陳步童，李勝永，張智華，王玉柱

(1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010； 2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031)

0 引 言

壓路機(jī)是修建機(jī)場(chǎng)、鐵路、公路、港口等交通基礎(chǔ)設(shè)施的壓實(shí)機(jī)械，多采用全液壓驅(qū)動(dòng)[1-2]。現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)過(guò)程中，由于壓路機(jī)操作人員缺乏相關(guān)專業(yè)知識(shí)和異常情況應(yīng)變能力，對(duì)可能發(fā)生的危險(xiǎn)抱著僥幸心理違章作業(yè)，加之施工現(xiàn)場(chǎng)交通復(fù)雜，故壓路機(jī)傷人和碰撞事故頻發(fā)，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，加強(qiáng)壓路機(jī)作業(yè)過(guò)程主動(dòng)安全控制技術(shù)研究尤為重要。

1 振動(dòng)壓路機(jī)行駛液壓系統(tǒng)工作原理

雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)行駛液壓系統(tǒng)[3-4]如圖1所示，采用一泵雙馬達(dá)并聯(lián)閉式回路，最大工作壓力為40 MPa。系統(tǒng)的行走泵采用斜盤式軸向變量柱塞泵，行走泵通過(guò)管路與前、后行走馬達(dá)相連。前、后驅(qū)動(dòng)采用斜軸式軸向柱塞馬達(dá)與減速機(jī)組合。壓路機(jī)行駛和作業(yè)過(guò)程中，手動(dòng)伺服閥控制行走泵的斜盤擺動(dòng)方向和擺角大小，使行走泵輸出的高壓油的流量大小和流動(dòng)方向隨之改變；行走馬達(dá)伺服閥控制變量柱塞馬達(dá)(行走馬達(dá))斜軸擺角大小，使前后行走馬達(dá)在最大排量和最小排量之間切換，以滿足壓路機(jī)行駛和作業(yè)過(guò)程中不同行駛速度的要求[5-6]。

圖1 雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)行駛液壓系統(tǒng)

若壓路機(jī)作業(yè)時(shí)突然過(guò)載，行走泵的輸出油壓會(huì)迅速上升。當(dāng)系統(tǒng)工作壓力超過(guò)40 MPa時(shí)，多功能閥迅速開啟，雙向安全溢流，行走泵直接卸荷；壓力切斷閥使排量伺服油缸向排量減小方向移動(dòng)，直至自動(dòng)控制行走泵的排量為零；前、后行走馬達(dá)配有沖洗閥，以便將主油路低壓側(cè)部分液壓油沖洗至油箱，把閉式系統(tǒng)部分熱油排出。壓路機(jī)作業(yè)時(shí)頻繁換向、調(diào)速，導(dǎo)致前、后行走馬達(dá)背壓較大，其溢流閥會(huì)自動(dòng)卸荷，壓路機(jī)的行駛平穩(wěn)性、被壓層的壓實(shí)均勻度及密實(shí)度、操作人員的舒適性均有所提高[7]。

2 制動(dòng)系統(tǒng)工作原理

為了適應(yīng)不同工況，雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)上設(shè)有工作制動(dòng)和緊急制動(dòng)[8]。工作制動(dòng)是為實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)壓實(shí)作業(yè)時(shí)前進(jìn)、倒退、換向等工況的停車轉(zhuǎn)換：將操縱手柄由任一工作位置拉回中位，使行走泵的斜盤角度減少至0，前后行走馬達(dá)行走泵的輸入流量減小至0，前后行走馬達(dá)因閉鎖停止工作，壓路機(jī)實(shí)現(xiàn)停車。緊急制動(dòng)則是將駐車制動(dòng)閥緊急制動(dòng)按鈕直接按下，使駐車制動(dòng)閥斷電，進(jìn)入前后行走馬達(dá)行走泵、前后行走馬達(dá)駐車制動(dòng)器的壓力油被切斷，常閉式前后行走馬達(dá)行走泵、前后行走馬達(dá)駐車制動(dòng)器在其彈簧力的作用下嚙合制動(dòng)片，實(shí)施緊急制動(dòng)；與此同時(shí)，進(jìn)入手動(dòng)伺服閥的油路也被切斷，行走泵的斜盤傾角不變，行走泵無(wú)壓力油輸出，壓路機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)互鎖[9-10]。

3 作業(yè)主動(dòng)安全控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)總體布置

為提高壓路機(jī)作業(yè)過(guò)程的主動(dòng)安全性，設(shè)計(jì)制作了一套壓路機(jī)作業(yè)過(guò)程主動(dòng)安全控制裝置，該裝置由橡膠減震墊、中央控制單元、485通信線、超聲波信號(hào)處理器、超聲波信號(hào)線、超聲波傳感器、12 V電源線、行走制動(dòng)電磁閥、駐車制動(dòng)電磁閥、電磁閥控制線等組成，具體連接關(guān)系如圖2所示。

3.2 控制系統(tǒng)原理

當(dāng)前、后超聲波傳感器前側(cè)有人通過(guò)或存在障礙物時(shí)，前、后超聲波信號(hào)處理器將傳感器檢測(cè)到的信號(hào)處理后傳送給中央控制單元，中央控制單元同時(shí)向行走制動(dòng)電磁閥和駐車制動(dòng)電磁閥發(fā)出指令，行走制動(dòng)電磁閥和駐車制動(dòng)電磁閥即刻斷電，行走泵變量機(jī)構(gòu)使其斜盤回到零位，行走泵停止向前后行走馬達(dá)供油，使其停止工作；與此同時(shí)，進(jìn)入前后行走馬達(dá)制動(dòng)器的壓力油因前后駐車制動(dòng)電磁閥斷電而被切斷，常閉式前、后行走馬達(dá)制動(dòng)器在彈簧力的作用下嚙合制動(dòng)片，實(shí)施緊急制動(dòng)，最終鋼輪壓路機(jī)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全停車[11]?？刂葡到y(tǒng)邏輯關(guān)系如圖3所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體布置

圖3 控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系

3.3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)主要硬件由超聲波傳感器、超聲波信號(hào)處理器、中央控制單元、制動(dòng)電磁閥等組成，其中超聲波信號(hào)處理器由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器、STC89C52RC單片機(jī)、485通信模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊等組成。STC89C52RC單片機(jī)、485通信模塊、超聲波發(fā)射器和超聲波接收器由電源轉(zhuǎn)換模塊供電；STC89C52RC單片機(jī)通過(guò)超聲波發(fā)射器和超聲波接收器與超聲波傳感器間接連接，與485通信模塊是直接連接。超聲波信號(hào)處理板功能如圖4所示。

圖4 超聲波信號(hào)處理板功能

中央控制單元由STC90C516RD單片機(jī)、電磁閥線圈驅(qū)動(dòng)模塊、485通信模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊等組成。STC90C516RD單片機(jī)、485通信模塊、電磁閥線圈驅(qū)動(dòng)模塊由電源轉(zhuǎn)換模塊供電；STC90C516RD單片機(jī)分別與電磁閥線圈驅(qū)動(dòng)模塊、485通信模塊直接連接；電磁閥線圈驅(qū)動(dòng)模塊分別與行走制動(dòng)電磁閥、駐車制動(dòng)電磁閥直接連接。485通信模塊是由MAX485芯片組建的通信電路，電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊是由TIP122晶體管組建的開關(guān)電路，電源轉(zhuǎn)換模塊是由LM2596S組建的降壓電路[12]。中央控制單元功能如圖5所示。

圖5 中央控制單元功能

3.4 控制系統(tǒng)硬件功能

(1)超聲波測(cè)距板。超聲波測(cè)距板由超聲波發(fā)送和接收模塊、485通信模塊、處理器模塊等組成。前后超聲波傳感器發(fā)送和接收超聲波，前后超聲波信號(hào)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與精確計(jì)算，得出人或障礙物的距離數(shù)據(jù)，485通信模塊和處理器模塊將距離數(shù)據(jù)傳輸給超聲波處理板進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[13]。超聲波測(cè)距板電路如圖6所示。

圖6 超聲波測(cè)距板電路

(2)超聲波處理板。超聲波處理板由無(wú)線遙控開關(guān)模塊、電源模塊、485通信模塊、液晶顯示模塊、晶體管開關(guān)模塊、處理器模塊等組成。超聲波處理板接收超聲波測(cè)距板距離信號(hào)并進(jìn)行計(jì)算，輸出信號(hào)控制電磁閥線圈驅(qū)動(dòng)模塊通斷動(dòng)作，或接收無(wú)線遙控信號(hào)控制電磁閥線圈驅(qū)動(dòng)模塊通斷動(dòng)作，繼而控制行走制動(dòng)電磁閥、駐車制動(dòng)電磁閥通斷動(dòng)作[14]。超聲波處理板電路如圖7所示。

圖7 超聲波處理板電路

4 裝機(jī)試驗(yàn)

依據(jù)雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)作業(yè)主動(dòng)安全控制原理、超聲波信號(hào)處理器結(jié)構(gòu)、控制器單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作了雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)作業(yè)主動(dòng)安全控制系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)安裝在DYNAPAC CC522型雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)上，進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)誤差分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)及誤差分析結(jié)果

由表1可知，當(dāng)壓路機(jī)前后2 m內(nèi)有人通過(guò)或存在障礙物時(shí)，壓路機(jī)會(huì)在1.76～2.25 m內(nèi)停車。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)對(duì)壓路機(jī)行駛液壓系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的分析，采取超聲感應(yīng)和遠(yuǎn)距離遙控技術(shù)，設(shè)計(jì)了振動(dòng)壓路機(jī)主動(dòng)安全控制系統(tǒng)。裝機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：當(dāng)壓路機(jī)作業(yè)方向2 m內(nèi)有人通過(guò)或遇到障礙物時(shí)，主動(dòng)安全控制系統(tǒng)開始工作，振動(dòng)壓路機(jī)會(huì)在1.76～2.25 m內(nèi)實(shí)現(xiàn)停車。該系統(tǒng)的成功開發(fā)能有效提高道路施工過(guò)程的安全性，防止壓路機(jī)施工作業(yè)過(guò)程中傷人和碰撞事故的發(fā)生，從而有效保護(hù)施工作業(yè)人員生命財(cái)產(chǎn)安全，減少了不必要的損失。