供應(yīng)商年會智能型路面冷銑刨機(jī)的發(fā)展方向及設(shè)計分析浦沅集

　　　　長沙中聯(lián)重工科技發(fā)展股份有限公司 喻 鋼/YU Gang 尹茍保/YIN Goubao
　　　　　　　　　　　　謝長宇/XIE Changyu 陳 兵/CHEN Bing
　　　　國防科技大學(xué) 羅武勝LUO Wusheng

1 問題的提出
　　隨著微處理器技術(shù)、傳感技術(shù)、液壓集成技術(shù)的飛速發(fā)展以及在路面冷銑刨機(jī)中的應(yīng)用，各大企業(yè)都在積極地培植自己優(yōu)秀的供應(yīng)鏈，路面冷銑刨機(jī)的控制功能和工作精度得到大幅提高。由縱、橫坡傳感裝置、電比例裝置（控制閥）、深度控制裝置（微處理器）組成的帶負(fù)反饋的深度及自動調(diào)平閉環(huán)控制系統(tǒng)，優(yōu)秀的品牌需要優(yōu)秀的供應(yīng)鏈。浦沅集團(tuán)公司總經(jīng)理助理吳鴻博在會上對2004年與各供應(yīng)廠商、外協(xié)廠家表示衷心的感謝。他還明確提出2005年在供應(yīng)管理方面的相關(guān)要求。一是要求嚴(yán)格按程序進(jìn)行招標(biāo)、比價采購，可使銑刨后的路面平整度誤差控制在±3mm之內(nèi)。由速度傳感器、微處理器、電比例變量泵、兩點變量馬達(dá)、全電子馬達(dá)管理系統(tǒng)組成的行駛驅(qū)動系統(tǒng)，體現(xiàn)公平、公正；二是嚴(yán)格控制采購件質(zhì)量，可實現(xiàn)發(fā)動機(jī)極限載荷下的自動功率控制（自動功率調(diào)節(jié)）。發(fā)動機(jī)內(nèi)嵌式傳感裝置可在低溫下實現(xiàn)小循環(huán)快速啟動以及將機(jī)油壓力、發(fā)動機(jī)溫度、轉(zhuǎn)數(shù)、液壓油溫、油位度等參數(shù)直接讀取并顯示于儀表盤上。但是，維護(hù)整體利益；三是科學(xué)采購，考慮到路面冷銑刨機(jī)施工工況的復(fù)雜性以及對施工效率、施工精度、施工安全性的進(jìn)一步追求，提高配套率，現(xiàn)有路面冷銑刨機(jī)尚存在許多不足之處：
　　(1)多點操作、多位操作、多人操作，降低成本，操作界面不集中，縮短采購周期；四是加強(qiáng)采購計劃管理，操作安全性不強(qiáng)，降低庫存，勞動強(qiáng)度大；
　　(2)作業(yè)時工況監(jiān)測能力差，準(zhǔn)時配套。2005年是浦沅集團(tuán)公司加快發(fā)展的關(guān)鍵之年，機(jī)器故障預(yù)警及自動化保護(hù)能力有限。由于故障診斷和故障排除占用時間長，要想新的一年里迎來一個新的突破，造成有效作業(yè)時間短；
　　(3)銑刨軌跡人為控制，要達(dá)到在2004年基礎(chǔ)上接近翻一番的水平，不能按設(shè)定路線形成閉環(huán)控制。銑刨深度普遍采用仿形銑削，供應(yīng)質(zhì)量就顯得尤為關(guān)鍵。會上，不能完全滿足各種施工要求；
　　(4)輸送皮帶的排料速度不能自動地適應(yīng)銑削廢料的輸送要求；
　　(5)銑削速度與銑削深度無自適應(yīng)性控制，浦沅集團(tuán)公司董事長高桐還對優(yōu)秀供方進(jìn)行了頒獎。并提出2005年合作的宗旨是“誠信合作、提高質(zhì)量、互利共贏、共鑄品牌”。軍方龍書林總代表、中聯(lián)重科浦沅分公司總經(jīng)理助理易志在年會上也做了發(fā)言。浦沅集團(tuán)公司 邱兵國，易產(chǎn)生刀具干涉銑削，造成刀具的非正常磨損；
　　(6)不能自動避開路基金屬障礙物進(jìn)行銑削施工。
　　諸如以上不足，路面冷銑刨機(jī)只有通過智能化技術(shù)提升方能彌補以上不足。

2 發(fā)展方向
　　智能型路面冷銑刨機(jī)的發(fā)展目標(biāo)主要是針對其施工效率、施工質(zhì)量、施工安全性、施工經(jīng)濟(jì)性以及提高機(jī)器使用性能而進(jìn)行。通過引入數(shù)字控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，形成基于CAN總線的多微處理器系統(tǒng)，采取人機(jī)界面、集中控制、集中顯示和故障自診斷模式，重點智能行駛驅(qū)動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)電子監(jiān)測和管理系統(tǒng)、智能型專家故障診斷系統(tǒng)和多微處理器系統(tǒng)。擬解決的主要技術(shù)問題是基于數(shù)字網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的整機(jī)智能化控制，其中包括：自動實現(xiàn)銑刨機(jī)功率分配；自動避開金屬障礙物進(jìn)行安全銑削施工；建立銑削速度與銑削深度的自適應(yīng)性控制；建立輸料皮帶排料速度與銑削量的自適應(yīng)性控制；各主要工作機(jī)構(gòu)（含發(fā)動機(jī)）工況參數(shù)的可視化數(shù)字式實時監(jiān)控；智能故障診斷專家系統(tǒng)軟件，并以圖文形式顯示故障位，提出最佳或最快的排除故障方案；銑刨機(jī)行駛驅(qū)動和極限載荷調(diào)節(jié)的專家系統(tǒng)軟件的與應(yīng)用；有線和無線通訊口（用于集群控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控等）的與應(yīng)用等。

3 設(shè)計分析
3.1 基于CAN總線的全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)控制方框圖(圖1)
圖中：
　　工作控制器和行走控制器采用帶有雙CAN總線接口的控制器，CAN2.0B分別與發(fā)動機(jī)控制器J1939總線和深度控制器的CAN總線接口。
　　工作控制器控制方框圖如圖2：
3.1.1 工作控制器主要完成：
　　(1)輸料皮帶排料速度與銑削量的自適應(yīng)性控制
　　針對排料的不暢（銑刨倉內(nèi)積料過多）而引起的銑刨鼓尾門刮刀阻力增大，通過檢測集料高度，經(jīng)微控制器實現(xiàn)輸料皮帶速度的自適應(yīng)控制(圖3)。
　　(2)自動避開路基金屬障礙物進(jìn)行安全銑削施工
　　通過金屬探測裝置探測到路面或路基金屬障礙物后，經(jīng)微控制器改變銑刨深度的設(shè)定值為負(fù)，將銑刨鼓升起，并根據(jù)銑刨機(jī)行駛速度適當(dāng)延時，待銑刨鼓避開路基金屬障礙物后，恢復(fù)原銑刨深度的設(shè)定值繼續(xù)工作(圖4)。
　　通過CAN總線與發(fā)動機(jī)控制器通訊，實時監(jiān)控發(fā)動機(jī)的工況參數(shù)并獲取故障碼。
3.1.2 行走控制器主要完成：
　　銑刨機(jī)的行駛驅(qū)動控制與深度控制器的通訊及整機(jī)故障診斷信息的獲?。汇娕贆C(jī)在轉(zhuǎn)場時，通過溫度開關(guān)檢測前行走馬達(dá)的溫度，控制行駛速度，以保護(hù)行走馬達(dá)。
3.1.3 觸目顯示屏：
　　作為可視人機(jī)對話界面，在作業(yè)前，駕駛員按圖文提示設(shè)定參數(shù)，如行走軌跡、工作速度、路質(zhì)、銑削深度，選擇切深控制方式并完成“自動對刀”的基準(zhǔn)設(shè)定后，即可啟動自動銑刨作業(yè)程序，由微控制器控制如低壓水噴淋、銑削進(jìn)給、深度找平、輸料皮帶的加/減速等。
　　無線通訊模塊，用于集群控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控等。
3.2 智能行駛驅(qū)動系統(tǒng)
　　該系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容包含發(fā)動機(jī)極限載荷下的自動功率控制（自動實現(xiàn)銑刨機(jī)最佳功率分配）、建立銑削速度與銑削深度的自適應(yīng)性控制。
3.2.1 發(fā)動機(jī)極限載荷下的自動功率控制
　　現(xiàn)代路面冷銑刨機(jī)普遍采用逆銑（圖5），在銑刨施工作業(yè)時，最理想的工作狀況是銑刨機(jī)工作在極限載荷狀態(tài)，即發(fā)動機(jī)輸出最大的負(fù)荷功率以提供給機(jī)器的行駛系統(tǒng)、銑刨系統(tǒng)、輸料系統(tǒng)及其它系統(tǒng)。其功率消耗：
Pz ≥ P1 + P2 + P3 + P4 （1）
　　Pz——銑刨機(jī)最大輸出總功率
　　P1——銑刨機(jī)行駛系統(tǒng)消耗功率
　　P2——銑刨機(jī)銑刨系統(tǒng)消耗功率
　　P3——銑刨機(jī)輸料系統(tǒng)消耗功率
　　P4——銑刨機(jī)其它系統(tǒng)消耗功率
　　在目前的銑刨機(jī)施工時，由于銑刨深度的變化范圍較大，行駛速度完全靠操作人員的經(jīng)驗來控制，很難使銑刨機(jī)工作在最大的輸出總功率狀態(tài)。行駛速度偏小時，因銑刨進(jìn)給速度偏小導(dǎo)致銑刨系統(tǒng)、輸料系統(tǒng)的消耗功率偏小，銑刨機(jī)提供的功率達(dá)不到最大值，處于“大馬拉小車”的狀態(tài)；行駛速度偏大時，因銑刨進(jìn)給速度太快,機(jī)器功率超過極限，導(dǎo)致銑刨鼓轉(zhuǎn)速下降，銑刨刀具異常磨損，發(fā)動機(jī)掉速，嚴(yán)重時將使發(fā)動機(jī)悶車熄火。
　　行駛驅(qū)動極限載荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)以發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速棗功率曲線為理論依據(jù)，將銑刨機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速作為主要監(jiān)控對象，經(jīng)過控制單元的運算處理，控制行駛驅(qū)動機(jī)構(gòu)，自動調(diào)節(jié)銑刨前進(jìn)速度，從而調(diào)節(jié)行駛、銑刨、輸料等各系統(tǒng)載荷，使銑刨機(jī)工作在最大輸出功率（或極限載荷）狀態(tài)，系統(tǒng)的功能框圖見圖6。
　　系統(tǒng)可實現(xiàn)銑刨機(jī)作業(yè)過程中對行駛、銑刨、輸料等各系統(tǒng)載荷的自動分配調(diào)節(jié)，使銑刨機(jī)處于最佳的功率輸出狀態(tài)，以最佳的銑刨速度作業(yè)，縮短銑刨施工作業(yè)時間，減少銑刨機(jī)和相關(guān)配套設(shè)備的工作時間、能耗和尾氣排放量；同時可防止因銑刨路面路質(zhì)變化、異常物料等原因?qū)е碌男旭傋枇ν蛔?，造成行駛系統(tǒng)、銑刨系統(tǒng)消耗功率突然增大造成的發(fā)動機(jī)悶車熄火、銑刨刀頭異常損耗、銑刨鼓耦合皮帶打滑磨損、行駛履帶打滑磨損等非正常損耗，延長機(jī)器使用壽命。
3.2.2 建立銑削速度與銑削深度的自適應(yīng)性控制
　　現(xiàn)代路面冷銑刨機(jī)多為滾切式逆銑，具有一次走刀銑刨深、速度快的特點。對與防干涉銑削，銑刨鼓系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計均已成熟，但尚無對應(yīng)于一定銑刨深度下的最大銑刨速度自動控制，致使干涉銑削現(xiàn)象非常嚴(yán)重。通過對銑刨特性的運動分析和求解，從理論上推導(dǎo)出防干涉銑削時，銑刨深度與最大銑刨速度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，首次發(fā)現(xiàn)銑刨深度下的最大銑刨速度自動控制可解決銑刨鼓結(jié)構(gòu)設(shè)計所不能徹底解決的刀具干涉銑削現(xiàn)象。
　　銑刨鼓進(jìn)行銑刨時，刀尖的切削軌跡為旋輪線，其方程描述為：
x = vt + r sinωt
y = r(1-cosωt) （2）
　　式中：ω—角速度 ω=2πn / 60
v —銑刨機(jī)工作速度 m/nim ;
　　銑刨深度與最大銑刨速度的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：
2πnrL刀cosλ
Vmax≤ m/nim (3)
1000［2πr sinθ - L刀cos（θ+λ）］
　　式中：n——銑刨鼓轉(zhuǎn)數(shù)nim-1;
r——銑刨半徑mm;
λ——入地角;
h——對應(yīng)于的銑刨深度mm；
θ——對應(yīng)于銑刨深度下的銑刨鼓轉(zhuǎn)角；
β——刀尖絕對速度與水平的夾角；
α——刀具軸線與水平的夾角；
L刀——出刀長度
　　以上述理論上的推導(dǎo)發(fā)明為基礎(chǔ)，將計算得到的任意銑刨深度下的最大銑刨行駛速度專業(yè)數(shù)據(jù)庫內(nèi)嵌于處理單元內(nèi)。通過實時檢測銑刨深度值，調(diào)取數(shù)據(jù)庫內(nèi)相應(yīng)的最大銑刨行駛速度值，經(jīng)過運算處理，輸出控制指令，限制該銑刨深度下的最大行駛速度，以達(dá)到防干涉銑削，延長刀具使用壽命的目的(圖7)。
3.3 故障自診斷系統(tǒng)
　　由于銑刨機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障查找困難，維修保養(yǎng)不便，因此，在銑刨機(jī)的智能化研究中，引入專家故障自診斷技術(shù)對銑刨機(jī)進(jìn)行有效的開機(jī)前檢查、工作時的實時狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷是很有必要的。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，提前預(yù)警并提供解決方案，當(dāng)銑刨機(jī)發(fā)生故障時，快速診斷故障原因，縮短排查時間、減小生產(chǎn)損失。無疑，它能提高勞動生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和能耗，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益。
　　根據(jù)銑刨機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，故障診斷系統(tǒng)的研制主要包括如下幾方面的內(nèi)容：銑刨鼓的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、大功率柴油發(fā)動機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、故障診斷輔助決策軟件設(shè)計。這幾方面的內(nèi)容并非相互孤立，三個并行的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷子系統(tǒng)將有關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)或故障診斷結(jié)果傳送至微控制器，實施集中輔助決策和顯示，以便與用戶友好交互。
　　系統(tǒng)總體框圖如圖8所示：

4 結(jié) 論
　　通過以上分析，明確了智能型路面冷銑刨機(jī)的與應(yīng)用應(yīng)朝著提高施工效率、施工質(zhì)量、施工安全性、施工經(jīng)濟(jì)性以及提高機(jī)器使用性能的方向而發(fā)展。人機(jī)界面操縱模式、各主要機(jī)構(gòu)的智能化故障診斷、基于CAN總線的多微處理器網(wǎng)絡(luò)控制、各種工況下的智能化行駛驅(qū)動和安全銑削是路面冷銑刨機(jī)智能化發(fā)展的主題。行駛驅(qū)動的智能化控制、發(fā)動機(jī)工況參數(shù)的實時監(jiān)測和故障自診斷以及無線通訊模塊的與應(yīng)用不僅僅是對路面冷銑刨機(jī)單機(jī)的智能化水平的提升，還將對推動整個自行式工程機(jī)械的智能化技術(shù)進(jìn)步，對智能化單機(jī)作業(yè)和機(jī)群的程序化作業(yè)均有顯著的現(xiàn)實意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

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