沥青砂浆车液压自动调平控制系统研究.pdf

第 5 期 总 第 1 5 6 期 2 0 0 9年 l 0月 机 械工 程 与自 动 化 MECHAN1 CAL ENG1 NEER1 NG AUTOMAT1 ON No．5 Oc t ． 文 章编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 0 9 0 5 一 O l 2 2 一 O 3 沥青砂浆车液压 自动调平控制 系统研 究 张 亮，张认成 ，吴仕平 华侨大学 机 电及 自动化学院，福建 泉州 3 6 2 0 2 1 摘要 研究 了一种基于软基准 面的液压 自动调平控制装置 。 在分析了砂浆车液压 自动调平原理 的基础上 ， 用倾 角传感器测量车体平台两个水平度上的倾角， 采用单 向调节方式 ， 调节车体平 台下面 的 4个液 压缸 ， 最后使平 台处 于水平状态 。实验结果证 明所设计的 自动调平控制系统一次调平结果能够满足精度要求 。 关键词 可编 程逻辑控制器 ； 自动调平 ；沥青砂 浆车 中图分类号T H1 3 7 T P 2 7 2 文献标识码 A 0 引言 随着我 国铁路 建造 的迅速发 展 ，无 渣铁轨 得到 了 应 用推广 ， 京沪 高速铁 路首次 采用 了全 线无渣 轨道 。 在 建造无 渣铁 轨 中沥 青砂 浆 车是必 不 可少 的关 键设 备 ， 而动态液 压平衡 技术是 沥青砂 浆车 的核心技术 ，在调 平结束后 ，必须满足沥青砂浆车的平衡精度 纵 向为 0 ． 5 。 ， 横 向为 0 ． 5 。 ， 调平 时间不超 过5 0 S 。 传统 的调平 方法是通 过水 准仪器来 检查 和发现水 平误差 ，采用 多 点调整方式 。这 种调整 方法协 调动作 比较 困难 ，多点 之间耦合 现象 明显 ， 要 达到规 定 的精 度要求 费时费 力 。 为提高 沥青砂 浆车液 压调平技 术 的 自动化程 度 ，对 调 试平台自动调平控制系统的原理、组成和具体控制流 程 等 进 行 了 研 究 ，弓i 人 了 可 编 程 逻 辑 控 制 器 P r o g r a mma b l e L o g i c a l C o n t r o l l e r ， 简称 P I C 作 为调 平系统 的控制设 备 ．并采用单 向调整 方式 ，将 其应 用 于沥青砂 浆车 液压 调平控制 系统 ，只需启动 电源就 可 完成 平台 架 设和调 平 ，大 大缩短 了调平 时间 ，提高 了调平 精度 ，达到 了预期 的控 制效果 。 1 砂 浆车 夜压 自动调 平原理 调 平 j 基 本 原理 是基 于 “ 三点决 定一个 平 面”的 数学 公理 。砂 浆车调 平动力 系统采用 4个带 有 自锁 功 能的 液压支腿 ，凋平 过程 中调 节 的实际上是 4条 液压 缸即 4点的相对高度 。为了避免虚腿现象的产生，各 个支腿的运动遵循 “ 只升不降”的原则 ，调节过程采 用 向最高 点看 齐 的方法 通 过倾 角 传感 器 的检 测信 号 可以找出平台的最高点 ， 即保持相对最高点不动， 把 其余相对低点调高，这样平台就只做上升运动。为防 止 超 调 ，每次支 腿 的行 程 只为计算值 的 8 0 。图 1为 模 型分析 图 。 图 1模型 分 析 图 在图 1中 ， 通过 平台上沿纵横两个方 向安装 的双轴 倾 角传感器 ，可 以得 到平 台的倾 斜角 a 横 向 和 纵 向 。 倾角传感器可以安装在平台上的任意位置， 对于操 作者获取 和 没有影 响，平台长 、宽分 别为 a和 b 。 当前 a 和 p角度显 示平 台未达 到平衡 ，需要根 据 角度值调节液压缸 ，支腿 3 为相对最高点，保持其不 动 ，调节其余 3个腿 f L2 一 4 一b s i n ／ L4 一 h 2 一 a s i n a 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 【 L 。 一 日 s i n 6 s i n 其中 h 。 、h 。 、 h 分别为 2 、3 、4腿相对于最低点 1的 高度 ； 、L 、 分别 为 1 、2 、4 腿 实 际要 调节 的行 程 。 *福建省科技重大专题项 目 2 0 0 8 HZ O O O 2 1 收稿 日期 2 0 3 9 0 6 1 8 作 者简介 张亮 1 9 8 3 一 ， 男． 安徽蚌埠人． 在读硕士研究生． 主要从事无线 传感器 网络技术方面的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9年第 5 期 张亮，等沥青砂 浆车液压 自动调平控 制 系统研究 1 2 3 2 液压 自动调 平控 制 系统 的开 发 2 ． 1 系统硬 件设 计 当砂浆车面临的路面情况不满足要求时，以汽车 底盘 为支撑 平面 ，以汽车轮 胎 同地面 的接 触面 为软基 准面测量车身和地面的倾斜角度 ，对其进行调平 ，为 此开发 出 4支撑液 压调 平装 置 ，液压 调平装 置 直接安 装在汽车底盘上。以P I C为控制核心 ， 开发 自动调平 控制系统，设计上位机模块 ，实时显示调平状态和故 障情 况 ，并 对历史 数据 及 时保存 。 沥青砂浆车的整体调平系统 由检测装置、液压执 行机构和 P I C控制模块 3部分组成 ， 具体包括双轴水 平传感器 倾角传感器 、阀控液压缸和可编程控制器 P L C。 自动 调平控 制系统 方 框 图见 图 2 。 图 2 自动 调 平 控 制 系统 方 框 图 2 ． 1 ． 1 车体平台检测装置 其检测装置为倾角传感器，用来检测平台左右及 前后方向的不水平度。其检测值的大小是系统判断是 否进行调平的依据 ，检测精度的高低直接决定 了系统 的最终 调平精 度 。本 系统选 择 的是 AT2 0 1 一S I A 系列 倾角传感器 ， 主要适合静态和慢速变化的动态测量 ， 所 测量的载体水平或者俯仰角度变化速度为5 。 ／ s 以下的 情况时测量效果良好。 为了满足精度要求，系统采用反馈控制，倾角传 感器将角度信号采集输入到 P L C，其检测值作为输入 量来控制液压缸的行程。在调平过程中，倾角传感器 实时采集车体平 台的水平度 ，即被控量 ，将其反馈传 输到输入端与给定量进行 比较 以实现闭环反馈控制。 2 ． 1 ． 2 车体平 台液压执行机构 调平执行机构采用 4个 带有 自锁 功能的液压支 腿，将其对称布置在沥青砂浆车的两侧 ，由相应的比 例电磁 阀控制 ，通 过支腿 的上 下伸 缩 ，实现沥 青砂浆 车 的调平 控制 。 通过高压液压系统 ，可以获得很大的推动力来实 现大型负载的快速举升和精确定位。 基于 P L C的模拟 量控制的液压缸步行算法 ，利用电液调平伺服控制系 统 ， 可以实现砂浆车对不同路面环境的 自适应调平。 液 压系统 的工作 原理 见图 3 。 在实际调平 中，根据水平传感器发出的信号 ，由 P I C输出模拟量控制使相应 的比例 电磁 阀产生一定 的开口，对应的液压缸便产生相应的位移 ，直到平台 达 到调平 精度 为止 ； 到中位 ，阀口关闭， 压缸 进 、 回油 封死 ， 时 ，泵也停止工作 ， l 2 1 1 当达到调平精度时，电磁阀就回 同时，液控单向阀 1 3 关 闭， 将液 电磁 阀断 电 ，液 压缸被 锁定 ，此 整 个 系统 调 平结束 。 l 一液位计 ；2 --空气滤清器 ；3 一 吸油过滤器 ；4 --电机； 5 一液压泵 ；6 一精过滤器 ；7 一 电磁溢流阀 ；8 一压力表开关 ； 9 一压力表 ；1 0 ～背压 阀；1 1 一 电磁换向阀 ； 1 2 --液控单向阀 ；l 3 一软管 ；l 4 一液压缸 图 3液压 系统工作原理 图 2 ． 1 ． 3 车体平台 P L C控制模块 控制模块是 自动调平系统的核心组成部分。由于 P L C具有高可靠性和接 口简易性，利用 P I C作控制 器 ，通过 软件 编程 控制 调平机 构 动作 ，实现 车载 系统 的 自动 调平 。 基 于 P L C 的 自动 调 平 控制 系统 实 现 液压 系 统 中 各种 阀件 的动作控制，自动调平控制系统的结构见图 4 。其中角度信号经倾角传感器采集输入可编程控制 器 ，通 过 A／ D、D／ A转 换 实现 系统 的连续 控制 ， 液 压 缸的升降控制通过 D／ A输出的模拟量控制相应 的电 磁阀动作来完成。 2 ． 2 系统软 件设计 在 沥青砂 浆车 到达 一个新 的路 面环 境后 ，若 车体 平台不满足水平精度要求， 控制系统开始进行调平 。 根 据液 压 自动 调平 原理 ， 调平 精度 范 围是 -- - 0 ． 5 。 ， 只要 a 、 角度值在这个范围内， 即可视为满足精度要求。 本系 统采用单 向调节的方案 ，即先将 y轴方向调平 ，再将 x轴方向调平 。 由倾角传感器采集 x方 向和y方 向的 倾角值 ，按照 “ 先 y后 x”的原则。如果此时 y方向 角度不满足精度要求，则系统进入调平程序，在 y方 向调平以后再进入 方向的调平 ，两个方向分 步完 成 ， y方向角度满足精度要求是系统调节 x方向的充 分条 件 ，二者 均 满足要 求 时则退 出调 平程 序 ，调 平结 束 ，自动调平系统流程图见图 5 。 3 液压 自动调平控制系统调试 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 4 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 0 9年 第 5期 将 P I C应 用 于沥青砂浆 车液 压凋平 控制 系统 ， 开 发周期 短 ，性能稳 定 ，并 且在调 平过 程 中大 大缩短 了 调 平时 间 ，提 高 了调 平精度 。砂浆 车液压 手动调平 和 自动调平 分开 ，人机操 作性 能 良好 。 l 液压缸升降I l 4 液压缸升降 I n p ut 一． 蒌 电磁 阀 变送器4 输出模拟量信号 图 4 自动调平控制系统的结构 图 图 5 自动调平系统流程 图 液压 调平控制 系统完成 后 ，在 试验平 台上 进行多 次试验 ，单次 自动调平结束 以后 ，倾角传感器检测到 车体平台的水平度分别为纵向0 ． 3 。 、 横向0 ． 4 。 ， 调 平 时间 为2 5 s ～3 5 S ，能够 满 足 沥青砂 浆 车调 平精 度 要求和调平速度要求 。经过多次试验表明该系统是可 行 的，能应用 于砂浆 车 自动 调平控 制系统 。 4结束语 本 文开发 了一种 基于软 基准 面的液压 自动调平 控 制装置 ，试验 结果证 明所设 计 的 自动调平控 制 系统 调 平效果能够满足精度要求。项 目研发成功不但能满足 沥青砂浆车的液压平衡技术，同时能应用到多种需要 移动的车载设备上 ， 如电视转播车、 市政交通车等， 具 有一定的推广价值 ，将产生显著的经济效益和社会效 益 。 参考文献 [ 1 ] 马捷． 大型 沥青砼摊 铺机液 压 自动调 平 回路分 析[ J ] ． 公 路与汽运 ， 2 0 0 7 ， 1 1 8 1 1 3 1 1 3 3 ． [ 2 ] 郭俊岑 ， 周 浚哲 ， 唐健 ． 基 于单 片机 的坦克 火控调试 台 自 动调平系统研究 [ J ] ． 沈 阳理工大学学报 ， 2 0 0 6 3 7 0 7 6 ． E 3 ] 郭晓松 ， 占金春 ， 冯永保 ， 等． 导弹发射台新型通用调平系 统设 计[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 2 1 1 4 1 1 6 ． [ 4 ] 姚舜 才 ， 张艳兵。 基于 P L C的 自动调平 系统[ J ] ． 华北工学 院学报 ， 2 0 0 3 1 1 4 1 7 ． S t u d y o n Hy dr a u l i c Au t o ma t i c Le v e l i ng S y s t e m o f Bi t u mi no u s M o r t a r Ve hi c l e ZHANG Li a ng， ZHANG Re n c he ng， W U Shi p i ng Co l l e g e o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n，Hua q i a o Un i v e r s i t y．Qua n z h o u 36 2 0 2 1，Ch i n a Abs t r a c t Th e pa p e r ma i nl y s t udi e d on e k i n d o f hy dr a ul i c a u t o ma t i c l e v e l i n g c o nt r ol d e vi c e b as e d o n s o f t da t um p l a n e． Af t e r a na l yz i ng t he p r i n c i pl e of mo r t a r ve h i c l e hy dr a ul i c au t oma t i c l e ve l i ng，we us e t h e i n c l i na t i on a ngl e s e ns o r t o s ur ve y t he i n c l i na t i on a n g l e s o f c h S S i S p l a t f o r m o n t WO l e v e l s ．By u s e o f t h e u n i d i r e c t i o n a l a c c o mmo d a t i o n mo d e ，we a d j u s t t h e f o u r h y d r a u l i c c y l i n d e r s un de r t h e c h a s s i s p l a t f o r m t o ma k e t he pl a t f or m a t t h e ho r i z o nt a l po s i t i o n． The e x pe r i me nt al r e s ul t pr ov e d t h at t h e a ut o ma t i c l e ve l i ng c on r ol s y s t e m i s s a t i s f i e d ． Ke y wor dspr og r a mma bl e l og i c a l c on t r ol l e r；a ut o ma t i c l e v e l i ng；bi t umi no us mor t a r ve hi c l e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m