振动压路机智能化的相关技术分析.pdf

经验交流Experience Exchange振动压路机智能化的相关技术分析山东省兰陵县交通运输局工程处口李晓摘要压路机属于一种高效性的压实机械，主要用于公路工程建设施工领域，我国现有的智能化振动压路机相比国外同类产品，在压实效果上存在较大的差距，与之有直接关系的是压路控制系统与检测系统性能。本文将基于智能化振动压路机及相关技术发展现状，对振动压路机智能化技术的应用展开分析，从压实度测量、压实进程自动化控制、故障诊断和远程控制这四个方面，分析运行原理和应用状况，为后期研究高性能、高水平的智能化压路机以及充分合理使用各项智能化技术的研究工作提供开拓性意见。关键词振动压路机智能化技术自动控制压实系统在现代工业发展之初，公路建设领域中大范围使用自行式压路机，随后逐步发展为振动压路机，因振动压路机拥有更优异的系统性能和高效的生产效率，所以快速得到普遍应用。随着公路建设的飞速发展，还出现了冲击力高达2 0 0 吨的特种冲击压路机。工程领域压实作业的完成依托于压实机械的应用，在大量使用压实机械的同时要保证机械运行符合各类施工要求，即自动控制压实作业质量，这就对压路机智能化方向发展提出了挑战。压实机械的电子化、智能化性能水平在很大程度上决定了其在市场中的竞争性，所以相关企业提高了对压路机智能化性能提升的关注。一方面，以促进全新产品的推出和新兴技术的应用，投入了更多资金并提升了研究力度；另一方面，我国开始提倡社会各生产领域合理配置资源和探索技术创新，用一系列政策与措施来鼓励企业自主研发，实现节能降耗的目的。在此过程中，自动控制、微机技术、电子信息技术等给予了高端智能化压路机发展不可估量的强大支持，智能化振动压路机成为各大企业竞相开发的重要对象。在此背景下，有必要就相关技术展开分析，为研发工作的进一步开展提供借鉴。1智能化振动压路机的发展及相关技术20世纪6 0 年代开始，以压实度在线检测系统为核心的智能化振动压路机开始发展起来，美国于19 6 2 年提出的一项专利（US3053157）对压实度仪的基本运作原理作出的解释，朝振动轮垂直方向进行加速度机械运行而产生的振幅，将其用于衡量材料的压实程度。德国随后在7 0 年代的一项专利（DE3775019）中，对压实进程的判断指标提出了借助振动工作部件和压实材料之间的作用力特征。但这些专利因为技术水平不达标而无法形成实用性产品。直到2 0 世纪8 0年代，相关研究方案愈加成熟，新技术的产生并不断发展，市场上推出了一些可在压路机上便携安装的压实度计。8 0 年代，瑞典Dynapac公司研制出了一种压实度计，经过反复实验后投入市场应用；德国某公司也研制出了一种内置位移传感器的BTM压实度计，通过地面差异化的压实状态来调控压路机向前运行速度，这是“智能”机械工业标准化与质量2023.5总总第6 0 0 期53Experience Exchange经验交流2V机械工业标准化与质量巢0 0 9 黛概念首次出现于振动压路机中。我国从意识到智能化振动压路机市场潜力与发展前景开始，也全方位地开展对这方面的研究工作。徐工集团的压路机无人驾驶技术，尤其是中联重工科技发展股份有限公司和长沙建设机械研究院，近些年在开发和试验智能化振动压路机方面取得了不错的成绩，关于压路机振幅调节工艺，已有独立的知识产权，并推出了智能化防滑转系统；关于压路机振动状态转换工艺，相关参数上有了很大提升；关于压实度计，成功引入了黑箱原理；关于GPS定位技术也处于国内领先水平。2关于智能化振动压路机的应用技术分析智能化振动压路机其实是在压实控制中引入各项智能化技术，包括电液控制、精密传感、遥感控制、GPS等，根据压实材料的压实度变化实时地调整机械运行参数，让压实材料的压实需求得以满足，保证压实作业工作始终保持在最佳状况。其主要具备的系统分为压实度测量、压实进程自动化控制、故障诊断和远程控制。(1）压实度测量系统近10 年内才逐步发展起来的压实度测量系统，其原理是基于压路机振动轮动力学参数的波动水平和压实材料密实度有关联性，可以很好地反映压实材料的被压实情况。振动轮内置的精密传感器可在压实工作中自动采集振动信号，经分析处理后显示出当下压实度，所以关于压实度测量系统研究的关键就是全面采集并分析振动加速度信号，对这类信号的处理方式大致分为以下几种：1）土研方式此前，日本土木研究所人员选定了一个压实指标，即超过2 次的每个振动加速度幅度频谱的均方根和基础振动加速度幅度频谱这两个数据的比值，还给出了“应变率”这一定义。计算公式如下：应变率=2V其中：基础振动加速度幅度频谱由V表示；n次的每个振动加速度幅度频谱的均方根由Vn表示。2)瑞典方式瑞典关于振动加速度信号处理方式的研究将其视为发生于振动环节中的畸变，主要考虑的是地基振动特性因素，振动加速度波形属于叠加型，包括振动轮自身振动和杂波，选用Fourier变换是处理加速度信号的主要方式，最终将其和基波振动、谐波相比较，把这一比值视为评估压实程度的标准，定义为“谐波比”（HVR)。计算公式如下：HVR=100%式中，基波振动由a表示，谐波由2表示。3)BOMAG方式德国BOMAG公司于2 0 世纪9 0 年代推出了OMEGA压实度仪和TERRA表，基于加速度传感器来识别并采集垂直方向振动轮的加速度值，经微处理器将采集的信号进行计算后，在仪表盘上显示最终的压实度值（CMV)。C MV 值和压实土层密实度属于正相关，一旦CMV不再增加，则表示压实接近最高限值。(2）振动压实进程中的自动控制系统压实作业中的自动控制系统是振动压路机智能化技术的一个重要构成，具体包括振动压实运行参数、机械操作自动化和质量控制自动化，构建于压实度测量系统之上的自动控制系统，用压实度计测量材料压实度，然后将其反馈到控制系统，系统按照压实目标合理调节振幅、振频、速54经验交流Experience Exchange机械工业标准化与质量度和压实数等参数，以此确保压实材料温度适宜、强度合理以及铺层均匀。要想实现满意的压实质量，就要将振动压路机的运行参数控制在最佳范围内。在自动控制系统相关技术研究中，德国BOMAG公司此前研发出了一种可连接于微机的离线处理压实管理系统，通过对该系统分析学习能够为相关智能化技术的研究提供有价值的参考，该系统主要有以下4个特点：其一，维护保养信息的电子提示功能，运行中的压路机达到一定工作时限或者某项指标超出预警值的时候，就会有提示信息出现在显示屏上；其二，在线故障诊断的实现，若有故障问题出现，具体类型和对应的维修方法将提示于显示器上；其三，在压路机和计算机之间搭建信息共享渠道，奠定了网络诊断基础；其四，通过显示器可直观了解某个地段的压实情况，同时还能呈现压实质量图。智能化技术的应用主要表现在3个方面：1）振动幅度的调节智能化模式下的振动幅度调节主要分为2种，分级调节和无级调节。分级调节按照不同的原理又细分为正反转调节和双轴调幅，前者指的是基于智能化技术对驱动马达进回油腔进行控制，以此来改变振动轴旋转方向，结合智能控制内部偏心板块进行反复叠加、抵消，最终起到调节的作用。这是一种能有效满足压实设备振幅要求的高精度调节方式；后者同样是借助智能化技术，通过调节花键套让啮合持续变化，这是一种用于大幅度调节的方式。相比之下，无级调节复杂性更高，内置于其中的2 个偏心轴分别连接驱动马达和齿轮组，通过液压缸位置的改变来调整位置，控制在使用的振幅范围。针对液压缸的控制，有必要内置一个伺服阀，基于测量系统给出的数据来科学控制伺服阀，通过对通断时间的合理控制来该改变液压缸工作位置。2）振动频率系统的调节保持良好的振动频率是顺利推进压实作业、提升压实质量的重要因素。振动频率调节系统的运行动力主要来源于液压马达驱动力，通过快速旋转振动轮给内部施加作用力，以此完成对材料的压实。所以，调节该系统的关键就是控制液压马达转速，在马达内部引入智能化技术，科学测量并控制内部容积，按照测量系统的分析结果对应的调节马达内部流量，改变马达转速，有效控制频率。3）运行速度的调节机械压实进程中，材料单位面积内的振动轮振动次数最直接的反映就是振动轮行驶速度。高速的碾压对应着短时间作用和低次数的单位面积振动，最终给到压实材料的力就很小；反之就很大。所以振动压路机的行驶速度对压实水平和材料平整度有着非常大的关联性。关于调速液压系统，其和振动压路机的调频系统有相似之处，除了驱动马达以外的别类元件，都和调频液压系统元件一样。在驱动马达流量的控制下，振动压路机行驶速度始终保持在合理范围内，决定马达流量值的是液压系统的变量泵排量，而这一排量又受比例方向阀通断时间影响。内置于压路机振动轮上的速度传感器，主要检测马达转速值和相关电信号，再将所得数据输入微控制器进行处理。在同电机速度比例电信号检测环节，检测结果经过处理输入后转送到单片机。相比目标速度，实际速度的控制可通过智能算法去调节比例方向阀时间来实现，整个行驶速度控制系统原理如图1所示。即定速度土壤特性图1行驶速度控制系统原理框图2023.5总微控制器PWM放大比例方向圈速度传感器驱动马达总第6 0 0 期变量泵55Experience Exchange经验交流机械工业标准化与质量巢0 0 9 黛(3）智能压路机基本结构与故障诊断系统智能化压路机的基本结构大致相同，包括液压系统总成、振动轮总成、动力系统总成、洒水、电气、空调、铰接式车架等，每一个系统在压路作业中都可能产生一些故障。理论上而言，智能故障诊断系统可对其进行一一诊断，有些故障属于严重影响施工进度的函待处理类，需要即刻停机进行全面检修排除，所以类型不同的大小故障处理方式不可用一种态度，一定要对应故障现象和产生原因做出科学处理，即便看似是同一类故障，其引发原因也可能是不同的。比如，压路机喷水系统故障不能喷水，原因可能是水箱水位不够高、管路不畅通、水泵故障、电路故障等。若是压路机液压系统出问题，那起因就非常复杂，哪怕是某个单一元件不匹配于整个结构系统，都可能会引发较大的故障，因为引起故障的因素分为客观上的确定性和随机的不确定性，那么故障本身就存在隐蔽性和发展性。维修工作人员在机械检修过程中，要结合自身经验和故障特点从多个维度去分析，仔细对比同类故障的现象和原因，而智能化压路机处理这些问题都依托于故障诊断系统，在构建专家知识库的前提下，应用数理逻辑进行推理分析，精准定位故障并找到原因。压路机故障和原因之间的关系形式并不是单一的一对多，也可能是多对一或者多对多，不是很容易确定对应关系，最常用的故障诊断方法就是模糊诊断，基于模糊化处理来构建一对多、多对一和多对多的分析模型，联合传感器的信号采集与路数安置来确立推理框架，通过定量分析来找出故障原因。模糊推理手段模仿的是人的判断思维，所以这也是压路机故障诊断智能化的一种体现。检测环节是压路机智能故障诊断系统的重要构成，其又由多个检测传感器组成，在基础识别和模糊推理多通道传输来的信息后，经显示器来呈现诊断结果。传感器在压实作业中，一旦检测到某部位有工作异常，就会启动声光报警，若诊断后确定为故障，就会即刻进行故障分类并定位故障点，然后显示故障位置和紧急程度，为了强化提示效果，系统往往会设置弹出对话框的模式来呈现故障警报信息。（4）远程综合控制系统振动压路机智能化技术应用的远程综合控制系统，全方位地收集压实度、频率、振幅等压路机运行参数，通过全数字无线通信方式，通过GPS将所得数据传送到控制中心，进而对压路机状态做到实时性的掌控和监测，包括磨损程度、运行轨迹、周边环境等，并以现场平面压实作业图的方式呈现出来，明确标记每个压实数据对应的具体位置，以这样的方式动态化控制压实质量。与此同时，监控中心人员观察碾压工作，按照反馈信息分析，知晓压路机自身的状态和压实作业达标与否，然后对应的发出命令，经过GPS回传的命令信息传给压路机接收装置后，各个调节系统将直接启动，对不符合压实要求和目标的“不足点”进行反复作业，保证压实效果。另外，还可以根据经GPS回传的命令信息分析，实时性的监测机械设备是否有故障风险或故障出现，及时给出维修提示信息。3结语总之，振动压路机相关智能技术的应用和系统构建相比以前有很大的提升，但依然存在较大的发展空间，今后智能压路机系统的发展，要先形成符合自身运行功能和需求的独立性硬件开发标准和技术规则，实现独立的硬件平台建设，在现有的智能技术应用基础上完善硬件基础，加强软件建设，才能进一步推动后续开发与研究工作。(收稿日期：2 0 2 3-0 3-11)56