 实的材料内沿着纵深方向扩散和传播。随着振动轮不断振动，冲击波也将不断产 生和待续扩散。被压实材料的颗粒在冲击波作用下，由静止的初始状态变为运动 状态。被压实材料颗粒之间的摩擦力也由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状 态。同时出于材料中水分的离析作用，使材料颗粮的外层包围层水膜，形成了 6 颗粒运动的润滑剂。颗粒间的摩擦阻力将大为下降，为颧粒的运动创造了十分有 利的条件。被压实材料在冲击波的作用下产生了运动，带来了颗粒间的初始位置 的变化。并由此产生了相互填充间隙的现象。较大颗粒问形成的间隙由较小的颗 粒所填充，被压实材料的压实度提高了。同时，颗粒之问的紧密接触也增大了被 压实材料的内摩擦阻力，使基础的承载能力也随之提高了，。由于被压实材料其颗 粒之间还存在着粘聚力和吸附力等阻碍颗粒运动的力，所以，要达到使被压实材 料压实的目的，必须克服阻碍其颗粒运动的所有力的合力。 目前，关于振动压路机压实机理的研究已经取得了一定的进展，工程技术界 提出了几种有关振动压实机理的学说：内摩擦减小学说、共振学说、反复载荷学 说、交变剪应力学说。这些观点都在各自的条件下解释了振动压实的机理，但是 在实际使用中，有些理论并不是很完善，如共振理论认为，当激振频率与被压材 料的固有频率一致时，振动压实最为有效。因为在共振区内，被压材料颗粒之间 的内摩擦力减小了，容易达到密实度。有研究则认为，共振频率和次共振频率都 不是最佳频率，而是过共振频率。因为在“振动压路机材料”系统中，振动轮 振幅与地面振幅是不同的。当振动轮向下运动时，振动轮与地面运动是一致的 当振动轮向上运动时，若振动轮振幅较大，则振动轮与地面的运动是不一致的， 当振动频率与“振动压路机一材料”系统固有频率相同或接近时，振动轮振幅会 有较大增长，而地面振幅则没有很大变化，从这一点，并不能认为“振动压路机 一材料”发生共振时，内摩擦力减小了。在实际中，无论是静碾压实还是振动压 实，只有当被压材料中产生的剪切应力大于材料的抗剪强度时，才能够使被压实 材料颗粒重新排列，变密实。 四_ 、沥青混合料的压实 满足结构要求的沥青混合料的耐用性能受两个因素影响，其中一个是混合料 的设计，另一个即为混合科的压实。如果不充分压实，即使是最优设计混合料， 也会降低路面的使用性能：相反，经过良好的压实能有效地改进一种不标准混合 料的结果。因此，压实被认为是影响沥青路面耐用性能晟重要因素之一。 沥青混合料的压实过程比较复杂。在对沥青混合料的压实过程中，需要克服 的阻力有内摩擦力、粘结力和粘滞阻力。内摩擦力主要取决于骨料的尺寸、等级 和形状；粘结力由结合料薄膜产生；粘滞阻力则和结合料骨料状态密切相关。因 7 此，沥青混合料的压实要受到材料性能、混合料温度以及施工条件等诸多因素的 影响。总的来说，沥青混合料的压实过程是减少混合料中气孔含量的过程，此过 程为固体颗粒在一种粘弹性介质中的填充和定位，以形成一种更密实和有效的颗 粒排列式。目前沥青混合料的压实理论说法比较多，大都是根据不同的模型来解 释压实过程。从松散、塑态逐步过渡到高抗拉强度的粘聚态这个过程来看，当沥 青混合料温度较高时，沥青充当克服集料颗粒问摩擦阻力的润滑剂，混合料非常 像非粘聚性材料，因为集料颗粒的重新组合受到集料之间摩擦力的阻抗，棱角性 小的混合料比棱角性大的易于压实：在混合料接近冷却时，沥青混合料充当结合 集料的结合料，这样混合料压实非常像粘性土，即通过颗粒的变形和重新组合： 同时随着沥青粘度的升高，内聚力逐步增加，压实趋于困难。 2 2 振动频率对压实效果的影响分析及参数匹配 振动压路机对被压材料的压实过程是个很复杂的随机过程。由于被压材料的 物理特性具有很大的随机性，即使是同一种材料，在被压实时的初始状态、环境 温度和湿度不同，其物理特性也很大的区别。因此，振动压路杌和被压材料组成 的振动系统是个参数随机动态变化的系统。而且，随着压实过程的进行，被压材 料的密实度会逐渐增加，其力学特性也会变化：而被压材料特性的变化反过来又 对振动压路执的工作参数产生影响，同时也要求振动压路机的参数发生改变，以 满足被压材料进一步压实的要求。为了满足材料进一步压实的要求，使振动压路 机始终处于最佳压实工作状态，就必须实时的对压路机的工作参数进行调节，选 择一缓适合于被压专专科现状的工作参数。为此，必须首先搞清楚振动压路杌各个 参数与被压材料压实之间的关系，这样才能做到对振动参数的合理选择。在振动 压路机工作参数中，与材料压实密切相关的参数主要有：振动压路机的振动频率、 振幅、行驶速度以及激振块的旋转方向。其中振动频率与振幅是其中最重要的环 节。而本文主要研究振动频率对压实效果的影响。 振动压路机的振动频率是影响土颗粒运动状态的重要参数，它反映了单位时 问内，振动轮对被压材料的冲击次数。当振动频率选择在合适的范围内时，随着 振动轮的振动，被压材料的颗粒运动加速度增高，其内摩擦阻力急剧下降，颗粒 之间的相互填充作用加强。这时振动轮受到的材料的抗剪作用也急剧减小，非常 有利于压实。实际中，不同的被压材料，其适合于压实的振动颜率范围相差较大， 8 此，泐青混台料的压实要受到材料性能、混台料温度醴及施工条件等诸多因掌的 影响。总的来说，沥青混合料的压实过程是减少混合料中气孔含最的过程，此过 程为嘲体颗粒在一种粘弹性介质中的填充和定位，以形成一种更密实和有效的颗 粒排列式。目前沥青混合料的压实理论说法比较多，大都是根据不同的模型来解 释压实过程。从松散、塑态逐步过渡到高抗拉强度的粘聚态这个过程来看，当沥 青混合料温度较高时，沥青充当克服集料颗粒间摩擦阻力的润滑剂，混合料非常 像非粘聚性材料，因为榘料颗粒的重新组合受到集料之间摩擦力的阻抗，棱角性 小的混合料比棱角性大的易于压实；在混合料接近冷却时，沥青混合料充当结合 集料的结合料，这样混合料上e 实非常像粘性土，即通过颗粒的变形和重新组合； 同时随着沥青粘度的升高，内聚力逐步增加压实趋于困难。 2 2 振动频率对压实效果的影响分析及参数匹配 振动压路机对被压材料的压实过程是个很复杂的随机过程。由于被压材料的 物理特性具有粮大的随机忭，即使是同一种材料，在被压实时的初始状态、环境 温度和湿度不同，其物理特性也很大的区别。因此，振动压路机和被压材料组成 的振动系统是个参数随机动态变化的系统。而且，随着压实过程的进行，被压材 料的密实度会逐渐增加，其力学特性也会变化；而被压材料特性的变化反过来又 对振动压路机的工作参数产生影响，同时也要求振动压路机的参数发生改变，以 满足被压材料进一步压实的要求。为了满足材料进一步压实的要求，使振动压路 机始终处于最佳压实工作状态，就必须实时的对压路机的工作参数进行调节，选 择一组适合于被压材料现状的工作参数。为此，必须首先搞清楚振动压路机各个 参数与被压材料压实之问的关系，这样才能做到对振动参数的合理选择。在振动 压路机工作参数中，与材料压实密切相关的参数主要有：振动压路机的振动频率、 振幅、行驶速度以及激振块的旋转方向。其中振动频率与振幅是其中最重要的环 节。而本文主要研究振动频率对压实效果的影响。 振动压路机的振动频率是影响土颗粒运动状态的重要参数，它反映了单位时 间内，振动轮对被压材料的冲击次数。当振动频率选择在合适的范围内时，随着 振动轮的振动，被压材料的颗粒运动加速度增高，其内摩擦阻力急剧下降，颗粒 之间的相互填充作用加强，这时振动轮受到的材料的抗剪作用也急剧减小，非常 有利于压实。实际中，不同的被压材料其适合于压实的振动频率范围相差较大， 有利于压实。实际中，不同的被压材料其适合于压实的振动频率范围相差较大， 8 这就嘤求振动压路机具有较大的振动频率范围，以适应小同压实材料的要求。 振动压路机的振幅反映振动轮对被压材料的冲击能鬣的大小。振幅越大，被 压材料颗粒运动的伉移越大，参加振动的材料颗粒越多，振动轮对被日、材料的冲 击能量越大，振动冲击波在材料中传播的距离越远，从而增加压实深度或压实厚 度，j 实效果也越好。但是振幅也是有一个适合的范围，过丈的振幅使振动压实 能量过高，这样多余的能量不仅i ：会被碾压层舳土或材料吸收，反而会使已压实 层产生松散现象。因为这时振动轮在太大的振动强度作用下脱离了地面，被压材 料受到无规则地严重蹦跳冲击，引起过度碾压而使密实度降低。 这样看来，振幅和振频都对压实效果有着重要的影响，但是它们影响程度又 有所不同。图2 一】是d y n a p a c 公司根据试验得到的粘聚力不大、颗粒间能有相 对运动的士的压实效果和振幅之间的关系曲线，可以看出，对于各种土壤，在整 个频率范围内把振幅增大，将会获得压实效果和影响深度的显著提高；而振动频 率的变化对压实效果影响则没有振幅变化影响丈。图2 2 ( a ) 和( b ) 分别是 振动压路机压实土壤和砂性沥青混合料时，压实度与振动频率之间的关系。从图 上可知在一定的条件下，只要改变振动频率，则碾压材料的压实度随着振动频 率而变化，当振动频率达到某一数值时，压实达到最大，此时的振动频率称为最 佳振动频率，其值接近被压材料的共振频率。综合图2 - l 和图2 2 ，如果振动频 率选择合适而振幅选择不合适或者振幅合适而振频选择不合适，都不能达到理想 的压实效果。所以振频和振幅的选择以及它们的台理匹配都对压实效果有着决定 性的影响。 蝶 巅 醇 圳 ：振幅2 一 1 1 ，卜 一 “振幅l a 象 率： 02 55 0 7 5 振动额牢( h z ) 国2 1 振动频率振幅与压实效果之间的关系 ”b v 恻 袖 悱 f f ，一 ，”f ，一1 0 政。 警 ； f 4 一 镊。 ， 1 6 。7 3 3 35 0 振动频率( h z ) f 裁。 峨。 拌h 兰 鼍 o o = 豸 礓雕l 遍= 7 箩夕 1 6 。73 3 ，35 06 6 7 振动频率( h z ) 图2 - 2 ( a ) 干容重和振动频率的关系 图2 _ 2 ( b ) 砂质沥青混合辩压实质量与振 动频率的关系 共振理论认为振频取在振动压路机和材料的共振频率处，压实效果最佳。实 际中并不是这样，而是取在高于共振频率处，因为根据研究表明，在次共振频率 到共振频率这一频段，振动压路机工作频率每一个微小变化，都将引起振动压路 机工作振幅的大幅度变化。但是工作频率也不能过高，否则，振动轮跳离地面后 在空中停留的时间过长，引起被压实路面呈搓板形，降低路面施工质量。通常以 压实接近终了时的“振动压路机材料”的振动频率为依据，这样才能保证在任 何情况下，振动压路机的工作频率都不进入非稳定频率区。至于振幅，虽然增加 振幅会提高振动压路机的压实效果，但是振幅过大必将导致振动压路机上车振幅 的增加，引起司机的疲劳和机械零部件的过早的损坏。目前振动压路机的名义振 幅已经有了较合理的取值范围。但是，要选取最佳的振动参数。还要针对具体鸽 振动压路机，通过试验来获得。 振动频率和振幅的综合作用表现为振动轮传输给被压材料的振动压实能量， 它们之间可通过下式来计算： 日1 2 一( q + m 。2 ) 式中：目振动压实能量( k j ) ； 2 a 全振幅( m ) ； q 一振动部分的重量( k n ) ； m 一偏心块的静偏心力矩( k g m ) ； 一振动频率( r a d s ) ： 在振动压路机振动机械参数确定后，如果振动压路机的振动能量小，说明振 幅过小或者振动频率过小，这时振动轮传给被压材料的振动能量小，材料颗粒在 振动压实过程中几乎呈现静止状态。因此，这种振动压路机与静作用压路机相差 无几。反之，振动篚量过大，说明其工作频率或振幅取值过商，这时被压实的材 料将出现离析现象。大质量的材料颗粒在振动状态下产生的垂直于地面的惯性力 远大于小的轻的材料颗粒，导致大质量的材料颗粒在惯性力作用下，沉降在被压 实基础的底层，而小质量的颗粒将“浮”在上层，产生土的分层现象，使筑路材 料的级配比例失调，被压实的基础表面疏松，耐磨性差。所以最终振动参数选择 的是否合理，还要通过压实的效果来评价。 2 3 振动压_ 霹l 机振动频率的调节卿 振动频率的本质就是振动轴单位时间内的转速，只要改变振动轴的转速，就 可夷现调频。目前，几乎所有振动压路机的振动系统都采用液压控制，这样就使 调频特别容易实现。振动轴由液压马达驱动，只要改变驱动马达的转速，振动轴 便可改变转速，实现调频功能。图2 - - 3 所示为一简化的液压振动系统工作原理 图。系统主要由液压油箱1 、液压泵2 、安全阀3 、振动控制阀4 和液压马达5 组成。 图2 3 液压振动系统系统工作原理囱 假设：液压泵的理论排量为( m l r ) ，容积效率为，输入转速n 。( r m i n ) 输出流量为如( l m i n ) ：液压j 达的理论排量为舶( m l 。r ) ，容积效率为，输入 流量为q 。( l r a i n ) ，输出转速为n 。；控制阗等的泄漏损失忽略不计。则有： 绋= 鱼警； 鳓2 线 振动压路机的振动频率( h z ) ，即为振动马达 单位时问内的输出转速： 一酱一黑6 0 警q 嘞2 等6 0q 6 0 吖 “ x 硝 “1 2 端。叩w 由此可见，调节振动压路机的振动频率，就是改变液压马达的输出转速，而 液压马达的输出转速决定于输入流量与其排量之比；因此，调频的实质就是改变 液压马达的输入流量与其排量的比值。根据这一原理，可通过以下途径实现振动 频率的调节： 1 、转速调频法 通过改变液压泵的输入转速，使液压泵的输出流量即液压马达的输入流量得 到改变，从而实现调频，这种系统中的液压泵和液压马达都是定量的。此方式可 以通过改变发动机的输出转速或者增设一专用变速箱来实现。但是由于前者会影 响驱动和转向系统，而后者使整机结构复杂化，故不便采用。 2 、容积调频法 改变液压泵或液压马达的排量，使液压马达的输入流量与其排量之比改变， 从而改变液压马达的输出转速，达到调频的目的。这种调频方式，可以实现较大 范围内的无级调频，并且没有节流的额外功率损失，液压油发热少，效率较高， 适用于功率较大及需要无级调频的液压系统中。该方式的实现有三种方法：1 ) 改变液压泵的理论排量：采用变量泵定量马达系统；2 ) 改变液压马达的理论排 量：采用定量泵变量马达系统：3 ) 同时改变液压泵液压马达的理论排量：采用 变量泵变量马达系统。这三种方法都需要有一套控制机构来进行液压泵或液压马 达的排量的改变控制，结构较复杂，而且价格比较贵。 3 、节流调频法 在液压回路中增设节流阀，以改变液压马达的输入流量，从而改变液压马达 1 2 的输出转速，达到调频的目的。这种调频方式也有。i 种实现方法：1 ) 进油节流 凹路：将节流阀串联于液压马达的进油侧；2 ) 出油节流回路调频：将节流阀串 联于液压马达的出油侧；3 ) 旁路节流回路：将节流阀并联于液压泵的出油口或 并联于液压马达的进油口。这三种方法中，进油节流调频回路调频范围大，但液 压油经过节流后发热现象严重，致使液压马达泄漏增加，容积效率下降，功率损 失较大。出油节流调频回路调频范围也较大，节流阀尺寸也较大，液压油经过节 流发热后，即排回油箱冷却，这虽然对液压马达容积效率影响不大，但加重了散 热器和油箱的散热负担，最终仍会使整个液压系统温度升高，功率损失也较大。 旁路节流调频回路调频范围较小，但一般能够满足振动压路机的调频需要。由于 经节流阀的流量较小，而且即使排入冷却器或油箱，发热现象不明显，不会影响 液压泵和液压马达的正常工作，功率损失最小。 目前，在国外的振动压路机上，容积调频法应用比较多，两国内振动压路机 应用节流调频较多。其中旁路节流调频回路因为在大范围内可实现理论上的无级 调频，小范围内可取到稳定频率的效果，所以得到广泛应用。如徐州工程机械厂 生产的y z c l 0 、y z c l 0 a 、y z l 0 b 和y z l 2 j 型振动压路机上都采用旁路调频方式。 2 4 智能压路机帕调频系统控制方案 ( 一) 调频方法的选择 从上面可知，调频的实质就是改变液压马达的输入流量与其排量的比值，振 动频率调节的方法有：转速调频法、容积调频法和节流调频法三种。对于转速调 频方式，在这里显然是不适用的，而后两种方法则可以满足该振动压路机的频率 调节要求。 l 、容积调频法 通过改变液压泵或液压马达的排量，使液压马达的输入流量与其排量之比改 变，从而改变液压马达的输出转速，达到调频的目的。容积调频法的实现有三种 实现方式： 1 ) 采用变量泵一定量马达系统； 2 ) 采用定量泵一变量马达系统； 3 ) 采用变量泵一变量马达系统。 2 、节流调频法 采用比例节流阀控制液压马达的输入流量，来改变液压马达的转速，达到调 速的目的。这种方法也有三种实现方式： 1 ) 将比例节流阚串联于液压马达的进油侧： 2 ) 将比例节流阀串联于液压马达的出油侧； 3 ) 将比例节流阀并联予液压泵的出油 j 或并联予液压马达的迸油口。 3 、振频调节方案对比与确定 在以上两种方案中，节流调频法由于液压油经过节流后发热现象严重，会使 整个液压系统温度升高，致使液压马达泄漏增加，容积效率下降，功率损失较大， 也增加了散热器和油箱的散热负担；同时，要实现精确的调频和频率保持，对比 例节流阀的性能也有很高的要求，系统调频范围也受到所选液压泵排量的限制， 所以采用容积调频法更适合该压路机。 对于容积调频法中的三种方式，定量泵变量马达系统的频率调节范围同样 受到所选液压泵的排量的限制，而变量泵一变量马达系统则由于价格过于昂贵， 所以该压路机的调频系统采用变量泵一定量马达组成的闭式回路。 ( 二) 调频系统控制方案 在调频方式确定好后，对调频的控制就主要表现为对变量泵一定量马达组成 的闭式回路流量的控制，而回路流量的改变主要是通过对变量泵排量的控制来实 现。在现代工程机械控制中，电液比例控制因为其可靠、廉价、抗污染性能高、 控制精度和响应特性均能很好满足实际使用要求等优点而得到了广泛的应用。因 此在对调频变量泵排量调节的控制中采用电液比例控制。 l 、电液比例控制系统 在液压传动与控制中，能够接受模拟式或数字式信号，使输出的流量或压力 连续成比例地受到控制，都可以被称为电液比例控制系统。例如数字控制系统、 脉宽调节( p w m ) 控制系统以及一般意义上的电液比例控制系统。与伺服控制相 比，两者都可以用于开环和闭环系统。但就目前来说，比例控制主要用于开环控 制，而伺服控制主要用于闭环控制。两者在控制装置上也是有差别的，伺服控制 装置总是带有内反馈，任何检测到的误差都会引起系统状态改变，而这种改变正 是强迫这个误差为零。误差为零时伺服系统会处于平衡状态，直到新的误差检检 测出来。比例控制装置是一种有确定增益的转换器，就其本质而言，乃是电子一 液压一机械( e h m ) 放大转换系统。这种转换既可以是电模拟量转换为机械模 拟量( e a m a ) ，也可以是电数字量转换为机械模拟量( 凹m a ) ，还可以是电数字 量转换为机械数字量( e d m d ) 。其转换常数取决于阀的几何尺寸及它的制造精 度。闭环比例阀也可以用于外部反馈闭环系统。在伺服控制系统中，平衡状态控 制信号( 误差) 理论上为零，而比例控制系统却永远不会为零。对于工程机械行业 来说，目前需要的是具有廉价、对油质要求低，阎内压力损失小，性能能够满足 犬部分控制要求的控制系统，而电液比铡控制系统正符合这一要求，因此而受到 1 4 人们的重视。 2 、变量泵排量调节机构 变量泵的比倒控制功能通常可分为： a 鼹， 、覃之 b 。一 p 图2 4 位移直接反馈比例捧量调节 排量调节、流量调节、压力调节和功率 调节四大类。而后三种控制功能实际上是 在排量调节基础上提出特定要求来实现 的。泵变量机构的基本作用是通过改变变 量活塞的位置来改变泵的排量，两者之间 是一一对应，所以变量机构实质上是位置 控制系统。在振动压路机中只利用变量机 构的位置控制作用，使泵的排量和输入信 号成正比，e p f l 量调节。比例控制式排量 调节按照变量活塞和控制阀之间的反馈方式来分，有位移直接反馈式、位移一力 反馈式和位移一电反馈式三种。图2 4 为振动压路机振频调节泵上用到的位移 直接反馈比例排量调节。这种位置控制系统中包括比例控制阀、控制液压缸和位 置反馈，其中比例阀和控制液压缸组成变量机构的控制机构。 ( 1 ) 电液比例控制阀 电液比例控制阀是典型的机电液一体化元件，它是根据输入电信号连续、按 比例地控制液压系统的液流方向、流量和压力的阀类。由于它们与电子控制装置 组成的控错系统，可以十分方便地对各种输入、输出信号进行运算和处理，能实 现复杂的控制功能，同时它们又具有抗污染、低成本以及响应较快的优点，所以 在液压控制工程中获得越来越广泛的应用。电液比例控制阀主要由电机械比例 转换装置和液压控制阀本体两大部分构成，前者将输入的电信号连续、按比例地 转换为机械力和位移输出，后者在接受这种机械力相位移之后，按比例、连续地 输出压力和流量。比例阀的种类有很多种，性能各异，有多种不同的分类方法， 最常见的分类方法是按其按制功能来分类可分为：比例压力控制阀，比例流量控 制阀、比例方向阀和比例复合阀。 ( 2 ) 排量调节 通常用于变量泵交量调节机构的比例阀为具有流量控制和方向控制双重功 能的电液比例方向流量阀。在压差恒定的情况下，通过它的流量与输入电信号成 比例，而流动的方向则取决于电信号的通断与方向。图2 5 为电液比例方向流 量阀原理图。图中的虚线部分表示该部分有些情况下可以没有或省去不用，这时 以主阀的输出直接驱动后续执行器，即称为直动式电液比例方向流量阀。这种阀 一般用于所需驱动功率较小的场合。 瓣1 掣瓣 r 。1 l 一1 r 一塞墓h 篁引鍪兰卜i 械转换il 阀i ? l 鍪三一； 一一j 、 “i 反馈元“ - 排谴 一b 一8 一 a b 电流 图2 5 电液比例方向流量阀原理图 图2 6 双向变排量控制泵特性( 比例控制) 振动压路机的变量泵排量调节中即为直动式电液比例方向流量阀。在任一给 定的工作压力下，比例阀根据输入的电信号的大小，通过电一机械转换元件直接 驱动阀芯并控制其阀口开度，使双作用液压缸两腔的油量得以控制，这样液压缸 的活塞位移便随比例阀输入电信号成比例的变化，而变量活塞位移与泵的排量调 节参数一一对应，即实现了排量与输入信号成比例的控制功能。通过控制比例阀 两个比例电磁铁的通断，便可对泵的排量调节机构的斜盘加以控制，使其作正反 转运动，吸、排油路互换，实现泵的正反转。图2 6 中横坐标表示加在变量泵 比例阀两端电磁线圈的控制电流，电流的正负意味着对左右不同比例阀线圈的控 制。纵坐标表示泵排量，排量的正负意味着泵不同的供油方向。从图中可以看出， 当控制系统输出一定电流并接通比例阀的某一线圈，变量泵斜盘就会摆动至某一 对应角度，从而给定泵排量。 3 、控制方式 在振动压路机的比例控制系统中，包括振动系统、行走系统、转向系统和水 泵电机的控制，可以采用的控制方式有两种类型：模拟式电控和数字式电控。模 拟式控制以模拟电路为主，结构筒单，成本低廉，但控制精度较低，系统工作不 太稳定。数字式电控系统结构较为复杂，成本与前者相比也比较高，但操纵方便、 控制精确而且工作稳定可靠不易受外界环境的影响，因此受到了普遍关注。 ( 三) 控制方案的实现 由前面方案确定可知，振动压路机振频调节控制系统为泵控马达系统，其液 压系统原理如图2 - - 7 所示。图中比例阀l 为变量振动泵2 的排量调节阀，振动 泵同时驱动两个串连的振动轴驱动马达9 和l o 。阀块中的两个高压溢流阀4 和5 为控制系统压力而设，起安全保护作用。定量泵3 为闭式系统补油泵，它的作用 主要为：补偿由于泄露而损失的油液，使闭式系统中振动泵正常工作；提供 补油压力，帮助斜盘式柱塞泵柱塞心程，保证滑靴贴紧斜盘，为马达提供背压， 防止因高速运转或囡负载波动使运动副产生敲击而影响工作：向主泵的比例控 制系统提供控制油压，也可向其它辅助工作系统提供动力。振动泵一马达闭式系 统补油压力的大小，由补油溢流阀6 调定。梭阀7 作用是在主油路之间建立一个 低压通路，j ：作过程中使低压回路经低压溢流阀与油箱的油路相通，以便使一部 分多余韵油液流回油箱，这样闭式回路中的油液能不断得到更新，既起到散热作 用，也起到对油路的清洁作用。 母2 7i 嘲控制液压原理图 要实现上节中对振动频率的控制要求，控制的核心就是控制换向阎8 的两 个电磁线嚣y 1 a 、y t b 和比例电磁阀1 的两个电磁线圈y 2 a 、y 2 b 。通过控制y 2 a 和y 2 b 的通断电来决定振动轴的旋转方向，调节y 2 a 和y 2 b 的平均工作电流