（机械工程专业论文）2米路面铣刨机控制系统研究.pdf

摘要 路面铣刨机是现代沥青路面养护施工机械的主要机种之一。用路面铣刨机铣削损 坏的旧铺层，再铺设新面层是一种最经济的现代化养护方法，由于其工作效率高、施 工工艺简单、铣削深度易于控制、操作方便灵活、机动性能好、铣削的旧料能直接回 收利用等，因而广泛用于城镇市政道路和高速公路养护工程中。 本文对2 米铣刨机控制系统与关键控制技术进行了研究，在对铣刨机发动机管理 系统、行驶系统、转向系统、铣刨深度控制系统、找平系统及输料系统等各个环节的 控制功能需求分析的基础上，开发了基于c a n 总线与工程机械专用控制器的铣刨机控 制系统，完成了硬件选型设计、软件设计及关键控制算法设计；采用双手柄电控技 术，基于加速度控制原理，设计了行驶速度调节算法，达到任一手柄均可方便灵活地 独立控制速度的要求；采用了前轮转向、后轮转向、蟹行转向、全轮转向及后轮回中 五种转向模式，便于操作；提出了风扇智能控制算法，即能保证发动机冷却水、液压 油、发动机进气三种介质温度在允许的工作范围内工作，又可达到节能降噪的效果； 设计了功率极限载荷控制算法，在极限恶劣工况下，对发动机功率进行合理的分配， 达到发动机转速稳定的效果。实际施工效果表明，本控制系统合理可行。 关键词：铣刨机c a n 总线工程机械专用控制器双手柄风扇智能 a b s t r a c t a st h em a i nt y p eo fm a c h i n ef o r a s p h a l tr o d em a i n t e n a n c e ，t h ep a v e m e n tm i l l i n g m a c h i n ei se c o n o m i c a la n dp r a c t i c a lw h i c hi sa l w a y su s e dt om i l lt h ed a m a g e do l dl a y e ra n d l a yt h en e wl a y e ro f t h er o d e t h i st e c h n i q u ei sw i d e l yu s e di nm a i n t e n a n c ep r o j c o t so fu r b a n m u n i c i p a lr o a d sa n de x p r e s s w a yb e c a u s eo ft h ea d v a n t a g eo fi t sh i g he f f i c i e n c y , s i m p l e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , e a s yc o n t r o lo ft h em i l l i n gd e p t h , c o n v e n i e n ta n df l e x i b l eo p e r a t i o n , g o o dm o b i l i t y , d i r e c tr e c y c l i n gp r o c e s so fm i l l e do l dm a t e d a la n de t c i t si m p o r t a n tt os t u d y t h ek e yc o n t r o lt e c h n o l o g yo fm i l l i n gm a c h i n ef o rt h ei m p r o v e m e n to fm i l l i n gm a c h i n e q u a l 咄 t h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ek e yc o n t r o lt e c h n o l o g yo f2 mm i l l i n gm a c h i n ea r es t u d i e di n t h i sp a p e r t h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a nb u sa n dd e d i c a t e dc o n t r o l l e ro fe n g i n e e r i n g m a c h i n e r yh a sb e e nd e v e l o p e d t h es e l e c t i o no fh a r d w a r ea n dd e s i g no fs o f t w a r ea n dk e y c o n t r o la l g o r i t h mh a v eb e e nc o m p l e t e d t h ee l e c t r o n i c - c o n t r o l l e dd o u b l e j o y s t i c k st e c h n o l o g y i su s e di ns p e e da d j u s t m e n ta l g o r i t h mo fm i l l i n gm a c h i n eb a s e do nt h e p r i n c i p l e o f a c c e l e r a t i o nc o n t r o l ，w h i c hi sm o r ec o n v e n i e n ta n df l e x i b l et h a no t h e rs p e e da d j u s t m e n t a l g o r i t h m sa n dm e e t st h er e q u i r e m e n to fo n ej o y s t i c kc o n t r o l l i n gt h es p e e di n d e p e n d e n t l y i t i sa l s ou s e di na d a p t i v ep o w e rc o n t r o la l g o r i t h mo fm i l l i n gm a c h i n e ，w h i c hd i s t r i b u t e st h e e n g i n ep o w e rr e a s o n a b l yi ne x t r e m eb a dc o n d i t i o ni no r d e rt om a k et h ee n g i n es p e e ds t a b l e f i v es t e e r i n gm o d e s f r o n tw h e e ls t e e r i n g ，r e a rw h e e ls t e e r i n g ，c r a b b i n gs t e e r i n g ，a l lw h e e l s t e e r i n ga n dr e a rw h e e lb a c k - i nh a v eb e e nu s e d ，w h i c ha r ee a s yt oo p e r a t e i n t e l l i g e n tf a n c o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e d ，e n s u r i n gt h a tt h et h r e em e d i u m s ，t h ee n g i n ec o o l i n gw a t e r , t h eh y d r a u l i co i la n dt h ee n g i n ea i ri n t a k e ，w o r ki nt h ea l l o w a b l es c o p eo ft e m p e r a t u r e ，a n d r e a c ht h e e f f e c to fe n e r g ys a v i n ga n dn o i s er e d u c t i o n t h ea c t u a lc o n s t r u c t i o np r o c e s s d e m o n s t r a t e s t h a tt h i sc o n t r o ls y s t e mi sr a t i o n a la n df e a s i b l e ，a n dm e e t st h er e q u i r e m e n t so f o p e r a t i o n k e y w o r d s ：m i l l i n gm a c h i n e ，c a nb u s ，s p e c i a l i z e dc o n t r o l l e rf o rc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ， d o u b l ej o y s t i c k s ，i n t e l l i g e n tf a n 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 公路经过一段时间的使用，受到地质变化、风雨侵蚀、筑路材料老化及车辆碾压 的影响，会造成不同程度的损坏【l 】。随着世界经济的发展，公路运输对公路需求越来越 大，需修复的受损路面也逐年递增，需要一种高效率的施工设备对受损路面进行清 除。 上世纪7 0 年代初期，出现了第一代路面铣刨机，由于受当时发动机、刀具等技术 限制，最早的路面铣刨机采用的是热铣刨工艺。上世纪7 0 年代末，出现了冷铣刨机， 冷铣刨机比热铣刨机更能适应各种不同的工况，减少了加热系统，结构更加简单，能 耗更低。冷铣刨机是当今铣刨机市场的主流，热铣刨机逐步被淘汰。 铣刨机作为一种路面养护设备，其主要功能就是对路面病害进行清除，一般用于 高速公路、一级公路、城市道路、机场、货场及停车场等沥青混凝土和水泥混凝土面 层的开挖和翻修，可以高效地消除沥青路面的裂缝、车辙、松散、沉陷和表面功能衰 减等路面病害，对水泥混凝土路面的拱起、错台、板面起皮剥落、坑洞、麻面、露 骨、松散和磨光等病害也能高效地处理。通过适当的改装，铣刨机还可用于露天矿场 的矿石开采 2 1 。 铣刨机工作效率高，施工工艺简单，铣削深度易于控制，操作方便灵活，机动性 强，铣削的旧料可直接回收，因此广泛应用于路面维修翻新工程中。 1 2 国内外铣刨机的发展现状 1 2 1 国外铣刨机的发展现状 作为实现路面铣刨的设备，国外铣刨机经历了由热铣到冷铣，由无集料到有自动 集料装置的发展过程。1 9 7 1 年，德国出现首台铣刨机，是由w i r t g e n ( 维特根) 公司开 发的装有红外预加热系统的小型铣刨机，它的出现开创了道路养护施工的新纪元。到 2 0 世纪7 0 年代中期，全欧洲已有一百多台这样的铣刨机在使用。十年后，w i r t g e n 公 司又开发了带直接收集旧料装置的小型冷铣刨机。9 0 年代初，w i r t g e n 公司的铣刨机在 大型化、系统化、液压及控制技术上得到显著提高，其中w 2 2 0 0 就是冷铣刨技术的典 第一章绪论 型代表p j 。意大利的b i t e l l i ( 比泰利) 公司、m a r i n i ( 玛连尼) 公司，美国的c m i 公 司、c a t e r p i l l a r ( 卡特彼勒) 公司均在二十世纪9 0 年代初开发了自己的冷铣刨机。目前 国外铣刨机市场形成了以w i r t g e n 公司的产品为代表的欧洲风格和以美国r o a d t e c h 、 c m i 和c a t e r p i l l a r 产品为代表的北美风格。欧洲铣刨机多采用四履带行驶方式，外型 结构紧凑、精巧，更多地采用电子控制技术；而北美铣刨机多采用的是三履带行驶方 式，造型粗旷，更加坚固。 w i r t g e n 是全球规模最大、技术水平最高、可靠性最好、系列最全的铣刨机生产 商，目前其大型铣刨机占据了我国和全球8 0 左右的市场分额；全球大多数铣刨机生 产商都以该公司的产品为标杆进行研制生产。 w i r t g e n 生产全系列的大、中、小型铣刨机。大型系列：w 1 5 0 0 、w 2 0 0 0 d c ( 2 米，已淘汰) 、w 1 9 0 0 ( 2 米) 、w 2 0 0 0 ( 2 米) 、w 2 1 0 0 ( 2 米) 、w 2 2 0 0 ( 2 2 米) 等。其中w 2 2 0 0 可以安装4 2 米的铣刨转子，铣刨宽度可达4 2 米。中型系列： w 1 0 0 0 ( 四轮驱动) 、w 1 0 0 0 l ( 四轮驱动，可选装三轮驱动，发动机与w 1 0 0 0 不 同) 、w 1 0 0 0 f ( 四轮、四履带驱动可互换) 、w 1 2 0 0 f ( 四轮、四履带驱动可互 换) 、w 1 3 0 0 f ( 四轮、四履带驱动可互换) 。小型系列：w 3 5 0 、w 5 0 0 、w 6 0 0 d c 。 w i r t g e n 不断进行技术创新，引导全球铣刨机的发展方向。其2 米铣刨机的四种机 型：w 2 0 0 0 d c 、w 1 9 0 0 、w 2 0 0 0 、w 2 1 0 0 就是技术创新形成的不同时期的产品。 图1 1w i r t g e n - w 2 0 0 0 铣刨机 戴纳派克公司也是较早开发铣刨机的生产厂家，1 9 7 8 年开发出p l 2 0 0 0 铣刨机开 创了铣刨机先河，其产品特点包括前受载设计、找平系统，简单的操作控制和使用费 用的低廉，在世界各地广泛使用。其产品系列齐全：小型机包括p l 3 5 0 s 、 p l 5 0 0 1 6 s 、p l 5 0 0 2 0 s 及p l 6 0 0 3 0 s ：中型机主要有p l l 0 0 0 r s ：大型机包括： p l 2 0 0 0 l s 、p l 2 0 0 0 s 及p l 210 0 s 【4 】o 长安大学硕士学位论文 图1 2d y n a p a e - p i , 2 0 0 0 铣刨机 c a t e r p i l l a r 作为工程机械行业的巨无霸企业，有着工程机械各行业的产品生产经 验，早期的c a t e r p i l l a r 铣刨机引领了大型铣刨机的潮流，开创了北美型铣刨机的先河， 以大功率、大自重及大牵引力独领风骚。随着市场的需求变化，设计更为细致，控制 更方便，更适合沥青路面铣刨的欧洲型铣刨机开始占据主流，c a t e r p i l l a r 收购了欧洲的 b i t e l l i 后，继承了b i t e l l i 的铣刨机技术，开发出小型的p m 1 0 2 及大型的p m 2 0 0 型铣 刨机i 引。 图1 3c a t e r p i l l a r - p m 2 0 0 铣刨机 1 2 2 国内铣刨机的发展现状 我国在上世纪8 0 年代初期从国外引进了第一台冷铣刨机。9 0 年代国内一些厂家开 始研制生产小型铣刨机。2 0 0 0 年后三一、徐工、中联、镇江华晨华通等国内大型工程 机械企业开始研制和生产大型铣刨机。 三一重工于2 0 0 4 年开始研发2 米型大型铣刨机，采用多项世界领先技术，如： 国内独创、国际先进的全程无级调速行驶系统：可切换的单、双手柄转向技术； 冷却风扇负载感应智能化控制；全数字c a n 总线网络控制系统；国际先进的动力 单头输出技术等。 中联重科是国内较早研制大型铣刨机的工程机械企业，2 0 0 6 年在原有b g 2 0 0 0 的 基础上开发出了b g 2 1 0 0 型2 1 米铣刨机。 ，l 第一章绪论 国内还有其他著名工程机械企业生产铣刨机，如西安宏大、陕建、天津鼎盛等。 1 2 3 铣刨机技术发展现状与趋势 现代路面翻修工程主要集中在交通主干道如高速公路、城市主要道路、主要货物 流通公路等，这些公路承受了繁忙的货物运输和密集的车流量。在这些公路上施工要 求尽可能的缩短施工周期，把施工对交通的影响减少到最低程度，因此要求铣刨机有 更高的施工效率和稳定的运行能力，同时要求铣刨机有更强的适应能力和灵活智能的 操作性能。具体来说，铣刨机的技术发展趋势如下： 。 1 向大功率、大铣刨宽度发展 准确的说铣刨机的工作效率是以每小时铣削的土方量来衡量的，涉及铣刨宽度、 深度和作业时的行驶速度，在保证铣刨深度和作业速度不变的情况下。增大铣刨机的 宽度就意味着单位时间内更大的工作效率。要求铣刨机具有更大动力和功率输出。同 时受到铣削阻力也增大，牵引力也要求增大，要求铣刨机有更大的自重来增加对地面 的摩擦力以提高牵引能力，同时平衡铣刨造成的整机震动。大功率、大铣刨宽度、大 自重是铣刨机的一个发展方向。从铣刨机3 0 年的发展历程来看，从当初的不到一米的 铣刨机，发展到现在的2 米的铣刨机，在功率和自重上都有迅猛的发展。现在最大功 率的铣刨机功率达到了7 4 1 k w ，最大铣刨宽度达到了4 2 米。【6 】川嘲网 作为一种大功率施工机械，如何将铣刨机的输出功率尽可能高效地利用是提高铣 刨机作业性能与作业效率的关键。铣刨机工作的工况也不尽相同，随路面硬度、铣削 深度、刀具磨损、地面附着力等因素对输出功率有很大的影响。 功率自动分配技术就能根据施工的不同情况，自动的把功率分配的需要的地方。 例如，铣刨深度比较浅时，铣刨阻力较小，可以把更多的功率分配到行驶装置上，以 获得更快的施工速度：当铣刨深度加大时，铣刨阻力加大，减缓工作速度把功率分配 到工作装置上。不让功率浪费，也就意味着油耗的高利用，达到节约燃油的目的 o u q i l 2 。 2 c a n 网络控制技术与专用控制器技术的应用 近年来，c a n 总线技术在工程机械中大量应用，使得工程机械控制系统功能更加 强大，集成度更高，大型的、高端的工程机械纷纷选用这一技术对控制系统更新换 代。 铣刨机控制系统可分为两种类型，第一类是全数字网络控制系统。这种系统由两 4 长安大学硕士学位论文 个或两个以上的c a n 总线或r s 4 8 5 接口的数字控制器和一个总线以及若干传感元件 所构成，所有控制和反馈信号均由同一个总线传递。这种系统具有实时性强、可靠性 高、结构简单、互操作性好等特点，非常适合工程机械监控设备的互连。如w i r t g e n 的 w 2 0 0 0 ，戴纳派克的p l 2 0 0 0 s 。 另一类控制系统是分立式的控制系统，即同一台机器上有两个以上的独立控制系 统，它们互相之间没有通信关系，不存在信息资源的共享。如w i r t g e n 的w 1 9 0 0 ， b i t e l l i 的s f 2 0 0 l ，以及其他一些国内生产制造的2 m 铣刨机。它们的控制系统一般分 为两部分，一部分是切深控制，另一部分是整机的其它控制。 w i r t g e n 公司的w 2 0 0 0 采用第一类的控制方式，通过c a n 总线将铣刨机的控制单 元互相连接起来，实现信息资源的共享。 c a n 局域网络控制应用提高了铣刨机的智能化控制，使得操作更加的简便和安 全。通过c a n 把设备各部分紧密的结合起来，达到了数据的集中处理，实现智能化控 制和实时检测，同时增强电子设备硬件的扩展性，能赋予铣刨机更多的功能、更精确 的控制与更高的可靠性，同时使铣刨机的维修保养变得更加容易【1 3 】t 1 4 1 1 5 】1 1 6 1 【1 7 1 。 3 通用铣刨技术的发展 通用铣刨技术简称f c s ，就是在不改变铣刨机其它配置的情况下，能更换不同宽 度的铣刨毂，以适应不同施工宽度的要求。传统铣刨机的铣刨宽度是不能变的，如2 米铣刨机就只能铣2 米宽，l 米的施工宽度就不能施工。通用铣刨技术能改变这种现 状，2 米的铣刨机通过更换铣刨毂能实现3 0 0 m m 到4 2 0 0 m m 的施工宽度，真正实现一 机多用，提高设备的适用范围。 铣刨机在可靠性逐步提高的前提下，随着微处理器技术、传感技术、液压集成技 术的飞速发展及应用，铣刨机的控制功能和工作精度得到大幅提高。由纵、横坡传感 装置、电比例装置( 控制阀) 、深度控制装置( 微处理器) 组成的带负反馈的深度及自动调 平闭环控制系统，可使铣刨后的路面平整度误差控制在士3 m m 之内。由速度传感器、 微处理器、电比例变量泵、变量马达、全电子发动机管理系统组成的行驶驱动系统， 可实现发动机的自动功率控制。 1 3 论文研究的背景与主要内容 本文针对2 米铣刨机控制系统与关键控制技术展开研究，完成了控制方案的设计 5 第一章绪论 与控制系统软、硬件的开发，对该型铣刨机行驶控制及功率极限载荷控制等关键控制 技术进行了研究，给出了有关算法。具体研究内容如下： 1 开发了基于c a n 总线与工程机械专用控制器的铣刨机控制系统，完成了硬件 选型设计、软件设计及关键控制算法设计； 2 对双手柄电控操作技术进行了研究，基于加速度控制原理，设计了行驶速度调 节算法； 3 设计了前轮转向、后轮转向、蟹行转向、全轮转向及后轮回中五种转向模式， 提高了操作灵活性； 4 设计了功率极限载荷控制算法，在极限恶劣工况下，对发动机功率进行合理的 分配与利用； 5 提出了风扇智能控制算法，进一步节能降噪； 6 设计开发了铣刨机状态检测与故障诊断系统，提高了铣刨机的自动化与智能化 程度。 6 长安大学硕士学位论文 第二章2 米铣刨机控制系统方案研究 2 1 铣刨机的组成与工作原理 铣刨机的组成结构如图2 1 所示： 图2 1 铣刨机组成 铣刨机主要由动力系统、传动系统、行驶系统、升降系统、转向系统、铣刨工作 装置、输料系统、洒水系统、液压系统、操作系统、液压系统、电气控制系统等组 成。 1 动力系统 包括发动机主体、进气系统、散热系统、排气系统、燃油系统等部分，设计采用 了康明斯q s x l 5 欧发动机，额定功率4 7 1 k w t l 铂。 7 |i主毒-雾薅攀喜卜_-喾童鬈1【_瓣*鼍整毒-辩母纛暮嚣糍r一-一纂肇h薯警，鬟辱撼囊f-蒜瓣叠霹霹盘pt 第二章2 米铣刨机控制系统方案研究 2 传动系统 主要由分动箱、联轴器、液压离合器、皮带轮传动机构( 含皮带自动张紧装置、 发动机底架等) 、联组传动皮带等部分组成。 3 行驶系统 行驶系统是铣刨机的重要结构，是铣刨机整机的支承件，支撑着整个机器的重 量，同时承受铣刨机构在铣刨作业过程中产生的阻力，而且能够克服此阻力，给铣刨 动作一个向前的推力，并完成铣刨机在铣刨、装运、转场时的移动。 通过改变比例变量泵、变量马达的排量实现行驶的无级调速功能。 行驶的同步与防滑由四路分流、集流阀控制。 4 升降系统 升降系统是实现铣刨深度控制的关键，主要由四个支腿升降油缸和升降支腿两部 分组成。通过升降油缸的伸缩来实现整机的上升或下降，而铣刨装置安装在车架上 面，与车架一起升降，从而控制铣刨深度。前两个支腿升降油缸分开独立控制，既可 同时升降，也能单独升降，通过自动找平系统控制两前支腿油缸的单独升降实现铣刨 找平，使铣后的路面具有理想的平整度或一定的倾斜度，或达到预先设定的铣刨深 度。为了适应地面的不平整而能够三点定位，后两条履带采用了浮动方式，通过两个 升降油缸的并联来实现。 5 转向系统 前、后支腿的转向套分别与两只转向油缸相连，转向缸通过推动支腿转动从而使 履带左右摆动，实现整机的转向。两前支腿和两后支腿分别由横拉杆铰接相连，达到 左右同步转向的目的。前后转向油缸既可独立动作也可联动，使机械具有前轮转向、 后轮转向、全轮转向、蟹行转向和后轮回中五种转向功能，方便机械快速调头和移 位；在右前和右后支腿的转向机构上装有角位移传感器，以实现转向的闭环控制；四 种转向功能既可由两只转向手柄协同控制，又能用一只手柄完成，使转向操作更简单 方便。 6 工作装置 铣刨机铣刨工作装置( 铣刨毂) 位于整机中下部，通过铣刨工作装置的旋转和行 驶驱动装置实现路面的铣销。 7 输料系统 铣刨机配置一个接料输送机( 接料输送机用以承接铣刨毂铣削出来的废料并将之 8 长安大学硕士学位论文 输送到送料输送机) ，一个送料输送机( 送料输送机用以将废料输送到运输车上) 。 8 洒水系统 2 米铣刨机配备高、低压两套洒水、冲洗系统。洒水系统主要由高低压水泵、控制 单元、管路、卷管器、各种接头、球阀和喷水组件等组成。 9 操作系统 从结构布局上来说，控制系统由2 个操作台( 左右各1 个) ，1 个中央控制柜，8 个地面盒组成和1 个铣刨毂慢转控制盒。 左、右控制台台面上分布有常用控制元件如行驶、转向、发动机、铣刨工作装 置、自动找平、输送机、机体升降等控制对象的控制手柄、按纽、开关等，右控制台 面上单独布置有显示器以及输送机折叠、发动机顶罩开关、工作灯及警示灯等不常用 控制开关，操作者在驾驶台左右均可操作机器，根据需要随时转换操作位置，提高了 操作的安全性和方便性。 在机器左、右侧的前后支腿上部布置了八个地面控制盒，方便用户在地面操作相赣 关部件。同时用于找平控制器、找平传感器的连接。 1 0 铣刨机液压系统 铣刨机液压系统按液压回路分为四个相对独立的系统，分别是：行驶液压系统、 输料液压系统、辅助液压系统及风扇散热液压系统。液压系统的动力由安装在发动机 前端的分动箱各动力输出口传递给液压泵。另外还配有手动及电动辅助液压系统。 1 1 电气控制系统 主要完成以下控制功能：行驶控制系统、转向控制系统、发动机管理控制系统、 功率极限载荷、风扇智能控制系统、铣刨深度及自动找平控制系统、人机交互系统、 铣刨工作装置及其它附属控制系统。 1 2 其它系统 包括侧浮动板升降机构，凉棚升降机构，覆盖件升降机构，铣刨毂慢转机构等。 2 2 铣刨机液压系统组成 铣刨机液压系统按液压回路分为四个相对独立的系统，分别为：行驶驱动系统、 输料驱动系统、风扇冷却系统、辅助驱动系统。液压系统的动力由安装在发动机前端 的分动箱各动力输出口传递给液压泵。另外还配有手动及电动辅助液压系统。 9 第二章2 米铣刨机控制系统方案研究 图2 22 米铣刨机液压系统 1 行驶液压驱动系统 行驶驱动系统由电磁比例变量泵、皿液控比例变量马达、四路分流( 集流) 、冲 洗阀、远程控制阀( 电磁比例减压阀) 、蓄能器、电磁换向阀、电磁球阀( 拖动 阀) 、压力变送器、过滤器及其它辅件及管路组成闭式液压系统。 行驶液压系统采用单泵四马达闭式系统，由一个柱塞变量泵，通过四路分流( 集 流) 阀与4 个液压马达组成闭式回路。 2 输料液压驱动系统 输料驱动系统由电磁比例变量泵、液压摆线定量马达、溢流阀、冲洗阀、压力油 过滤器、散热器、温控旁通阀、回油过滤器及其它辅件及管路组成闭式液压系统。 3 风扇冷却液压系统 风扇冷却系统由电液比例压力变量泵、定量马达、单向溢流阀、电磁阀、过滤器 及其它辅件及管路组成开式液压系统。 4 辅助驱动系统 辅助液压驱动系统组成：辅助驱动系统动力源部分；辅助控制回路部分：转向回 路、支腿升降回路、输料机摆动、升降回路、二级输料机折叠回路、级配梁控制回 1 0 长安大学硕士学位论文 路、覆盖件升降回路、尾门控制回路、左右浮动侧板控制回路、液压离合、皮带涨紧 控制回路、慢转机构回路、洒水系统回路。 2 3 控制系统方案研究 2 3 1 铣刨机控制系统的功能与模块划分 控制系统划分为以下几个部分：行驶控制系统、转向控制系统、发动机管理控制 系统、功率极限载荷、风扇智能控制系统、铣刨深度及自动找平控制系统、人机交互 系统、铣刨工作装置及其它附属控制系统。 1 行驶控制系统 铣刨机行驶控制包括行驶速度无级调速、同步控制、功率极限载荷控制等。 2 转向控制系统 铣刨机转向采用前后轮单独转向控制方式，在左右操作台都设有前轮和后轮转向 手柄。通过操作前后轮手柄实现转向功能。同时，为了实现单手柄操作，设有蟹行转 向模式、全轮转向模式、后轮回中模式。用户可以根据需要选择其中的一种转向模 式，然后操作前轮转向手柄，同样可以实现前后轮同时转向的目的。 3 发动机管理控制系统 控制发动机的启动、停止以及非正常工况的实时保护，实时监控发动机转速、水 温、机油压力、燃油消耗率等参数 4 功率极限载荷控制系统 根据外部负荷，在极限恶劣工况下，自动调整铣刨机行驶系统和转子系统之间的 功率匹配，达到发动机转速的稳定。 5 风扇智能控制系统 铣刨机冷却系统采用一个风扇来冷却发动机冷却水、液压油、发动机增压后的空 气( 简称增压空气) 三种介质温度，使冷却水、液压油、增压空气三种介质温度都工 作在允许的温度范围内，又最大限度降低能耗。风扇智能控制系统根据反馈的三种介 质温度参数( 冷却水温度、液压油温度、增压空气温度) ，经过模糊运算，调节风扇 马达转速，改变风扇转速，最终使三种介质温度都保持在合理的范围内又节省了能 源，减小了噪音。与传统的控制方式相比，大大降低了功率需求，噪声等级和燃料消 耗。 第二章2 米铣刨机控制系统方案研究 6 铣刨深度及自动找平控制系统 铣刨深度( 即调节支腿高度) 可通过手动调节，也可通过自动找平控制系统实 现。铣刨机采用了国际知品牌m o b a 自动找平控制系统，达到铣刨深度满足用户的高 要求【1 9 1 。 7 输料及其它辅助控制系统 完成控制铣刨毂、输料机、接料机、输料皮带、洒水、照明、警报等。 8 人机交互系统 机器的工作状态及有关工作参数及故障信息都通过人机界面的方式显示在显示器 上，通过人机交互界面操作者可及时了解机器工作参数。 2 3 2 控制系统硬件选型 1 控制器选型 在设计2 米铣刨机控制系统时，以智能化、网络化为基本原则，考虑系统的操作 性、维修性及功能扩展等方面，主、从控制均选择选用力士乐公司的r c 6 9 行驶机械 专用控n 器t ：o lt 2 1 1 ，其主要性能参数见表2 1 0 表2 1r c 6 - 9 控制器性能参数 型号 r c 6 9 额定电压 1 2 v a n d2 4 v 电源电压 8 3 2 v 模拟输入端1 2 路 开关量输入端8 路 转速输入端5 路 比例电磁铁输出端( p w m ) 6 路 开关量输出端9 路 模拟输出端( 电压)l 路 r s 2 3 2 接口1 个 c a n b u s 接口2 个 转速输入端频率范围0 1 0 k h z 比例电磁铁输出端脉冲频率 1 0 0 - 4 0 0 h z 比例电磁铁输出端电流范围( 取决于负载)0 1 8 a ；m 之3 a 工作环境温度 _ 4 0 8 5 抗冲击一振动性( d i n - i e c6 8 2 2 7 ) 1 5 9 1l m s 防护等级 i p 6 5 1 2 长安大学硕士学位论文 图2 3 力士乐r c 6 - 9 控制器原理图 2 显示器选型 显示器选用了力士乐公司的d 1 2 1l ，其性能参数见表2 2 。 表2 2d 1 2 i i 显示器性能参数 型号 d 1 2 1 l 额定电压 1 2 v a n d2 4 v 电源电压 9 3 2 v c a n b u s 接口 v i 工作环境温度 2 0 6 3 抗冲击一振动性( d i n i e c6 8 2 2 7 ) 1 5 9 1l m s 防护等级 i p 6 5 2 3 3c a n 控制网络组成方案 1 c a n b u s 总线 1 3 第二章2 米铣刨机控制系统方案研究 控制器局域网c a n 属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控 制的串行通讯网络，其总线规范已被i s o 国际标准化组织制定为国际标准，并被公认 为是最有前途的现场总线之一，其具有以下特点： c a n 是具有国际标准的现场总线； c a n 为多主工作方式，网络上任何一个节 点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从；在报文标识符 上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求：c a n 采用非破坏总 线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级低的节点会主动地 退出发送，而优先级高的节点可以不受影响的继续传输数据，从而大大节省了总线冲 突的仲裁时间。尤其是网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况；c a n 节 点只需通过报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传 送接收数据； c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高 可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) ；报文采用短帧格式，传输时间短，受干扰概 率低，保证了数据出错率极低；c a n 的通讯介质可以为双绞线、同轴电缆或光纤， 选择灵活； c a n 节点在错误帧的情况下具有自动关闭输出功能，而总线上其它节点 的操作不受影响。 由于c a n - b u s 总线具有可靠、实时性强、便于扩展的特点，铣刨机控制系统采用 c a n b u s 现场总线。本系统对总线上的节点按功能进行如下配置： 节点l 主要功能：发动机管理系统、行驶控制系统、风扇智能控制系统、功率极 限载荷控制等； 节点2 主要控制功能：铣刨机转向控制系统、侧滑板控制； 节点3 主要控制功能：接料机输料机控制系统、刮板控制； 节点4 主要控制功能：支腿升降及找平控制； 节点5 主要控制功能：转子控制系统、水路控制系统、报警信息检测等。 节点6 主要功能：机器状态的检测，及系统参数的设定等。 本系统中c a n 总线主要功能是把以上节点连接起来，达到节点之间的信息共享， 控制功能的协调。 系统总线结构及每个节点具体实现的功能见本节的第2 部分。 2 主系统c a n 总线网络结构 主系统c a n 总线网络结构如图2 4 所示。 1 4 长安大学硕士学位论文 c a n 0 总线 n o d e2 吣 、 c a n i n o d e1 n o d e3n o d e4n o d e5 总线 发动机 e ( i + j 1 9 3 9 n o d e 7 图2 42 米铣刨机c a n 总线控制网络组成 主控制系统总线共用7 个c a n 节点，分别为5 个r c 6 9 控制器、1 个q s x 1 5 发 动机控制器e c u 、1 个显示器d 1 2 节点，每个节点功能分配见表2 3 至表2 7 。 节点1 输入输出信号配置见表2 3 。 表2 3 节点1 输入输出信号配置 输入信号输出控制信号 针脚 信号名称及功能 信号备针脚信号备 配置形式注配置 执行( 驱动) 机构 形式注 3 7 行驶同步 d i3 1 行驶泵前进排量调节 p 删 3 8 极限载荷 d i3 0 行驶泵后退排量调节 p w m l o 速度暂存恢复 d i 4 行驶马达排量调节 p 釉 1 1 发动机启动 d i1 6 风扇马达排量调节 p 啊 2 3 发动机停止 d i 6 8 发动机工作指示灯 d 0 1 2 行驶前进 d i6 9 冷启动电磁铁 p 删 6 1 行驶泵过滤器报警检测 d i2 9 同步分流阀 d o 6 0 行驶后退d i 1 5d o 3 3 行驶马达转速检测 p i5 发动机启动继电器 d o 4 4 拖拽功能 d i 6 拖拽阀 d o 1 8p i7 2 行驶制动阀 d o 7 3p i 7 1 发动机熄火继电器 d o 5 3p i7 4 行驶前进指示灯 d o 3 5 行驶速度调节( 左) a i 7 5 后退灯后退蜂呜器 d o 4 6 行驶速度调节( 右) a i7 6 极限载荷指示灯 d o 8 a i 2 2 发动机油门调节 2 0 a i 1 9 输料泵过滤器报警检测 d i 6 5 发动机进气温度 a i 6 4 液压油温度 a i 6 3 发动机加速d i 3 4 发动机减速 d i 4 5 行驶系统压力检测 a i 9 发动机进气温度报警检测d i 2 l 液压油温度报警检测 d i 第二章2 米铣刨机控制系统方案研究 节点2 输入输出信号配置见表2 4 。 表2 4 节点2 输入输出信号配置 输入信号输出控制信号 针脚信号备针脚信号备 配置 信号名称及功能执行( 驱动) 机构 形式注配置形式注 3 7 全轮转向d i3 1 前轮左转向速度调节 p 7 哪 3 8 蟹行转向 d i 3 0 前轮右转向速度调节 p 删 1 0 后轮回中 d i4 后轮左转向速度调节 p 删 1 l 前轮左转向 d i1 6 后轮右转向速度调节 p 髓 2 3 前轮右转向 d i6 8 左侧板锁定阀 d o 1 2 后轮右转向 d i6 9 右侧板锁定阀 d o 6 1 后轮左转向 d i2 9 前轮左转向换向阀 d o 6 0 左侧板提升 d i1 5 前轮右转向换向阀 d o 3 3 右侧板提升 d i5 后轮左转向换向阀 d o 4 4d i6 后轮右转向换向阀 d o 1 8d i7 2 后轮回中指示灯 d o 7 3 后轮回中右位检测 d i7 1 全轮转向指示灯 d o 5 3 后轮回中左位检测 d i7 4 蟹行转向指示灯 d o 3 5 前轮转向速度( 左) a i7 5 左侧板提升 d o 4 6 后轮转向速度( 左) a i7 6 右侧板提升 d o 8前轮转向倾角a i 2 2 2 0a i 1 9前轮转向速度( 右)a i 6 5 后轮转向倾角 a i 6 4 后轮转向速度( 右) a i 6 3a i 3 4 d i 4 5d i 9 d i 2 1d i 节点3 输入输出信号配置见表2 5 。 1 6 长安大学硕士学位论文 表2 5 节点3 输入输出信号配置 输入信号输出控制信号 针脚 信号名称及功能 信号备针脚信号备 配置形式注配置 执行( 驱动) 机构 形式注 3 7 输送皮带停止 d i3 1 输送皮带泵正向排量调节 p 删 3 8 输送皮带正转 d i3 0 输送皮带泵后向排量调节 p 删 1 0 刮板浮动 d i4 输料机右摆阀 d o 1 l 刮板锁定 d i1 6 输料机展开阀 d o 2 3 刮板下降 d i6 8 输料机折叠阀 d o 1 2 接料机上升 d i6 9 输料机锁浮阀 d o 6 1 刮板上升 d i2 9 接料机下降阀 d o 6 0 接料机下降 d i1 5 接料机上升阀 d o 3 3 接料机浮动 d i5 接料机浮锁阀 d o 4 4 接料机锁定 d i6 刮板上升阀d o 1 8 输料机上升 d i 7 2 刮板下降阀 d o 7 3输料机下降 d i7 1 刮板浮锁阀 d o 5 3 输料机左摆 d i 7 4 输料机上升阀 d o 输料机皮带转速调 3 5 a i7 5 输料机下降阀 d o 节 4 6a i7 6 输料机左摆阀 d o 8a i2 2 2 0a i 1 9a i 6 5a i 6 4a i 6 3a i 3 4 输料机右摆 d i 4 5 输料机折叠 d i 9 输料机展开 d i 2 1 1 7 第二章2 米铣刨机控制系统方案研究 节点4 输入输出信号配置见表2 6 。 表2 6 节点4 输入输出信号配置 输入信号输出控制信号 针脚 信号名称及功能 信号备针脚 执行( 驱动) 机构 信号 备 配置形式 注配置 形式 注 整机( 前后支腿) 上 3 7d i3 1 左前支腿上升速度调节 p 删 升 3 8 前支腿上升 d i3 0 左前支腿下降速度调节 p w m 1 0 前支腿下降 d i4d o 1 1 左前支腿下降 d i1 6 右前支腿上升速度调节 p 聊 2 3 左前支腿上升 d i6 8 后支腿上升换向阀 d o 1 2 右前支腿下降 d i6 9 右前支腿下降速度调节 p 删 6 1 右前支腿上升 d i2 9 左前支腿截止阀 d o 6 0 后支腿上升 d i1 5 右前支腿截止阀 d o 3 3 后支腿下降 d i 5d o 后支腿上升限位检 4 4d i 6d o 测 1 8 左前支腿自动 d i7 2 左前支腿纵自动控制 d o 7 3 右前支腿自动 d i7 1 右前支腿纵自动控制 d o 5 3 左前支腿坡度控制 d i7 4 左前支腿坡度控制 d o 3 5a i7 5 右前支腿坡度控制 d o 4 6a i7 6 后支腿下降阀 d o 8a i2 2 2 0a i 1 9a i 6 5a i 6 4 a i 6 3 a i 3 4 右前支腿坡度控制 d i 4 5 d i 9 d i 2 1 1 8 长安大学硕士学位论文 节点5 输入输出信号配置见表2 7 。 表2 7 节点5 输入输出信号配置 输入信号输出控制信号 针脚信号备针脚信号备 配置 信号名称及功能执行( 驱动) 机构 形式注配置形式注 3 7d i3 1 洒水速度调节 p 咖 吸回油滤清器报警 3 8d i3 0 故障蜂鸣器 d o 检测 辅助油路滤清器 1 0d i4 转子换向阀 d o 报警检测 风扇油路滤清器报 1 1d i1 6 转子正转阀 i x ) 警检测 2 3空气滤器报警检测d i6 8 转子反转阀 d o 1 2 水箱水位 d i6 9p 髓 6 1 冷却液液位 d i 2 9转子离合器 d o 6 0 管路水位 d i1 5 转子皮带张紧阀 d o 3 3 转子启动 d i5 输送皮带灯 d o 4 4 转子停止 d i6 清洗指示灯 d o 1 8 d i 7 2洒水阀 d o 7 3 洒水泵开 d i7 1 洒水泵指不灯 d o 5 3 洒水泵关 d i7 4 注水泵 d o 3 5洒水速度调节 a i7 5 高压清洗阀 d o 4 6 a i 7 6 d o 8a i2 2 2 0 a i 1 9 清洗开 d i 6 5注水 d i 6 4 高压清洗 d i 6 3燃油油位 a i 3 4 转子正转点动 d i 柴油粗滤含水报警 4 5 d i 检测 液压油油位报警检 9d i 测 2 1 清洗关 d i 3 找平系统c a n 总线网络结构 标准配置找平系统c a n 总线网络共用5 个节点：分别为2 个m o b a 找平控制 1 9 第二章2 米铣刨机控制系统方案研究 器、