混凝土布料機(jī)螺旋輸送量自學(xué)習(xí)研究

李 冬，張亞欣，于文達(dá)，張世英，孫偉豐，彭 鵬

(1.沈陽建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.北方重工集團(tuán)有限公司生產(chǎn)指揮中心，遼寧 沈陽 110168；3.大連德泰三川建筑科技有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境發(fā)展需求的不斷提高，建筑業(yè)正在由低水平、低效率的手工生產(chǎn)方式向?qū)I(yè)化、產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，特別是預(yù)制混凝土構(gòu)件的工業(yè)化水平獲得了顯著提高，正在向自動化、信息化和智能化方向轉(zhuǎn)變[1-2]。混凝土澆筑是預(yù)制構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能澆筑控制是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)[3-4]。雖然高精度的螺旋輸送量模型可為澆筑控制系統(tǒng)提供預(yù)報(bào)值，但在混凝土配比、螺旋磨損等工藝情況變化的情況下，輸送量預(yù)報(bào)值與實(shí)際值偏差大，模型難以發(fā)揮作用，進(jìn)而影響澆筑重量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的難度以及生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。

國內(nèi)外學(xué)者從機(jī)理層面對不同工況輸送量開展研究。張永順等[5]以水泥砂漿流變學(xué)為基礎(chǔ)，通過引入輸送效率和分析砂漿粘結(jié)性、流動性和螺旋送料過程，解決了不同工況下的螺旋輸送定量計(jì)算問題；Orefice等[6-8]采用離散元仿真螺旋輸送機(jī)，研究了無黏性顆粒在輸送機(jī)口的流動狀態(tài)、輸送性能以及摩擦系數(shù)對輸送性能的影響；周鵬等[9]通過對混凝土布料機(jī)的機(jī)理進(jìn)行研究，分析了混凝土螺旋輸送量模型的各影響因素的靈敏度，為建立更精確的智能預(yù)報(bào)模型奠定基礎(chǔ)。

上述文獻(xiàn)基于已知工況研究了螺旋輸送量的準(zhǔn)確計(jì)算問題，但在未知工況變化時很難進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。自學(xué)習(xí)方法可在工況變化時評估模型計(jì)算準(zhǔn)確性，并依據(jù)評估結(jié)果對計(jì)算值進(jìn)行修正，所以此方法的應(yīng)用可以提高模型適用性。目前，自學(xué)習(xí)方法已在國內(nèi)外取得了很好的應(yīng)用效果，如指數(shù)平滑法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、蟻群算法以及遺傳算法等[10-16]。指數(shù)平滑自學(xué)習(xí)因其計(jì)算公式簡單、易實(shí)現(xiàn)在線動態(tài)預(yù)測的特點(diǎn)，在工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。董鑫等[17]將指數(shù)平滑自學(xué)習(xí)運(yùn)用在田間變量灌溉中，調(diào)整噴灌機(jī)的行走速度，提高灌溉效率；段功豪等[18]以指數(shù)平滑法為基礎(chǔ)，對降雨型滑坡進(jìn)行預(yù)測；彭文等[19]用指數(shù)平滑法對自學(xué)習(xí)系數(shù)進(jìn)行更新，提高了熱連軋非穩(wěn)態(tài)過程中軋制力的預(yù)測精度。

本文從混凝土布料機(jī)的布料工藝流程出發(fā)，分析輸送量模型適用性差的原因，結(jié)合自學(xué)習(xí)基本功能特征，提出混凝土輸送量預(yù)報(bào)模型自學(xué)習(xí)方法，利用修正后的輸送量模型進(jìn)行重量重設(shè)定,并利用混凝土布料機(jī)實(shí)際布料時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線驗(yàn)證。

1 螺旋輸送量自學(xué)習(xí)必要性

螺旋式混凝土布料機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、可實(shí)現(xiàn)精細(xì)化澆筑而被廣泛應(yīng)用，其澆筑生產(chǎn)工藝如圖1所示。

如圖1所示，混凝土布料機(jī)的任務(wù)是將料斗內(nèi)攪拌好的混凝土澆筑在安裝有邊模的底模托盤上。工作時，布料大車、布料小車均在行走支架梁上行走定位，二者行走方向在水平面上相互垂直。經(jīng)過預(yù)標(biāo)定確定布料起始位置后，通過旋轉(zhuǎn)安裝在出料口內(nèi)的螺旋，料斗內(nèi)的混凝土被強(qiáng)制擠出，并按照一定生產(chǎn)流程均勻澆筑在邊模圍成的布料區(qū)域內(nèi)，完成澆筑生產(chǎn)。

圖1 混凝土布料機(jī)澆筑生產(chǎn)工藝

在上述澆筑生產(chǎn)過程中，螺旋的尺寸規(guī)格參數(shù)和旋轉(zhuǎn)速度直接影響著混凝土布料機(jī)輸送量，即單位時間從螺旋截面流過的混凝土重量。

根據(jù)螺旋橫截面的混凝土流量得到1根螺旋布料機(jī)的輸送量計(jì)算模型為[20]

Q=900ψcπ(D2-d2)ρVz

(1)

ψ為填充率；c為傾斜修正系數(shù)；D為螺旋葉片直徑；d為螺旋軸直徑；ρ為混凝土的堆積密度；Vz為混凝土顆粒軸向運(yùn)動速度。

(2)

n為螺旋轉(zhuǎn)速；β為螺旋升角；μ為摩擦系數(shù)。

式(1)所示的螺旋輸送量模型用于澆筑生產(chǎn)前的重量預(yù)估計(jì)算，為重量控制系統(tǒng)提供設(shè)定值。此輸送量模型只適用于一定時段的特定澆筑生產(chǎn)工藝情況。在實(shí)際使用過程中，澆筑生產(chǎn)工藝會受多種因素影響而產(chǎn)生變化，比如螺旋葉片磨損、混凝土配比原料特性變化、混凝土流動性時變和料斗內(nèi)混凝土堆積高度等，這些工藝因素變化使實(shí)際螺旋輸送量發(fā)生較大變化，進(jìn)而顯著降低輸送量模型計(jì)算值的適用性。

綜上可知，當(dāng)澆筑生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時，螺旋輸送量模型預(yù)報(bào)值將顯著偏離實(shí)際值。若此種缺乏適應(yīng)性的輸送量預(yù)報(bào)值作為澆筑重量控制系統(tǒng)的設(shè)定值，則設(shè)定值與實(shí)際值間的偏差將增加控制系統(tǒng)的糾偏難度以及調(diào)節(jié)時間，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定導(dǎo)致自動澆筑生產(chǎn)的終止。所以，必須采用自學(xué)習(xí)方法增加螺旋輸送量模型的適用性。

2 螺旋輸送量預(yù)報(bào)模型自學(xué)習(xí)

2.1 螺旋輸送量指數(shù)平滑自學(xué)習(xí)算法

螺旋輸送量指數(shù)平滑自學(xué)習(xí)方法利用采集的時間序列輸送量數(shù)據(jù)，通過計(jì)算當(dāng)前時刻實(shí)際值與前一時刻指數(shù)平滑值的加權(quán)平均來獲得當(dāng)前時刻的指數(shù)平滑值，基于此平滑值對模型預(yù)報(bào)值進(jìn)行修正，不僅可以消除隨機(jī)因素造成的誤差，還可以對工藝因素變化造成的螺旋輸送量偏差進(jìn)行學(xué)習(xí)，達(dá)到提高模型預(yù)報(bào)適用性的目的。因螺旋輸送量模型帶有非線性影響因素，所以采用乘法建模方法對螺旋輸送量進(jìn)行修正，經(jīng)自學(xué)習(xí)修正的螺旋輸送量為

(3)

(4)

(5)

2.2 實(shí)際螺旋輸送量計(jì)算

料斗內(nèi)混凝土從螺旋布料機(jī)出料口被擠出，從出料口排出的物料含有水、石頭和水泥等，物料流出存在一定隨機(jī)和非連續(xù)性，工況復(fù)雜，無法在不損壞出料口傳感器的情況下連續(xù)測量螺旋輸送量；此外，一般多螺旋布料機(jī)的出料口數(shù)量往往大于8個，甚至高達(dá)22個，若每個出料口都安裝傳感器，將極大地降低澆筑控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。為此，利用混凝土澆筑重量、布料機(jī)工作速度和螺旋出料口工作數(shù)量等物理參數(shù),并通過式(6)來計(jì)算螺旋輸送量，即

(6)

GFBK為1個控制周期混凝土布料機(jī)實(shí)際澆筑的混凝土重量；N為布料口工作數(shù)量；tc為控制周期。

GFBK=GK,FBK-GK-1，F(xiàn)BK

(7)

K為控制器執(zhí)行的第K個控制周期；GK,FBK、GK-1,FBK分別為第K個控制周期和第K-1個控制周期結(jié)束時料斗內(nèi)剩余的混凝土重量反饋值。

2.3 螺旋輸送量自學(xué)習(xí)執(zhí)行流程

混凝土布料機(jī)添加1次混凝土后，一般可以生產(chǎn)3～6個構(gòu)件。在澆筑生產(chǎn)過程中，依據(jù)預(yù)制構(gòu)件體積或擺放方式不同，同一個構(gòu)件可能需要澆筑多個道次才能完成，不同構(gòu)件也需要進(jìn)行澆筑生產(chǎn)道次的切換，前者為同構(gòu)件道次切換，后者為異構(gòu)件道次切換。螺旋輸送量預(yù)報(bào)值可利用上述2種道次切換間歇時間進(jìn)行自學(xué)習(xí)修正，分別為同構(gòu)件道次自學(xué)習(xí)和異構(gòu)件道次自學(xué)習(xí)，據(jù)此設(shè)計(jì)的螺旋輸送量自學(xué)習(xí)執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2 混凝土輸送量模型自學(xué)習(xí)流程

對于圖2中的2種道次間自學(xué)習(xí)，其計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 道次間自學(xué)習(xí)計(jì)算流程

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證螺旋輸送量自學(xué)習(xí)方法對預(yù)報(bào)值修正的有效性，采用實(shí)驗(yàn)室的多螺旋布料器開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

課題組搭建的多螺旋混凝土布料器實(shí)驗(yàn)平臺如圖4所示。

圖4 螺旋混凝土布料器實(shí)驗(yàn)平臺

由第1節(jié)可知混凝土實(shí)際輸送量受多種因素影響，為證明上述自學(xué)習(xí)方法可以修正不同工藝下輸送量模型的預(yù)報(bào)偏差，設(shè)計(jì)3種實(shí)驗(yàn)方案。方案1的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：螺旋數(shù)量4根；螺旋葉片直徑D為0.060 m；螺旋軸直徑d為0.016 m；螺旋升角β取13°；螺距s為0.040 m；因螺旋水平安裝，輸送量傾斜修正系數(shù)c不發(fā)生改變，取值為1；混凝土的堆積密度ρ為2 350 kg/m3；摩擦系數(shù)μ為0.310。方案2的實(shí)驗(yàn)參數(shù)在方案1的基礎(chǔ)上只改變混凝土摩擦系數(shù)μ，使其降低為0.290。方案3的實(shí)驗(yàn)參數(shù)在方案1的基礎(chǔ)上只改變螺距s，使其變?yōu)?.035m。

按照實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行螺旋的安裝和混凝土物料的配制，將攪拌好的混凝土物料添加至螺旋布料器料斗內(nèi)，螺旋按照固定值30 r/min的轉(zhuǎn)速將混凝土物料排出。在如圖4所示接料器下方安置電子稱，可實(shí)時測量螺旋輸送量相關(guān)數(shù)據(jù)。設(shè)螺旋旋轉(zhuǎn)10 s為1個控制周期，1個控制周期內(nèi)完成1個道次的澆筑，在每個周期結(jié)束后采集計(jì)算1次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，料斗內(nèi)混凝土全部排出時1組實(shí)驗(yàn)結(jié)束，共計(jì)6個控制周期。采用式(1)可計(jì)算得到混凝土預(yù)報(bào)輸送量，采用式(7)計(jì)算1個控制周期內(nèi)實(shí)際混凝土重量，然后采用式(6)計(jì)算得到布料器實(shí)際輸送量。為避免實(shí)驗(yàn)的偶然性，將上述3種實(shí)驗(yàn)在相同條件下各重復(fù)3次，記錄3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值得到布料器螺旋輸送量實(shí)際值與預(yù)報(bào)值，如圖5所示。

由圖5可知，隨著澆筑控制周期的增長，在預(yù)報(bào)值不變的情況下，實(shí)際輸送量仍在不斷降低，這與料斗內(nèi)剩余混凝土物料的重量有關(guān)。在3種不同的工藝下輸送量預(yù)報(bào)值和實(shí)際值都有很大偏差，輸送量預(yù)報(bào)值明顯小于實(shí)際值，輸送量預(yù)報(bào)模型不能反映出實(shí)際澆筑過程。若按照此輸送量布料將使構(gòu)件重量整體偏離目標(biāo)重量，影響預(yù)制構(gòu)件的現(xiàn)場裝配環(huán)節(jié)，提高現(xiàn)場的施工難度，影響預(yù)制構(gòu)件的產(chǎn)品強(qiáng)度進(jìn)而影響房屋質(zhì)量。

圖5 實(shí)際輸送量與預(yù)報(bào)輸送量

為適應(yīng)工況更加準(zhǔn)確預(yù)報(bào)螺旋輸送量，采用如圖2和圖3所示螺旋輸送量自學(xué)習(xí)方法修正輸送量預(yù)報(bào)值，修正后的結(jié)果如圖6所示。

圖6 自學(xué)習(xí)修正后的螺旋輸送量預(yù)報(bào)效果

由圖6可以看到，輸送量預(yù)報(bào)值與實(shí)際值之間的偏差大幅降低，且在不同的生產(chǎn)工藝中，經(jīng)過自學(xué)習(xí)的混凝土輸送量預(yù)報(bào)模型均能很好地適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)，給出更加精確的預(yù)報(bào)值?；炷凛斔土款A(yù)報(bào)模型在第1次自學(xué)習(xí)后，預(yù)報(bào)輸送量迅速逼近實(shí)際輸送量，學(xué)習(xí)速率很快。圖6b中因原始預(yù)報(bào)模型預(yù)報(bào)的輸送量與實(shí)際輸送量相差過大，第1次學(xué)習(xí)結(jié)束后預(yù)報(bào)值與實(shí)際值之間仍存在一定偏差，但在第5次自學(xué)習(xí)后，預(yù)報(bào)輸送量和實(shí)際輸送量就非常接近，可以達(dá)到滿意的預(yù)報(bào)輸送量修正精度。預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)是一個連續(xù)澆筑的過程，模型修正得越快，因?yàn)橹亓坎贿_(dá)標(biāo)浪費(fèi)的構(gòu)件就越少，預(yù)制構(gòu)件的合格率將隨之增加，這對于節(jié)約工人時間成本和增加經(jīng)濟(jì)效益有很大意義。

4 結(jié)束語

提出一種混凝土輸送量預(yù)報(bào)模型自學(xué)習(xí)方法，用于解決輸送量預(yù)報(bào)模型無法適應(yīng)工藝變化進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的問題?；诼菪交炷敛剂蠙C(jī)的布料工藝特點(diǎn)，分析布料機(jī)螺旋輸送量預(yù)報(bào)模型的基本原理及其在實(shí)際生產(chǎn)中適用性不強(qiáng)的原因，采用指數(shù)平滑自學(xué)習(xí)方法對輸送量模型進(jìn)行在線修正。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證結(jié)果表明：采用指數(shù)平滑自學(xué)習(xí)修正后的混凝土布料機(jī)螺旋輸送量預(yù)報(bào)模型能給出與實(shí)際生產(chǎn)相適應(yīng)的預(yù)報(bào)值，能迅速適應(yīng)不同工藝生產(chǎn)過程，大大降低了模型預(yù)報(bào)偏差，保證了預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量。該方法的投入有效地提高螺旋輸送量預(yù)報(bào)模型的適用性，使混凝土澆筑控制系統(tǒng)具有了自學(xué)習(xí)能力，同時也為控制系統(tǒng)的智能化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。