馬麗英，歸少雄，曹源文

（1.重慶交通大學 機電與汽車工程學院，重慶 400074;2.重慶交通大學應用技術(shù)學院，重慶 400074）

穩(wěn)定土拌和機全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗及仿真研究

馬麗英1，歸少雄2，曹源文1

（1.重慶交通大學 機電與汽車工程學院，重慶 400074;2.重慶交通大學應用技術(shù)學院，重慶 400074）

在分析穩(wěn)定土拌和機全輪轉(zhuǎn)向試驗平臺工作原理的基礎(chǔ)上，對四輪轉(zhuǎn)向各個工況進行試驗，繪制出系統(tǒng)的伯德圖，確定了系統(tǒng)的傳遞函數(shù);利用MATLAB/SIMULINK軟件對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行動態(tài)仿真。結(jié)果表明:系統(tǒng)具有的幅值裕度為13.4 dB，相位裕度為48.9°，顯示該穩(wěn)定土拌和機轉(zhuǎn)向試驗系統(tǒng)具有一定的儲備;試驗系統(tǒng)的響應速度較快，系統(tǒng)的穩(wěn)定性符合要求;四輪轉(zhuǎn)向比傳統(tǒng)的二輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)彎半徑減小約20%左右。

全輪轉(zhuǎn)向;試驗研究;仿真分析

穩(wěn)定土拌和機是一種直接在施工現(xiàn)場將穩(wěn)定劑與土壤或砂石均勻拌和的專用自行式機械。按拌和裝置的安裝位置分為轉(zhuǎn)子前置式、轉(zhuǎn)子中置式和轉(zhuǎn)子后置式，目前應用最廣的是后兩種。中置式和后置式穩(wěn)定土拌和機因轉(zhuǎn)子安裝在機械的中部和后部，機身較長使得轉(zhuǎn)向靈活性降低。而現(xiàn)場施工往往要求這類機械頻繁轉(zhuǎn)向，所以如何減小其轉(zhuǎn)彎半徑成為一個亟需解決的迫切任務(wù)［1-2］。筆者分析了穩(wěn)定土拌和機全輪轉(zhuǎn)向試驗平臺的工作原理，利用試驗平臺進行各種轉(zhuǎn)向工況的試驗。結(jié)果表明，穩(wěn)定土拌和機全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎半徑減小約20%左右，操作穩(wěn)定性明顯改善。

1 試驗平臺概述

穩(wěn)定土拌和機全輪轉(zhuǎn)向試驗平臺主要由4大系統(tǒng)組成，即轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、氣動振動系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。由于結(jié)合了電子控制技術(shù)，液壓傳動及控制技術(shù)和計算機技術(shù)3大技術(shù)優(yōu)勢，使得該轉(zhuǎn)向試驗系統(tǒng)安全性和可靠性較高，同時具有一定的自動化和智能化。為了提高實用價值，特別為該試驗平臺設(shè)計了加載系統(tǒng)和氣動振動系統(tǒng)。因此，可以在室內(nèi)試驗條件下，較好的模擬穩(wěn)定土拌和機工作路面不平導致機體顛簸、作業(yè)負荷范圍大且變化頻率快、振動大等真實作業(yè)特點［3-4］。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由液壓缸、流量控制伺服閥、精濾器、液壓泵、電機和溢流閥等組成，是組成穩(wěn)定土拌和機全輪轉(zhuǎn)向試驗平臺的重要環(huán)節(jié)之一［5］。將非接觸式霍爾效應傳感器安裝在4個轉(zhuǎn)向輪上，通過傳感器測得各個輪的實際轉(zhuǎn)角，并將該信號反饋給控制器，再經(jīng)過控制器的計算與分析，重新發(fā)出指令信號，比較實際與希望的轉(zhuǎn)角偏差，從而使得整個系統(tǒng)形成閉環(huán)回路，提高了系統(tǒng)的控制精度［6］。

為了比較全輪轉(zhuǎn)向與二輪轉(zhuǎn)向的不同特點，該試驗平臺設(shè)有5位旋轉(zhuǎn)開關(guān)。通過操縱5位旋轉(zhuǎn)開關(guān)，便可實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)前輪的二輪轉(zhuǎn)向、偏轉(zhuǎn)全輪的4輪轉(zhuǎn)向和蟹形轉(zhuǎn)向等工況。

2 試驗研究

2.1 試驗裝置控制系統(tǒng)原理

穩(wěn)定土拌和機全輪轉(zhuǎn)向試驗裝置控制系統(tǒng)可以分為3大模塊，即輸入模塊、處理模塊和輸出模塊。試驗裝置控制系統(tǒng)原理如圖1。

圖1 試驗裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure chart of test equipment control system

輸入模塊:系統(tǒng)的輸入信號主要包括2大類:源于方向盤轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)向傳感器的輸出信號，和源于相應轉(zhuǎn)向輪上非接觸式霍爾效應傳感器輸出信號的4個轉(zhuǎn)向輪的實際轉(zhuǎn)向角度。因此該全輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的控制精度。處理模塊:該模塊的主要功用是分析由輸入模塊獲取的方向盤轉(zhuǎn)角和4個霍爾效應傳感器的輸出信號等機械行駛狀態(tài)參數(shù)，運用信號分析及數(shù)據(jù)處理技術(shù)和方法得到各個轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度信息，為輸出模塊提供具體的指令。輸出模塊:該模塊主要包括液壓泵、流量控制伺服閥、各個轉(zhuǎn)向輪及其轉(zhuǎn)向液壓缸等。它是具體的執(zhí)行機構(gòu)，用于完成處理模塊提供的具體指令。為了能夠在實驗室實驗條件下充分模擬穩(wěn)定土拌和機的實際工作狀況，增強路感，專門設(shè)計加載回路和氣動振動回路，使室內(nèi)試驗盡量接近真實工況。

2.2 試驗測試系統(tǒng)原理

試驗數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)由磁帶記錄儀、動態(tài)電阻應變儀、電源、WYJ?-02B2晶體管直流穩(wěn)壓電源、正弦信號發(fā)生器、示波器、壓力傳感器及位移傳感器等組成。試驗中通過儀器測取系統(tǒng)的工作壓力、各個轉(zhuǎn)向輪的角位移和線位移等參數(shù)。通過測取分別安裝在前左輪和后左輪的2個轉(zhuǎn)向缸上的位移傳感器的位移信號，可以計算液壓缸的流量。圖2為測試系統(tǒng)的工作原理。

圖2 測試系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic diagram of test system

2.3 試驗數(shù)據(jù)的采集和處理

根據(jù)系統(tǒng)分析需要，本試驗采集9個數(shù)據(jù)。1#磁帶記錄儀的1～5通道采集5個信號，即方向盤轉(zhuǎn)向角信號及4個霍爾效應傳感器信號;1#磁帶記錄儀的6、7通道分別記錄工作壓力傳感器信號和負載壓力傳感器信號;2#磁帶記錄儀的1、2通道記錄了安裝在前左輪和后左輪上的2個位移傳感器信號，前左輪和后左輪轉(zhuǎn)向液壓缸的流量通可以過這2個位移傳感器信號計算得出。為確保實驗的準確性，每次都需對各個傳感器進行標定。試驗完畢后，在HP3562A動態(tài)信號分析儀上進行各個通道信號的分析及處理，并讀取數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)向試驗過程中，在4輪轉(zhuǎn)向、蟹行轉(zhuǎn)向及前輪轉(zhuǎn)向等轉(zhuǎn)向方式下，分別對無振動工況和有振動工況進行試驗，進行數(shù)據(jù)采集和處理。限于篇幅，僅以4輪轉(zhuǎn)向模式為例進行說明。當工作壓力為8 MPa，負載壓力為2.8 MPa時，測得在4輪轉(zhuǎn)向模式下，無振動工況的試驗數(shù)據(jù)如表1。

表1 全輪轉(zhuǎn)向模式試驗數(shù)據(jù)Table 1 Test data in the mode of all-wheel steering

表1中數(shù)據(jù)為輸入交流幅值為1.5 V，直流為2.5 V時，輸入信號與輸出信號的峰-峰值。其中，輸入信號是1#磁帶記錄儀第一通道的信號，即方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器的信號（單位:mV）;輸出信號是1#磁帶記錄儀第2通道的信號，即左前輪霍爾效應傳感器的角位移信號（單位:mV）;相移差τ是輸入、輸出信號相鄰波峰/波谷之間的時間差（單位:s）。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以計算出各個頻率點上的輸出信號與輸入信號的比值及相位差，從而求出系統(tǒng)的閉環(huán)伯德圖如圖3。由圖3不難看出，系統(tǒng)的截止頻率ωb=2.65 Hz，則系統(tǒng)的截止帶寬為0～2.65 Hz，滿足穩(wěn)定土拌和機的作業(yè)要求。

圖3 閉環(huán)伯德圖Fig.3 Close loop Bode diagram

2.4 系統(tǒng)傳遞函數(shù)的確定

借助現(xiàn)代控制工程理論［7］的知識，對試驗數(shù)據(jù)進行處理和分析，可以得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如式（1）:

由式（1）可以求得系統(tǒng)所具有的幅值裕度Kg=13.4 dB，相位裕度γ=48.9°，符合系統(tǒng)穩(wěn)定性儲備的要求。

3 系統(tǒng)仿真分析

用MATLAB軟件對系統(tǒng)的頻域特性進行分析，便于繪出系統(tǒng)的伯德圖和奈奎斯特圖［8］。筆者正是利用MATLAB軟件的這一特點，對系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)伯德圖進行仿真。仿真結(jié)果與試驗得出的系統(tǒng)伯德圖非常接近，這足以說明試驗所確定的傳遞函數(shù)是準確的。

用MATLAB/SIMULINK仿真軟件對系統(tǒng)傳遞函數(shù)進行動態(tài)仿真，得到試驗系統(tǒng)的階躍響應如圖4。

圖4 單位階躍輸入下的仿真Fig.4 Simulation of unit step input

由圖4不難得出，系統(tǒng)的上升時間tr=0.15 s，峰值時間 tp=0.25 s，最大超調(diào)量 Mp=11.5% ＜20%，調(diào)整時間ts=0.57 s。綜合以上指標可見，本試驗系統(tǒng)的響應速度較快，系統(tǒng)符合穩(wěn)定性的要求。仿真結(jié)果與頻域下的性能分析結(jié)果基本一致。

4 結(jié)語

1）試驗系統(tǒng)的幅值裕度和相位裕度分別是13.4 dB和48.9°。因此，系統(tǒng)具有充分的穩(wěn)定性儲備，穩(wěn)定性滿足要求。

2）試驗過程中，對系統(tǒng)施加隨機振動荷載，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在ω﹤1 Hz的低頻階段，基本不受隨機振動的影響;而當處于頻率ω﹥1 Hz的頻段時，輸出波形有了一定的鋸齒狀波動，但其整體形狀仍然是正弦信號，其幅值與不加振動時相比基本不變。可見，隨機振動對系統(tǒng)的影響較小。

3）動態(tài)仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)的上升時間tr=0.15 s，峰值時間 tp=0.25 s，最大超調(diào)量 Mp=11.5% ＜20%，調(diào)整時間 ts=0.57 s?？梢?，本轉(zhuǎn)向試驗系統(tǒng)的響應速度較快，系統(tǒng)符合穩(wěn)定性的要求。

4）系統(tǒng)仿真及各個轉(zhuǎn)向工況的試驗結(jié)果，表明全輪轉(zhuǎn)向比二輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎半徑降低20%左右。

（References）:

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［2］ 曹源文，馬麗英，陳鵬鵬.施工設(shè)備在路面不中斷運行翻修中的組合分析［J］.重慶交通大學學報:自然科學版，2010，29（1）:73-75.

CAO Yuan-wen，MA Li-Ying，CHEN Peng-peng.Portfolio analysis of construction equipments in uninterrupted road re-treading［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29（1）:73-75.

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MA Li-ying，CAO Yuan-wen，GUI Shao-xiong.Research of engineering machine’s new type steering system［J］.Road Machinery＆ Construction Mechanization，2006，23（11）:62-64.

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MA Li-ying，CAO Yuan-wen，GUI Shao-xiong.The work principle of 4WS electric-hydraulic-controlled system of engineering machine［J］.Construction Machinery and Equipment，2006，37（9）:30-32.

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LEI Zheng-hong.Application of Matlab in automatic control theory teaching［J］.Modern Electronic Technique，2004（4）:85-86.

Test and Simulation of All-Wheel Steering System for Stabilized Soil Mixer

MA Li-ying1，GUI Shao-xiong2，CAO Yuan-wen1
（1.School of Mechatronics＆ Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.School of Application Technology，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Based on the analysis of the all-wheel steering test platform for stabilized soil mixer，a series of tests for each steering working condition are carried out.The transfer function of the system is determined，and Bode diagram is also drawn out.Meanwhile，the system is simulated dynamically by use of MATLAB/SIMULINK software.The research results show that the amplitude margins and phase margins of the steering system are respectively 13.4dB and 48.9°，which meets the stability reserve requirements of the steering system for stabilized soil mixer;the fast response speed and the stability of experimental system also meet the requirement;what’s more，all-wheel steering decreases about 20%turning radius than 2 wheel steering does.

all-wheel steering;experimental research;simulation analysis

U416.21

A

1674-0696（2011）06-1412-03

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.36

2011-03-21;

2011-07-15

交通運輸部西部交通建設(shè)科技項目（200631879846）

馬麗英（1973-），女，河北盧龍人，副教授，博士研究生，主要從事道路工程施工技術(shù)及施工機械性能及理論、液壓傳動及控制方面的教學與研究工作。E-mail:maliying801@yahoo.com.cn。