全環境足尺路面加速加載設備控制系統設計

管志光，張吉衛，楊福廣

（1.山東交通學院工程機械學院，山東 濟南 250357；2.山東交通學院軌道交通學院，山東 濟南 250357）

1 引言

道路損壞機理、材料服役性能和道路設計評價等已成為制約交通基礎設施建設的世界性難題，由此造成的經濟損失和社會影響難以估量。目前國際上采用加速加載實驗系統，通過可控、重復的輪荷，對實際路面進行連續作用，在短時間內實現路面的累積破壞，模擬路面結構和材料的破壞規律，建立輪荷與材料服役性能之間關系，為路面結構和材料的理論研究、精準設計、施工工藝優化提供依據。

當前世界上僅有南非、澳大利亞、美國等國家生產路面加速加載試驗設備，國內僅有山東交通學院研發并實現了生產銷售。國內現有足尺路面加速加載試驗設備10臺，其中進口7臺，山東交通學院生產3臺。進口設備價格昂貴、可靠性差、能耗大，且無法實現碾壓荷載、碾壓速度、碾壓次數、溫度、濕度、光照等參數的適時采集和系統集成。

這里對路面加速加載設備原理、結構、控制方式和數據檢測等方面進行研究，研發了一套具有自主知識產權的全環境足尺路面加速加載試驗系統，能通過模擬特殊地域環境、車輛速度與荷載，對不同材料與結構的道路進行實驗，在短時間內快速實現道路長期服役性能的評價預測。

2 全環境足尺路面加速加載設備

所研發生產的全環境足尺路面加速加載設備由車身總成、加載單元、行走系統和綜合環境模擬系統組成，如圖1所示。設備總重量為46.5t，工作狀態時設備總體尺寸為長×寬×高：17180×3900×3350（mm），轉場狀態時設備總體尺寸為長×寬×高：17180×3000×3750（mm）。全環境足尺路面加速加載設備與現有足尺路面加速加載設備主要技術指標對比，如表1所示。

圖1 全環境足尺路面加速加載設備Fig.1 Total-Environment Full-Scale Pavement Accelerated Loading Facility

表1 主要技術指標對比Tab.1 Comparison of Main Technical Parameters

3 控制系統設計

全環境足尺路面加速加載設備是結構復雜、工作環境惡劣的機電液一體化大型工程機械，采用分布式控制具有明顯的優勢。針對全環境足尺路面加速加載設備的要求，結合國內外的研究成果，對其控制方式進行研究，使之測量精度和穩定性更好地滿足要求。本系統分為下位機系統、上位機系統，如圖2所示。上位機系統實現路面加速加載設備的控制、環境系統的控制和相關數據的采集、信息發送等功能。下位機通過接收上位機命令和運行參數，控制系統運行。

圖2 控制系統Fig.2 Control System

3.1 下位機系統設計

全環境足尺路面加速加載設備工作時，碾壓荷載不斷作用于路面。通過與之配套的路面應力、應變和溫度等參數測試儀，獲取試驗數據。

2019年6月至2019年11月，全環境足尺路面加速加載設備用于浙江建金高速公路上科研項目，實驗現場，如圖8所示。實驗參數設置為單軸荷載17t，碾壓速度10km/h，實驗累計運行96天，平均每天運行12h，共碾壓約460 萬次，本次實驗測得功耗28kW/h，噪音70dB。

全環境足尺路面加速加載設備工作時按下運行按鈕，加載車沿加載軌道按設定正方向運行，當運行一定次數后，啟動潤滑系統進行鏈條潤滑。如果設置橫移功能，設備在運行過程中按照設定的次數實現窄分布或寬分布的橫移。所有參數設置均通過工控機組態界面。控制系統原理，如圖3所示。

圖3 控制系統原理圖Fig.3 Control System Schematic

由于車輛實際運行時路面橫斷面承受車輪碾壓次數不同，車輪碾壓軌跡的橫向分布不均勻。本系統在運行過程中，根據設定值能夠在窄分布或寬分布范圍內實現正態分布形式的橫移。全環境足尺路面加速加載試驗設備橫移控制裝置采用位移傳感器實時測量橫移距離和橫移方向，結構簡單，響應時間短，機械誤差小，精度高，能更好地再現車輛實際運行時對路面的碾壓情況。設備能夠實現自動橫移并具有記憶功能，從而提高試驗結論的準確性和試驗效率。控制單元根據位移傳感器的信號，使全環境足尺路面加速加載試驗設備前后端穩定同步橫移。初始運行時，設備初始化為居中位置，運行設定次數后，設備橫向移動一定距離。在本系統中，碾壓輪橫向位移區間為［-420mm，420mm］，碾壓輪單次橫向移動距離為20mm，在橫移區間內采用標準正態分布計算不同位移處的碾壓次數與項目總碾壓次數的比值，得到的圖像，如圖7所示。

3.2 上位機系統設計

莊園安排員工互換崗位，進行不同工作體驗。把自己的專業帶進其他工作中去，改進工作方法及效率，不斷提升服務孤殘兒童的質量。

4.1 保護資源的多樣性、完整性、真實性 對于自然資源及環境的保護，要以系統觀、整體觀的角度認知和實施。坎布拉園區的地質地貌、氣候、土壤、水文、生物等資源與環境要素構成了一個整體的生態系統，對其保護首先是對其完整性進行保護。要保護構成整個園區自然系統的各個組成部分與自然過程，如自然豐富性、多樣性、動植物物種遺傳與生態系統的完整性。對于民族文化、宗教文化資源在保存、修繕、利用的過程中，確定恰當的保護手段，最大限度地保護文化資源的真實性、完整性、可持續性。

圖4 主界面Fig.4 Main Interface

圖5 參數設置界面Fig.5 Parameter Setting Interface

圖6 運行界面Fig.6 Running Interface

經過實驗驗證，這里設計的全環境足尺路面加速加載設備性能優越，主要性能均優于國際現有足尺路面加速加載設備，其主要特征如下：

3.3 橫移控制系統設計

下位機系統主要實現路面加速加載試驗設備的良好運行，系統操作簡便，可靠。操作按鈕和系統運行信息均集成在控制柜人機界面上，在下位機系統中，各傳感器、按鈕、變頻器、短信模塊和工控機均與PLC連接。

圖7 橫向偏移正態分布圖Fig.7 Normal Distribution in Transverse Motion

4 實驗

根據雙曲線模型公式計算時間折扣率：Vt=V/(1+kt)，其中t表示延遲的時間(1/3/6/12個月)，Vt是遠期結果的現值(100元)，V是被試所期待的遠期結果，k是時間折扣率。k值越小表示在跨期決策中的遠期偏好越強烈，k值越大表示越為短視。分別計算出被試在4個不同延時的跨期決策任務中的k值，取其平均數作為因變量指標。

在加載過程中，碾壓荷載、碾壓速度、碾壓次數、溫度、濕度和光照度的測量和控制決定了加載效果和加載效率。

圖8 浙江建金高速實驗現場Fig.8 Field Experiment in Zhejiang Jianjin Expressway

5 結束語

設備運行過程中，通過組態軟件編寫腳本代碼將所有的報警信息、設備碾壓次數等信息實時保存至不同的數據庫中。

冬季鍛煉應根據自身的體質特點，選擇適合自己的運動強度，既不可長時間靜止不動，也不可過量運動。運動時可采用鼻腔或口鼻混合呼吸的方法，減少冷空氣對呼吸道的不良刺激。

（1）該系統人機界面友好，操作方便；

我們在實務中使用個案工作的方法。從個人、家庭和社區的角度看，每位病人都應單獨地予以研究，以便找出導致他無法保持一種健康和獨立生活狀態的各種障礙因素。

2018年5月至2018年8月，全環境足尺路面加速加載設備在重慶交通大學土木實驗室進行實驗，實驗參數設置為單軸荷載18t，碾壓速度10km/h，模擬溫度為41℃，相對濕度為40%，實驗累計運行60天，每天運行16h，共碾壓約380萬次，實驗實測功耗為42kW/h，噪音70dB。

（2）系統采用模塊化設計，維護方便，實用性強；

由于本系統在運行過程中，需要對設備運行進行控制，而且要實時顯示碾壓荷載、碾壓速度、碾壓次數、溫度、濕度和光照度等參數，為了系統簡便，設計了采用工控機組態軟件的實時顯示方式。PLC采集到工作參數后，通過以太網方式與工控機通信在線顯示相關參數。上位機軟件采用WinCC編制，上位機系統分為主界面、參數設置界面和運行界面等，所有界面均受主界面控制。各界面，如圖4～圖6所示。

（3）設備集成了溫度、濕度、淋雨和光照等功能，能夠真實模擬自然環境或實驗要求的環境條件；

建材質量檢測系統需包括多種試驗類型的多樣檢測和報告發放管理功能。例如實現鋼材焊接、砼抗滲和抗壓、鋼材力學、磚抗折和抗壓、水泥、砼配合比、砂漿、燒結多孔磚、砂漿配合比、砂石檢驗、燒結普通磚等多種試驗類型的多樣檢測。

（4）設備碾壓速度、碾壓荷載、溫濕度、光照等可調可控，效率高；

（5）設備能夠在[-420 420]之間按正態分布橫移。