馬麗英，徐建偉，楊隧中，曹源文，董琴琴

(1.重慶交通大學機電與車輛學院，重慶 400074；2.河南鄭州路橋建設(shè)投資集團有限公司，河南鄭州 475000)

0 前言

水泥混凝土整平機用于水泥混凝土路面，以發(fā)射器發(fā)射的激光為基準平面，通過水泥混凝土整平機自動升降液壓系統(tǒng)實時控制整平達到規(guī)定整平標準[1]。自動升降液壓控制技術(shù)對于降低人工作業(yè)操作誤差、提高平整作業(yè)精度和質(zhì)量非常關(guān)鍵[2]。

但尚未發(fā)現(xiàn)針對其自動升降系統(tǒng)進行專門的系統(tǒng)模型建立和液壓系統(tǒng)仿真試驗。據(jù)此，本文作者對水泥混凝土整平機整平板和激光接收器系統(tǒng)進行模型建立及對液壓控制系統(tǒng)進行仿真試驗和仿真結(jié)果的分析，論證了整平機自動升降控制液壓系統(tǒng)的可行性，對水泥混凝土路面平整度優(yōu)化以及整平機運動動力特性研究提供必要的參考[8]。

1 整平板和激光接收器系統(tǒng)模型建立

1.1 激光接收器與整平板升降驅(qū)動參數(shù)的設(shè)置

通過ADAMS軟件先對激光接收器和整平-振動整平板進行建模，然后根據(jù)水泥混凝土整平機作業(yè)順序，設(shè)置激光接收器上下驅(qū)動，待激光接收器到達一定高度停止后，整平板開始實施升降功能[9]。升降驅(qū)動的設(shè)置分別如圖1、圖2所示。

圖1 激光接收器升降驅(qū)動設(shè)置

圖2 整平板驅(qū)動參數(shù)設(shè)置

1.2 整平板振動參數(shù)設(shè)置

由于路面整平通過整平板的周期性振動完成，所以還需對整平板進行振動仿真分析。整平板振動參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

圖3 整平板振動參數(shù)設(shè)置

1.3 整平板和激光接收器系統(tǒng)模型的仿真試驗

完成整平板與激光接收器升降驅(qū)動與整平板的振動參數(shù)設(shè)置完成后，設(shè)定仿真時間與步數(shù)，進行仿真[10]。

仿真過后進入后處理模式，查看仿真結(jié)果。激光接收器在豎直方向上的位移變化與整平板在豎直方向上的位移變化分別如圖4和圖5所示。

圖4 激光接收器在豎直 圖5 整平板在豎直方方向上的位移圖 向上的位移圖

圖4顯示：仿真設(shè)定其初始位置為離地500 mm的高度處，0～1 s內(nèi)曲線表示當接收水平高度低于初始位置時，激光接收器實現(xiàn)下降，仿真速度約為20 mm/s；1～2 s內(nèi)曲線表示以離地480 mm為初始位置時，激光接收器實現(xiàn)上升，仿真速度約為30 mm/s。兩種狀態(tài)仿真結(jié)果表明能夠在1～2 s內(nèi)達到預定高度。待激光接收器達到預定高度后，能夠保持其高度不變，保證了水泥混凝土整平機整平作業(yè)過程中的水平精度。

由圖5可以看出：以整平板最高位置處為基準，設(shè)置整平板初始位置在-70 mm，在接收到高度信號后，整平板在1 s內(nèi)識別輸入信息后開始下降，3 s后達到預定高度，仿真過程中設(shè)定下降高度為75 mm，第4 s時整平板達到預定高度，并在到達預定高度后保持當前狀態(tài)開始作業(yè)。由此表明：仿真模型可實現(xiàn)激光接收器與整平板的自動升降功能。

2 自動升降液壓系統(tǒng)仿真

根據(jù)整平板和激光接收器系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動升降功能，針對自動升降液壓控制系統(tǒng)進行了以下仿真。

2.1 激光調(diào)平系統(tǒng)工作原理

水泥混凝土整平機是通過刮板將高出的水泥混凝土帶走并初步刮平，達到設(shè)計要求的標高。調(diào)平是由整平機上的激光測控系統(tǒng)實時控制，根據(jù)激光掃描自動調(diào)平。激光發(fā)射器發(fā)出的激光束圍繞著激光軸線方向進行掃描，形成一個掃描平面。激光接收器接收到發(fā)射器所發(fā)射的激光束后，將信號傳輸至液壓控制閥，自動調(diào)整高度與之對準，從而達到找平的目的[11-12]。激光發(fā)射接收模塊如圖6所示。

圖6 激光發(fā)射接收模塊

整平機機身升降分為4個過程：機身的上升分為支腿著地、機身自動調(diào)平、水平上升和位置保持4個過程；下降則分為檢查支腿是否充分著地、自動調(diào)平、水平下降和位置保持4個過程[13]。整平機機身自動調(diào)平升降系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7 整平機機身自動調(diào)平升降系統(tǒng)組成

2.2 激光接收器自動升降控制仿真

激光接收系統(tǒng)定位升降控制主要依靠電磁閥實現(xiàn)。電磁閥通過接收電動機的指令，完成相應(yīng)的升降功能。當電磁閥接收到正轉(zhuǎn)指令時，電磁閥左位接入，進出口方式為P—B、A—T，電動機正轉(zhuǎn)；當電磁閥接收到反轉(zhuǎn)指令時，電磁閥右位接入，進出口方式為P—A、B—T，電動機反轉(zhuǎn)[14]。

激光接收器自動升降液壓系統(tǒng)原理如圖8所示。此系統(tǒng)通過角位移傳感器6采集激光信號，將采集的信號與重合水平位置進行比較，得出角度差；然后激光信號轉(zhuǎn)換為液壓信號后傳至電磁換向閥3，控制電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，從而控制激光接收器實現(xiàn)升降功能；達到發(fā)射器提供的高度后，電機1停止運行，完成激光接收器對應(yīng)高度指令。

在仿真時，仿真時間設(shè)置為10 s，設(shè)置求解器誤差值為10-7，最大時間步長為30 s。

圖8 激光接收器自動升降液壓系統(tǒng)

根據(jù)工作原理在AMESim軟件中對液壓控制系統(tǒng)進行仿真設(shè)置，啟動仿真后得到液壓控制閥進出口流量及壓力值，該值表明在仿真過程中，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和準確性。得到激光接收器自動升降系統(tǒng)中液壓控制閥仿真計算結(jié)果如表1所示。

表1 電液換向閥仿真計算結(jié)果

如表1所示：P口流量與A口流量相對應(yīng)，均為-40.469 L/min，T口流量與B口流量相對應(yīng)，均為40.469 L/min，流量保持穩(wěn)定不變，系統(tǒng)運行穩(wěn)定;在載荷變化時能保持閥內(nèi)進出口的壓差為定值150×105Pa。由此可以看出:在液壓系統(tǒng)運行過程中，執(zhí)行元件的運動速度非常穩(wěn)定。

2.3 整平板-振動升降液壓控制仿真

整平板自動升降液壓系統(tǒng)原理如圖9所示。此系統(tǒng)中液壓泵為系統(tǒng)供能，它以恒定的壓力向系統(tǒng)供油，溢流閥2決定液壓泵的壓力，液壓動力裝置由三位四通電磁閥3和液壓缸5組成。位移傳感器6實時檢測路面位移，通過恒定信號源將信號傳輸至電磁閥3，將機械信號轉(zhuǎn)換為液壓信號輸出;PID伺服控制系統(tǒng)對整個控制系統(tǒng)進行偏差調(diào)節(jié)，使被控液壓推桿位移與實際輸入位移指令一致[15]。液壓缸5作為執(zhí)行裝置，通過通壓力油和回油控制整平板的升降。

圖9 整平板升降液壓系統(tǒng)原理圖

仿真時間設(shè)置及求解器設(shè)置同上，得到整平板自動升降液壓系統(tǒng)中液壓控制閥仿真計算結(jié)果如表2所示。

表2 液壓控制閥仿真計算結(jié)果

如表2所示：液壓控制閥右位接通，P口與A口壓力差值和T口與B口壓力差值接近，液壓桿推動整平板下降，保證整平板降落過程中的穩(wěn)定性。

3 液壓控制系統(tǒng)仿真試驗對比

3.1 激光接收器自動升降仿真試驗對比

對于激光接收器的自動升降液壓系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)置角位移傳感器所接收到的角度分別為1 000°、1 500°和2 000°。角位移傳感器輸入值如圖10所示，電磁閥工作后得到馬達輸出角度如圖11所示。

圖10 角位移傳感器輸入數(shù)據(jù) 圖11 馬達輸出角度

可知，角位移傳感器在t=3 s輸入數(shù)據(jù)，并將角度位置信息輸入至電磁閥中，在AMESim工作環(huán)境中啟動液壓仿真后，電動機從第3 s開始進行角度的對準，大概在第6 s時轉(zhuǎn)動1 000°，在第8 s時轉(zhuǎn)動1 500°，大概在第10 s時轉(zhuǎn)動2 000°，有效地實現(xiàn)了激光接收器與發(fā)射器的對準。

從仿真結(jié)果可以看出:當位移傳感器接收到角度信號之后，通過該液壓系統(tǒng)，電動機轉(zhuǎn)動角度與輸入值完全相等，即激光接收器能夠自動與激光發(fā)射器對準并達到同一水平，電動機會根據(jù)輸入角度轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度，從而使得激光接收裝置實現(xiàn)與激光平面的對應(yīng)，完成其自動升降。

3.2 整平板自動升降仿真試驗對比

對于整平板的自動升降液壓系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)置位移傳感器輸入位移分別為0.1、0.2、0.3 m，位移傳感器輸入位移如圖12所示，液壓缸輸出位移如圖13所示。

圖12 位移傳感器輸入數(shù)據(jù) 圖13 液壓缸輸出位移

對比位移傳感器輸入位移以及液壓缸輸出位移曲線可知:設(shè)定整平板分別需要移動0.1、0.2、0.3 m，如圖12所示，位移傳感器t=3 s輸入數(shù)據(jù)，并將高度位置信息輸入至電磁閥中。圖13顯示：液壓缸推桿從第3 s開始進行運動來完成整平板的升降，在4～5 s內(nèi)到達0.1 m處位置，在第6 s時到達0.2 m處位置，在第7～8 s時到達0.3 m處位置。通過兩條曲線的一一對應(yīng)可以看出：位移傳感器輸入位移值與液壓缸輸出位移值一致，說明液壓缸能夠準確到達位移傳感器所輸入的位移位置處，表明該液壓系統(tǒng)能夠使得整平板實現(xiàn)其自動升降功能。

4 結(jié)論

通過ADAMS軟件建立激光整平機整平板和激光接收器系統(tǒng)模型，然后通過AMESim軟件進行了整平板激光接收裝置和整平板自動升降液壓控制系統(tǒng)仿真試驗，得出以下結(jié)論：

(1)通過ADAMS軟件對激光整平機整平板和激光接收器系統(tǒng)模型的建立及驗證，得出仿真模型可以很好地實現(xiàn)激光接收器與整平板的自動升降功能。

(2)利用角位移傳感器輸入、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和電磁換向閥方向的控制，分別實現(xiàn)了激光接收裝置的自動升降功能和電磁閥控制液壓缸推桿的運動方向，實現(xiàn)了整平板的自動升降功能。

(3)根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)進行仿真對比分析后得出：電動機根據(jù)輸入角度自動轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度，完成激光接收裝置和激光發(fā)射器自動升降；同時整平板升降高度能夠一一對應(yīng)移傳感器輸入數(shù)據(jù)，最后通過液壓升降系統(tǒng)準確完成自動升降功能。

(4)通過自動升降系統(tǒng)動力學模型的建立和液壓控制系統(tǒng)的仿真分析，論證了該系統(tǒng)的可行性，為進一步提高平整作業(yè)的精度和質(zhì)量、開展運動特性和動力特性研究提供了參考。