泵車與攪拌車自適應協(xié)同作業(yè)研究

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引言

在混凝土施工過程中,攪拌車將商品混凝土由攪拌站運送到施工現(xiàn)場后,由現(xiàn)場卸料工人手動操作攪拌車的卸料開關,向泵車的料斗中卸料,再由泵車將混凝土泵送到澆筑地點。在卸料過程中,操作工人需根據(jù)泵送速度和料斗內料位高度情況實時調整卸料速度,避免造成料斗內混凝土溢出或吸空。溢出將造成混凝土的浪費,提高施工成本;吸空會造成空氣吸入泵管,引起出料口跳動或爆管,引發(fā)人身傷害等安全事故。

由于卸料工人與布料操作手一般相距較遠,無法實時有效溝通,施工過程中兩者同步性較差,經(jīng)常出現(xiàn)溢出或吸空現(xiàn)象。本文設計了一套自適應協(xié)同作業(yè)的控制系統(tǒng),攪拌車根據(jù)泵車泵送速度和料位高度,自動調整卸料速度,不再需要人工干預,自動化程度高,有效保證了施工的同步性,降低了人工成本。

1 協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)說明

泵車與攪拌車作業(yè)系統(tǒng)如圖1所示,泵車通過油缸的往復運動,將料斗內的混凝土吸入輸送缸,再通過輸送缸、泵管輸送到澆筑點。油缸往復運動速度越快,布料所需方量越多,攪拌車的卸料速度也越快。為了保證施工的同步性,攪拌車的卸料方量QJ需約等于泵車的布料方量QB。

圖1 泵車與攪拌車作業(yè)示意圖

為了實現(xiàn)自動協(xié)同作業(yè),需要解決以下幾個問題:

(1)泵車需獲取自身料斗內料位高度、攪拌車的卸料速度信息;

(2)攪拌車需獲取泵車實時作業(yè)狀態(tài)、料位高度、混凝土方量需求信息;

(3)攪拌車卸料方量與攪拌筒轉速的曲線關系;

(4)泵車與攪拌車之間實時通訊。

2 泵車控制系統(tǒng)設計

2.1 料位檢測設計 如圖2所示,在泵車料斗中安裝3個料位檢測裝置,高料位為料斗上限位檢測,用作混凝土溢出的判斷信號,低料位為料斗下限位檢測,用作混凝土吸空的判斷信號,中料位為工作料位檢測,也為目標料位,當料斗料位控制在中料位附近時為最理想料位高度。

圖2 料位檢測示意圖

2.2 泵送需求方量計算 設泵車輸送缸體積為V,泵送換向次數(shù)為每分鐘N次,則泵車每分鐘所需要的混凝土方量Q可表示為

其中η為泵車的吸料效率,通常選為0.85,泵車排量確定后,輸送缸的體積V即可確定,因此泵送方量只與換向次數(shù)有關,且成正比關系。換向次數(shù)可通過檢測換向信號計算得出,主要取決于泵車發(fā)動機轉速、液壓油泵輸出流量、高低壓泵送方式、混凝土塌落度等。

3 攪拌車控制系統(tǒng)設計

3.1 攪拌筒轉速控制關系 根據(jù)電控攪拌車的動力傳遞關系:

其中,N為發(fā)動機轉速,Vg為液壓油泵輸出流量,與油泵比例閥的控制電流成正比,Vm為馬達排量,y為減速機減速比,V為攪拌桶轉速,馬達與減速機確定后,Vm與y即可確定,因此Vm與y可作為常量。

油泵型號確定后,其輸出流量與油泵比例閥控制電流的特征關系曲線即可查詢得出,如圖3所示:

圖3 流量與電流關系

從圖3可知,油泵輸出流量與控制電流的關系表達式可描述為

其中Vgmax為油泵最大輸出流量,PWMmin為油泵最小工作電流,PWMmax為油泵最大工作電流,油泵選定后,這3個常量參數(shù)即可確定,因此油泵輸出流量只與控制電流有關,且成線性關系。

將公式3-2代入公式3-1可得出攪拌桶轉速關系表達式

因此,攪拌筒轉速的快慢取決于攪拌車發(fā)動機轉速和油泵控制電流。

3.2 攪拌筒卸料方量與轉速關系 攪拌車的卸料方量與攪拌筒轉速、筒內混凝土余量、混凝土塌落度、液壓油溫度、攪拌筒葉片結構等均有關系,由于目前攪拌車均為手動控制卸料,卸料方量還沒有一個準確的關系表達式,只能通過大量實驗來獲取電控攪拌車的卸料數(shù)據(jù)近似曲線,然后進行微調與修正。

首先采用卸料仿真分析與卸水測試相結合的方式,將攪拌筒的轉速平分成N個離散的速度點,忽略出料的不均勻性,測試出每個離散速度點對應的平均卸水方量值,獲取攪拌筒卸水方量與轉速V的離散關系表達式

選擇常用的幾種卸料轉速進行混凝土卸料測試,對式3-4進行修正,獲取攪拌筒卸料方量與轉速V的離散關系表達式

4 通訊系統(tǒng)設計

在泵車與攪拌車上均安裝有無線接收器與無線發(fā)射器,通過一鍵方式,將泵車與攪拌車的無線系統(tǒng)連接起來,泵車與攪拌車即可進行數(shù)據(jù)傳輸。泵車將泵送狀態(tài)、泵送速度、泵送所需方量、料位傳感器檢測信號通過無線方式發(fā)送到攪拌車的無線接收裝置,攪拌車對接收的信號進行處理后,根據(jù)需求控制卸料狀態(tài)、卸料速度等,同時攪拌車將攪拌筒轉速信息通過無線方式發(fā)送到泵車的無線接收裝置,以便泵車根據(jù)攪拌車速度與料位高度,了解攪拌筒內混凝土的余量,無線通訊結構如圖4所示。

圖4 無線通訊結構

圖5 協(xié)同作業(yè)控制流程

5 協(xié)同作業(yè)流程設計

泵車與攪拌車建立無線通訊網(wǎng)絡后,根據(jù)聯(lián)動控制原則:QB≈QJ,泵車將相關信息發(fā)送給攪拌車,攪拌車根據(jù)泵送需求方量和自身卸料方量與轉速的關系,控制攪拌筒的卸料轉速,同時根據(jù)泵車料斗內的料位信息對攪拌筒的轉速進行微調,以確保料斗內不溢出、不吸空,控制流程如圖5所示。

6 結束語

本文設計了一種泵車與攪拌車的自適應協(xié)同作業(yè)系統(tǒng),攪拌車可根據(jù)泵送需求方量、料位高度信息,自動調節(jié)攪拌車的卸料速度,自適應能力強,數(shù)據(jù)通訊通過無線方式傳輸。該系統(tǒng)結構簡單,卸料與布料同步性好,自動化程度較高,大大降低了人工成本,提高了產(chǎn)品的市場競爭力。