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路面摊铺试验台液压系统 姚泽光 ， 杨士敏 ， 徐蛟龙 ， 郭英训 长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室 摘要 路面摊铺试验台用于研究沥青摊铺过程中施工参数对作业质量的影响， 研究沥青路 面养护过程中施工参数变化对加热质量的影响等试验， 为实际施工提供理论依据。 详细剖析试验 台液压系统的结构组成、 工作原理和技术特点， 尤其是模拟摊铺机的熨平板工作特性的液压系统 原理 ， 并对试验台的各个子系统的液压系统组成进行介绍。 关键词 路面摊铺试验台； 施工参数； 液压系统； 工作原理 路面摊铺试验台既可以用来模拟沥青混合料 的摊铺 ， 又能用于稳定土的摊铺。利用本试验台可 以模拟熨平板的前进过程和路面成形的整个过程， 能够有效解决摊铺路面的密实度和平整度问题， 也 能很好地了解混合料与摊铺机熨平板之间相互作 用的特性问题 ；研究摊铺机熨平板的振动频率、 振 幅和振捣梁的工作频率以及熨平板的静压力、 摊铺 速度和混合料配合比等参数对路面的初密实度、 可 碾性和液化提浆效果的影响。此外， 路面摊铺试验 台还可以进行沥青路面加热试验、 沥青路面清扫及 沥青路面状况检测等试验。试验台由机械系统、 液 压系统、 控制系统及测试系统等组成 ， 其中液压系 统是试验台的重要组成部分， 是保证整个试验台正 常工作的基础。 1 路面摊铺试验台简介 路面摊铺试验台基本结构如图 1 所示。利用 该试验台进行路面摊铺时，需与混合料搅拌机配 合使用 ， 本试验台配置为强制式搅拌机。 搅拌机搅 拌缸内水平配置有两根 由电动机驱动反向等速的 搅拌轴， 既可以完成沥青混合料的搅拌 ， 也能够满 足稳定土的拌和。其机械系统还包括机架、 安装在 1 ． 强制式搅拌机2 ． 计量闸板3 ． 找平液压缸4 ． 偏心转轮5 ． 机架6 ． 液压系统7 ． 振捣梁8 ． 提升液压缸9 ． 仰角调节 螺杆1 O ． 四立柱安装架1 1 ． 活动路面板1 2 ． 卷扬机1 3 ． 轨道1 4 ． 加热板1 5 ． 牵引大臂1 6 ． 偏心激振器 1 7 ． 熨平板 1 8 ． 虚铺高度控制斜板l 9 ． 控制柜2 0 ． 传感器2 1 ． 导料板 图 1 路面摊铺试验台结构示意图 作者简介 姚泽光 1 9 8 8 一 ， 男， 山东东阿人， 在读硕士， 研究方向 工程机械理论及作业质量控制。 一 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机架中部的计量闸板、 虚铺高度控制斜板、 导料板 与熨平机构以及活动路面板等，主要用于构成模 拟摊铺机 的主要骨架 ；测试 系统 主要包括用 于监 测牵引臂作用点的找平传感器 ，驱动活动路面板 时的力传感器 ， 以及液压油温传感器等， 用来监测 试验过程中各个系统的工作参数 ， 如 振捣频率、 移动速度等；控制系统主要包括 P L C可编程控制 器，其与各个传感器之间通过 A ／ D转换器进行数 据的传输并显示 ，且通过固态继电器控制电磁换 向阀等 ， 便于 自动控制调节系统参数， 这样可以深 入研究某 一变量对作业 质量 的影 响 ；液压 系统即 动力系统 ， 主要 由液压泵、 液压马达、 液压缸、 电磁 换向阀和溢流阀等部分组成，主要用于驱动试验 台各部件的工作 ， 使其达到相应的试验要求【” 。 路面摊铺试验台的工作原理 为了模拟摊铺机 在作业时的行走过程 ，该试验台采用相对运动原 理， 将摊铺机熨平板等工作装置固定， 通过活动路 面板移动 ， 达到模拟摊铺机行走的 目的 ； 为了便 于 获得测试系统的参数， 试验台在液压系统中设置了 流量计 、 压力传感器等测量工具， 以能够实时监测 试验参数 。 该试验台的主要性能参数为 最大摊铺宽度为 1 ． 5 m， 最大摊铺长度为7 m； 驱动活动路面板的液压 回路中最大牵引力为 8 0 k N ，其移动速度可以在 0 ． 5 3 0 ． 0 m ／ m i n内变化 ， 误差小 于 5 ％； 振捣梁 的振 捣频率在 0 ～ 2 5 H z 范围内变化；熨平板激振器的振 动频率在 0 ～ 6 0 H z 内变化，系统的工作压力不超过 2 OMPa 。 2 路面摊铺试验台液压系统功能介绍 路面摊铺试验台的液压系统主要包括两大部 分 行走液压系统和工作装置液压系统。行走液压 系统主要用来驱动活动路面板 ， 其作用是利用相对 运动原理来模拟摊铺机的行走运动； 工作装置液压 系统主要功能是实现摊铺作业的各种动作。液压系 统原理如图2所示 ，系统中的电磁换向阀采用 Y 型、 M型或 H型中位机能，采用不同的中位机能是 基于系统 自身功能的要求考虑的 M型中位机能换 向阀应用于振捣马达回路中， 可以保证换向阀置于 中位时振捣马达不工作 ， 且使启动／ 停止过程过渡平 稳， 减少压力冲击； H型中位机能的换向阀主要用来 保证回路中的油压卸荷 ， 使液压锁能够正常可靠地 工作； Y型中位机能用在辅助液压缸回路中， 以调整 路面加热板等装置的位置， 以确保液压缸在固定位 置不移动， 且在启动／ 停止过程中只有较小的压力冲 击。采用这几种不同的中位机能换向阀可以保证各 阀在中位状态时，液压油能够在正常回路中卸荷， 这样有利于减少系统的发热，提高能源利用率， 保 1 ． 液压泵2 ． 管路滤油器3 ． 溢流阀4 ， 1 2 ， 2 2 ． 电磁换向阀5 ． 双液控单向阀6 ． 料门液压缸7 ， 1 0 ． 比例流量控制阀8 ． 振动马达9 ． 流量计1 1 ． 振捣马达1 3 ． 左找平液压缸 1 4 ． 右找平液压缸 l 5 ． 左熨平液压缸 1 6 ． 电磁通断阀 1 7 ． 右熨平 液压缸1 8 ， 1 9 ． 干扰液压缸2 0 ， 2 1 ． 升降液压缸2 3 ． 行走马达2 4 ． 冷却器2 5 ． 温度计2 6 ． 液位计2 7 ． 补油泵2 8 ． 变量 调节机构 图2 液压系统原理图 一 2 O一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 证液压元件的使用寿命。对于装有双向液控单向阀 的回路， 采用 H型中位机能的换向阀会影响其锁止 性能 ，当阀芯在 H型中位时， P口的压力油存在打 开液控单向阀的可能， 易产生液压缸等在 自重作用 下的下降问题， 使其锁止不精确； 因此， 常用 Y型中 位机能。具体采用何种中位机能， 需要在试验时进 行实际测量， 观测其对试验的影响， 以便对系统进 行改进。液压泵由 1台电动机驱动。 路面摊铺试验台主要实现以下功能 1 熨平板 牵引臂的升降、倾角调节； 2 振捣梁和激振器的频 率调节； 3 辅助工作装置的升降、定位； 4 沥青路 面加热板等辅助装置的升降等； 5 管路中装有流量 计、 压力传感器等测量工具， 实现各种项目的测试。 2 ． 1 行走液压系统 行走液压 系统主要 由液压泵和行走马达组成 ， 用以给整个液压系统提供动力和驱动活动路面板。 根据系统工作过程中的压力要求 最大压力不超过 2 0 M P a ， 以及各个系统正常工作时所需要的流量， 选择合适的液压泵。活动路面板的驱动主要是由行 走马达驱动卷扬机带动。根据实际路面摊铺过程的 需要， 活动路面板的移动速度为 0 1 0 rr d m in ， 而液 压马达的转速为 8 4 0 r ／ r n i n ， 为了保证活动路面板的 速度要求， 利用减速器对液压马达的输出转速进行 变速， 使其保证直线行驶速度的要求。由卷扬机外 径为 3 1 0 m m， 则当线速度满足 1 0 m ／ m in时， 其转速 约为 3 2 r ／ ra i n ， 因此可以计算出减速器的传动比i 大 致为 2 8 。在进行行走系统液压回路设计时， 提出两 种方案 定量泵一 变量马达方案或变量泵一 定量马达 方案， 即恒功率调速回路或恒转矩调速回路。由于 定量泵一 变量马达组成的容积调速回路 中不能把马 达排量调节得很小 ， 使其调速范围受到限制， 不能 完全满足试验的要求，而变量泵一 定量马达组成的 调速回路可以通过改变变量泵 自身实现马达的正 反转 ， 且变量泵排量调节范 围比较大 ， 能够保证 较 大的调速范围。因此 ， 根据实际需要 ， 比较两种方案 的优劣，该试验台选择变量泵一 定量马达组成的恒 功率调速回路来控制活动路面板的移动速度。其原 理如图 3 所示。试验台采用 P L C控制系统进行控 制 ， 通过调节控制面板的旋钮， 调节输入电流信号 的大小调节变量泵斜盘的倾角， 进而调节变量泵的 排量以间接调节液压马达的转速。 1 ． 变量泵2 ． 变量泵调节液压缸3 ． 电磁比例换向阀4 ． 补油泵5 ． 单向阀6 ． 溢流阀7 ． 行走马达 图3 活动路面板液压系统原理图 2 ． 2 工作装置回路 该试验台不仅可以进行摊铺机作业的模拟， 还 可以进行沥青路面养护试验研究， 这就要求试验台 能够对多个系统参数进行测量与调节。根据实际施 工的需要 ， 模拟摊铺机作业的主要性能参数有摊铺 厚度、 振捣频率、 振动频率和初始密实度等； 模拟沥 青路面再生时， 其主要性能参数为沥青路面加热墙 与沥青路面的垂直距离、综合养护车的行驶速度 一 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 等。因此， 试验台可以根据具体的试验， 进行不同参 数的调节， 以便实现工作参数对作业质量等的影响 以及变化规律研究。因此， 在设计工作装置液压回 路时， 采用多个回路并联的形式。为了保证某些重 要环节的优先完成 ，在必要的回路中增加优先阀 组。其主要工作回路有 熨平板找平回路、 熨平板振 动回路、 熨平板振捣回路、 四立柱升降液压缸控制 回路以及料门升降回路等。 2 ． 2 ． 1 熨平板振动 回路 摊铺机熨平板在振动过程中一般要求振动频 率在 5 5 H z 左右， 且当频率确定后， 需要维持该频率 稳定不变。若要保证摊铺机熨平板振动频率恒定不 变， 即保证振动马达的转速不变 ， 需要使进入马达 的液压流量保持稳定。故该回路采用电子比例流量 控制阀控制流人振动马达的流量， 该回路液压原理 如图 4所示。 1 ． 液压泵2 ． 管路滤油器3 ． 电子比例流量控制阀4 ． 振动马达 图 4 熨平板振动回路 为了试验测量的方便， 可以通过测量液压马达 的转速进行测量。 本试验台采用P L C控制系统进行 试验控制 ， 在调节液压马达的转速时， 通过主控制 器发出 P WM P u l s e Wid t h M o d u l a t i o n ，脉冲宽度调 制 信号 ， 调节变量泵的倾角改变泵的排量以实现 调速的目的。如图 4 所示，电子比例流量控制阀 3 的工作原理为 无论 A口压力如何变化 ， 通过调节 c口液压油的流量来保证 B口流量维持稳定状况 ， 且其流量的大小可以由控制电流调节。当试验过程 中需要调节熨平板振动频率时，只需要改变电子比 例流量控制阀控制电流的大小即可，其频率可以在 0 6 0 H z 之间变化。由于采用 P L C进行控制时， 对其 算法进行了变换， 为了确保试验的精确性， 需要在试 验前对显示器的显示数值与真实测量值进行对比， 确定试验的误差范围， 以便使试验结果更具说服力。 2 ．2 ．2 熨平板振捣回路 摊铺机作业过程中， 不仅要保证摊铺路面的平 整度， 而且需要有一定的初压实度 ， 使混合料形成 板块骨架结构 ， 再经过压路机碾压成型。为了保证 摊铺路面的初始密实度 ， 摊铺机利用振捣梁对摊铺 一 22一 路面进行预压实 ，因此本试验台设置了双振捣系 统。摊铺机的振捣系统要求具有稳定的振捣频率和 振幅， 要求进入振捣马达的油液流量具有一定的稳 定性； 振捣梁振幅的调节则是通过调节偏心块的偏 心量进行调整。为使流人振捣马达的流量具有稳定 性，采用电子比例流量控制阀进行控制与调节， 其 工作原理为 通过调节控制电流的大小， 改变通过 B 口的油液流量， 且能维持该流量。该液压回路原理 如 图 5所示 。 液压泵 1 向该回路中供油时， 首先由油液经过 电子比例流量控制阀3 进行流量调节， 再由电磁换 向阀4 调节振捣马达的转向。当需要振捣马达工作 时， 首先将电磁换向阀4打到上位， 再调节电子比 例流量控制阀3的控制电流， 改变进入液压泵的流 量大小 ， 进而改变振捣泵的振捣频率， 其频率调节 范 围为 O ～ 5 0H z 。 2 ． 2 ． 3 熨平板找平回路 熨平板在工作过程中必须严格保证其牵引点 位置的稳定性 ， 从而保证摊铺路面的平整度； 又因 路面摊铺时需要有一定的横坡， 即需要对左右牵引 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 求， 即保证牵引点的位移精度达到 1 ％。 此回路的卸 荷主要通过电磁换向阀H型中位机能实现， 当系统 出现故障时， 则由安全阀 1 进行卸荷。此回路换向 阀 2 在 H型中位时， 高压油有可能打开电控单向阀 3 ， 使其液压油流人工作液压缸中， 造成液压缸工作 位置不稳定， 影响试验结果的准确性。因此， 在进行 试验时， 需要在试验前与试验后对熨平板工作液压 缸的工作点与活动路面板间的垂直距离进行测量， 中位机能的阀芯后 ， 可以保证工作液压缸位置的精 确性， 降低了试验的复杂程度。 2 ． 2 ． 4 其他 回路 其他回路的液压系统包括四立柱工作液压缸 系统、 提升液压缸系统等 ， 其工作原理与熨平板的 找平控制回路相类似。由图 2 可以知道， 液压缸的 换向阀有 M， Y和 H 3 种中位机能， 这就要求在试验 过程中， 对不同控制回路的精确度进行比较， 根据 一 23 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 需要选型， 以便更好地改进系统。 3 结束语 路面摊铺试验台液压系统由不同工作装置的 控制子系统组成， 是保证试验台进行各个不同试验 的基础。液压系统主要由行走液压回路与工作装置 回路组成， 行走系统为试验台提供动力 ， 工作装置 回路则完成具体的动作。目 前， 主要利用该试验台 进行螺旋布料器的动态特性分析， 沥青路面再生加 热方法、 加热方式及施工参数对加热质量的影响规 律分析等试验。 参考文献 『 1 ]1吴昭君 ， 姚泽光 ， 蔡顶春 ， 等． 公路路面摊铺与养护综合 实验台及实验方法研究叨．建筑机械 ， 2 0 1 2 9 1 0 0 1 0 3 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油气不分隔式油气悬挂缸结构简图见图 1 ，主要 由 杆筒和缸筒两大组件构成 ， 二者内腔相通， 腔内充 有油液， 油液面与缸筒上部之间充有一定量 体积 的氮气， 作为弹性介质， 氮气与油液直接接触 ； 缸筒 内壁和杆筒外壁围成一个环形腔 ， 环形腔通过两个 单向阀和两个阻尼孔与内腔相通。单气室油气不分 基金项 目 中央高校基本科研业务费专项资金资助项 目 S WJ T U1 2 C X 0 4 3 作者简介 曹扬 1 9 8 8 一 ， 湖南衡阳人， 在读硕士， 研究方向 车辆系统动力学研究。 ～ 2 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m