多级振捣连续摊铺压实液压传动变频系统的仿真分析.pdf

2 0 1 5年 2门 第 4 3卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE TO0L ＆ HYDRAUL I C S F e b． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 4 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 1 9 多级振捣连续摊铺压实液压传动变频系统的仿真分析 潘雪娇 ，罗天洪 ，吴俊。 ，董绍江 ，李肖肖 ，黄世福 1 ．重庆交通大学机 电与汽车工程学院，重庆 4 0 0 0 7 4 ；2 ．长安大学道路施工技术与装备教 育部 重点 实验 室，陕西西安 7 1 0 0 6 4 ；3 ．江苏奥新科技有限公 司，江苏扬州 2 2 5 8 0 0 摘要为了使车载式沥青路面再生养护车多级振捣连续摊铺压实系统应用于不同的沥青混合料路面条件 ，根据其液压 系统的工作原理，基于液压传动理论，在 A ME S i m软件中建立双泵一双马达液压传动变频系统模型并进行仿真、分析。在 不同振捣频率下，仿真结果验证了多级连续振捣液压传动变频系统的可行性和稳定性，实现了多级振捣激振频率的无级 调节 。 关键词多级振捣连续摊铺压实系统；激振频率；无级调节；液压传动；仿真 中图分类号 U 4 1 5 ． 5 2 8 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 4 - 0 6 2 4 Si mu l a t i o n An a l y s i s o n M u l t i s t a g e Vi br a t o r y Co nt i nu o us Pa v i n g Co mp a c t i o n Hy dr a u l i c Tr a n s mi s s i o n Va r i a b l e Fr e q ue nc y S y s t e m P A N X u e j i a o ，L U O T i a n h o n g 一， WU J u n ，D O N G S h a o j i a n g ， L I X i a o x i a o ， H U A N G S h i f u 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n t r o n i c sA u t o m o b i l e E n g i n e e r i n g ， C h o n g q i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 7 4 ， Chi n a；2． Ed u c a t i o n Ke y La b o r a t o r y o f Ro a d Co n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y a n d Eq u i p me n t ，Ch a n g ’ a n Uni v e r s i t y，Xi ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 6 4， C h i n a ；3 ． J i a n g s u A o x i n S c i e n c e T e c h n o l o gy C o ． ，L t d ． ， Y a n g z h o u J i a n g s u 2 2 5 8 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o ma k e t h e mu l t i s t a g e v i b r a t o r y c o n t i n u o u s p a v i n g c o mp a c t i o n s y s t e m o f t h e v e h i c u l a r b i t u me n p a v e me n t r e c y c l i ng ma i nt e n a nc e c a r a pp l y t o d i ffe r e nt pa v e me nt s wi t h as p ha l t mi x t ur e s ，a c c o r di n g t o t he o p e r a t i ng p r i n c i p l e o f i t s hy d r a u l i c s y s t e m ， a nd b a s e d o n t he t h e o ry o f h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n， t he mo d e l o f t h e d o u bl e p ump do u b l e mo t o r h y d r a u l i c t r a ns mi s s i o n v a r i a b l e ffe q ue n c y s y s t e m w a s e s t a b l i s h e d，s i mu l a t e d a n d a n a l y z e d i n AME S i m． T h e f e a s i b i l i t y a n d t h e s t a b i l i t y o f t h e mu l t i s t a g e v i b r a t o ry c o n t i n u o u s p a v i n g c o m p a c t i o n s y s t e m w e r e v e r i f i e d ， a d j u s t a b l e m u l t i s t a g e v i b r a t o ry f r e q u e n c i e s w e r e r e a l i z e d ，w h i c h p r o v i d e d a n e w m e t h o d f o r po s t s t ud y． Ke y wo r d s Mu l t i s t a g e v i b r a t o ry c o n t i n u o u s p a v i n g c o mp a c t i o n s y s t e m；Vi b r a t o ry fre q u e n c y；S t e p l e s s a d j u s t me n t ；Hy d r a u l i c t r a n s mi s s i o nSi mu l a t i o n 沥青路面再生养护车是 目前 国内外沥青路面养 护的主要机械，摊铺压实系统作 为沥青路面再生养 护车的核心系统之一，决定着沥青路面的稳定性 、 平整性和耐久性。连续摊铺压实控制将是现在和未 来养护车 振捣 压 实技术 发 展 的方 向。对 于不 同类 型 的沥青混 合料 ，其 内部 颗粒 的规 律 不 同 ，颗粒 问互 相作用力 的强弱 也不 同 ，其 振捣 压 实要 求 当然 也 不 同，故对其 养 护需 要 不 同型号 的摊 铺机 或 压路 机 才能 完 成 相 应 施 工 要 求 ，这 就 大 大 地 增 加 了养 护 成本 。 为了使沥青路面养护车适用于不 同沥青混合料 路面的养护要求 ，减少人工操作 ，节约养护成本 ，提 高施工效率和质量，对养护车的多级振捣连续摊铺 压实液压 系统 进行 研究 ，实现 在 一辆 沥青 路 面再 生 养护车上集成一个 多级振捣连续摊铺压实无级变频 液压系统 ，形成一种变频多级振捣 、一次性连续摊铺 压实的控制系统 ，扩大了养护车在不同沥青混合料 路 面工况 下 的适 用性 ，大大 提高 了养 护 车 的摊铺 压 实作业 质量 和效 率 ，最终 实 现一 台养 护 车集 多功 能 养护工序要 求 和适 用 于多种 沥青 材 料路 面工 况 的养 护 目的。 1 改进的多级振捣连续摊铺压实养护车结构 基 于现有沥 青路 面 再 生养 护 车 的结构 ，作 者对 其进行了一定的优化 ，提出了一种集加热 、翻松 、拌 合、摊铺 、压实作业为一体的小型车载式沥青路面热 再生养护车，其结构简图如图 1 所示。 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 - 2 5 基金项目道路施工技术与装备教育部重点实验室 长安大学开放基金资助项目 2 0 1 3 G 1 5 0 2 0 5 3 ；2 0 1 2江苏省 “ 双创 人才计划”资助项目 作者简 介 潘雪娇 1 9 8 8 一 ，女 ，硕 士，初级实验师 ，主要从事工程机械设计 、仿真 、液压等方面的研 究。E m a i l x u e j i a o pa n s i n a ． c o m 。 第 4期 潘雪娇 等多级振捣连续摊铺压实液压传动变频系统的仿真分析 ‘ 6 3 l 一 驾驶 室2 一 微波 加 热控 制器3 一 微坡 加 热盘4 一 路 回刨 铣装 置 5 _ _ 刨铣鼓 6 一沥青回收拌合装置 7 一沥青摊铺装置 8 一熨平器 9 一熨平 压 实机 构 的连接 架l O 一 压 实装 置 图 l 车载式沥青路面再生养护车结构 系统 是 一个 多 级振 捣 压实 系统 ，包括 初 摊铺 振 捣压实 机构 振捣 锤 、振 动梁 和振 捣熨 平板 和终 振捣 压实机构 振 捣压实钢轮 ，其振捣 压实 原理为 双泵控双马达液压系统带动其激振偏心轮作高速旋 转 ，使 多个振 捣执 行 机构 受 迫振 动 而连 续 实 现 “ 振 捣一 摊铺一 压实”作业。 2 自适应多级振捣连续摊铺压实液压 系统 液压 系统 是 无 极变 频 多级 振 捣连 续 摊铺 压 实 系统的重要组成部分，针对不 同级配沥青混合料路 面要 实现激 振频 率 的元 级调 节 。无极 变 频 车载 式沥 青路面再生养 护 车多 级振 捣 连续 摊铺 压 实 液压 系统 工作原理如 图 2所示。 1 、2 一摊铺压实振捣 双 向变量泵 3 “- 单 向阀 4 一 溢流 阀 卜 补油单向变量泵 滤 油器 7 一安全平衡 阀 8 一 安全 溢流 阀 9 、1 O 一摊铺压实振捣 双向定量马达 l 1 、1 2 一 比例 电磁 阀 图2 多级振捣连续摊铺压实液压系统 改进的多级振捣连续摊铺压实系统是 由两对泵 控 马达液压传 动组 成 一个 完 整 的连续 摊 铺 压实 闭环 回路，其基本原理是通过双液压泵分别控制双液压 马达转动使激振偏心轮作受迫振动，进而使摊铺振 捣压实执行 机 构作 上 下垂 直 振动 ，对 沥 青 混合 料实 现连续摊铺压实 。 两个双 向定量 液 压 马达 分别 与摊 铺 机构 、压实 机构的偏心轴激振器连接 ，即激振器直接由马达驱 动旋转，其转矩基本相同，因此文 中拟定用双变量 液压泵一 双定量液压 马达作 为变速 系统 ，其 速度变化 范围大，功效高，发热少 。 摊铺振捣双向变量液压泵 1 、2的理论流量为 Q ． n B q B 1 式 中 9 为摊 铺压 实振 捣双 向变 量 液压泵 的理论 流 量 ，m L ；q 为摊铺 压实 振捣 双 向变量液 压泵 的几 何 排量 ，m L ／ r ；n 为摊铺压实振捣双 向变量液压泵的 转 速 ，r ／ ra i n 。 摊铺压实振捣双向定量液压马达 9 、1 0的理论人 口流量为 Q M i M q M 2 式中Q i 为摊铺压实振捣双向定量液压马达的理论 流量，m L ；g 为摊铺压实振捣双向定量液压马达的 几何排量 ，m L ／ r ；n 为 摊铺 压实 振捣 双 向定量 液压 马达 的转速 ，r ／ m i n 。 假设该 液压 系统 在 理想 情 况 下工 作 ，即忽 略该 系统各 阀和管路 的泄漏 ，则 QM Q 3 即 n n B q ／ q M 4 因偏心轴 激 振器 是 由马达 直 接驱 动 旋转 的 ，故 要控制偏心轴激振器的频率 ，只需控制定量马达的 转速 的 n 。由式 4 知 ，n 、q 均 恒 定 ，故 控 制 变量泵 的几 何排 量 q 即可控 制变量 马 达 的转速 n ， 也就实现了控制激振器无极变频的 目的。 但在实际工作中，各管路和阀总是存在一定容 积损失 的 ，因此 ，实 际工况下摊铺振捣 双向变量液压 泵 1 、2输出 的实际流量为 QB n B q B 7 1 B ， c B 5 式中町 为摊铺压实振捣双向变量液压泵的容积效 率 ；， c 为摊铺压实振捣双向变量液压泵调节系数， ， c 。 g ／ q 胁 ，其 中，q ‰ 为变量泵几何排量 q 的最 大值 。 摊铺 压 实 振 捣 双 向定 量 液 压 马 达 9 、1 0的 转 速 为 Q n M ’ M qM 6 式 中 叼 为摊铺 压实振 捣双 向变量 液压 马达 的容 积 效率。 又因双泵一 双马达之间各管路 和阀有容积损失， 故液压 马达 的实 际人 口流量为 Q Q 7 7 。 7 式 中 叼 。 为 双 泵 一 双 马 达 之 间 各 管 路 和 阀 的 容 积 效率 。 联立式 5 、 6 、 7 ，可 得 n M g B m a x n B 7 ／ B 7 M 7 1 G ， c B ／ q M 8 令 卵 B 叼 M 叼 c 叼 z ，T M q M A p M 一 Ⅲ ， g B ⋯ n B ／ q M A ，则 n M A J 叩 z K B 9 式 中 A 为常量 ；叼 为 双泵 一 双 马达液 压 回路 系统 6 4 机床与液压 第 4 3卷 的总容积效率 。 摊铺压实振捣双 向定量液压 马达 9 、1 0的输 出转 矩 为 M T ／ J M l O一 』 一 J 兀 式 中 △ p 为摊铺压实振捣双 向定量液压马达 进出 口 压 力差。 摊铺压 实振捣双 向定量液压 马达 9 、1 0的输出功 率 为 1 q M M 叼J M 、P T M M 2 盯凡 M _ 二 2 1 T Al z ， B 二 1 T g M △ 7 M 叩 J M 7 7 K B 1 1 对图 l 所示车载式沥青路面再生养护车摊铺压实 系统中的各振捣执行机构与沥青混合料路面一起研 究时，都采用阻尼弹簧并联的 Ma x w e l l 流体模型 ] ， 故各振捣执行机构的力平衡方程可表示为 Fm k y 1 2 式中F为变量马达对振捣执行机构的垂直作用力； m为振捣执行 机 构 的质量 ；C 、k分别 为振 捣 执行 机 构处介质 的阻尼系数和刚度 ；Y为振捣执行 机构垂 直 方 向上 的位移 。 3 自适应液压变频 系统仿真分析 3 ． 1 自适应液压变频 系统模型的建立 A M E S i m软件建模 过程方 便 、灵活 、直 观 ，广泛 用于液压系统仿真领域 。同时，A ME S i m是一个开 放的仿真体系，能与 M A T L A B 、A D A MS等软件进行 联合仿 真 。根据图 2 所示 的液压 系统工作原理 图建 立了 自适应多 级振 捣连 续 摊铺 压实 液压 变 频 系统 的 仿 真 图 3 自适应液压变频系统仿真模型 部分实际的液 压元 件在 A ME S i m模型库 中没有相 应 的模 型 ，因此 在 不改 变 系统性 能 要求 的基 础 上用 模型库中的凸轮机构替代实际振捣执行机构中的激 振偏 心轮。参考 国内外 相关 样 机 和研 究 分 析 的取值 范围，选定仿真系统所需主要参数如表 1 所示，其他 各液压元件参数和 P I D控制器“ 参数根据系统实际 作业 工况进 行设 置。 表 1 仿真 系统主要参数 摊铺 振捣 机构 质量／ k g 压实 钢轮机构质量／ k g 摊铺振捣机构与介质接触刚度／ N m 压实钢轮机构与介质接触刚度／ N m 摊铺振捣机构与凸轮接触刚度／ N m 压实钢轮机构与凸轮接触刚度／ N m 摊铺振捣机构与介质接触阻尼／ N S m 压实钢轮机构与介质接触阻尼／ N S m 摊铺振捣机构与 凸轮接触 阻尼／ N s m 压实钢轮机构与 凸轮接触 阻尼／ N S m 摊铺机构振捣双向变量泵最大排量／ m L r 。 。 压实机构振捣双向变量泵最大排量／ m L r 补油单 向变量泵 的排量／ m L r 摊铺压实振捣双 向定量 马达排 量／ m L r 摊铺压实振捣双向定量马达最大转速／ r m i n 电机 的额 定转速／ r m i n 液压油密度／ k g m 0 0 0 0 1 ． 01 0 2． 4x1 O 5． 2x1 0 1 ． 0 x1 0 1 ． 5x1 O 5 0 8 0 1 0 3 0 l 8 0 0 l 5 0 0 0． 8 5x1 0 3 ． 2 自适应液压变频 系统的仿真分析 为了使该液压系统适用于不同振捣频率摊铺压实 的要求 ，那么只需验证该 液压系统能在摊铺 机构 和压 实机构 实际工况下 的振捣 频率 范 围内稳 定 工作 即可。 根据设计 的沥青路面再生养 护车实际作业要求 ，取摊 铺机构 的振捣频率． 为 1 0 - 3 0 H z ，压实机构的振捣频 率． 厂 ’ 为4 0 6 o H z ，仿真后观察摊铺压实振捣双向定量 液压马达 9 、1 0 流量的变化情况 ，如图 4 、图 5 所示 。 图 5 压实机构马达 l 0的流量 f l 2 0 H z 第 4期 潘雪娇 等 多级振捣连续摊铺压实液压传动变频系统的仿真分析 。6 5 图 4 、图5表明摊铺压实振捣双马达的流量随 振捣频率的增加呈一定变化规律的增加，且在一定 振捣频率 范 围 内双 马 达 的流 量均 较稳 定 ，能 满 足该 液压系统所需 的工作要求 和特 点。但 当 2 0 H z 和， 2 5 0 H z 时 ，双 马达 的流量 突然 失稳 ，说 明系统 振 动 突然加强 ，整体性能大大 降低 。 当摊铺机构振捣频率为 2 0 H z 且压实机构振捣频 率为 5 0 H z 时 ，摊铺 振捣机构和压实钢轮 机构 的位移 如图 6 、7 所示 ，摊铺振捣机构和压实钢轮机构产生 的压实力如 图 8 、9所示 。 昌 目 鑫 图6 摊铺振捣机构的位移 图7 压实钢轮机构的位移 图 8 摊铺 振捣机构产生 的 图 9 压 实钢 轮机构产生的 压实力 压实力 从 图 6 9可明显看 出摊铺 振捣 机构 和压 实钢 轮机构的振捣碾压过程都十分平稳 ，所产生的振捣 压实力也足够均匀，当 2 0 H z 和． 5 0 H z 极限值 时系统的性能状态 良好。这一结果验证 了该多级 连 同固有频率的沥青混合料路面，对其重要的多级振 捣连续摊铺压实液压传动变频系统进行了优化设计 ， 建立了双泵一 双马达无级变频液压系统，基于液压传 动理论对 其进 行 了数 学 分析 和仿 真 分析 ，仿 真 结果 表 明优化设 计 的液 压 系统能 够 满足 其工 作 所需 要 求 和特点 。 2 摊铺压 实振 捣 双马 达流 量在 一定 振捣 频率 范 围内都 较稳 定 ，该 液 压 系统 能满 足实 际 工况 下所 需工作要求的极限频率为 2 0 H z 、 厂 2 5 0 H z ，当超 过极限值时 ，双马达的流量突然失稳 ，系统振动突 然加强 。 3 在极限频率下 ， 摊铺振捣机构和压实钢轮机 构 的振捣 碾 压过 程 十分 平稳 ，所产 生 的振 捣压 实 力 也 足够均匀 。改进 的 多级 连续 振捣 液 压传 动 变频 系 统的可行性和可靠性得到了很好的验证 ，为后续研 究 提供 了新 思路。 参考文献 [ 1 ]李汉光， 高英 ， 余文斌． 沥青混合料压实特性及沥青路面 碾 压遍 数 确 定 [ J ] ． 东 南 大 学 学报， 2 0 1 1 ， 4 1 1 1 8 6-1 8 9． [ 2 ]崔宇航． 调频振动沉桩机系统动态特性研究 [ D] ． 长春 吉林大学， 2 0 0 7 4 7 4 8 ． [ 3 ]王岩． 变量泵控制变量马达系统建模及控制[ J ] ． 控制理 论与应用 ， 2 0 1 2 ， 2 9 1 4 1 4 6 ． [ 4 ]冯克强． 摊铺机熨平装置工作特性研究[ D] ． 沈阳 沈阳 工业大学 ， 2 0 1 2 1 8 1 9 ． [ 5 ]沈建军， 刘龙， 唐红彩． 基于 A ME s i m与 A D A MS的双钢 轮压路机振动液压系统的仿真分析[ J ] ． 中国机械工程 学报 ， 2 0 0 9 ， 7 1 3 1 3 5 ． [ 6 ]余佑官， 龚国芳， 胡国良 A ME S i m仿真技术及其在液压 ⋯ ⋯ ⋯ 川 川 一 ⋯⋯三三 一 ● 二 一 ．司 ⋯⋯⋯ ⋯ ⋯ 三 苎 时 ⋯ ⋯ 川 ⋯ 川 三 一 0 ⋯ ⋯ 川 川 1 ． 。 ⋯ ⋯ ⋯ 川 三 三 一 ⋯ ⋯ ⋯ 川 川 一 O ． ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 三 三 一 一 Ⅲ ⋯ ⋯ ⋯ l 。 二 二 一 8 二 一 0 ⋯ ⋯ ⋯ 一 ； ． ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 三 三 二一 ● ㈠ 一 ● 可 ⋯ 脚 I _I ⋯⋯ 时 ． ⋯ ⋯ ⋯ 川一 ． 川 ⋯ ⋯ 川 一 ． 川 ⋯ ⋯ ⋯ 三 一 0 ⋯ ⋯ ⋯ 川 一 ． ⋯ ⋯ l 。