综合报告

本研究题为《Design and Research of Hydraulic Screed Test Bench》，由 Zhe Wang, Xiajie Jing 和 Keli Xing 等作者完成，隶属于上海大学机电工程与自动化学院。这篇论文发表于 IOP Conference Series: Earth and Environmental Science，卷号 634，编号 012078，DOI 为 10.¹⁰⁸⁸⁄₁₇₅₅-1315/634/1/012078，出版时间为 2021 年。

研究背景与目的

随着我国公路建设的快速发展，摊铺机作为路面基层与面层施工的重要设备，其应用日益广泛。熨平板（screed）是摊铺机的核心部件，直接影响铺设材料的夯实与压实效果，而熨平板的性能也决定了路面施工的质量。为了保证摊铺机的整体性能，必须对熨平板进行全面、科学的性能测试。然而，传统测试方法难以满足复杂多变的测试需求，本研究旨在设计一套液压熨平板测试台。这套系统可以进行熨平板的功能测试、数据记录与分析，并为熨平板的设计和生产提供科学参考。

工作流程与系统设计

本研究的工作流程包含液压系统设计、测量与控制系统设计、软件开发以及测试实验的多个环节。

1. 液压系统设计
   液压系统的核心是两个由 22 kW 变频电机驱动的液压泵。两台泵的最大流量为 156 L/min，通过反向阀（reversing valve）和分流阀（diverter valve）实现流量分配，从而适应不同测试项目的需求。系统最大压力通过先导式溢流阀（pilot relief valve）控制，分别为 16 MPa 和 10 MPa。液压油的流量由螺旋流量计测量，并实时反馈到仪器中，用于监控与分析。当熨平板液压缸动作时，系统可确保进入液压缸的流量一致，从而保证伸缩同步性。在夯锤（tamper）与振动等动态部件的液压回路中，通过比例方向阀（proportional directional valve）控制电机转速，进而调节流量。

2. 测量与控制系统设计
   测量与控制系统由工业计算机（IPC）、PLC、数据采集卡（PCI-1710U）、隔离模块、仪器和比例放大器等组成。IPC 是系统的核心控制节点，用于实现人与测试系统的交互，负责从下位机接收数据并发出指令。数据采集卡通过 PCI 总线与 IPC 连接，负责采集传感器信号，并输出模拟量控制变频器电机转速。此外，比例放大器通过 Modbus 协议的 RS-485 通信接口实时输出电流，减少了现场电磁干扰。

3. 软件开发
   测量与控制软件采用 LabVIEW 开发，遵循模块化编程思想，主要包括以下模块：

   • 数据采集模块：通过传感器采集电信号并转为实际值。
   • 测试参数设置模块：可设置传感器标定参数及液压缸自动测试参数。
   • 自动测试模块：执行针对液压缸与系统其他功能部件的检测。
   • 数据记录模块：记录所有测试数据并生成测试报告。 通过这些模块可以实现对熨平板液压系统的全面监测与调控。

研究的主要实验与结果

1. 熨平板伸缩测试
   在摊铺机实际操作中，为适应道路宽度的变化，需通过液压缸精确控制熨平板的左右伸缩距离，从而实现摊铺宽度的无级调节。本研究通过自动测试方法，精确记录液压缸伸缩过程中的压力和速度。根据实验结果，分析了液压缸的伸缩压力关系，并利用性能公式计算压力比值。实验中，保持系统流量为 55 L/min，每个液压缸接收到一半流量，液压缸的理论伸缩时间与实际测量值基本一致，左液压缸的伸展时间为 14.5 秒，回缩时间为 9.3 秒，而右液压缸则分别为 15.3 秒和 9.5 秒，说明液压缸的配合良好。

2. 熨平板夯锤测试
   夯锤系统是熨平板的重要组成部分，直接影响路面的平整度与密实度。研究发现，夯锤马达的转速与输入的电信号基本呈线性关系。通过测试振动压力幅值随输入电信号的变化规律，发现当马达转速为 1000 rpm（对应 16 Hz 频率）时，产生最大振动幅度，且在 800-1200 rpm 范围内发生共振。基于实验结果，研究建议调整熨平板的机械结构以避开共振频段，提高其稳定性。

3. 熨平板弯拱检测与位移拟合
   为了满足不同路面形状对弯拱的需求，测试台在熨平板底部安装了 8 个角度传感器，实时检测熨平板的角度数据，并通过拟合算法计算变形位移。研究提出两种拟合方法：

   • 方法一：直接拟合法，通过分段计算位移并进行三次多项式拟合。
   • 方法二：积分拟合法，拟合斜率函数后通过积分得到位移函数。 实验表明，积分拟合法误差更小（残差平方和 RSS = 1.6），而直接拟合法误差偏大（RSS = 38.9）。但若传感器数量足够多，直接拟合法的误差可显著降低。

结论与意义

实验结果表明，本研究设计的液压熨平板测试台在性能、精度与稳定性方面均满足熨平板测试的需求，能够完成熨平板伸缩、夯锤振动与弯拱状态的全面检测。这一测试台的开发具有重要的科学价值和实际意义： 1. 提供了高精度的测试工具，可全面覆盖熨平板的性能测试需求。 2. 自动化控制与数据分析解决了传统人工测试的不便，提高测试效率。 3. 通过研究共振频率与振动特性，为熨平板的机械优化设计提供了指导依据。 4. 提出的弯拱检测方法具有较高的可靠性，为后续路面施工质量提升提供参考。

研究亮点

1. 测试台采用模块化设计，包括液压系统、电控系统与软件系统的协同优化。
2. 在液压系统中引入分流阀与比例方向阀，创新性地实现同步性和动态调节。
3. 提出两种拟合方法对弯拱检测提供科学解决方案，对工程施工有重要参考价值。
4. 系统自动化程度高，通过 LabVIEW 软件有效联通硬件与操作平台。

总体而言，本研究在熨平板测试领域为科学研究及工程应用提供了突破性的技术方案与理论支持，对公路施工装备的优化改善具有指导意义。