第二節(jié)　大型液壓載重車的關(guān)鍵技術(shù)

從上節(jié)大型液壓載重車的技術(shù)特點可以看出,大型液壓載重車的制造技術(shù)與傳統(tǒng)的貨運車的制造技術(shù)還是有很大區(qū)別的。首先在數(shù)量上,它是按照用戶的要求定制化設(shè)計和生產(chǎn),基本上是單件研發(fā)和小批量生產(chǎn),不可能形成大規(guī)模生產(chǎn)線的生產(chǎn)形式;再就是特殊場合、復(fù)雜環(huán)境和極端條件下的作業(yè)要求,使設(shè)計、制造和使用都與普通貨車和施工裝備不同,形成機電液一體化與信息化的緊密結(jié)合的新型技術(shù)復(fù)合體;為了實現(xiàn)大型載重車的相關(guān)技術(shù)特點,完成其特殊使命,關(guān)鍵技術(shù)研究是“多快好省”地進行大型液壓載重車設(shè)計的充分必要條件。

一、車身設(shè)計制造技術(shù)

大型液壓載重車由于其運載平臺為平板平臺形式,故簡稱為“平板車”。當(dāng)運輸對象為體積超大的物體,單個平板車無法實現(xiàn)運輸時,可以將多個平板車進行拼接,拼接的平板車之間通過協(xié)調(diào)配合,完成一個單獨的超大型平板車的功能。液壓載重車的車身要承受超大負載,其設(shè)計融合了傳統(tǒng)大型汽車設(shè)計技術(shù)、大噸位起重機制造技術(shù)和大型橋梁施工裝備設(shè)計制造技術(shù)。特別是大型液壓載重車車架設(shè)計制造技術(shù),已經(jīng)從單純的對國外產(chǎn)品的測繪、仿制,對安全系數(shù)肆意放大,增加車重和功率,發(fā)展到利用國產(chǎn)材料創(chuàng)新設(shè)計,從安全性、輕量化著手,合理設(shè)計車身結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)企業(yè)也建立了大型載重車數(shù)字化的設(shè)計平臺,利用計算機輔助設(shè)計(CAD)可以對車身結(jié)構(gòu)、管路布置等優(yōu)化設(shè)計,提供了可靠性設(shè)計方法。

1.車架結(jié)構(gòu)設(shè)計

車架的結(jié)構(gòu)因液壓載重車的任務(wù)或工作要求不同而不同,如造船廠的船體運輸車、鋼廠的材料運輸車、高速鐵路橋梁架設(shè)用的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁運輸車、大型設(shè)備物流運輸車等,有整體鋼結(jié)構(gòu)、分體鉸接結(jié)構(gòu)、模塊化拼裝鋼結(jié)構(gòu)和特殊用途的異形鋼結(jié)構(gòu)。

車架根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為平板式、階梯式、凹梁式(或橋式)三種結(jié)構(gòu)。根據(jù)運輸過程中公路對車輛高度的要求,為了保證運輸車輛能順利通過涵洞,采用凹梁式結(jié)構(gòu)車架。采用此種結(jié)構(gòu)可以有效地降低整車的質(zhì)心高度,提高了行駛的穩(wěn)定性。

由于車輛行駛過程中會面臨復(fù)雜路況(如顛簸路面、坡道路面、減速帶等)以及急剎車和急轉(zhuǎn)彎等工況,這都會對所運輸?shù)脑O(shè)備造成振動和沖擊,甚至?xí)ζ湓斐蓢乐氐膿p害。因此,實際應(yīng)用中要求車輛具有很好的減振緩沖性能,使設(shè)備在橫向、縱向和垂直方向受到的振動加速度滿足其規(guī)定范圍,保證設(shè)備在長途、高速運輸過程的各種工況中安全。

2.材料選取

車架材料使用的是型號為Q345B的鋼材(表2?1)。它是低合金鋼[w(C)<0.2%],綜合性能好,低溫性能好,冷沖壓性能、焊接性能和可切削性能好。

車架大量采用一體化集成技術(shù),選用屈服強度可達685MPa的高強度焊接鋼板材料。半封閉式的車架結(jié)構(gòu)增大了其強度和剛度。制造方面采用工裝分段組焊技術(shù),確保了車架精度。

3.計算機輔助設(shè)計技術(shù)(CAD)

隨著各種先進技術(shù)在大型工程機械中的廣泛應(yīng)用,液壓系統(tǒng)及裝置將越來越復(fù)雜,并且在工程機械總成本中所占比重越來越大。常規(guī)設(shè)計方法設(shè)計周期長,而且很難保證液壓系統(tǒng)的性能,計算機輔助技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計后續(xù)分析等方面起著舉足輕重的作用。

(1)車架有限元分析

有限元方法是隨著近幾十年來計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來的一種現(xiàn)代數(shù)值計算方法,將彈性力學(xué)作為計算基礎(chǔ),利用泛函極值或加權(quán)殘值原理求解方程,通過數(shù)值離散技術(shù)實現(xiàn)。它的技術(shù)載體是有限元分析軟件,ANSYS就是一種基于電子計算機平臺的通過有限元理論來處理實際問題的一款軟件。

計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,使得有限元方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計上得到了廣泛的應(yīng)用,尤其是車輛車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計更是廣泛地采用有限元設(shè)計方法。剛度、強度、穩(wěn)定性等車輛結(jié)構(gòu)衡量指標可以應(yīng)用有限元技術(shù)來設(shè)計和校核,大大提高了設(shè)計進度和正確性。

在液壓載重車車架中,對可靠度要求高的重要部件需要承重時剛度、結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定性等一系列理論數(shù)據(jù),有限元方法現(xiàn)在是得到以上數(shù)據(jù)的首選方法。在對車架的動態(tài)分析過程中,模態(tài)分析是重要內(nèi)容之一,有限元分析技術(shù)可以在計算機上動態(tài)地顯示設(shè)備在工作中的振動、動態(tài)響應(yīng)等,為模態(tài)分析的研究提供方便。

(2)液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)

隨著各種控制理論的日益成熟、控制算法和相關(guān)科學(xué)的不斷發(fā)展,液壓仿真軟件逐漸成為液壓技術(shù)人員分析液壓系統(tǒng)的有力工具。通過建立元件或者系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來進行液壓元件或系統(tǒng)的仿真,將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比可以驗證仿真的正確性,為以后設(shè)計人員設(shè)計類似元件或系統(tǒng)時提供依據(jù)。仿真軟件的調(diào)試確定了系統(tǒng)各個元件和性能的參數(shù)范圍,有效減少了現(xiàn)場調(diào)試安裝時間,還可以確定元件各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響,從而確定最佳的匹配關(guān)系。

目前在液壓系統(tǒng)仿真領(lǐng)域,主要有Hopsan、ADAMS/Hydraulic、EASY5、DSHplus、20Sim、MATLAB/Simulink及AMESim等仿真軟件。可以將這些軟件分為三類:①基于單信號端口的仿真軟件,如EASY5、MATLAB/Simulink;②基于復(fù)合端口的仿真軟件,如Hopsan、ADAMS/Hydraulic;③基于功率鍵合圖的仿真軟件,如AMESim。

液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)可以預(yù)測電液控制系統(tǒng)性能,減少設(shè)計時間,對電液控制系統(tǒng)進行整體分析和評估。重型平板運輸車液壓系統(tǒng)在整車操控系統(tǒng)中占很大的比重,性能優(yōu)劣對整車性能有很大的影響。而傳統(tǒng)的臺架試驗和樣機的現(xiàn)場試驗所需的周期很長,消耗人力和物力非常大,液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)可以部分解決這方面的問題,是臺架試驗和現(xiàn)場試驗的有效補充。

二、液壓傳動技術(shù)

大型自行式液壓載重車的驅(qū)動系統(tǒng)采用的是以液壓傳動為主的傳動技術(shù),在一些衍生產(chǎn)品中,有的采用電傳動技術(shù),如某些型號大型礦山車,驅(qū)動采用內(nèi)燃機發(fā)電機組合帶動電動機方式,其他的懸掛系統(tǒng)、翻斗系統(tǒng)仍采用液壓傳動技術(shù)。純電動機驅(qū)動的工程機械需要按最大載荷需求配置電動機,造成裝機功率過大,同時受電動機功率密度的制約,電動機的體積也較大,受安裝空間的限制,不適用于大型和重載的機械。有的采用液力傳動技術(shù),如某些型號的抱罐車的驅(qū)動系統(tǒng),但是其他如動臂系統(tǒng)、抱罐系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng),仍采用液壓傳動技術(shù)。采用全液壓控制系統(tǒng):行走系統(tǒng)采用液壓閉合式系統(tǒng),轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用負荷傳感控制系統(tǒng)。

為了解決重載運行工況中,發(fā)動機容易熄火的問題,已經(jīng)設(shè)計開發(fā)出了液壓驅(qū)動系統(tǒng)與發(fā)動機的功率匹配的電液控制系統(tǒng),進一步實現(xiàn)了載重運輸車的節(jié)能研究。針對載重車在某些特殊情況下的轉(zhuǎn)向同步性差的情況,通過參考國外的先進技術(shù),將電子智能化控制技術(shù)巧妙地運用在了大型載重車的液壓傳動系統(tǒng)中,開發(fā)并研制了電子轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)(LUDV),成功解決了傳統(tǒng)的負荷傳感系統(tǒng)的變量泵飽和時,執(zhí)行機構(gòu)同步性差的弊端。對驅(qū)動系統(tǒng)中涉及的多輪驅(qū)動差速、差力以及防滑控制的問題,液壓懸掛系統(tǒng)對載重車運行穩(wěn)定性的問題,整車升降控制以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中多輪獨立轉(zhuǎn)向機構(gòu)協(xié)調(diào)控制的平順性都做了深入的研究。

1.液壓驅(qū)動技術(shù)

載重運輸車一般都是采用的閉式驅(qū)動,主要是因為閉式液壓系統(tǒng)具有如下優(yōu)點:控制方便靈活、布局方便以及保護能力強,還可以實現(xiàn)自動分流,很好地解決多輪載重運輸車的同步問題。

液壓驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包含功率極限載荷控制,全局功率匹配技術(shù),發(fā)動機與液壓系統(tǒng)、機械系統(tǒng)之間的參數(shù)匹配,二次調(diào)節(jié)技術(shù),差力差速控制等技術(shù)。液壓載重車的驅(qū)動系統(tǒng)通常以下面兩種為主。

(1)閉式容積調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)

閉式液壓系統(tǒng)是液壓傳動的一種形式,適用于外負載慣性大且換向頻繁的機構(gòu),特別是結(jié)構(gòu)要求特別緊湊的大型工程機械的驅(qū)動系統(tǒng)。閉式液壓系統(tǒng)是由液壓泵和液壓馬達組成的容積調(diào)速系統(tǒng),通過調(diào)節(jié)液壓泵或者液壓馬達的排量來調(diào)節(jié)馬達的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩。如果采用變量液壓泵和變量液壓馬達傳動,則系統(tǒng)完全可以實現(xiàn)無級調(diào)速。閉式液壓系統(tǒng)的特點有功率密度高、布局方便、過載保護能力強和控制方式靈活等。

閉式驅(qū)動系統(tǒng)有一個缺點:當(dāng)某個馬達所驅(qū)動車輪的附著力不夠時,該車輪會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,輕微時,機器卸載后可駛出打滑區(qū)域;嚴重時,車輛無法脫離泥沼或坑陷而發(fā)生“陷車”。　　

液壓載重車驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括液壓系統(tǒng)與機械系統(tǒng)的參數(shù)匹配、差力控制及差速控制、全局功率匹配、功率極限載荷控制等。液壓載重車利用閉式系統(tǒng)自動分流特點可以較好地解決運輸車的差速問題。解決差力問題的方法有許多種,如采用限流閥、分流閥、旁通閥或改變變量馬達排量等。如果發(fā)動機因過載失速,則控制壓力降低,馬達排量增大,使發(fā)動機不會因為過載而熄火;同樣,減少泵的排量使發(fā)動機能夠正常工作,從而實現(xiàn)極限載荷的控制。

(2)電液比例技術(shù)

電液比例控制系統(tǒng),由電子放大及校正單元、電液比例控制單元(含機械轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的比例閥、電液比例變量泵及變量馬達)、動力執(zhí)行單元及動力源、工程負載及信號檢測反饋處理單元所組成。系統(tǒng)可通過設(shè)置液壓(壓力和流量)和機械參數(shù)中間變量檢測反饋閉環(huán)或動力執(zhí)行單元輸出參數(shù)檢測反饋閉環(huán),來改善其穩(wěn)態(tài)控制精度和動態(tài)品質(zhì)。信號處理單元可采用模擬電子電路、數(shù)字式微處理芯片或微機來實現(xiàn)。數(shù)字式集成電路在精度、可靠性、穩(wěn)定性等項均占優(yōu)勢,其成本也越來越低廉,故應(yīng)用日益廣泛。液壓載重車電液比例控制系統(tǒng)由驅(qū)動控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、調(diào)平控制系統(tǒng)和支腿懸掛控制系統(tǒng)組成。

通常采用電液負載敏感比例控制即負荷傳感(Load?sensing——LS)系統(tǒng),負荷傳感通過檢測負載壓力、流量和功率變化信號,向液壓系統(tǒng)進行反饋,實現(xiàn)節(jié)能控制、流量與調(diào)速控制和恒功率控制等。液壓載重車液壓控制系統(tǒng)要求較高的動態(tài)響應(yīng)能力和可控性,故變量泵負荷傳感敏感比例控制系統(tǒng)在液壓載重車上的應(yīng)用前景將十分廣泛。液壓載重車全局功率匹配是通過壓力傳感器檢測液壓系統(tǒng)的負載信號,通過轉(zhuǎn)速傳感器檢測發(fā)動機的工作狀態(tài),控制器根據(jù)檢測到的信號分別控制液壓泵和馬達,構(gòu)成電液比例功率匹配控制系統(tǒng)實現(xiàn)的。

電液比例控制系統(tǒng)的主要特點有:

① 可明顯地簡化液壓系統(tǒng),實現(xiàn)復(fù)雜程序控制,降低費用,提高了可靠性,可在電控制器中預(yù)設(shè)斜坡函數(shù),實現(xiàn)精確而無沖擊的加速或減速,不但改善了控制過程品質(zhì),還可縮短工作循環(huán)時間;

② 利用電信號便于實現(xiàn)遠距離控制或遙控,將閥布置在最合適的位置,提高主機的設(shè)計柔性;

③ 利用反饋提高控制精度或?qū)崿F(xiàn)特定的控制目標;

④ 能按比例控制液流的流量、壓力,從而對執(zhí)行器件實現(xiàn)方向、速度和力的連續(xù)控制,并易實現(xiàn)無級調(diào)速。

2.液壓轉(zhuǎn)向技術(shù)

(1)載重車轉(zhuǎn)向模式

大型自行式液壓載重車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和一般工程機械的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全不同,它既不同于一般的機械式轉(zhuǎn)向器又不是采用一般的梯形連桿機構(gòu),而是每個車輪都由一個液壓缸推拉進行獨立轉(zhuǎn)向,各個車輪之間在機械上不存在任何約束。載重車結(jié)構(gòu)尺寸很大,但在工作過程中負荷很大,在提梁機和架橋機進行配合時要求操作靈活。為減小載重車的轉(zhuǎn)彎半徑,載重車應(yīng)該具有八字轉(zhuǎn)向模式。

大型自行式液壓載重車采用獨立轉(zhuǎn)向,每個懸掛都由獨立的液壓缸控制其轉(zhuǎn)向。為了滿足不同工況,液壓載重車需要實現(xiàn)多種轉(zhuǎn)向模式,如直行、斜行、橫行、擺頭擺尾轉(zhuǎn)向和中心回轉(zhuǎn)等。轉(zhuǎn)向過程中要求每個輪組按照預(yù)定的角度回轉(zhuǎn),否則在行駛過程中會出現(xiàn)車輪卡滯現(xiàn)象,造成液壓載重車無法行走。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本控制思路是主控節(jié)點首先采集操控信號,識別轉(zhuǎn)向模式(直行、橫行、斜行、中心回轉(zhuǎn)、擺頭擺尾等),然后根據(jù)已建立的整車輪系轉(zhuǎn)向運動學(xué)模型和方向盤輸入的角度,解析出各輪系的期望轉(zhuǎn)角,通過CAN總線接收最新的實際輪系轉(zhuǎn)角,采用分段PID控制算法求解各轉(zhuǎn)向缸的控制量輸出,并向各I/O節(jié)點發(fā)送相應(yīng)的輸出指令,從而控制轉(zhuǎn)向油缸帶動轉(zhuǎn)向輪組轉(zhuǎn)動,這一控制過程不斷循環(huán),直至各輪組轉(zhuǎn)到期望轉(zhuǎn)角或工作狀態(tài)發(fā)生變化。液壓載重車轉(zhuǎn)向控制的關(guān)鍵在于多種轉(zhuǎn)向模式的實現(xiàn)及實時轉(zhuǎn)向時車輪的協(xié)同控制。

(2)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計軟件

國內(nèi)研究開發(fā)了針對多軸線模塊運輸車轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計軟件。利用此軟件進行不同軸距、不同軸線、不同拼車方式下的轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計分析,使得模塊車在轉(zhuǎn)向時實際轉(zhuǎn)向角度與理想轉(zhuǎn)向角度差值盡可能小,從而使轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計更合理,更科學(xué)。模塊車以軸線為單位,由多個動力車組自由拼接、聯(lián)動作業(yè),可同步前進、倒退、原地轉(zhuǎn)向、水平移動,能輕松運輸千噸級貨物。

3.液壓懸掛技術(shù)

為保證在不平整路面行駛的穩(wěn)定性,在每個懸掛安裝液壓缸減振平衡系統(tǒng),其原理類似于油氣彈簧懸掛。各個液壓缸進行連通,能根據(jù)路面情況自動調(diào)整液壓缸的伸縮量,保證各輪胎接地比壓相同,避免某一輪胎超載。

液壓載重車的調(diào)平及升降控制屬于液壓載重車的基本功能。通過懸掛液壓缸的同步起升或下降,可實現(xiàn)整車平起平降,同時可以利用懸掛液壓缸來實現(xiàn)傳力和減振功能,并且各個懸掛通過油路相連,可以適應(yīng)路面的不平度和坡度,實現(xiàn)載荷均衡。液壓懸掛的采用,除了提供整車升降和調(diào)平的功能外,更重要的是液壓缸的伸縮補償功能保證了運行過程中輪組均勻負載,以適應(yīng)路面不平的情況,維持運行的安全可靠。在車輛運行時,所有懸掛液壓油缸油路相互連通并且構(gòu)成一個封閉的液壓系統(tǒng),如圖2?22,使車輛在不平路面上行駛時,通過油缸的伸縮運動以適應(yīng)凹凸不平的路面,使每一個懸掛承載均勻,這樣就在很大程度上增強了載重車的通過性。

如果懸掛液壓軟管出現(xiàn)破裂,同一支撐組的懸掛缸就會因失去背壓而不受控制地加速下落,在液壓載重車重載的情況下可能造成因輪胎的過載而爆胎,嚴重的可造成液壓載重車失去穩(wěn)定支撐點而傾覆。因此在對懸掛液壓軟管及接頭提出較高性能要求的同時,還要對液壓軟管破裂增加安全措施,一般通過在懸掛液壓系統(tǒng)中增加一個軟管防爆閥來實現(xiàn)。

4.參數(shù)匹配技術(shù)

(1)液壓元件壓力和轉(zhuǎn)速極限的參數(shù)匹配

液壓載重車中液壓元件工作壓力和轉(zhuǎn)速參數(shù)的合理選用與匹配可以保證元件具有期望的工作壽命與可靠性,元件工作能力被充分利用而不產(chǎn)生浪費,從而降低成本,同時有較大的傳動效率,即達到高效、高可靠性、低成本。后續(xù)的幾章從理論上分析了元件的使用條件和壓力、轉(zhuǎn)速參數(shù)對工作壽命和傳動效率的影響,進一步闡述了液壓載重車設(shè)計中如何進行壓力和轉(zhuǎn)速參數(shù)的選擇和匹配。

(2)發(fā)動機與液壓傳動裝置的參數(shù)匹配

如同機械傳動和液力傳動裝置一樣,當(dāng)發(fā)動機與液壓泵、液壓馬達組成一個傳動系統(tǒng)后,該系統(tǒng)的綜合性能不僅受發(fā)動機、液壓泵、液壓馬達各個元件性能的影響,而且還受到各個部件性能參數(shù)之間是否合理匹配的制約。各個部分之間是相互聯(lián)系和相互制約的,系統(tǒng)整體的性能與各個部分的工作是否協(xié)調(diào)有著密切的關(guān)系,因此,在系統(tǒng)整體參數(shù)之間存在著相互匹配是否合理的問題,只有正確地處理好各個部分之間的參數(shù)關(guān)系,保證它們之間的合理匹配,才能充分發(fā)揮各個部件本身的性能,從而使系統(tǒng)總體獲得較高的技術(shù)經(jīng)濟指標,而不會產(chǎn)生經(jīng)濟、功率、能源等方面的浪費,達到節(jié)能的目的。因此,一般的系統(tǒng)必須能夠很好地解決如下問題:液壓泵與馬達性能參數(shù)的匹配,液壓泵與發(fā)動機參數(shù)的匹配。具體有關(guān)的匹配原則在本書后續(xù)幾章會詳細闡述。

5.液壓集成技術(shù)

在液壓系統(tǒng)設(shè)計過程中,模塊軸線運輸車輛大量采用了模塊化設(shè)計技術(shù)。如將液壓源控制、升降控制和轉(zhuǎn)向手動/遙控控制等功能集成在液壓控制箱中,將四通閥和截止閥集成在一個液壓閥塊上等。這樣既減少了安裝空間,又使整個結(jié)構(gòu)看著簡潔、美觀,同時操作更加方便、快捷。

目前,集成液壓元件、小型液壓動力單元、電液作動器(EHA)發(fā)展促進了液壓技術(shù)的發(fā)展。

EHA電液作動器(Electro?Hydraulic Actuator)提供功率強大的、可靠的直線或旋轉(zhuǎn)運動動力;電機、泵、油箱、液壓缸一體化,其集成了常規(guī)功能的液壓元件——電機,雙向泵,特殊設(shè)計的閥組、油箱和雙作用液壓缸或液壓馬達,其特征是功率密度大、重量輕、噪聲低和體積小;系統(tǒng)簡化,大大減少安裝時間;功率密度大、大功率輸出、小空間需求;更快的、持之以恒的驅(qū)動速度;堅固,消除潛在泄漏點;在多種惡劣工況下運行良好;更長久的使用壽命;減少液壓油的需求量;減少零件數(shù)目和庫存量;更低的安裝成本和生命周期成本;定制產(chǎn)品,易與客戶設(shè)備集成;無需經(jīng)驗、快速替換,避免了長時間停車;保養(yǎng)要求大幅降低。

近年來大噸位、大體積的物件需求量急增,為推動國內(nèi)大物件的運輸,必須緊隨世界前沿技術(shù),在液壓系統(tǒng)、零部件及加工工藝上不斷創(chuàng)新,突破關(guān)鍵技術(shù),增強市場競爭力,最終才能實現(xiàn)產(chǎn)品完全自主化,從而取代進口設(shè)備。

6.自動控制與駕駛技術(shù)

根據(jù)施工要求,對液壓載重車的駕駛提出了各種要求,可以遙控操作、自動駕駛,如框架車場地自動化運輸、大型運梁車過隧道自動駕駛、多車聯(lián)合作業(yè)的主從技術(shù),與衛(wèi)星、網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合,實現(xiàn)工作條件下的精確技術(shù)和協(xié)同作業(yè)。

(1)自動輔助駕駛系統(tǒng)

在運梁車前后各設(shè)置一部攝像頭,在地面畫出白色標志線。攝像頭采集數(shù)據(jù)后傳送給駕駛室的輔助計算機,一方面在駕駛室的顯示器上顯示畫面,以幫助駕駛員直觀觀察;另一方面由輔助計算機進行圖像處理,分析得出運梁車的行駛路線偏差,以數(shù)值形式傳送給整車控制系統(tǒng)并在液晶顯示器上顯示。

如果選擇人工駕駛,則控制系統(tǒng)根據(jù)該偏差數(shù)據(jù),給出正常行駛或告警信息,由駕駛員采取相應(yīng)措施。當(dāng)偏差超過一定值時,車輛會自動減速甚至鎖閉。

若選擇自動駕駛功能時,系統(tǒng)可以將分析得到的行駛路線偏差轉(zhuǎn)換成控制指令,通過對驅(qū)動、轉(zhuǎn)向等工作的實時調(diào)節(jié),控制車輛在預(yù)定的路線上行駛。在已經(jīng)啟動自動輔助駕駛的情況下,駕駛員隨時可以終止自動駕駛。

(2)遙控操作系統(tǒng)

運梁車在正常行車工況下駕駛員在駕駛室內(nèi)操作,但是在與架橋機對位、狹窄路況以及裝卸混凝土箱梁等場合,為了保障駕駛員人身安全,或者為了便于更精確地控制車輛,駕駛員可以離開駕駛室,在安全、便于觀察和操作的位置對車輛進行遙控。遙控操作系統(tǒng)的接收端與電氣控制系統(tǒng)直接通過I/O觸點連接,遙控器發(fā)出遙控指令直接作用到運梁車的電氣控制系統(tǒng)上,可以實現(xiàn)車輛的前進、后退、轉(zhuǎn)向、制動、點動等操作,遙控操作的實時性好。當(dāng)遙控器超出控制距離或遙控控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,控制器會發(fā)出聲音和燈光報警。

(3)定位與防撞系統(tǒng)

運梁車前端安裝了激光測距儀,可以精確地測量前方目標的距離,以便和架橋機實現(xiàn)精確對接,并能實現(xiàn)提前減速和制動控制,避免因誤動作而與架橋機發(fā)生碰撞。運梁車前后和兩側(cè)安裝了測距雷達,構(gòu)成了一個完整的防撞體系,提供了進一步的安全防護保障。

液壓載重車的數(shù)字化液壓系統(tǒng)可以實現(xiàn)精確位置控制、精確轉(zhuǎn)向控制、巡航速度控制、精確軌跡控制、高頻響高精度、智能轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和轉(zhuǎn)場高速行駛時的主動減振控制,依靠的就是自動運輸遙控技術(shù)、實時監(jiān)控技術(shù)、遠程人機作業(yè)界面、集成電子控制系統(tǒng)、智能化GPS導(dǎo)航技術(shù)和智能控制策略及控制軟件等先進技術(shù)。

三、現(xiàn)場總線技術(shù)與協(xié)調(diào)控制技術(shù)

液壓載重車電氣控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線(CAN?BUS)的控制技術(shù),所有的電氣控制均由一套基于現(xiàn)場總線(CAN?BUS)的PLC控制系統(tǒng)來實現(xiàn),保證整車運行動作的協(xié)調(diào)可靠。

1.現(xiàn)場總線技術(shù)

現(xiàn)場總線是應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng),也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層網(wǎng)絡(luò)。它是一種用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多站點、開放式的通信網(wǎng)絡(luò),如圖2?23。它建立在開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)參考模型上,是一種面向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的通信標準。在工業(yè)測控系統(tǒng)中,采用現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,是提高工業(yè)現(xiàn)場實時效率的有效途徑。

現(xiàn)場總線具有以下技術(shù)特點:

① 系統(tǒng)的開放性　開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開,各廠家的設(shè)備之間可進行互聯(lián)并實現(xiàn)信息交換,現(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。

② 互可操作性和互用性　這里的互可操作性,是指實現(xiàn)互聯(lián)設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通,可實行點對點、一點對多點的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進行互換而實現(xiàn)互用。

③ 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性　它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成,即可完成自動控制的基本功能,并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。

④ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性　由于現(xiàn)場設(shè)備本身已可完成自動控制的基本功能,使得現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系,提高了可靠性。

⑤ 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性　工作在現(xiàn)場設(shè)備前端,作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線,是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的,它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等,具有較強的抗干擾能力,能采用二線制實現(xiàn)送電與通信,并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

目前液壓載重車電氣控制系統(tǒng)已逐漸發(fā)展成為CAN總線通信、模塊化控制方式。若干個執(zhí)行或動力元件配置一個控制器,各種控制信號和儀表信號通過多芯電纜直接輸入控制器,然后由控制器與主控制器通過CAN總線傳遞信號,由主控制器的中心計算機進行處理后,通過數(shù)模轉(zhuǎn)換或數(shù)字開關(guān),直接送到末端控制、調(diào)節(jié)或執(zhí)行裝置。

2.協(xié)調(diào)控制技術(shù)(拼車技術(shù))

拼車技術(shù)具備承載力檢測控制、轉(zhuǎn)向協(xié)同控制、驅(qū)動防超速(防打滑)等功能。

模塊車在運輸超大型物件時有可能一輛車無法單獨完成任務(wù),這時多輛車的拼接使用顯得十分必要。國內(nèi)廠家經(jīng)過不斷探索研究,逐漸掌握了模塊車的拼接技術(shù),產(chǎn)品不僅能實現(xiàn)硬拼接,還能實現(xiàn)軟拼接。軟拼接時,各模塊車都有自身一套控制系統(tǒng),可實現(xiàn)自身轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)同步功能。模塊之間利用CAN總線信號進行相互通信,實現(xiàn)不同模塊之間行駛和轉(zhuǎn)向的協(xié)調(diào)同步。通信時,一個模塊作為主單元,其他模塊接收來自主單元的驅(qū)動、轉(zhuǎn)向等命令。

目前,可以實現(xiàn)拼車的車輛有電子液壓復(fù)合多模式轉(zhuǎn)向模塊車和機械拉桿轉(zhuǎn)向模塊車。兩種車自身、相互之間都可以實現(xiàn)拼接。

(1)單車多通道協(xié)調(diào)電液比例控制

多通道協(xié)調(diào)電液比例控制系統(tǒng)在航天、航空、航海等許多行業(yè)都有十分重要的用途。該系統(tǒng)一般由電液比例作動器、系統(tǒng)監(jiān)控管理計算機(上位機)、多通道協(xié)調(diào)控制機(下位機)、電液比例放大器、液壓源及其檢測控制機和應(yīng)變測試子系統(tǒng)組成。

如液壓載重車的液壓系統(tǒng),當(dāng)液壓載重車在行進中,由于載荷和路面變化,以及轉(zhuǎn)向運動,各個輪胎所受的力也不是恒定的,是隨時變化的,所以,閉式系統(tǒng)同時對多個液壓馬達和液壓缸進行供油,而供油流量可能都不相同,這就要求LS將這些信息反饋給微電控制系統(tǒng)時,微電控制系統(tǒng)能夠反饋到液壓系統(tǒng),使其能夠協(xié)調(diào)各個通道流量,以達到執(zhí)行機構(gòu)的同步性、穩(wěn)定性以及其他動、靜特性,以及使系統(tǒng)滿足機動性、可靠性和安全性等要求。

(2)多車協(xié)同控制技術(shù)

同步作業(yè)如圖2?24。液壓載重車的組合拼接既可以通過機械剛性連接,也可以通過一個控制器控制多臺液壓載重車實現(xiàn)液壓載重車的軟連接。機械剛性連接采用機械方式實現(xiàn)同步,而采用軟連接方式則需要每臺液壓載重車的控制精度較高,通過傳感器檢測各車的位置變化,采用控制器控制所有液壓載重車協(xié)同工作。目前國內(nèi)普遍采用機械剛性連接方式組合拼接,軟連接方式還有待進一步研究。

四、故障診斷與可靠性技術(shù)

1.常規(guī)故障診斷

液壓載重車安裝有多種液壓和電氣傳感器,實時監(jiān)控系統(tǒng)運行情況,在某一子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時給出警告提示,根據(jù)面板報警燈、報警提示音及屏幕文字提示可以及時判斷系統(tǒng)故障,為操作人員及時排除故障提供可靠依據(jù)。主要故障模式如下:

① 轉(zhuǎn)向不到位將給出故障報警和提示,轉(zhuǎn)角誤差達到一定值時將自動停車;

② 驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速異常將給出故障報警和提示,誤差達到一定值時將自動停車;

③ 承載狀態(tài)實時監(jiān)測和顯示,當(dāng)出現(xiàn)偏載時將給出報警和提示,偏載量達到一定值時將自動停車;

④ 車體水平度狀態(tài)實時監(jiān)測和顯示,當(dāng)出現(xiàn)嚴重偏斜時將給出報警,偏斜量達到一定值時將自動停車;

⑤ 在遙控系統(tǒng)傳輸故障情況下自動停車;

⑥ 發(fā)動機及液壓系統(tǒng)故障時給出明確的故障提示,故障級別達到停車要求時自動停車。

2.遠程實時故障診斷

液壓載重車主要工作在惡劣的野外條件下,引發(fā)故障的因素和出現(xiàn)故障的機會也比較多,而這些系統(tǒng)出現(xiàn)故障,因為處理不及時,會導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失及嚴重的安全后果。基于上述原因,研究并實現(xiàn)快速、準確、高效的遠程實時故障診斷控制系統(tǒng)是非常必要的。

3.使用油液在線檢測技術(shù)

利用油液在線或離線健康檢測是實現(xiàn)液壓載重車健康控制的重要手段,液壓油要保證:合適的黏度,良好的黏溫特性,良好的潤滑性(抗磨性),良好的抗氧化性,良好的抗剪切性,良好的防銹和防腐蝕性,良好的抗泡沫性和空氣釋放性,良好的抗乳化性和水解安定性及對密封材料的適應(yīng)性。

油液清潔度差會引起液壓元件損壞、系統(tǒng)運行異常,直至液壓載重車剛度降低、性能異常、泄漏量大。油液的性能、質(zhì)量、壽命決定了設(shè)備的使用可靠性和使用壽命。