СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ВИБРАТОРОМ ВАЛЬЦА ДОРОЖНОГО КАТКА Текст научной статьи по специальности «Техника и технологии»

УДК 62-529

© А. А. Смоляков, Е. А. Шишкин, 2021

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ВИБРАТОРОМ ВАЛЬЦА ДОРОЖНОГО КАТКА

Смоляков А. А. - магистрант кафедры «Транспортно-технологические системы в строительстве и горном деле», e-mail: 2012003170@pnu.edu.ru; Шишкин Е. А. - канд. техн. наук, доц. кафедры «Транспортно-технологические системы в строительстве и горном деле», тел.: (4212) 37-52-02, e-mail: 004655@pnu.edu.ru (ТОГУ)

Использование дорожных катков, оснащенных системой интеллектуального уплотнения, позволит значительно повысить качество уплотнения покрытия автомобильной дороги за счет плавного изменения вынуждающей силы вибратора от максимального значения до нуля непосредственно в ходе технологического процесса уплотнения без остановки вибрации. Для решения указанной задачи в работе предложена конструкция вибратора в виде двух соосно расположенных дебалансных валов, каждый из которых генерирует половину необходимой максимальной вынуждающей силы. При этом дебалансные валы должны иметь возможность изменять взаимное угловое положение в процессе уплотнения. Для отслеживания и изменения угла взаимного расположения валов предложена система автоматического управления, включающая блок управления, преобразователь сигнала, устройство сравнения, логический блок, ограничитель перемещения, выполняющий разблокировку дебалансных валов, пульт оператора и датчик контроля. Основу датчика контроля составляют два индуктивных датчика, неподвижно закрепленных на раме катка и взаимодействующих с двумя задатчиками угловых импульсов. Погрешность позиционирования с помощью предлагаемой системы автоматического управления не превышает 5о, что в пересчете на отклонение величины фактической вынуждающей силы от заданной, вполне допустимо.

Ключевые слова: дорожный каток, уплотнение, система автоматического управления, дебалансный вал, центробежная сила, угол, измерение.

Устройство вибратора и принцип измерений

Постоянно растущие требования к качеству автомобильных дорог обусловливают внедрение систем интеллектуального уплотнения в дорожные катки [1-3]. При уплотнении слоев покрытия автомобильной дороги вибраци-

ВЕСТНИК ТОГУ. 2021 № 2 (61)

13Г

ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 2 (61)

онными катками возникает необходимость плавного изменения вынуждающей силы вибрационного механизма от максимального значения до нуля непосредственно в ходе технологического процесса уплотнения без остановки вибрации [4].

Один из возможных вариантов решения данной задачи показан на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция вибратора дорожного катка: 1 - наружный дебалансный вал; 2 -внутренний дебалансный вал; 3, 4 - дебалансы; 5, 6 - задатчики угловых импульсов;

7 - ограничитель перемещения; 8 - привод

Вибратор катка состоит из двух соосно расположенных дебалансных валов 1 и 2, каждый из которых генерирует половину необходимой максимальной вынуждающей силы. Вал 1 выполнен в виде полого цилиндра, внутри которого расположен сплошной вал 2. Дебалансные валы заблокированы между собой и приводятся во вращение с угловой частотой ш с помощью привода 8. Дебалансные валы имеют возможность изменять взаимное угловое положение в процессе уплотнения при помощи ограничителя перемещения 7, который фиксирует диапазон взаимной ориентации валов. Это влечет за собой изменение суммарной максимальной вынуждающей силы вибратора ¥ (рис. 2) от максимального значения, когда угол а между векторами ¥1 и ¥2 центробежных сил каждого из валов равен нулю, до нуля в случае а=180о.

На рис. 2 приняты следующие обозначения: ¥1 - центробежная сила вала 1, ¥2 - центробежная сила вала 2, ¥ - суммарная центробежная сила вибратора. При этом ¥1 =¥2.

Зависимость максимальной вынуждающей силы вибратора от взаимного положения дебалансных валов имеет вид

где а=(0^180°) - между векторами ¥1 и ¥2 центробежных сил валов 1 и 2 соответственно.

¥ = 2¥ со5—, 1 2

(1)

ВИБРАТОРОМ ВАЛЬЦА ДОРОЖНОГО КАТКА ЖЛНЖ ТОГу. 2021. № 2 (61)

а=180

Рис. 2. Суммарная максимальная вынуждающая сила вибратора

Таким образом, необходима система автоматического управления (САУ), которая будет отслеживать угол взаимного расположения валов и изменять его в соответствии с необходимым значением [5, 6].

Один из возможных вариантов реализации указанной САУ рассмотрен в данной статье.

Устройство САУ

Блок-схема предлагаемой САУ приведена на рис. 3.

Рис. 3. Блок-схема САУ: БУ - блок управления; ПС1, ПС2 - преобразователь сигнала; СУ - устройство сравнения; ЛБ - логический блок; ИМ - исполнительный механизм; РО - рабочий орган; ПО - пульт оператора; ДК - датчик контроля

Данная САУ работает по отклонению. Логический блок ЛБ выдает значение необходимой суммарной центробежной силы F0. Это значение может поступать либо от микропроцессора, работающего по определенному алгоритму, либо выбираться оператором катка вручную на пульте управления. ПС1 преобразует F0 в численное значение а0 в соответствии с выражением

F

а0 = 2 arceos—. (2)

Fi

Далее заданное численное значение угла взаимной ориентации деба-лансных валов а0 поступает на устройство сравнения СУ, где сравнивается с численным значением аф фактического угла а0 между векторами центробежной силы дебалансных валов. Сигнал рассогласования А = а0 - аф с выхо-

ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 2 (61)

да СУ поступает на вход логического блока ЛБ, который на основе анализа А вырабатывает набор сигналов, необходимых для работы исполнительного механизма ИМ. Исполнительный механизм, в качестве которого выступает ограничитель перемещения 7 (рис. 1), выполняет разблокировку валов (РО) и изменяет их взаимное положение до тех пор, пока сигнал рассогласования не станет равным нулю А=0, т.е. аф = а0.

Когда указанное условие достигнуто, регулирование прекращается, де-балансные валы блокируются и продолжают совместно вращаться с угловой частотой ю при новой значении угла взаимной ориентации а0, а, следовательно, и при новой значении максимальной суммарной вынуждающей силы ДК реализован аппаратно, а элементы ПС1, ПС2, СУ, ЛБ - программно с помощью микропроцессора.

Достигнутое значение отображается на пульте оператора ПО при

помощи индикатора. ПС2 преобразует значение аф в ¥ф согласно (1).

В качестве элемента обратной связи САУ выступает датчик контроля ДК. Основу датчика контроля составляют два индуктивных датчика Д1 и Д2, неподвижно закрепленных на раме катка и взаимодействующих с двумя за-датчиками угловых импульсов 5 и 6 соответственно (рис. 4). Задатчики выполнены в виде зубчатых дисков из ферромагнитного материала, закрепленных на дебалансных валах 1 и 2. Диск 5 имеет 36 зубьев (0^35) нарезанных на полуокружности с интервалом в 5о. Нулевой зубец используется для формирования опорного импульса. Диск 6 имеет один зубец.

На рис. 5 показана блок-схема измерения угла аф. На рис. 6 приведены временные диаграммы сигналов датчика контроля ДК. Показанное на рис. 6

о

Рис. 4. Взаимное расположение элементов датчика контроля САУ

ВИБРАТОРОМ ВАЛЬЦА ДОРОЖНОГО КАТКА ВЕСТНИК ТОГУ. 2Ш. № 2 (61)

положение дебалансных валов соответствует углу а = 0о (рис. 4), т.е. максимальной суммарной центробежной силе.

Измерение угла аф между векторами центробежных сил и ¥2 деба-лансных валов происходит следующим образом (рис. 5, рис. 6).

Рис. 5. Блок-схема измерения угла аф: Д1, Д2 - индуктивные датчики; В1, В2 - выпрямители; ОГР1, ОГР2 - ограничители уровня; Ф - формирователь опорного сигнала; СЧ - счетчик импульсов; МП - микропроцессор; З - элемент задержки

зубчатый венец б (рис. 4) 1/ /'' ]

' У.- У У У -У У У У У У1 У /*//■// .--------------" у У У У У У -1.. У У, V У У ,■■ V У' У у..

Рис. 6. Временные диаграммы сигналов датчика контроля ДК: а) - Д1 аналоговый; б) - Д1 цифровой; в) - опорный импульс; г) - Д2 аналоговый; д) - Д2 цифровой

В начале цикла измерения двоично-десятичный суммирующий счетчик СЧ (рис. 5) находится в нулевом состоянии. При поступлении на вход счет-

ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 2 (61)

чика последовательности импульсов датчика Д1 счетчик ведет их подсчет начиная с первого и заканчивая 36-м (рис. 6, б). Выходы счетчика связаны с микропроцессором МП.

В некоторый момент времени после начала отсчета, зависящий от взаимного расположения валов 1 и 2 (рис. 1), т.е. от значения угла аф, в микропроцессор поступает одиночный импульс от датчика Д2 (рис. 6, д). По переднему фронту этого импульса МП считывает текущее состояние счетчика, то есть фиксирует количество импульсов п, поступивших от датчика Д1 к моменту прихода одиночного импульса от датчика Д2. Далее вычисляется значение угла аф по формуле

где п = (0^36) - количество импульсов, поступивших от датчика Д1 к моменту прихода одиночного импульса от датчика Д2.

Полученное значение аф сравнивается с заданным значение а0 и микропроцессор МП формирует необходимые управляющие сигналы для исполнительного механизма ИМ (рис. 5).

Таким образом за один оборот вибратора выполняется одно изменение

аф.

Работа счетчика разрешена, когда на его установочном входе Я (рис. 5) присутствует сигнал высокого уровня. Это достигается подачей на указанный вход опорного импульса (рис. 6, в), вырабатываемого формирователем Ф (рис. 5). В качестве формирователя выступает одновибратор с перезапуском, который запускается нулевым импульсом датчика Д1, а каждый последующий импульс продлевает сигнал одновибратора. Опорный импульс присутствует все время пока поступают импульсы от датчика Д1. После прихода последнего (36-го) импульса опорный сигнал снимается со входа Я счетчика и низкий уровень на указанном входе обнуляет счетчик, подготавливая его к очередному циклу измерения.

Для корректной работы одновибратора необходимо выполнение следующего условия: длительность импульса одновибратора ТО должна быть больше периода ТИ следования импульсом датчика Д1 на самой низкой частоту вращения вибратора, т.е.

Элемент задержки З (рис. 5) необходим для исключения ложных срабатываний счетчика от нулевого импульса датчика Д1.

Исходя из конструктивных особенностей задатчика импульсов погрешность измерения угла аф, а следовательно, и позиционирования, составляет примерно 5о, что в пересчете на отклонение величины суммарной центробежной силы от заданной, вполне допустимо.

Параметры САУ

В табл. 1 приведен рабочий диапазон параметров вибратора для существующих моделей дорожных катков.

а, = 5° • п,

'ф

(3)

(4)

ВИБРАТОРОМ ВАЛЬЦА ДОРОЖНОГО КАТКА ЖЛНИК ТОГу. 2021. № 2 (61)

Таблица 1

Рабочий диапазон параметров вибратора

Параметр Единица измерения Значение

Частота вибрации / Гц 28-70

Угловая частота ю с-1 176-408

Скорость вращения п об/мин 1680-4500

Период Т мс 37,5-15,4

Период следования импульсов (рис. 6) определяется по формуле

T =— (5)

T f.N' (5)

где ТИ - период следования импульсов датчика Д1, мс; f - частота вибрации, Гц (табл. 1); N = 36 - число зубьев на полуокружности (рис. 4).

Длительность одного импульса ^ (рис. 6) определяется по формуле

И * 0,5ТИ. (6)

Используя данные табл. 1 и уравнения (5), (6) получим диапазоны периода импульсов и длительности импульса

ТИ = 0,496 - 0,198 мс; t„ = 0,248 - 0,099 мс. Длительность импульса одновибратора ТО (рис. 6) должна удовлетворять следующему условию

ТО > ТИтах ' (7)

где ТИ max = 0,496 мс - верхняя граница периода импульсов для существующих моделей катков.

Длительность задержки элемента задержки t3 (рис. 6) должна удовлетворять следующему условию

U > т„ . , (8)

З И mm' v *

где ТИ min = 0,099 мс - нижняя граница периода импульсов для существующих моделей катков.

Выводы

Разработанная САУ характеризуется приемлемой точностью позиционирования дебалансных валов относительно друг друга. Данная система является универсальной и может быть применена на разных моделях дорожных катков за счет корректировки параметров процесса измерения угла взаимной ориентации дебалансных валов вибратора.

Предлагаемая САУ обеспечивает плавное регулирование величины вынуждающей силы вибратора дорожного катка, что повышает его эффективность при уплотнении дорожно-строительных материалов.

ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 2 (61)

Библиографические ссылки

1. Клевцова О.Г. Интеллектуальные системы управления процессом уплотнения / О.Г. Клевцова, В.И. Иванчура, А.П. Прокопьев // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. - 2013. - Т1. - №9. - С. 200-201.

2. Кустаре в Г. В. Повышение эффективности уплотняющих машин для скоростного строительства асфальтобетонных покрытий: монография / Г. В. Кустарев. - Москва: МА-ДИ (ГТУ), 2008. - 282 с.

3. Бранд А.Э. Управление процессом уплотнения смеси дорожным катком на основе технологии интеллектуального уплотнения / А.Э. Бранд, В.О. Довбыш, Т.М. Мадьяров, В.А. Костырченко // Проблемы функционирования систем транспорта: Материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. -2014. - С. 99-102.

4. Серебренников В. С. Интенсификация уплотнения асфальтобетонных смесей вибрационным катком / В.С. Серебренников // Архитектурно-строительный и дорожно-транспортный комплексы: проблемы, перспективы, инновации: Сборник материалов III Международной научно-практической конференции. - 2019. - С. 44-47.

5. Тюремнов И.С. Обзор систем непрерывного контроля уплотнения грунта для вибрационных катков. Часть 1 / И.С. Тюремнов, А.С. Морев // Вестник Тихоокеанского государственного университета. - 2015. - № 4(39). - С. 99-108.

6. Морев А.С. Обоснование показателя уплотнения для системы непрерывного контроля уплотнения грунта вибрационными катками: автореферат дис. канд. техн. наук. -Ярославль, 2017. - 22 с.

Title: The System of Automated Control of Road Roller Drum Vibrator Authors' affiliation:

Smolyakov A. A. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation Shishkin E. A. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation

Abstract: The use of road rollers equipped with an intelligent compaction system will significantly improve the quality of compaction of the road surface by smoothly changing the driving force of the vibrator from the maximum value to zero directly during the compaction process without stopping vibration. To solve this problem, the work proposes a vibrator design in the form of two coaxially located unbalanced shafts, each of which generates half of the required maximum driving force. In this case, the unbalanced shafts should be able to change the mutual angular position during the sealing process. To track and change the angle of the relative position of the shafts, an automated control system is proposed, which includes a control unit, a signal converter, a comparison device, a logical unit, a displacement limiter that unlocks the unbalanced shafts, an operator panel and a control sensor. The control sensor is based on two inductive sensors fixed on the roller frame and interacting with two angular impulse generators. The positioning error using the proposed automated control system does not exceed 5 degrees, which is quite acceptable in terms of the deviation of the actual driving force from the specified one.

Keywords: road roller, compaction, automatic control system, unbalance shaft, centrifugal force, angle, measurement.