攤鋪機功率自適應控制系統研究

劉廣達，楊寅威，李翔

(1. 遼東學院機電工程學院，遼寧丹東118001;2. 中國礦業大學機電工程學院，江蘇徐州221116)

攤鋪機是用于路面攤鋪的專業設備，具有攤鋪速度穩定、精度高等特點，廣泛運用在各種高等級路面的施工中，是決定路面質量的關鍵所在［1］。

現代攤鋪機的發展面臨諸多問題，主要有路面精度控制和節能方面的問題［2］。首先，攤鋪機找平系統受到路基平整度、螺旋分料器速度穩定性以及振搗器、熨平板的振動頻率和攤鋪機工作速度穩定性等因素的影響;另外，為了保證發動機不發生熄火，攤鋪機操作員不得不將發動機油門置于最大位置處，這就導致大多數情況下的阻力矩都將低于發動機的額定轉矩，發動機效率較低，資源浪費嚴重［3］。

針對攤鋪機作業過程中存在的問題，結合有關功率自適應的理論，提出攤鋪機功率自適應電液控制系統的研究，以期提高發動機在工作過程中的效率。首先，基于功率自適應原理，對攤鋪機各主要組成部分進行了功率分析;然后在此基礎上，建立攤鋪機功率自適應控制系統的模型，對該系統的功率分配等進行了分析;最后，借助AMESim 軟件，對建立的模型進行仿真，得到相應的仿真參數和性能曲線。仿真結果表明:攤鋪機功率自適應控制系統能很好地解決發動機工作效率低下的問題。

1 攤鋪機功率自適應控制系統分析及方案

對于一段已經擬定施工方案的公路，攤鋪機在工作時的攤鋪厚度和寬度都是確定的，因此生產率也是確定的，所以工作時刮板輸料的速度、螺旋轉速都應當與生產率保持匹配。要保證路面質量，攤鋪速度也應該始終穩定在設定速度，振搗和振動頻率也隨攤鋪速度而確定［4］。

由于攤鋪機在工作時的載荷與攤鋪寬度密切相關，所以有必要依據攤鋪寬度的不同對油門進行分負載控制，以提高發動機工作效率;同時在不同的油門開度情況下對負載功率進行合理分配，促使發動機輸出的功率與負載需求相匹配。

在攤鋪機工作過程中，攤鋪路面的平整度和初始密實度直接和攤鋪速度相關，所以在攤鋪參數(生產率、攤鋪厚度等)一定的情況下，攤鋪機行駛速度應該保持不變。因此，攤鋪機功率自適應控制系統不能像其他連續作業的路面機械一樣靠調節作業速度來使負載功率與發動機功率匹配［5－7］。

結合以上分析，針對攤鋪機工作過程中發動機效率低下提出的解決方案是:根據作業時的不同寬度，對發動機油門進行劃分，一個油門位置對應一個攤鋪寬度;同時對行走變量泵的排量進行實時調節，以保證攤鋪速度不變;對發動機速度進行檢測，當速度出現波動時，調節螺旋分料器的分料轉速以減小其波動。

根據前面的分析，文中對于每個油門位置所對應的功率自適應控制方案如圖1 所示。

圖1 攤鋪機功率自適應控制方案

該控制方案的作用原理是:開始工作時，根據攤鋪寬度的不同將發動機油門置于適當位置，通過速度電位器設定攤鋪速度、螺旋電位器設定螺旋轉速，此時各變量機構按照輸入電壓大小把泵排量設定在對應的大小。當攤鋪機作業時，通過檢測行走馬達轉速的變化進而調整行走液壓泵的排量，使機器的作業速度保持不變;通過檢測發動機轉速進而控制螺旋分料液壓泵的排量，使發動機速度穩定。如果發動機的轉速升高，說明功率富余，此時升高螺旋轉速，使螺旋部分消耗的功率上升;如果發動機轉速降低，說明整機消耗的功率升高，此時控制液壓泵降低螺旋轉速，減小螺旋部分消耗的功率。

2 攤鋪機功率自適應控制系統建模

要對攤鋪機的功率自適應系統穩態及動態性能進行研究，必須建立在一個已有的正確的數學模型的基礎上。結合攤鋪機已有研究成果，充分利用各種理論依據，對該控制系統的發動機、行走部、螺旋等主要組成部分進行了數學建模。

理論和實驗研究表明，發動機的輸出轉矩是油門位置和轉速的函數。根據電樞回路的電壓平衡方程、電機的磁轉方程和電機的轉矩平衡方程得到油門開度與輸入電壓方塊圖［8］(見圖2)。

圖2 油門開度與輸入電壓方塊圖

對比例電磁鐵和泵控馬達建立數學模型，分別得到其傳遞函數方塊圖［9］，如圖3、圖4 所示。

圖3 比例電磁鐵輸入電壓與銜鐵位移方塊圖

圖4 馬達轉速與控制閥芯位移方塊圖

另得到行走馬達轉速與發動機輸出轉矩方塊圖(圖5)和速度傳感器傳遞函數框圖［10］(圖6)。

圖5 行走馬達轉速與發動機輸出轉矩方塊圖

圖6 速度傳感器傳遞函數框圖

根據以上建立的模型，連接可得到行走部分的總模型，如圖7 所示。

圖7 行走系統總模型

與行走系統一樣，螺旋分料系統也是采用比例閥控液壓缸來調節變量泵的變量機構，從而達到調速的目的。根據前文的泵控馬達系統的模型，這里假設兩馬達其他參數都一樣，只是馬達排量不一樣，因此可根據前文的計算結果得到螺旋系統泵控馬達模型的傳遞函數框圖見圖8。

圖8 馬達轉速與控制閥芯位移方塊圖

螺旋馬達轉速與發動機輸出扭矩方塊圖如圖9 所示。

圖9 螺旋馬達轉速與發動機輸出扭矩方塊圖

由以上框圖聯立，可得螺旋系統的總模型，見圖10。

依據前文建立的各個子模型，可以得到本文所研究的攤鋪機功率自適應控制系統的數學模型，如圖11 所示。

圖10 螺旋系統模型

圖11 攤鋪機功率自適應控制系統數學模型

3 攤鋪機功率自適應控制系統仿真

前面對攤鋪機的功率自適應控制系統進行了詳細的分析并提出了控制策略，建立了數學模型，接下來將在前面建立的模型的基礎上，利用AMESim 軟件對系統進行仿真分析。

發動機模型如圖12 所示，圖中模型共有7 個信號接口。

圖12 發動機模型

其中，信號口1 輸入的是發動機轉速，同時向負載提供轉矩;信號口2 返回系統的廢氣溫度、流量以及尾氣中各種成分的含量指標等;信號口3 返回的是發動機的平均有效壓力(BMEP);信號口4 返回的是冷啟動時系統的功率損失，通常用于起動時司機調整負載要求，在混合動力時該口不用;信號口5 是一個多路復用輸入接口，共可同時接受4 個信號:負載需求、燃燒模式、以及燃燒熱釋放系數和怠速模式;信號口6 給出系統燃燒熱功率損失并返回發動機缸內溫度;信號口7 返回冷卻液溫度。

對于螺旋分料機構，在假設物料供應充足的情況下，螺旋工作的阻力應該保持不變，因此這里將工作阻力簡化為一常值，并通過函數添加。攤鋪機行走部分液壓系統同螺旋部分液壓系統相似，變量泵模型為PU003，定量馬達模型為MO001。在馬達輸出端加上了速度傳感器，用于檢測行走速度，負載通過函數添加。其中，工作負載通過階躍函數加載后經輪邊減速器轉化為扭矩進入系統。在AMESim 軟件中對攤鋪機功率自適應系統進行建模，得到該控制系統的模型如圖13 所示。

圖13 攤鋪機功率自適應系統仿真模型

4 仿真結果

根據文中所研究的攤鋪機型號和技術參數，控制系統的各項參數如表1 所示。需要對各仿真加載參數進行設置。根據國家標準《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)中的要求，結合文中所研究的攤鋪機的具體參數，加載參數值如表2 所示。

為簡化仿真過程，對攤鋪機工作情況進行必要簡化。為方便觀察，施加的負載均為理想負載，攤鋪各部分均有料，攤鋪的路面質量假設良好，且縱坡、橫坡坡度均為0。限于篇幅，文中僅給出攤鋪寬度B =12.5 m 的仿真結果。

表1 各系統參數

表2 系統加載參數

如圖14 所示，是階躍負載下攤鋪機的速度變化曲線。

圖15 所示為階躍負載時行走部分消耗的功率曲線。結果表明:系統未采用功率自適應控制時控制效果與已采用的有差別，但相差較小。

圖14 行走速度曲線(B=12.5 m)

圖15 行走功率曲線(B=12.5 m)

圖16 所示為階躍負載下螺旋分料器的轉速變化曲線，可看出在:進行了功率自適應控制之后，螺旋能根據需要進行速度控制。

圖17 為階躍負載下螺旋分料器消耗的功率變化曲線。由曲線2 看出，進行了功率自適應控制后，在撞擊自卸卡車時，螺旋功率減小并隨著發動機轉速的穩定而穩定。

圖16 螺旋轉速曲線(B=12.5 m)

圖17 螺旋功率曲線(B=12.5 m)

圖18 為發動機轉速變化曲線。在進行了功率自適應控制之后，發動機波動變化明顯小于原系統，這對穩定輸出功率有好處，并且發動機始終工作在最少節能點附近有助于減少系統油耗。

圖19 所示為發動機輸出功率曲線。由曲線2 可以看出:在進行了功率自適應控制之后，發動機輸出更加穩定，在頂推自卸卡車時的功率波動明顯降低，自適應效果良好。

圖18 發動機轉速曲線(B=12.5 m)

圖19 發動機功率曲線(B=12.5 m)

5 結論

通過對攤鋪機進行功率自適應調節，在頂推自卸卡車前進時，行走速度受到的影響明顯較原系統小，受影響路面距離也短;螺旋在檢測到發動機轉速波動時，能對自身轉速自動進行調節，很好地抑制了發動機轉速的波動，使發動機始終輸出較穩定的轉速和功率，這對發動機的節能控制有好處。據相關文獻研究表明，對于搭載BF6M1013 型發動機的CLG509 攤鋪機，當發動機工作在額定轉速2 300 r/min，在對自卸卡車進行撞擊的瞬間，發動機掉速達到了50 r/min以上，恢復原轉速時間超過10 s，受影響路面距離達到0.73 m［11］。因此，攤鋪機功率自適應控制系統具有較好的控制性能，在提高路面質量、控制發動機轉速波動、匹配功率以及節能等幾方面都有較大的好處。

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