智能振動(dòng)壓路機(jī)的設(shè)計(jì)研究

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

1 研究背景

工程機(jī)械一體化施工已經(jīng)成為工程機(jī)械發(fā)展的主流，在一體化施工路面壓實(shí)中對(duì)智能壓實(shí)，精密壓實(shí)，遠(yuǎn)程自主作業(yè)等提出了更高的要求。振動(dòng)壓路機(jī)是路面工程施工重要的機(jī)械設(shè)備之一，主要用來壓實(shí)各種碎石料、土壤、混凝土、瀝青等不同路基、路面材料，是一體化施工中工程機(jī)械建筑領(lǐng)域不可缺少的壓實(shí)設(shè)備。

在路面壓實(shí)過程中，振動(dòng)鋼輪內(nèi)部的激振器高速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過鋼輪將激振力傳遞給路面、路基松散材料，使其聚集達(dá)到壓實(shí)效果。傳統(tǒng)壓路機(jī)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)主要靠偏心凸輪塊旋轉(zhuǎn)，如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)激振器（凸輪快）

常規(guī)路面壓實(shí)中，對(duì)不同路基、路面的壓實(shí)，振幅的選定幾乎憑借施工經(jīng)驗(yàn)選擇不同噸位的壓路機(jī)，激振力的大小及頻率不能準(zhǔn)確設(shè)定，同一施工現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)多臺(tái)壓路機(jī)共同配合完成施工；隨著一體化施工的應(yīng)用推廣，如何通過控制平臺(tái)對(duì)多種施工設(shè)備進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)遠(yuǎn)程控制，即用最優(yōu)的施工方案去完成復(fù)雜的施工已成為發(fā)展趨勢(shì)。為了減輕控制平臺(tái)作業(yè)負(fù)擔(dān)，降低施工成本，在滿足施工工藝的前提下需要數(shù)量少且智能化高的設(shè)備自主作業(yè)，精準(zhǔn)施工，因此如何設(shè)計(jì)具有無級(jí)調(diào)幅調(diào)頻振動(dòng)、故障自動(dòng)分析檢測(cè)、能夠自主作業(yè)的智能化壓路機(jī)是亟須解決的技術(shù)問題。

2 無級(jí)調(diào)頻調(diào)幅振動(dòng)壓路機(jī)方案研究

2.1 無級(jí)調(diào)頻、調(diào)幅方案設(shè)計(jì)

智能振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)鋼輪機(jī)械結(jié)構(gòu)剖視圖，如圖2 所示，除無級(jí)調(diào)頻，無級(jí)調(diào)幅結(jié)構(gòu)之外，其它的具體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的凸輪塊激振器一致，具體如振動(dòng)鋼輪、傳動(dòng)軸、相應(yīng)的軸承、減震器等。智能型振動(dòng)壓路機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖，如圖3所示；整個(gè)液壓系統(tǒng)緊湊，控制精度高，操作靈敏，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)頻調(diào)幅控制。

2.2 無級(jí)調(diào)幅控制分析

2 個(gè)無桿振動(dòng)油缸固定在傳動(dòng)軸總成上，并嚴(yán)格對(duì)稱分布在滾動(dòng)鋼輪兩腔內(nèi)，高速旋轉(zhuǎn)接頭固定在傳動(dòng)軸總成上，上面布置了與外部液壓系統(tǒng)連接的油管。無級(jí)調(diào)幅液壓系統(tǒng)由調(diào)幅泵（定量齒輪泵）、電磁閥、高速旋轉(zhuǎn)接頭、雙向液壓鎖、無桿液壓缸組成。

圖2 智能振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)鋼輪機(jī)械結(jié)構(gòu)剖視圖

圖3 智能型振動(dòng)壓路機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

智能振動(dòng)壓路機(jī)采用無桿液壓缸（伺服缸）作為激振偏心機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，突破了套軸式與雙軸式無級(jí)調(diào)幅機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜的局限性，只需根據(jù)壓路機(jī)的噸位設(shè)計(jì)要求，將無桿液壓缸固定在振動(dòng)軸上，通過液壓控制調(diào)節(jié)缸體內(nèi)活塞相對(duì)位置，就可以保證振動(dòng)時(shí)獲得不同的離心力。無桿伺服缸內(nèi)自帶位移傳感器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)活塞在缸體內(nèi)的相對(duì)位置，準(zhǔn)確反饋給控制系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)根據(jù)反饋確定了活塞的具體位置后，雙向液壓鎖開啟，保證液壓缸活塞固定在控制系統(tǒng)調(diào)定的位置。

2.3 無級(jí)調(diào)頻控制分析

振動(dòng)壓路機(jī)都是采用液壓傳動(dòng)來驅(qū)使振動(dòng)系統(tǒng)。只要改變振動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速就能實(shí)現(xiàn)多頻控制。在方案設(shè)計(jì)中采用容積調(diào)頻方式，通過改變泵和馬達(dá)的排量來對(duì)液壓馬達(dá)進(jìn)出口的排量進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。容積調(diào)頻能較大范圍的改變轉(zhuǎn)速，而且沒有節(jié)流損失。

無級(jí)調(diào)頻液壓系統(tǒng)采用閉式液壓回路，無級(jí)調(diào)頻控制由振動(dòng)泵、振動(dòng)馬達(dá)完成，補(bǔ)油泵補(bǔ)償閉式系統(tǒng)泄漏及換熱油，效率高，響應(yīng)快。

3 參數(shù)計(jì)算與選擇

液壓泵、液壓馬達(dá)等原件基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了專業(yè)化和系列化，在參數(shù)計(jì)算與選型過程中根據(jù)壓路機(jī)整機(jī)參數(shù)及施工要求反推計(jì)算所選型的液壓元件參數(shù)。

3.1 行走動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)元件選擇

3.1.1 馬達(dá)參數(shù)計(jì)算及選型

壓路機(jī)在正常行走中，輸出牽引力的大小是靠馬達(dá)的輸出力矩決定的。以斜坡走車為例匹配最大牽引力，壓路機(jī)在斜坡受力分析簡(jiǎn)化的示意圖如圖4 所示。

圖4 壓路機(jī)斜坡受力分析示意圖

為保證良好的壓實(shí)效果，壓路機(jī)走車速度較小且勻速行駛（加速度為零），所受空氣阻力幾乎為零，壓路機(jī)的斜坡走車受力平衡方程為

式中Ft——行駛需要的牽引力，N；

m——壓路機(jī)的總重量，kg；

g——重力加速度，9.8m/s2；

f——滾動(dòng)摩擦系數(shù)；

θ——斜坡角度，rad。

要讓壓路機(jī)正常行駛，馬達(dá)的輸出力必須要大于牽引力，即

式中Tm——行走馬達(dá)輸出力矩，Nm；

R——振動(dòng)鋼輪半徑，m；

N——驅(qū)動(dòng)馬達(dá)數(shù)量。

由公式（1)、式（2)可知，所選型馬達(dá)的最大輸出力矩必須大于此Tm值。行走馬達(dá)排量Vm為

式中Vm——行走馬達(dá)排量，mL/r；

ηm——行走馬達(dá)容積效率；

Pmax——行走傳動(dòng)系統(tǒng)最高壓力，MPa。

則行走馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)速nmax為

根據(jù)公式（3)～式（4)再結(jié)合整機(jī)參數(shù)要求可以計(jì)算行走馬達(dá)的排量、轉(zhuǎn)速、輸出力矩等參數(shù)；結(jié)合樣本可以確定所需要的馬達(dá)型號(hào)。

3.1.2 泵參數(shù)計(jì)算及選型

根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，行走泵的最高壓力必須滿足馬達(dá)最高壓力與行走液壓系統(tǒng)壓力損失之和，即

式中PPmax——泵最高壓力，MPa；

PMmax——馬達(dá)最高壓力，MPa；

ΔP——液壓系統(tǒng)壓力損失，約0.5～2MPa。

當(dāng)壓路機(jī)在非啟振狀態(tài)下最大速度走車時(shí)所需要的流量為

式中QP——泵所需要的最大流量，L/min；

ηN——泵的容積效率；

i——馬達(dá)減速機(jī)傳動(dòng)比。

則可得到行走泵的排量VP為

式中nP——泵的轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)式（5)～式（7)再結(jié)合整機(jī)參數(shù)要求可以計(jì)算行走泵的排量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)；結(jié)合樣本可以確定所選泵的型號(hào)。

3.2 振動(dòng)液壓系統(tǒng)元件選擇

由于閉式容積回路壓力大，壓力損失小，換向沖擊小，因此，智能振動(dòng)液壓系統(tǒng)采用閉式容積回路。

3.2.1 振動(dòng)馬達(dá)參數(shù)計(jì)算與選型

振動(dòng)馬達(dá)在工作時(shí)需要克服無桿液壓缸高速旋轉(zhuǎn)加速時(shí)的加速阻力，則需要的馬達(dá)最大輸出力矩TM為

式中K——阻力系數(shù)；

J——無桿液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2；

α——無桿液壓缸角加速度，rad。

無桿缸高速選擇時(shí)振動(dòng)馬達(dá)排量VM為

式中PMmax——閉式液壓系統(tǒng)最高壓力，MPa；

ηM——振動(dòng)馬達(dá)的容積效率。

振動(dòng)馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速nM為

根據(jù)式（8)～式（10)再結(jié)合整機(jī)參數(shù)要求，可以計(jì)算振動(dòng)馬達(dá)的排量、轉(zhuǎn)速、輸出力矩等參數(shù)；結(jié)合樣本可以確定所需要的馬達(dá)型號(hào)。

3.2.2 振動(dòng)泵參數(shù)計(jì)算與選型

根據(jù)閉式液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，振動(dòng)泵的最高壓力必須滿足振動(dòng)馬達(dá)的最高壓力與閉式液壓系統(tǒng)的壓力損失之和，即

式中Ppmax——泵最高壓力，MPa；

Pmmax——馬達(dá)最高壓力，MPa；

ΔP——閉式系統(tǒng)壓力損失，約0.2～1MPa。

則振動(dòng)頻率Qp為

式中ηp——振動(dòng)泵的容積效率。

振動(dòng)泵的排量Vp為

式中np——振動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)式（11)～式（13)再結(jié)合整機(jī)要求參數(shù)可以計(jì)算行走泵的排量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。結(jié)合樣本可以確定所選泵的型號(hào)。

4 智能振動(dòng)壓路機(jī)控制系統(tǒng)研究

智能控制系統(tǒng)在硬件上使用轉(zhuǎn)速傳感器、土壤密實(shí)度傳感器、位移傳感器等進(jìn)行閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。在軟件上通過編寫智能控制程序保證路基的最佳壓實(shí)效果，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”以及在出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行問題排查及處理。如圖5 所示。智能型振動(dòng)壓路機(jī)控制系統(tǒng)主要包括5 個(gè)模塊：控制模塊1 主要是內(nèi)容為土壤密實(shí)度最佳控制振幅、頻率，控制模塊2 為模糊PID 自適應(yīng)數(shù)據(jù)處理器，模塊3 為故障分析數(shù)據(jù)庫，模塊4 為同步缸控制系統(tǒng)，模塊5 為人機(jī)交換-速度、振幅、頻率故障顯示。

圖5 智能型振動(dòng)壓路機(jī)控制原理圖

1）無級(jí)調(diào)幅控制方法 在振動(dòng)壓路機(jī)起振初期，鋼輪上的土壤密實(shí)度傳感器自動(dòng)檢測(cè)土壤密實(shí)度并將信息反饋到控制模塊（土壤密實(shí)度最佳控制振幅、頻率）分析提供最佳的振幅并經(jīng)過分析計(jì)算得到相應(yīng)的活塞位移輸出，確定位移輸出后雙向液壓鎖開啟，此時(shí)活塞的位置將不會(huì)變動(dòng)。

2）同步缸控制方法 控制系統(tǒng)嵌入了一種同步缸控制方法；在調(diào)幅結(jié)構(gòu)中涉及左右各1 個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的無桿缸作為激振器，如果左右2 個(gè)無桿缸活塞位置不一致，在振動(dòng)時(shí)左右兩側(cè)激振力不同造成壓實(shí)效果不一致。模塊2 中嵌入了同步缸控制方法（模糊自適應(yīng)PID 控制）并借助無桿伺服缸位移傳感器形成閉環(huán)控制，保證兩缸活塞相對(duì)位置嚴(yán)格一致。

3）無級(jí)調(diào)頻控制方法 智能振動(dòng)壓路機(jī)要實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，完成對(duì)不同路面、路基狀況壓實(shí)，除了要選擇合適的振幅外還要準(zhǔn)確控制振動(dòng)頻率；采用了斜盤柱塞變量振動(dòng)馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)頻率的無級(jí)調(diào)節(jié)。馬達(dá)上裝有轉(zhuǎn)速傳感器、速度傳感器可以實(shí)時(shí)檢測(cè)振動(dòng)軸轉(zhuǎn)速及鋼輪行駛速度并反饋給控制器形成閉環(huán)控制并與數(shù)據(jù)庫最佳頻率比對(duì)優(yōu)選出最理想的振動(dòng)頻率。

4）故障自動(dòng)檢測(cè)方法 傳統(tǒng)壓路機(jī)故障分析處理主要靠檢測(cè)儀器及經(jīng)驗(yàn)，故障分析響應(yīng)時(shí)間慢，需要逐個(gè)排查故障原因點(diǎn)，處理時(shí)間長(zhǎng)，耽誤作業(yè)時(shí)間。控制模塊1 中嵌入了振動(dòng)壓路機(jī)各個(gè)方面的參數(shù)（機(jī)械、電氣、液壓）并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將振動(dòng)壓路機(jī)可能出現(xiàn)的故障信息參數(shù)寫入程序；當(dāng)壓路機(jī)工作中某一結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題時(shí)，傳感器即將檢測(cè)參數(shù)反饋控制器并與控制其中“知識(shí)庫”相關(guān)參數(shù)比對(duì)，經(jīng)過運(yùn)算推理找出故障原因并給出準(zhǔn)確的處理方法；操作者只需要根據(jù)提示維修或者更換零部件消除故障即可，此智能系統(tǒng)大大縮短了故障排查時(shí)間，提高作業(yè)效率。