全环境足尺路面加速加载设备控制系统设计

管志光，张吉卫，杨福广

（1.山东交通学院工程机械学院，山东 济南 250357；2.山东交通学院轨道交通学院，山东 济南 250357）

1 引言

道路损坏机理、材料服役性能和道路设计评价等已成为制约交通基础设施建设的世界性难题，由此造成的经济损失和社会影响难以估量。目前国际上采用加速加载实验系统，通过可控、重复的轮荷，对实际路面进行连续作用，在短时间内实现路面的累积破坏，模拟路面结构和材料的破坏规律，建立轮荷与材料服役性能之间关系，为路面结构和材料的理论研究、精准设计、施工工艺优化提供依据。

当前世界上仅有南非、澳大利亚、美国等国家生产路面加速加载试验设备，国内仅有山东交通学院研发并实现了生产销售。国内现有足尺路面加速加载试验设备10台，其中进口7台，山东交通学院生产3台。进口设备价格昂贵、可靠性差、能耗大，且无法实现碾压荷载、碾压速度、碾压次数、温度、湿度、光照等参数的适时采集和系统集成。

这里对路面加速加载设备原理、结构、控制方式和数据检测等方面进行研究，研发了一套具有自主知识产权的全环境足尺路面加速加载试验系统，能通过模拟特殊地域环境、车辆速度与荷载，对不同材料与结构的道路进行实验，在短时间内快速实现道路长期服役性能的评价预测。

2 全环境足尺路面加速加载设备

所研发生产的全环境足尺路面加速加载设备由车身总成、加载单元、行走系统和综合环境模拟系统组成，如图1所示。设备总重量为46.5t，工作状态时设备总体尺寸为长×宽×高：17180×3900×3350（mm），转场状态时设备总体尺寸为长×宽×高：17180×3000×3750（mm）。全环境足尺路面加速加载设备与现有足尺路面加速加载设备主要技术指标对比，如表1所示。

图1 全环境足尺路面加速加载设备Fig.1 Total-Environment Full-Scale Pavement Accelerated Loading Facility

表1 主要技术指标对比Tab.1 Comparison of Main Technical Parameters

3 控制系统设计

全环境足尺路面加速加载设备是结构复杂、工作环境恶劣的机电液一体化大型工程机械，采用分布式控制具有明显的优势。针对全环境足尺路面加速加载设备的要求，结合国内外的研究成果，对其控制方式进行研究，使之测量精度和稳定性更好地满足要求。本系统分为下位机系统、上位机系统，如图2所示。上位机系统实现路面加速加载设备的控制、环境系统的控制和相关数据的采集、信息发送等功能。下位机通过接收上位机命令和运行参数，控制系统运行。

图2 控制系统Fig.2 Control System

3.1 下位机系统设计

全环境足尺路面加速加载设备工作时，碾压荷载不断作用于路面。通过与之配套的路面应力、应变和温度等参数测试仪，获取试验数据。

2019年6月至2019年11月，全环境足尺路面加速加载设备用于浙江建金高速公路上科研项目，实验现场，如图8所示。实验参数设置为单轴荷载17t，碾压速度10km/h，实验累计运行96天，平均每天运行12h，共碾压约460 万次，本次实验测得功耗28kW/h，噪音70dB。

全环境足尺路面加速加载设备工作时按下运行按钮，加载车沿加载轨道按设定正方向运行，当运行一定次数后，启动润滑系统进行链条润滑。如果设置横移功能，设备在运行过程中按照设定的次数实现窄分布或宽分布的横移。所有参数设置均通过工控机组态界面。控制系统原理，如图3所示。

图3 控制系统原理图Fig.3 Control System Schematic

由于车辆实际运行时路面横断面承受车轮碾压次数不同，车轮碾压轨迹的横向分布不均匀。本系统在运行过程中，根据设定值能够在窄分布或宽分布范围内实现正态分布形式的横移。全环境足尺路面加速加载试验设备横移控制装置采用位移传感器实时测量横移距离和横移方向，结构简单，响应时间短，机械误差小，精度高，能更好地再现车辆实际运行时对路面的碾压情况。设备能够实现自动横移并具有记忆功能，从而提高试验结论的准确性和试验效率。控制单元根据位移传感器的信号，使全环境足尺路面加速加载试验设备前后端稳定同步横移。初始运行时，设备初始化为居中位置，运行设定次数后，设备横向移动一定距离。在本系统中，碾压轮横向位移区间为［-420mm，420mm］，碾压轮单次横向移动距离为20mm，在横移区间内采用标准正态分布计算不同位移处的碾压次数与项目总碾压次数的比值，得到的图像，如图7所示。

3.2 上位机系统设计

庄园安排员工互换岗位，进行不同工作体验。把自己的专业带进其他工作中去，改进工作方法及效率，不断提升服务孤残儿童的质量。

4.1 保护资源的多样性、完整性、真实性 对于自然资源及环境的保护，要以系统观、整体观的角度认知和实施。坎布拉园区的地质地貌、气候、土壤、水文、生物等资源与环境要素构成了一个整体的生态系统，对其保护首先是对其完整性进行保护。要保护构成整个园区自然系统的各个组成部分与自然过程，如自然丰富性、多样性、动植物物种遗传与生态系统的完整性。对于民族文化、宗教文化资源在保存、修缮、利用的过程中，确定恰当的保护手段，最大限度地保护文化资源的真实性、完整性、可持续性。

图4 主界面Fig.4 Main Interface

图5 参数设置界面Fig.5 Parameter Setting Interface

图6 运行界面Fig.6 Running Interface

经过实验验证，这里设计的全环境足尺路面加速加载设备性能优越，主要性能均优于国际现有足尺路面加速加载设备，其主要特征如下：

3.3 横移控制系统设计

下位机系统主要实现路面加速加载试验设备的良好运行，系统操作简便，可靠。操作按钮和系统运行信息均集成在控制柜人机界面上，在下位机系统中，各传感器、按钮、变频器、短信模块和工控机均与PLC连接。

图7 横向偏移正态分布图Fig.7 Normal Distribution in Transverse Motion

4 实验

根据双曲线模型公式计算时间折扣率：Vt=V/(1+kt)，其中t表示延迟的时间(1/3/6/12个月)，Vt是远期结果的现值(100元)，V是被试所期待的远期结果，k是时间折扣率。k值越小表示在跨期决策中的远期偏好越强烈，k值越大表示越为短视。分别计算出被试在4个不同延时的跨期决策任务中的k值，取其平均数作为因变量指标。

在加载过程中，碾压荷载、碾压速度、碾压次数、温度、湿度和光照度的测量和控制决定了加载效果和加载效率。

图8 浙江建金高速实验现场Fig.8 Field Experiment in Zhejiang Jianjin Expressway

5 结束语

设备运行过程中，通过组态软件编写脚本代码将所有的报警信息、设备碾压次数等信息实时保存至不同的数据库中。

冬季锻炼应根据自身的体质特点，选择适合自己的运动强度，既不可长时间静止不动，也不可过量运动。运动时可采用鼻腔或口鼻混合呼吸的方法，减少冷空气对呼吸道的不良刺激。

（1）该系统人机界面友好，操作方便；

我们在实务中使用个案工作的方法。从个人、家庭和社区的角度看，每位病人都应单独地予以研究，以便找出导致他无法保持一种健康和独立生活状态的各种障碍因素。

2018年5月至2018年8月，全环境足尺路面加速加载设备在重庆交通大学土木实验室进行实验，实验参数设置为单轴荷载18t，碾压速度10km/h，模拟温度为41℃，相对湿度为40%，实验累计运行60天，每天运行16h，共碾压约380万次，实验实测功耗为42kW/h，噪音70dB。

（2）系统采用模块化设计，维护方便，实用性强；

由于本系统在运行过程中，需要对设备运行进行控制，而且要实时显示碾压荷载、碾压速度、碾压次数、温度、湿度和光照度等参数，为了系统简便，设计了采用工控机组态软件的实时显示方式。PLC采集到工作参数后，通过以太网方式与工控机通信在线显示相关参数。上位机软件采用WinCC编制，上位机系统分为主界面、参数设置界面和运行界面等，所有界面均受主界面控制。各界面，如图4～图6所示。

（3）设备集成了温度、湿度、淋雨和光照等功能，能够真实模拟自然环境或实验要求的环境条件；

建材质量检测系统需包括多种试验类型的多样检测和报告发放管理功能。例如实现钢材焊接、砼抗渗和抗压、钢材力学、砖抗折和抗压、水泥、砼配合比、砂浆、烧结多孔砖、砂浆配合比、砂石检验、烧结普通砖等多种试验类型的多样检测。

（4）设备碾压速度、碾压荷载、温湿度、光照等可调可控，效率高；

（5）设备能够在[-420 420]之间按正态分布横移。