（机械设计及理论专业论文）沥青路面就地热再生机组铣刨与摊铺装置研究.pdf

摘要 摘要 本文首先建立沥青混合料在铣削与摊铺状态下的粘弹性数学模型，然后对 铣刨装置的核心部件一铣刨滚子进行运动分析和动力学分析，从而得到铣刨滚 子在铣削状态下的切削功率计算公式；对于摊铺装置，本文详细分析该装置的 主要部件一振捣器、振动器和熨平板的结构并且把沥青介质的粘弹性数学性质 作为一个因素考虑进去建立整个摊铺熨平板的振动压实数学模型，从而建立铣 刨装置与摊铺装置的初步设计方法。本文还利用p l c 控制器的p w m 功能模块 作为p l c 控制器与脉冲比例式液压电磁阀的接口来探讨建立铣刨深度控制系统 和摊铺自动调平控制系统的方法，铣刨深度控制通过调节连接铣刨滚子与机组 底盘的液压油缸的伸缩来体现，而摊铺自动调平系统也是通过调节液压油缸伸 缩来实现对影响摊铺平整度的最关键因素一熨平板仰角的大小来实现。同时 本文也详细分析铣刨深度控制系统和摊铺自动调平系统工作原理和摊铺系统控 制数学模型以及两个系统的控制流程。 关键词：沥青路面，就地热再生机组，铣刨装置，摊铺装置，设计方法，控制 系统 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ep a p e r ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sf i r s tc o n s t r u c t e dt oi n d i c a t et h eb e h a v i n g o f a s p h a l ta m a l g a m w h e nc u ta n dc o m p a c t e d b y t h eh o tr e b i r t hu n i t s ，t h e nt h ep a p e r a n a l y z et h em o v i n g o f t h em i l l i n g c u t t e ra n dg i v ei t sd y n a m i c sm o d e la n dt h e f o r m u l at oc a l c u l a t et h ep o w e ro f t h ec u r e ri nt h es t a t eo f c u t t i n g ，a n dt h e nt h ep a p e r a n a l y z et h ed e t a i l e ds t r u c t t t r eo f t h ec o m p a c t i n ge q u i p m e n t a n d g i v e i t s v i b r a t i o n - p o u n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e la c c o r d i n g t ot h e s e ，t h ep a p e r g i v e t h eb a s i c d e s i g nm e t h o d t od e s i g nt h em i l l i n g e q u i p m e n t a n d c o m p a c t i n ge q u i p m e n t o f t h e h o t - r e b i r t hu n i t s a n da l s ot h ep a p e ru s et h ep w mf u n c t i o no f t h ep l c a st h el i n k o f t h ep l c c o n t r o l l i n gs y s t e ma n dp w ms t y l eh y d r a u l i cv a l v ed o o r t oa n a l y z et h e m e t h o dt od e s i g nt h ec u t t i n g - h e i g h tc o n t r o l l i n gs y s t e ma n dc o m p a c t i n ga u t o l e v e l c o n t r o l l i n gs y s t e m t h ep a p e r a tl a s tg i v et h e w o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o n t r o l l i n g p r o c e s so f t h e t w o s y s t e ma n d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ec o m p a c t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：a s p h a l tr o a d ，h o t r e b i r t hu n i t s ，m i l l i n ge q u i p m e n t ，c o m p a c t i n g e q u i p m e n t ，d e s i g nm o d e l ，c o n t r o l l i n gs y s t e m i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为e l 的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作晶的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 就地热再生机组铣刨与摊铺装置研究课题来源与选题背景 自2 0 世纪9 0 年代以来，随着我国改革开放与经济建设的蓬勃发展，我 国的公路建设尤其是高速公路建设也得到了同样飞速的发展，高速公路建设一 直是我国政府最近几个五年计划优先考虑的问题，截至2 0 0 1 年底，中国高速 公路总里程已达1 9 4 5 3 公里( 不包括港澳台) ，跃居世界第二位，中国已建起 了仅次于加拿大的世界第二大高速公路网。不仅如此，在2 0 0 2 年5 月交通部 全国交通基础设施建设前期工作会议上，我国政府又提出了2 0 0 6 年至2 0 1 0 年五年间，我国将重点建设国道主干线、国家重点公路、客货运枢纽等公路， 那么可想而知，在我们未来的经济建设与生活中，公路事业将起到尤为重要的 作用。 然而，我们不能不考虑的一个问题就是，随着公路尤其是高速公路里程的 不断增加，如何对这些公路尤其是高速公路进行快速、有效的维护与修补也成 了我们必须要正视的一个严肃的问题。在我国最初修建的一批高速公路中，现 在也基本上到了该进行维护或修补的时间，同时由于施工过程中存在的一些问 题导致我国建设的公路尤其是高速公路质量不高，因此维护与修补更成了关键 的问题，从对沪宁、沪杭等我国早期修建的一批公路的实际调研来看，找到能 够对公路进行快速有效维护修补的方法已刻不容缓。 同时，从国外高速公路建设所走过的路来看，研究高速公路维护技术是必 须随着高速公路的建设一起发展起来的，由于国外进行高速公路的建设要早于 我国，因此国外的公路路面维护技术的发展也要远比我们国家成熟。国外正因 为有了先进的维护技术，才会大大节约了对现有公路进行重新建设的费用，同 时大大增加了现有公路的使用寿命与性能，促进了经济的发展。 但是，由于商业运作的原因，国外所积累起来的宝贵经验技术并不公开， 因此，在我国现阶段，进行沥青路面维护与修补技术尤其是沥青路面再生技术 研究已经时不我待。正因如此，沥青路面再生工艺及其装备课题被交通部列入 2 0 0 4 年重大课题和入选8 6 3 计划。 第1 章绪论 我校已经对此课题进行了一些基础研究，但对其重要部件一路面再生机组 铣刨与摊铺装置尚待深入系统的研究，本课题拟要解决这一关键问题，以促使 我国国产路面再生机的早日诞生，投入到我国大量的路面再生工程中去。 1 2 就地热再生机组铣刨与摊铺技术研究现状 国外由于对就地热再生机组铣刨与摊铺技术的研究由于比较早，因此，其 就地热再生机组铣刨与摊铺技术的三个方面：技术、制造工艺、产业化都已经 比较成熟，同时在几十年的施工过程中不仅申请了大量专利并且积累了丰富的 宝贵数据与施工经验。在路面机械领域逐渐形成了以德国维特根公司为代表的 欧洲风格和以卡特彼拉等公司为代表的美国公司，日本也较早的进行了这项课 题的研究，设计制造了不少同类的产品，并且一部分被引入到国内来。 纵观国外就地热再生机组铣刨与摊铺技术发展过程，可以分为三个阶段， 第一阶段就是人工进行修补；第二阶段就是生产独立的施工机器如铣刨机、摊 铺机，这些机器独立操作；第三阶段就是整体热再生机组的发展。不论是哪个 阶段的工艺与机械，国外都已经非常成熟，而我国目前还处于手工施工与独立 铣刨机、摊铺机共同施工的阶段，况且我国使用的铣刨机、摊铺机大部分靠国 外进口，对于这两类机械的设计与制造技术远远落后于国外，虽然我国一些企 业在模仿国外同类产品的基础上生产出了很多同类机械，但是在具体施工操作 过程中，以及一些关键路面的施工工艺上，仍然不能和国外同类产品相比。这 固然是由于国外对积累的技术进行保密的原因，但是我国对该技术起步较晚也 仍是一个重要的原因。 因此，对沥青路面机械进行基础的研究对我国的公路建设事业与装备制造 工业都已经刻不容缓，但是，我们又没有必要拘泥于国外已经走过的路，重新 从独立的铣刨机、摊铺机技术研究开始，由于我国目前的经济建设、科学水平 尤其是机械制造业水平已经得到飞速发展，因此我们完全可以从整体就地热再 生机组进行研究与开发，本文就是要为进行就地热再生机组铣刨与摊铺装置的 设计提供设计方法。 第1 章绪论 1 3 就地热再生机组施工工艺的概述 就地热再生机组的出现，不仅是沥青路面修护理论的巨大进步，其对于机 械设计理论与装备制造工艺来讲也是个巨大的进步，由于热再生机组可以在 修护现场完成普通修护工艺所进行的切工序，因此就地热再生工艺大大的简 化了路面修护工艺，提高了旋工效率，并且大大提高旋工工艺的质量，根据热 再生机组施工工艺其主要包括以下个部分：加热模块、铣刨模块、拌料与混合 料加热模块、摊铺模块。施工中先对旧路面进行加热，除了便于铣刨滚子切割， 同时保证切割后的路面和新铺设的混合料温度一致能够更好融合；然后按照要 求深度切割路面至一定的深度，收集切割后废料并传输给拌料模块，然后混合 料加热模块加热混合料并通过摊铺装置按照要求厚度铺设出新的沥青路面，并 进行初步夯实，最后压路机对新路面进行压实使新路面具有足够密实度。 可以看出，铣刨模块和摊铺模块在整个施工工艺过程中起到关键性的作用， 其施工工艺的质量决定了所铺设路面的质量。相比较就地热再生旌工工艺与两 台独立的铣刨机与摊铺机分别作业来讲，就地热再生工艺有两个方面的差别： ( 1 ) 铣刨机与摊铺机的施工参数是相互独立的，在施工时候。每台机器可 以根据自己的施工状况来调整自己的工艺参数，但是，就地热再生机组的铣刨 装置与摊铺装置由于是同时联合联合作业，因此为了，施工过程中铣刨装置与 摊铺装置的工艺参数就必须很好的进行关联与协调控制，它们之间是互相影响 的，这一点在设计铣刨深度控制系统与摊铺自动调平系统时得到了体现； ( 2 ) 铣刨机与摊铺机分别作业时，在切割路面前，一般不需要加热路面， 但是在就地热再生工艺中，就要先加热路面，因此，两种情况下沥青混合料与 施工设备之间的动力学关系由于沥青混合料在不同温度下的性质改变而不同， 因此进行热再生机组的铣刨与摊铺装置的设计时必须考虑到沥青混合料在加热 状态下的粘弹性力学模型。 1 4 就地热再生机组铣刨与摊铺研究课题研究内容 本课题研究目的是为整体就地热再生机组设计中铣刨与摊铺装置设计提供 设计方法。该方法是建立在国内钋对沥青路面破坏机理以及沥青路面黏粘性力 学研究基础上的，其主要包括以下的内容： 第1 章绪论 ( 1 )在前人研究的关于沥青粘弹性力学性质的基础上，研究就地热再生 工艺中铣刨与摊铺状态下，沥青混合料的黏粘性力学性质。 ( 2 )建立铣刨滚子受力分析与功率计算模型，并且建立进行铣刨深度控 制系统的设计方法。 ( 3 )建立施工过程中摊铺装置的“熨平板沥青混合料”整体振动模型 以及熨平板结构和摊铺深度控制系统的设计方法。 以及铣刨与摊铺装置的协调性控制方法。在后面的章节中，将对这些问题 进行详细的论述。 4 第2 章沥青混合料铣削与摊铺状态下的力学性质 第2 章沥青混合料铣削与摊铺状态下的力 学性质 沥青混合料的性质不仅影响施工过程中铣削与摊铺装置的施工工艺甚至设 计方法，也决定了沥青路面的破坏形式，因此在对热再生机组铣削装置和摊铺 装置进行设计计算时，必须把沥青混合料的性质本身做为一个因素考虑进来， 使其和铣削装置、摊铺装置组成一个系统来进行整体分析。 2 1 沥青路面的破坏形式与破坏机理 对沥青路面的破坏形式与破坏机理进行分析可以帮助我们更深入的理解沥 青混合料的性质和以及找到对应的路面修护方法。沥青路面是由热的沥青混合 料经摊铺压实而形成的，一般的沥青混合料是弹粘一塑性体，在不同的条件 破坏时，呈现不同的性质。低温破坏时，呈现脆性破坏；高温时伴随流动；长 期载荷作用下，变形随时间增长而加大：重复载荷作用下出现疲劳破坏。 当前，沥青路面的养护任务以路面垃圾清扫、路面交通设施的维护、路面 的龟裂、坑槽等病害处治为主。若路面病害处理得不得力和交通安全设施维护 不及时，病害在车轮载荷的反复作用下，向四周扩散，破碎、掉渣，形成大面 积的坑槽，损害的交通安全设旆会给过往车辆的行驶安全带来隐患，尤其是夜 问造成的车辆损坏及交通事故。公路养护技术规范中将公路的病害定为七种类 型。 ( 1 ) 变形，变形指塌陷和沟槽。塌陷和沟槽形成是有压缩和剪切引起的路面永 久变形。形成关键原因是混合料中沥青的含量低、设计符合低于实际交通负荷。 ( 2 ) 车辙，车辙是由层与层之间的混合料切向流动和滑动引起的。原因是混合 物或切向负荷过大，车辆轮胎作用形成车辙。 ( 3 ) 裂纹，路表面的裂纹使表面的水份渗入面层，进入到稳定层，通过稳定层 进入路基层。明显减低了路面强度且导致路面变形、龟裂。路面在裂纹后发生 破坏。裂纹形式并不相同。形成裂纹的原因很多，为了确定修复的最佳方法， 必须找到裂纹的原因。裂纹可能是路面疲劳、过热原因造成。 第2 章沥青混合料铣削与摊铺状态下的力学性质 ( 4 ) 剥落，沥青路面表面的聚合物脱落。影响路面的平整性。如果路面出现这 一破坏，将导致路面的防水层损坏，公路大面积损坏，严重影响交通通行量。 ( 5 ) 磨损，路面表面纹理损坏。面层混合料质量较差可能是产生路面磨损的主 要原因之一。日益增大的交通流量也对路面磨损产生一定的影响。物料过细也 能导致路表面纹理破坏，使路面附着系数下降。混合料中过多的沥青，摊铺作 业后产生条状发亮的油带，也能导致路表面磨损加剧。 ( 6 ) 脱落，由油料级配差或沥青粘结剂强度若而造成脱落，这将引起路面疏松 和破坏。 ( 7 ) 坑洼，坑洼是交通流量的作用，路面的材料破坏，在路面形成孔洞，特别 是在大雨过后，水通过裂纹渗入路面下，极易形成坑洼。水的进入引起路基变 软，路面开裂，承载能力降低。细小颗粒也被排到路表面，使路基减弱。 由于这些破坏形式主要是在常温破坏，因此，这些沥青混合料在破坏时呈 现脆性的特征。对脆性材料而言，其破坏属于剪切破坏的情况。其破坏机理可 用摩尔一库仑公式来解释。根据库仑定律，外力作用下材料不发生剪切滑动应 具有下列条件： f c + 盯- t g 庐 ( 2 - 1 ) 式中：f ：外负荷作用下，在某一面上产生的剪应力： c ：材料的粘结力； 盯：外负荷产生的正应力； ：材料的内摩擦角。 从图上可以看出： r = 三( q q ) c 。s 口= ( q + 口2 ) 一亡( q o - 2 ) s i n 将上两式带入2 - 1 式得： ；三 ( q c r 2 ) 一( q + 0 1 ) s i n 庐】c ( 2 2 ) c o s 口 当上式取等号时，则产生剪切破坏，但是，在热再生工艺中，由于沥青混合料 处于一定的高温状态下，沥青混合料具有了流动性，因此我们应用流变特性来 对沥青混合料在热再生状态下的性质进行分析。 6 第2 章沥青混台料铣削与摊铺状态下的力学性质 2 2 沥青混合料的主要性质一流变特性 沥青混合料是一种复杂的多种成分的材料，其主要由有矿质骨料和沥青混 合料所构成，并且具有空间网状的结构，其结构强度主要由矿质集料之间的摩 擦力和沥青与集料间的粘结力所构成，因此其强度取决于两类要素：( 1 ) 矿 物骨架结构、沥青的结构、矿物的材料与沥青相互作用的特点；( 2 ) 沥青混 合料的密实度及其毛细孔隙结构的特点。 正因如此，对于公路建设尤其是高速公路的建设，最重要的一点就是，选 择合适的沥青混合料，同时，因为沥青混合料的性质随着温度的变化也是会变 化的，因此，在不同的地方，我们必须选择不同类型的沥青混合料。 按照其强度原则，沥青混合料可分为嵌挤原则形成的结构强度和按密实继 配原则形成的结构强度两大类。 按嵌挤原则构成的沥青混合料的结构强度是以矿质颗粒之间的嵌挤力和内 摩擦力为主，沥青混合料的粘结力为辅。应用这类沥青混合料的路面主要有沥 青贯入式路面、沥青表面处治以及沥青碎石路面。 按密实级配原则构成的混合料，是应用最为广泛的混合料，其结构又可以分为 几个三个不同的结构： ( 1 ) 悬浮密实机构。由连续级配矿质混合料组成的密实混合料，材料从大到 小连续存在，并且个有一定的数量。实际上，同一挡较大的颗粒都被小一挡颗 粒挤开，大颗粒犹如悬浮于小颗粒中，这种结构按最佳级配原则进行设计，密 实度和强度较高。 ( 2 ) 骨架空隙结构。较粗石料彼此相接，较细颗粒料的数量较少，不足以充 分填充空隙。因此，混合料的空隙较大，石料能够充分形成骨架。在这种结构 中，粗骨料之间的内摩擦力起着重要的作用。 ( 3 ) 骨架密实结构，是综合以上两种方式组成的结构，混合料中即有一定数 量的粗骨料形成骨架，有根据细料空隙的多少加入细料形成较高的密实度。次 结构是按级配原理设计的。 在分析了沥青混合料的配比构成后，我们必须对沥青混合料进行力学分析， 以便我们再能够了解了沥青混合料的共性后能够更好地分析沥青混合料在破 坏、铣削与摊铺时的工艺状况。 由于沥青材料是一种具有流变特性的典型材料，所以在近代沥青材料性能 第2 章沥青混合料铣削与摊铺状态下的力学性质 的研究中，经常采用流变学的方法来描述沥青材料的工程性质。热沥青混合料 由于是由一定的沥青材料混合了其他配料，同时又在高温状态下，因此热沥青 混合料具备了很好的 牛顿粘性和虎克弹性 这两个性质，由于这 两个力学性质均可用 温度与时间的函数表 示，因此沥青混合料 的性质作为“某一条 件的响应”是比较合 ) 牛顿模型( c ) 圣结南梗型 图2 1 流变模型 理的，应将其描述为仅在某一条件下才具有的性质。所以，在较宽的温度及时 间区域中考察混合料的力学性质，则其变化是极有规律的，这种规律性可以用 粘弹性理论加以表达，作为温度与时间的函数加以分析。根据以上的分析，我 们可以得到热沥青混合料的流变特性如下： ( 1 )热沥青混合料会表现出定的弹性，特别是对密级配的混合料。对于混 合料中的矿物骨架，其弹性很小，所以混合料的弹性在很大程度上取决于沥青 的可以出现类似塑性变形的不可逆变形，也就是刚塑性。 ( 2 )由于沥青混合料是一种集 料型材料，所以预计它会表现出集 合料受力后所表现出的刚塑性。由 刚体组成的集合料在外力作用下， 由于颗粒的重新排列，可以出现类 似塑性变形的不可逆变形，也就是 刚塑性。 ( 3 )沥青本身是一种粘性材料， 因而混合料也会表现出较大的粘滞 ( ) 麦克撕韦梗型曲) 开尔文梗堑 图2 - - 3 沥青混合料基本流变模型 n 性，这种粘滞性对沥青混合料的强度形成有很重要的影响，也是我们采用流变 学来研究热沥青混合料特性的主要原因。 热沥青混合料在受到压缩时，它的应变响应与其所受压力的条件有关。在 无侧限压缩、有侧限压缩及有围压等不同条件下，会有不同的应变响应，研究 热沥青混合料的流变性时应考虑其实际状况。由于热沥青混合料中沥青的含量 薯t 一 窜 第2 章沥青混台料铣削与摊铺状态下的力学性质 很少( 5 左右) ，大部分是刚性很大的骨料，不会产生塑性流动，这点与塑性 混凝土不同。对于一般材料的流变特性进行研究时，一般基于以下的三种理想 模型如图2 - 1 所示，弹性元件即虎克模型，模型如图2 一l ( a ) 所示。如以盯表示 拉应力，s 表示应变，则： 盯= e e( 2 3 ) 式中：e 为弹性模量；粘性元件即牛顿模型，模型如图2 一lb 所示。如以盯表 示拉应力，占表示应变，则： 盯：，7 坐( 2 4 ) 4 出 式中，行为粘性常系数；塑性元件，用圣维南固体模型表示如图2 1 c ，当应力 盯 ，时，伸长s = o ；当盯= f 时，s 可为任意值，厂为塑变极限。 j 占= o 仃 ：! 时，沥青混合料呈现弹性 饿 r 当坐 0 e + k 3 xx 斗，x 0 丘+ k 4 xz v ，且有咋：。+ v ，若设：1 2 。1 0 ，则铣削功 率应用式为： 已= k 1 曰吼y 那么铣削阻力应用式可表示为： r ：墨：k 里鲨 。 阼“ ( 3 5 6 ) ( 3 5 7 ) 第3 章铣刨装置的设计方法 经过以上的分析，我们可以用( 3 5 6 ) 和( 3 5 7 ) 作为我们对铣刨装置 进行设计计算的应用公式。 第4 章铣刨装置深度控制方法 第4 章铣刨装置深度控制方法 本文在前面的两章及第5 章中，分别建立沥青混合料在铣削与摊铺状态下 的粘弹性数学模型，并在此基础上对铣刨装置与摊铺装置进行了结构与动力学 上的分析，然而，对于整体热再生机组设计来讲，如何对铣刨装置与摊铺装置 进行控制也是非常关键的一个问题，因此，在本章及第六章中我们着重分析铣 刨与摊铺装置的控制方法。 虽然在整个机组的结构布置上，铣刨装置与摊铺装置分别处于机组的两端， 在施工工艺上，铣刨装置的铣削与摊铺装置的摊铺也是相反的两个过程，但实 际上，不论他们的内部结构还是工作原理都是相似的，甚至在控制方法上可以 是完全相同的，他们的主要相似性表现在以下方面： 首先他们都是靠液压系统驱动液压缸伸缩来实现对被控对象的调节，他们 部使用脉冲比例式液压系统电磁控制阀，这样就可以非常方便于p l c 控制器使 用其p w m 功能模块来对电磁阀进行控制，这样，控制器和液压系统之间就可以 非常好的进行接口。 其次，由于摊铺装置是在铣削装置切削出的路面层上进行摊铺，因此这两 个装置的检测部分的参考基准可以是一样的，在控制软件对参考基准的处理方 法上也可以是一样的。 再次，两个装置都要使用传感器来对装置的被控对象进行检测，这样，整 个机组的中心控制器在对传感器传来的数据的处理上就有着相似性。 正因为有着这样的相似形，同时，目前又存在着功能强大的p l c 控制器， 因此对于这样一台热再生机组来讲，完全可以使用同一套中心控制器来对两个 装置进行同时控制，这样不仅可以因为两个装置在传感器安装、信号处理以及 控制方法上的相似性而大大节约系统资源，也会大大减少出错性，同时使用同 一套控制器还可以使两套装置可以更好的进行协调工作，这样的协调性，能够 使热再生机组可以应对更多不同情况的路面以做出最恰当的处理，极大的拓展 机组的适用性。 但是，铣刨装置和摊铺装置在控制目标上切是不同的，对于铣刨装置来讲， 主要控制的是铣刨深度，而对于摊铺装置来讲，虽然摊铺深度也是一个重要的 第4 章铣刨装置深度控制方法 参数，但是其控制重点切是摊铺平整度。对于摊铺平整度的控制因为要设计摊 铺装置的仰角因此其在系统结构上要比铣刨装置更复杂一些。 同时由于在热再生机组的施工过程中，铣刨装置必须先铣削至一定的深度 然后才能进行水平切割，也就是必须先进行垂直进给运动然后才能进行水平切 割运动，因此在对铣刨装置的控制结构的处理上，可以大大的简化。下面，本 章将着重分析铣刨装置的深度控制方法，下一章着重分析摊铺装置的平整度控 制方法。 4 1 铣刨深度控制系统工作原理 我们知道，控制系统可以分为开环和闭环两类，最初的控制主要是开环方 式，随着各种检测技术及控制技术的发展，人们逐渐发现了闭环控制系统，闭 环控制系统由于采用反馈控制而大大提高了控制精度，对于沥青路面铣刨装置 的深度控制系统来说，也经历了开环控制方式和闭环控制方式两个发展阶段。 最初，也就是在 铣刨机和摊铺 机刚刚发展起 来的时候，人们 只能靠眼睛来 判断铣刨深度 图4 l 铣刨装置控制方式图 和用手工来对铣刨深度进行调节，当然，这样的调节精度是有着很大的限度， 并且由于人本身对环境的适应限制性，因此大大限制了铣刨机与摊铺机的应用 范围，只有在传感器技术和液压伺服技术出现后，人们才使使用可以完全可以 进行自动控制的闭环控制系统成为可能。可以说，闭环控制系统的发展，使铣 刨装置与摊铺装置的技术改造向前迈了一大步，同时使这两种装置应用到了更 多环境恶劣的地方。 图4 1 就是铣刨装置所采用的控制方式图，安装在铣刨装置上的传感器不 断的检测铣刨深度，然后把这些数据传递给中心控制器，中心控制器会把这些 数据与机器预先设定好的初始值进行比较，然后根据这个偏差值通过驱动液压 缸的运动来实现对控制机构的调节，使被控对象能够满足我们所要求的参数， 在本文中所讨论的控制系统均采用p l c 来作为控制器，我们在后面将会分析使 第4 章铣刨装置深度控制方法 用p l c 作为控制器的原因。 在深度控制系统的应用结构类型上，不同的铣刨机和铣刨装置也是非常不同 的，一般小中型的铣刨 机会把铣刨滚子固定 在铣刨机底盘上，直接 通过调节底盘的高度 来调节铣削深度，而对 于底盘的调节又是通 过在轮胎与底盘之间 安装液压缸，通过调节 轮胎支架的高度来调 节底盘的高度。但是对 于，一些大型的铣刨机 图4 2 铣刨装置深度控制系统简图 和就地热再生机组来讲，由于机组本身的重量过大，因此不可能通过调节机组 底盘来调节铣刨深度，只有通过调节铣刨滚子自身来调节。本文中所讨论的热 再生机组所采用的就是通过调节铣刨装置高度来调节。 根据前面章节的分析我们可以知道，整个机组中心控制器对于铣刨装置的 控制主要分成两个部分一铣刨滚子功率控制和铣削深度控制。功率控制通过功 率调节方法来调节铣刨滚子的转速，以适应不同的路面和不同的切割状态，而 深度控制主要调节铣刨滚子相对于未切割平面的切割状态。 深度控制系统主要有声纳跟踪器( 即无接触式传感器，也可是接触式传感 器) 、控制器、传感器安装支架、液压控制电磁阀、升降液压缸等元件组成。 其中最为重要的部件是声纳跟踪器，声纳跟踪器是由声纳发生器和接受器组成。 图4 2 为铣刨装置深度控制系统安装简图。 通常安装四只声纳跟踪器于传感器支架上，支架安装在机器机架上，由于 路面不平，机器与基准的位置发生变化，声纳传感器测量出铣削滚筒的深度位 置变化的信号，信号输入控制器，有控制器进行平均计算后，并发出控制信号， 实现液压油缸伸缩。声纳发生器安装在声纳跟踪器的底部，发出声波脉冲。跟 踪器精确的测量和控制从信号发出端到坡度基准的距离。坡度基准可以采用拉 线、路肩或已铣削好的道路表面。 声纳跟踪器可通过发出每秒钟一定次数的脉冲，精确的测量从信号发出端 第4 章铣刨装置深度控制方法 到基准问的距离。发出的声波作用与基准上，并由基准上再反射到跟踪器，跟 踪器测量声波反射的时间。根据这个时间，就可以得到实际的深度，然后和要 求的深度作为两个基本的量进行控制，以实现对整个铣刨滚子的控制。 4 2 深度控制系统方案设计 对于任何一种控制系统的方案设计来说，所耍处理的最关键的两个问题就 是控制器的选择和控制策络的实现，而对于就地热再生机组这样一个复杂系统 来讲控制器的选择就显的尤其重要，由于我们不仅要在铣刨装置上使用该控制 器，同时在摊铺装置上也要使用，甚至整个热再生机组都是使用这样一套中心 控制器来进行控制，因此，我们必须同时考虑到铣刨装置和摊铺装置的工作环 境，我们首先来看热再生机组的整个工作环境： ( 1 ) 首先是高温环境，不仅是因为机组主要在炎热的夏季施工，现场温度甚至 高达4 5 以上，沥青混合料的温度也在1 1 0 一1 4 0 左右，同时还因为该机组采 用的热再生方式，因此铣刨装置所要切割的路面已经是经过加热的路面层，因 此其温度也要超过1 0 0 以上； ( 2 ) 热再生机组每天的工作强度大，工作时间长，一般都在1 5 h 以上，且连续 工作日长，一般要连续工作四到五个月； ( 3 ) 生机组的铣刨装置和摊铺装置以及加热装置在施工中要根据实际工况进行 不断的必要的实时调整，调整动作都在上百次以上，因此这样经常变化的调整 和控制对控制系统是一个严格的考验； ( 4 ) 由于铣刨装置和摊铺装置都是靠大量的传感器来对被控对象进行检测，同 时在机组的其他装置如加热装置和拌料装置都会有大量的传感器来进行检测， 因此控制器必须能够适应和大量的传感器进行数据传递，同时又必须很好的能 够对这些数据进行分析与运算； ( 5 ) 该控制器必须能够很方便的进行编程，必须简单，这样才能够使现场操作 人员不会太多的浪费编程的时间，同时简单也使操作人员减少出错的可能性。 同时，由于整个机组是一个统一的系统，每一个独立的下级控制系统必须能够 很好的服从总控系统的调度，拥有简便的人机界面也是一个必须的要求。 ( 6 ) 必须很好的能够使用p w m 功能和液压系统的脉冲比例式电磁阀进行接口以 便对液压缸进行控制。 第4 章铣刨装置深度控制方法 由此可以看出，这样一个复杂的系统，在系统协调与可靠性与稳定性上的 要求是非常高的，只有具有非常高的可靠性和稳定性，才能够使机组能够适应 各种不同的环境，除了这些因素，我们还必须考虑整个机组在制造上的成本问 题，必须采用简单的控制系统，才会使机组在制造上的成本降低，同时降低机 组在维护与升级上的成本。目前，在工业控制领域所应用到的控制器主要有三 种： ( 1 ) 以可编程控制器为核心开发的控制器( 简称p l c ) ； ( 2 ) 以单片机为核心开发的控制器； ( 3 ) 工业控制计算机。 这三种控制器各有优缺点，并且都在现代工业设备的控制领域里得到了非常广 泛的应用，但是，在沥青路面就地热再生机组这样一个应用环境里，可编程控 制器相对于其他控制器就拥有自身明显的优势： ( 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强，可编程控制器是专为工业控制而设计的，其平 均无故障时间达到( 3 5 ) 万小时以上。 ( 2 ) 编程直观简单，可编程控制器是面向用户面向现场，形象直观，易学易懂。 ( 3 ) 适应性好，可编程控制器产品已标准化、系列化、通用化，因此能灵活方 便地进行系统配置，组成规模不同、功能不同的控制系统，既可控制一台单机， 一条生产线，又可控制一个复杂的群控系统，既可以现场控制，又可以远距离 控制。 ( 4 ) p l c 具有非常强大的处理p _ l v m 功能，可以很好的和液压系统脉冲比例式电 磁控制阀进行接口。 ( 5 ) 功能完善，接口功能强，对于铣刨装置和摊铺装置的液压系统来说，应用 p l c 可以大量节省外围驱 动电路，使得电液控制系 统变得简洁，实际上p l c 作为摊铺机的控制器在目 前来说已经成为一个趋 势，p l c 不仅可以满足诸 如人机通话、通信、运动 控制、高速数据处理、温 度控制等众多要求还可以图4 3 铣刨装置p l c 控制系统结构图 第4 章铣刨装置深度控制方法 提供品种丰富的相关配套功能，以便组成一个兼容性和稳定性具佳的系统，并 且可以大大缩短开发的周期，因此我们这个系统采用p l c 作为控制系统的控制 单元。图4 3 就显示了使用p l c 作为控制器的铣刨深度控制系统图，当然这个 系统只是就地热再生机组整体控制系统的一个子系统，将在下章解决的摊铺 装置的控制系统基本上才用了同样的系统结构。 图4 - 3 中： 传感器：实时采集数据以反应铣刨滚子工作情况； 数据处理单元：实时控制信号的处理和决策运算，对当前的工作情况进行 分析判断，并给出最合适的控制输出量，同时对不正常的信号和异常状况发出 警报： 控制执行单元：用于执行处理单元控制信号，控制摊铺机的调平液压系统。 人机界面：便于人工操作的控制面板，用于系统对话和执行操作。 其他：由于传感器的信号一般为模拟量输入，因此需要一个a d 单元以便 提供数据处理单元合适信号，另外还需要有其他相关合适的电缆和继电器等。 该框图基本反应了我们铣刨装置深度控制系统的设计思想，并且适合当前 控制系统的大体设计趋势，同时能够基本满足施工现场的要求。 在选择了p l c 控制器后，我们来着重 分析，控制系统的基准设定与液压系统脉 冲比例式电磁控制阀的p w m 控制方式的实 现。不论对于铣刨装置的深度控制系统还 是摊铺装置的自动找平系统，一个关键部 分的就是对于基准的确认，在铣刨装置中， 铣刨深度基准基本上采用为铣削前的路面 层做为基准，但是在p l c 系统中没有以实 物基准，系统基准是通过软件实现的。我 们在下一章会分析摊铺装置的基准设定方 法。 下面我们分析液压系统的脉冲比例式 电磁控制阀的p w m 控制，因为，不论对于 铣刨装置还是摊铺装置，最终的参数调节 还是通过p l c 控制使用p w m 方式驱动电磁 t b t 旷趼 开 ，z ， l le 】 i r t 群 砷堪 焉糕 d 图4 4 控制系统的p w m 控制原理 第4 章铣刨装置深度控制方法 阀调节油缸来实现的。 在我们设计的p l c 控制器的软件中， 控制方式，控制规律是一种非线性曲线。 这种调制方式就是采用脉冲周期内输入相 应的调制信号来改变所调制的脉冲宽度， 图4 4 就是利用模拟运算元件组成的p w m 实现原理图，从中可以清楚地了解其工作 原理。 仉为传感器检测点与所给基准的偏 差电压，为定频锯齿波，此锯齿波的最 小电压大于0 ，这是为设置死区而定的， 在不同的控制区域，采用不同p w m 的 图4 5 湖的开关过程 是一个可调节参数。在锯齿波的调制下，产生4 4 d 所示的脉宽调制信号。u 可 分为恒速区、脉冲区和死区。当偏差信号较大时，调节器输出连续调节信号， 以快速调节系统，也符合直观感觉；当偏差信号较小时，玑为0 ，不进行调节， 这个死区范围可以调节，他的设置有利于系统的稳定。其中锯齿波的频率即为 采样频率，它与产生的脉宽频率相同，一般说来，调制波的频率与幅值不能小 于被调制波的频率与幅值在p 踟驱动信号的作用下，阀芯位移j ，和时间关系构 成了阀的动态特性。阀的开关过程可用4 个时间常数“，t 2 ，) 来描述，受阀的 电磁惯性和机械惯性等的影响，若高电平持续时间 瓦 t 1 + f 2 ，i 一一】( i 为脉冲周期) 则阀的开关过程如图4 5 所示此时阀的开启和闭合均能到位，开启延时为 闭合延时为f ，当瓦t j + 如时，阀未开 启或者开启不到位。当 瓦嘎一t 3 - - 1 4 ，1 时，阀将不能及时关 闭或者关闭不到位对于后两种情况， 阀芯的运动情况较为复杂，阀芯处于一 种半关闭或者半开启状态，阀的这种状 态实际上类似于我们给阀加上一个颤振 信号，使阀和液压机构处于一种微振状 态，因此对减小滞环，改善系统的静摩 图4 6 控制器的分段控制原理 擦特性，以提高低速平稳性和系统的可靠性都很有益处，电磁阀通过脉宽调制 第4 章铣刨装置深度控制方法 使流体形成脉冲流体，再利用脉冲宽度的变化而连续地控制流量变化，输出流 量与脉冲宽度成线性关系。为了进一步提高系统性能，我们考虑可采用分段控 制方式，其基本原理是：恒速区采用连续脉冲控制，以便系统迅速的回到正常 位置；在死区时系统不作反应；而在脉冲区内，将偏差信号( 当前位置与平衡 位置之间的偏差) 分为远离平衡位置、接近平衡位置及其之间三段，在这三段 分别采用不同的斜率控制，虽然每段仍然采用p w m 策略，但每段内电磁阀输出 流量与脉冲宽度所成线性关系的斜率不同，其目的主要是使牵引点尽快地回到 平衡位置，希望能提高系统的响应速度，但又不能使其超调过大。图4 - 6 表示 了这种控制方式的控制原理。图中曲线l 为p w m 中脉冲宽度与牵引点位移的关 系曲线；曲线2 为在分段控制中它们之间的关系曲线。其中，0 一s o 为死区，瓯一只 为脉冲调节区，s 以上为恒速调节区，s ，墨为分段控制的分段点，本软件所选 参数为：f 0 为最小脉冲宽度，t ，为最大脉冲宽度，根据电磁阀的特性及前面的分 析，避免电磁阀不能全开或全关，扩大线性调制范围，本系统规定普通电磁阀 的最小脉冲宽度为3 3 m s ，从图4 6 可以看出，相比于线性控制来说，这种控制 方式可以使牵引点快速回到平衡位置。靠近死区时，脉冲宽度相对来说比较大， 易于产生振荡。 4 3 深度控制系统控制流程 铣刨深度控制系统和摊铺控制系统的主要区别就在于控 制流程上的区别，由于对任何个施工过程，铣刨装置 总是从垂直进给运动开始，然后再进行水平切割，因此， 根据这样一个工作流程，我们得到深度控制系统的p l c 控制器控制软件的流程如图4 7 所示。 图4 7 铣刨深度控制流程图 第5 章摊铺装置设计方法 第5 章摊铺装置设计方法 在分析了铣刨装置的结构设计方法和深度控制方法后，本章对就地热再生 机组的摊铺装置进行设计，作为整个机组的非常重要的一个部分，摊铺装置的 性能直接决定了热再生机组施工工艺的高低，直接决定了铺设路面的质量。 对于摊铺装置的设计，其关键的三个方面包括： ( 1 )摊铺装置熨平板的结构； ( 2 )摊铺熨平板与摊铺介质相互作用动力学数学模型； ( 3 )摊铺装置深度控制系统的设计； 本章就主要分析摊铺装置熨平板的结构和熨平板和摊铺介质相互作用动力 学数学模型。下一章主要讨论摊铺装置深度控制系统的设计。 5 1 摊铺装置熨平板的结构设计 在分析熨平板结构前，我们先分析摊铺装置的整体结构，由于摊铺装置在 整个就地热再生机组中的功能是接收拌料装置传输过来的沥青混合料，然后通 过料斗和振捣器来铺设混合料，最后通过熨平板来压实得到新路面。其施工工 艺流程如图5 一l 所示。 图中所示部件把摊铺装置 与整个机组连接起来，起到支撑 摊铺装置的作用，同时摊铺装置 的深度控制系统也是靠这两个油 缸伸缩来进行深度调节的，两个 油缸的相互关联决定了摊铺装置 所铺设路面的平整度，本文将在 下一章详细分析深度控制系统。 图5 1 摊铺装置工艺流程图 在施工中，摊铺装置的料斗首先接收从拌料装置传输过来的沥青混合料， 然后通过其旋转散料器的旋转把拌料装置输送过来的混合料铺设到切割后的路 面层上，形成新的沥青路面层混合料，旋转散料器的旋转速度取决于就地热再 生机组的行进速度和要求的路面摊铺厚度以及拌料装置输送混合料的速度，假 固 一 垂 第5 章摊铺装置设计方法 设旋转散料器每一转散料的体积为( 立方米) 圮，旋转速度为( 转分) 垠， 机组行进速度为( 米秒) v ，要求铺设路面新层在为压实前的厚度为( 米) 忽， 摊铺宽度为( 米) 工，拌料装置输送料的速度为( 立方米秒) k ，那么旋转散 料器的旋转速度计算公式为： 驴6 0 粤= 6 0 等( 5 - - 1 ) y 5r s 根据此公式我们就可以计算得出给旋转散料器输入动力的液压马达的旋转 速度。 旋转散料器通过自己的旋转把沥青混合料散落并铺设到路面切割层上，但 是新铺设的这层混合料是非常疏松的，必须首先经过振捣器的高频振捣，才会 具有一定的密实度。振捣器主要由支座、振捣梁、偏心轴等组成( 见图5 2 所 示) 。工作时，液压马达驱动偏心轴转动带动振捣梁上下作夯实运动，达到对物 料的夯实。振捣器对沥青混合料初步夯实的效果对于新路面的形成具有非常重 要的影响。当对振捣器进行设计时，首先要考虑的就是振捣器的结构形式，是 莆进方向 疆夯 图5 2 振捣梁结构图 单振捣梁还是双振捣梁， 然后就是选择振捣器的振 捣频率和振捣梁的振捣行 螺接 程，这两个参数基本上决 定了振捣器的性能。目前， 振捣频率一般为o 一2 5 赫 兹，可无级调速，以适应 不同的摊铺速度、摊铺厚 度和摊铺材料。一般摊铺 厚层及粗料时，要求振捣 梁大振捣行程振捣，而在摊铺由细料组成的砸层时用小振捣行程振捣。对于振 捣频率的调节可以通过调节图5 2 中的振幅调节机构来实现，而对于调节振捣 行程的调节可以通过调整振捣器自身的高度来完成。 由于振捣器和熨平板连接在一起的，只有通过他们的联合工作才能完成对 新路面的夯实，因此我们往往把二者结合起来一起进行结构分析。选择单振捣 梁的振捣器和选择双振捣梁的振捣器其振捣效果是不一样的，尽管双振捣梁的 3 8 第5 章摊铺装置设计方法 结构要比单振捣梁复杂，但是由于双振捣梁可以通过两个振捣梁对沥青混合料 进行预夯实和二次夯实，因此其夯实效果要好于单振捣梁，一般的摊铺机上都 选用双振捣梁。 振捣梁实现的是对沥青混合料的初步夯 实，而熨平板不仅要实现对沥青混合料的再一 次夯实，还要使夯实出来的路面具有一定的密 实度和平整度。由于振捣器和熨平板是连续进 行工作的，因此我们实际操作过程中，无法对 振捣器振捣后的密实度进行实际测量，只要保 证熨平板压实后的路面具有要求的密实度就 可以了。 在对沥青混合料进行夯实时，振捣器和熨 图5 3 一种熨平板结构模型 平板工艺状况也是不一样的，其区别如表5 1 所示： 表5 一l 振捣