混凝土噴漿車臂架抑振控制研究與應(yīng)用

萬(wàn)林林，曹希龍，張淑君，張衛(wèi)國(guó)，何繼盛，李明明

（徐州徐工施維英機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

混凝土噴漿車是一種隧道支護(hù)混凝土噴漿作業(yè)的專用設(shè)備。它主要應(yīng)用于公路鐵路隧道、地鐵、礦山巷道等領(lǐng)域。噴漿車在施工過(guò)程中仍存在臂架晃動(dòng)量大，操作手操作體驗(yàn)差等缺陷，造成噴漿作業(yè)噴頭定位精準(zhǔn)度差，進(jìn)而導(dǎo)致噴漿混凝土表面平整度差。如何減少臂架晃動(dòng)量，降低現(xiàn)場(chǎng)操作難度，提高噴漿作業(yè)時(shí)噴頭定位精度，成為近年來(lái)混凝土噴漿車升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 噴漿車臂架控制工作原理

目前，行業(yè)內(nèi)混凝土噴漿車臂架作業(yè)由轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、臂架變幅、臂架伸縮、末端噴頭旋轉(zhuǎn)等配合完成。這種結(jié)構(gòu)方式既能夠單獨(dú)運(yùn)行動(dòng)作又能同時(shí)組合運(yùn)行動(dòng)作，能最大限度增加臂架展開(kāi)自由度，增加狹小空間內(nèi)作業(yè)面積。噴漿車結(jié)構(gòu)如圖1所示。

臂架控制系統(tǒng)由依次連接的液壓油缸、油路管、電液比例閥、控制器、遙控器組成?？偩€型遙控器通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送手柄控制信號(hào)至控制器，控制器采用可控的PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)，電路中輸出可變的開(kāi)關(guān)電壓，來(lái)驅(qū)動(dòng)電液比例閥閥芯位移，從而控制液壓油路的流量和壓力，液壓油缸驅(qū)動(dòng)臂架動(dòng)作。

圖1 混凝土噴漿車結(jié)構(gòu)圖

2 臂架振動(dòng)原因分析

噴漿車臂架展開(kāi)后的縱向變幅、橫向回轉(zhuǎn)是一種較大的慣性系統(tǒng)。在啟動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程中負(fù)載及本身慣性沖擊會(huì)對(duì)臂架產(chǎn)生較大沖擊，從而產(chǎn)生晃動(dòng)。

再者，噴漿車臂架帶有伸縮功能，臂架需要用柔性的混凝土輸送管和氣路軟管進(jìn)行連接。在臂架啟動(dòng)和停止時(shí)，剛性臂架運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)柔性管路運(yùn)動(dòng)。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，柔性的軟管無(wú)法替代，臂架啟動(dòng)停止時(shí)，應(yīng)盡量減少軟管對(duì)臂架的慣性拖拉作用，以降低、消除其對(duì)臂架平穩(wěn)性的影響。

在啟動(dòng)、制動(dòng)階段抑制慣性參量加速時(shí)間可以有效抑制臂架晃動(dòng)。在不改變臂架結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)下選用合理的控制策略，可以在一定程度上彌補(bǔ)機(jī)械的性能缺失造成的臂架晃動(dòng)的現(xiàn)象。

3 抑振原理及策略

遙控手柄開(kāi)度值與控制器PWM端口輸出成一定的比例關(guān)系。電液比例閥閥芯位置基于PWM原理控制，一旦閥芯到達(dá)位置，脈寬調(diào)制結(jié)束，閥芯位置鎖定。假設(shè)忽略比例閥響應(yīng)遲滯，理想狀態(tài)下，臂架油缸伸縮速度與手柄操作速度成一定比例關(guān)系。如圖2所示。遙控手柄幅度與控制器輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。在t1、t2階段由于時(shí)間較短，這一階段變化過(guò)程可看成階躍響應(yīng)，遙控手柄從零位至滿行程，速度越快臂架晃動(dòng)量越大。通過(guò)測(cè)量臂架速度及振動(dòng)量，發(fā)現(xiàn)加速度越大帶來(lái)臂架晃動(dòng)沖擊越大。在某個(gè)加速區(qū)間內(nèi)，臂架動(dòng)作即能滿足工況要求，在此區(qū)間內(nèi)臂架具有較好的平順性。臂架油缸平均速度與臂架晃動(dòng)振幅關(guān)系如表1所示。

圖2 臂架伸速與手柄幅度

圖3 手柄幅度與控制器輸出

表1 臂架油缸平均速度與臂架晃動(dòng)振幅

表2 手柄開(kāi)度與端口輸出電流對(duì)應(yīng)表

按照以上思路，如果在相同操作下可以降低多路閥響應(yīng)速度，使控制多路閥的輸出比例電流按照一定緩沖曲線輸出，可有效降低突然啟停引起的沖擊，從而保證起動(dòng)和停止階段臂架平穩(wěn)運(yùn)行。所以在t1、t2階段，加入緩沖曲線度，使得初始階段緩慢輸出，后段快速輸出。通過(guò)控制器采集手柄開(kāi)度數(shù)值（取值范圍0～127）與端口輸出電流相應(yīng)變化數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

通過(guò)采集數(shù)據(jù)，擬合手柄開(kāi)度值與比例閥電流（mA）緩沖曲線，如圖4所示。通過(guò)修訂及應(yīng)用比較不同曲線輸出效果，確定3型擬合曲線。

圖4 手柄開(kāi)度與比例閥電流擬合曲線

由于t1、t2變換時(shí)間短，在應(yīng)用緩沖曲線輸出后，臂架抑振效果有限，為進(jìn)一步提升抑振效果，需要降低端口輸出響應(yīng)。根據(jù)控制原理，設(shè)計(jì)一階慣性環(huán)節(jié)軟件算法。

其中，a為慣性系數(shù)，Y(n-1）為上次輸出值，X(n)為本次采樣值。此慣性濾波算法能使本次采樣值與上次輸出值進(jìn)行加權(quán)，使得輸出對(duì)輸入有一定反饋?zhàn)饔茫瑥亩行Ы档褪直蛔儗?duì)比例閥輸出響應(yīng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)噴漿車臂架振動(dòng)影響因素分析，明確了臂架抑振控制的控制方式，通過(guò)引用緩沖曲線及慣性算法，優(yōu)化控制策略，在一定程度上有效彌補(bǔ)機(jī)械特性帶來(lái)的性能缺失。經(jīng)過(guò)場(chǎng)內(nèi)及施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，噴漿車臂架晃動(dòng)明顯降低，操作可控性、臂架工作壽命均得到了提升。