混凝土泵車臂架抑振技術(shù)研究與應(yīng)用

沈明星,方藝平

(泵送研究院,三一重工股份有限公司,湖南長沙,410100)

混凝土泵車臂架抑振技術(shù)研究與應(yīng)用

沈明星,方藝平

(泵送研究院,三一重工股份有限公司,湖南長沙,410100)

混凝土泵車在泵送換向過程中產(chǎn)生液壓沖擊、混凝土不連續(xù)沖擊、沖擊頻率與臂架固有頻率區(qū)接近,使得末節(jié)臂架在垂直方向抖動達1米以上,直接影響了臂架的壽命及操作人員的人身安全,同時泵車臂架是一個大慣性、大延遲、非線性系統(tǒng),傳統(tǒng)控制方法很難奏效,全球主要泵車制造廠家均不遺余力地進行減振研究.本文概述了國內(nèi)外一些廠家在被動減振控制、主動減振控制的研究成果與進展,并對臂架振動抑制控制技術(shù)進行了展望.

振動控制; 泵車; 臂架; 減振

0 引言

混凝土泵車是一種用于輸送和澆注混凝土的專用機械,它配有裝載于多節(jié)臂架上的特殊輸送管,可以將混凝土沿管道連續(xù)輸送到澆注現(xiàn)場.在工作過程中不可避免會出現(xiàn)臂架的振動,引起泵車臂架振動主要有以下兩方面原因:

(1) 由液壓系統(tǒng)本身引起的沖擊.泵送工作是依靠擺動油缸配合主油缸的往復(fù)換向運動來實現(xiàn)的.特別在開式系統(tǒng)中,主油泵流量很大,主油缸運動速度很快,換向時間短,換向閥在換向時會產(chǎn)生巨大的壓力沖擊,改善換向閥的換向性能可以減小沖擊,但不能消除沖擊.

(2) 由混凝土負載變化引起的沖擊.主油缸由吸入行程到泵送行程換向停頓的瞬間,分配閥導(dǎo)通,輸送缸中的低壓混凝土與管路中的高壓混凝土接觸產(chǎn)生巨大壓力,通過輸送管傳遞給臂架.因此,一方面在換向前的瞬間,減少主油泵流量,降低對主缸的沖擊,另一方面在換向后的瞬間,應(yīng)迅速增加主油泵流量對混凝土預(yù)壓縮,實現(xiàn)混凝土連續(xù),降低對輸送管的沖擊.

臂架受到?jīng)_擊而發(fā)生振動.尤其,當(dāng)液壓沖擊頻率與臂架的最低階固有頻率耦合時,將會發(fā)生共振,特別是末端臂架處垂直方向上可能出現(xiàn)較大的振幅.振動引起臂架出現(xiàn)早期裂紋甚至斷裂,也使得泵車穩(wěn)定性變差引起傾翻,同時影響澆注工程施工質(zhì)量、增加施工難度,危害操作人員安全.

1 被動振動控制

1.1 被動振動控制的主要原理

根據(jù)振動系統(tǒng)的分析,可以得出控制振動幅值的主要因素:

(1) 降低干擾力幅值.

(2) 改變干擾力頻率與系統(tǒng)固有頻率之比.即通過改變臂架的結(jié)構(gòu)形狀、采用彈性元件協(xié)調(diào)剛度和質(zhì)量,也可以通過抑振器改變系統(tǒng)的固有頻率.

(3) 在機械機構(gòu)內(nèi)增加阻尼力,即通過在系統(tǒng)上增加一個專門的阻尼器或阻尼材料來減小振幅.

1.2 被動臂架減振應(yīng)用實例一——閉式液壓系統(tǒng)

普茨邁斯特公司在泵送回路采用閉式系統(tǒng)(或稱為自由流動系統(tǒng)FFH-Free Flow Hydraulics),如圖1所示,油泵是雙向的,泵送油缸的換向是靠油泵換向?qū)崿F(xiàn)的,油泵處于中位(斜盤擺角為零)時,泵送油缸處于停止?fàn)顟B(tài),做到了泵送換向零排量控制,可使液壓沖擊降到最低.另外,在閉式系統(tǒng)中同時采取SN控制閥技術(shù),能有效消除由于泵送換向時低壓砼與高壓砼接觸時造成的液壓沖擊及主油泵吸空.

圖1 閉式泵送液壓系統(tǒng)簡圖Fig.1 Schematic of closed pump hydraulic system

1.3 被動臂架減振應(yīng)用實例二——換向流量調(diào)節(jié)

由于吸入料缸的混凝土中含有空氣,此時的混凝土具有較大的壓縮性.在換向結(jié)束后,系統(tǒng)要求主油泵給主油缸最大的流量、以最快的速度壓實吸入的混凝土.當(dāng)輸送缸中的壓實混凝土與管路中的高壓混凝土接觸時,又要求主油泵流量迅速減少,提供足夠的推力,而后再以正常速度泵送.因此依照如圖2所示的主油泵流量循環(huán)簡圖控制主油泵流量能夠有效減小沖擊[1].

圖2 主泵流量循環(huán)圖(左圖為實測流量,右圖為過程分析)Fig.2 The main pump flow diagram(left:measured flow,right:process analysis)

1.4 被動臂架減振應(yīng)用實例三——混凝土連續(xù)泵送

如圖3所示,在出料口上設(shè)置一個補償油缸,泵送期間,出料口中的一部分混凝土進入該補償缸預(yù)存,分配閥工作期間,補償缸啟動工作將其缸內(nèi)預(yù)存的混凝土排出,補償因分配閥切斷造成輸送管中的混凝土輸送中斷,從而實現(xiàn)連續(xù)泵送[2].

1.5 被動臂架減振應(yīng)用實例四——提高固有頻率

試驗研究表明,現(xiàn)有泵車臂架系統(tǒng)一階固有頻率與泵送工作頻率部分重合,引起較大振動.通過改變結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量、剛度和自由度來提高或降低泵車臂架的一階固有頻率以避開工作頻率.普茨邁斯特和施維茵均在減輕臂架重量上采取了積極措施,如采用特殊材料、復(fù)合材料降低質(zhì)量,同時提高其剛度,使臂架的固有頻率提高,避開沖擊干擾的頻率[3-5].

1.6 被動臂架減振應(yīng)用實例五——阻尼隔振材料

在振動傳遞的過程中增加阻尼力,通過粘彈性阻尼材料來消耗能量.合成橡膠作為常見的阻尼材料被廣泛應(yīng)用于工程機械領(lǐng)域.在泵車中,泵送系統(tǒng)、發(fā)動機等產(chǎn)生振動的部件與底盤連接部位,多采用橡膠墊附著于連接處表面,有效減小了一部分通過底盤向臂架傳遞的振動.

圖3 補償缸系統(tǒng)液壓機械原理圖Fig.3 Hydraulic machinery principle diagram of compensating cylinder system

2 主動振動控制

2.1 主動振動控制的主要原理

振動的主動控制又稱為振動的有源控制,是指利用某種外部能量產(chǎn)生一種可以控制的作用力或位移來抵消振動.由圖4可見,在系統(tǒng)中設(shè)置一個可控的動力裝置,一般這種動力裝置均采用液壓缸.液壓缸在電磁閥的控制下,產(chǎn)生一個與質(zhì)量m的位移x方向相反,大小相等的位移u,即u+x=0.

圖4 主動減振系統(tǒng)的工作原理Fig.4 The working principle of active vibration reduction system

主動振動有開環(huán)控制與閉環(huán)控制.閉環(huán)控制又稱為反饋控制,是目前用的比較多的一種.主動振動有很多優(yōu)點,減振效果好,能適應(yīng)不可預(yù)知的外界擾動以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性,對原結(jié)構(gòu)的改動不大,調(diào)整方便.

2.2 主動臂架減震應(yīng)用實例一——開環(huán)油缸補償抑振控制

通過試驗及ADAMS動力學(xué)仿真分析發(fā)現(xiàn),造成臂架大幅振動原因是主輸送缸的液壓沖擊是周期性的,除沖擊的頻率(激勵頻率)與臂架的固有頻率接近導(dǎo)致共振外,沖擊的幅值大小也是導(dǎo)致臂架振動大的原因,液壓沖擊大小與泵送排量大小存在對應(yīng)關(guān)系.

圖5 液壓系統(tǒng)原理Fig.5 Hydraulic system principle

國內(nèi)某企業(yè)開發(fā)了開環(huán)油缸補償抑振技術(shù),在每個周期內(nèi),給臂架某個油缸施加反向抑制力,在不同排量給予不同的抑制力.控制的液壓原理如圖5(a)s所示[6].

2.3 主動臂架減震應(yīng)用實例二——閉環(huán)并聯(lián)彈簧阻尼補償控制

將臂架油缸等效為帶彈簧和阻尼裝置,分析在臂架油缸處的力有:

(1)

式中Ft(t)——由擾動產(chǎn)生作用于油缸活塞桿上的力；

d——臂架油缸等效阻尼系數(shù)；

c——臂架油缸等效彈性系數(shù)；

s(t)——臂架油缸的位置；

根據(jù)式(1)可得,

(2)

在設(shè)計臂架油缸時是可以確定彈性系數(shù)和阻尼系數(shù),位移傳感器可以測定臂架油缸位移量,通過活塞桿運動的速度、以及根據(jù)兩活塞腔的壓力可以判斷活塞的運動方向.采取如圖6控制框圖的控制方法,可以通過速度控制器控制液壓缸操作閥來達到有效抑制振動的理想速度[7].

圖6 操作系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of operating system

2.4 主動臂架減震應(yīng)用實例三——閉環(huán)補償抑振控制

如圖5(b)所示,該例通過對設(shè)置在末端臂架的液壓油缸的輔助壓力源進行控制來減小末端臂架振動幅值.通過傳感器測量末端軟管同水平基準面間的距離,包括:(1)用于獲得布料桿頂端和基準面之間距離信息的距離傳感器,(2)主要位于布料桿末端的加速傳感器;(3)用于吊架末端部分的傾角傳感器.在一個比較電路中與一個可設(shè)定的數(shù)值進行比較進行,比較電路不斷產(chǎn)生輸出信號,這些輸出信號包含了關(guān)于臂架末端位置與平衡位置的差值.比較電路產(chǎn)生的輸出信號由處理電路根據(jù)末端振動量的大小轉(zhuǎn)換成輔助液壓源流量大小的控制信號,控制臂架油缸運動,進而控制末端軟管回到平衡位置[8].

2.5 主動臂架減震應(yīng)用實例四——最優(yōu)H_∞狀態(tài)反饋控制器設(shè)計

臂架對象具有大遲延、大慣性、時變性和非線性等特點,采用傳統(tǒng)的控制方法很難獲得滿意的控制性能.對系統(tǒng)模型的參數(shù)不確定性進行了分析,并把其歸結(jié)為標(biāo)準的H∞設(shè)計問題.綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)時間等指標(biāo),采用具有閉環(huán)區(qū)域極點約束的最優(yōu)H∞狀態(tài)反饋控制器設(shè)計方法,使用線性矩陣不等式(LMI)方法對其進行求解.

(3)

(4)

(5)

(6)

式中W1——性能加權(quán)函數(shù)；

W2——魯棒加權(quán)函數(shù)；

P——操作量到電源裝置而設(shè)置的控制對象；

Pd——外干擾力到電源裝置而設(shè)置的控制對象；

Pyd——從干擾d的輸入到電源裝置輸出yp的傳遞函數(shù)；

Pyr——從操作者u的輸入到電源裝置輸出yd的傳遞函數(shù)；

W1,W2——各控制量z1,z2的加權(quán)函數(shù),z1,z2表示控制量,W表示假設(shè)干擾；

yp——電源裝置輸出.

仿真及實測結(jié)果表明,基于LMI方法的魯棒控制策略,可以有效抑制被控對象參數(shù)變化及控制器參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響,提高系統(tǒng)的魯棒性[9].

圖7 采用本例時的脈沖反應(yīng)圖Fig.7 The impulse response in this case

8 采用以往手法時的脈沖反應(yīng)Fig.8 Impulse response in the past

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

(1) 分析了泵車臂架振動產(chǎn)生的主要原因是兩活塞缸工作換向時,載荷交替變化產(chǎn)生的沖擊.尤其當(dāng)液壓沖擊頻率與臂架的最低階固有頻率耦合時,會加劇臂架的擺動.

(2) 通過對主動、被動控制理論的分析,概述了減小振動的主要措施.主要包括,降低干擾力幅值、改變干擾力頻率與系統(tǒng)固有頻率之比、在機械機構(gòu)內(nèi)增加阻尼力等被動控制方法,及通過實時改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、產(chǎn)生與干擾力作用相反的力或力矩等主動控制方法.

3.2 展望

(1) 泵車臂架系統(tǒng)屬于輕質(zhì)、大型、重載的柔性臂系統(tǒng),該系統(tǒng)既可做空間大范圍剛體運動與彈性變形相互耦合的運動,又是混凝土的輸送載體,是典型的多輸入、多輸出、高度非線性、多種物理規(guī)律耦合的復(fù)雜系統(tǒng).因此在以后的研究中應(yīng)注重整體振動分析,提出液壓部分、控制部分、機械部分相結(jié)合的整體減振方案.

(2) 在主動振動控制方面,泵車臂架的現(xiàn)階段主要重視對施加實時外力方面的振動控制的研究和應(yīng)用.隨著振動學(xué)科的發(fā)展,出現(xiàn)剛度可調(diào)的彈性元件和阻尼可調(diào)的阻尼元件,可以考慮設(shè)計剛度、阻尼和外力可綜合調(diào)節(jié)的臂架減振系統(tǒng).

(3) 泵車臂架是一種大慣量系統(tǒng),在縱向垂直變幅或橫向回轉(zhuǎn)啟動、制動時存在明顯的晃動,這也是臂架抖動需要抑制的一個重要方面.較常用的是液壓調(diào)節(jié)方法如:基于壓差傳感的進、出口節(jié)流獨立調(diào)節(jié),可以縮短大慣量負載加速時間,避免減速及制動過程中出油側(cè)的壓力沖擊.另一種方法是電流調(diào)節(jié),使操作多路閥的比例電流按照一定規(guī)律的斜坡函數(shù)輸出,而不是原來的階躍函數(shù),可使施工時臂架運動平穩(wěn).

(4) 在進行理論探討振動控制方案的同時,也要注意試驗研究的重要性,只有理論模型是不可靠的,是否可行需要得到試驗的驗證.

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Research and application of vibration-suppression technologies for truck mounted concrete pump booms

SHEN Ming-xing,FANG Yi-ping

(Academe of Concrete Pump,SANY Heavy Industry Co.Ltd.,Changsha 410100,China)

Due that the truck mounted concrete pump produces hydraulic and concrete impacts on pump exchanging, the upright amplitude of bottom boom, which exceeds one meter, affect the handler life and safety. Subsequently, such manufacturers as SANY attempt efforts on vibration suppression, whereas active control and passive controls on vibration are reviewed. Consequently, the technological advances of vibration suppression are presented for truck mounted concrete pump booms.

Vibration control; Truck mounted concrete pump; Boom; Vibration suppression

國家“863”研發(fā)項目(2008AA042802_混凝土泵車遠程監(jiān)控及維護應(yīng)用系統(tǒng)研制)。

沈明星(1982-),男,工學(xué)碩士,主任工程師.E-mail:shenmx@sany.com.cn.

TH 161

A

1672-5581(2016)06-0487-06