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            新聞資訊

            混凝土泵車臂架振動響應的主動控制實驗研究報告

            更新時間:2017-02-23 11:27:07   點擊量:

              混凝土泵車是一種用于輸送和澆注混凝土的專用 機械,可以將混凝土沿管道連續輸送到澆注現場,逐步 成為建筑施工中不可缺少的關鍵設備。目前市場常用 泵車臂架一般由 4 臂節至 6 臂節組成,工作時臂架部 分伸展較大,在力學上屬懸臂梁結構,受力比較復雜。 泵車臂架的振動是影響混凝土泵車整車性能和施工質 量的重要因素,振動過大會造成泵車臂架末端軟管無 法精確定位,同時產生的動應力直接影響泵車的疲勞 壽命。隨著高壓、大排量泵送和超長臂架技術的發展, 臂架振動問題將越發嚴重,如何有效抑制泵車臂架振 動的需求將更加迫切。 振動主動控制[1]是在振動過程中根據受控對象的 振動狀況進行實時的外加控制,使振動滿足系統的預 定要求。由于控制力由外部輸入能量來改變,因而其 具有良好的可控性,是一種積極有效的減振控制策略。雖然振動主動控制技術在航空航天[2],土木建筑[3]、車 輛工程[4]、機械工程[5]等領域有較深入的發展,但由于 振動主動控制技術的復雜性,導致在工程機械領域對 其的研究還沒得到較深入的研究與應用。開展混凝土 泵車臂架振動響應主動控制研究,達到工程中對振動 的控制要求,具有重要的理論和實際意義。 本文以中聯重科某型號長臂架混凝土泵車為研究 對象,建立泵車臂架系統的動力學模型,采用模態濾波 技術和最優控制理論設計主動電液控制策略,通過控 制優選臂節油缸的作動以實現對臂架振動響應的實時 控制。實驗結果表明,采用該主動減振控制后水平工 況下臂架末端的減振精度可達 80%,取得了顯著的減 振實驗效果。

              1 主動控制策略

              由結構模態理論可知,復雜機械系統在時域內的 振動可用其低階自由度系統在模態空間內的振動足夠 近似地描述,故對其振動控制可轉化為在模態空間內 少數幾個模態的振動控制。獨立模態空間控制法可實現對所需模態的獨立控制,而不影響其它未控模態,具 有易設計的優點。 獨立模態空間控制原理框圖如圖 1 所示。M、 K、 C 分別表示混凝土泵車臂架系統的質量矩陣、剛度矩陣 和阻尼矩陣,Fexi為臂架系統所受混凝土泵送激勵力,根據模態疊加原理,系統的振動響應可由 n 階主 模態響應的疊加來近似表達。故作下式變換:

              x = φq = ∑ n i =1

              φiqi ( 1) 為了實現臂架系統的獨立模態空間主動控制,需 要同時知道 振動系統的模態位移和模態速度,但工程 中通常測量的振動量為加速度信號。由文獻[ 6]可知, 通過引入模態濾波器 ΦT i = φT i M,可從物理加速度 x ··求 得模態加速度 q ·· i,然后通過設計的狀態觀測器,實現從 模態加速度響應 q ·· i 到模態速度響應q · i 和模態位移響應 qi 的轉換。 對于要控制的第 i 階模態,對應的模態控制力為: fi = - giqi - hiq · i ( 2) 模態控制力增益系數 gi和 hi通常由極點配置法來 確定,若要求第 i 階模態極點配置在 λi = αi ± βij 處,則 可從閉環特征方程求得: gi = ( α2 i + β2 i ) /ωi - ωi hi = 2α } i ( 3) 其中 ωi為系統第 i 階固有頻率。 對獨立模態空間控制算法來說,振動系統的各階 模態都是相互獨立的,所以可以得到實際控制力為:

              Fctrl = Vifi = - ∑ n i =1

              Mφi( giqi + hiq · i) ( 4)

              2 臂架振動主動控制實驗 本文研究對象為某型號混凝土泵車的臂架,該泵 車臂架主要結構如圖 2 所示,分別包括轉臺、末端軟 管、第一臂節至第五臂節、第一臂節油缸至第五臂節油 缸、混凝土輸送管道?;炷劣身鸥淄ㄟ^連接機構交 替推入混凝土輸送管道,管道固定在臂架側面,將混凝 土輸送到預定的目標位置。 工作狀態下的泵車臂架各臂節之間的夾角可根據·· 為系統加速度響應,qi、q ·

              i、 q ··

              i 為系統第 i 階模態 位移、模態速度和模態加速度,Φi 和 φi 為第 i 階模態 濾波器向量和振型向量, gi、 hi為模態控制力增益, Vi為 由模態控制力 fi到實際控制力 Fctrl的變換矩陣。

              目標施工位置任意調整,理論上泵車姿態有無窮多種。 但從實際工程應用中發現,臂架伸展程度越大,臂架末 端振動越嚴重,因此本文僅以泵車臂架伸展程度最大 的水平姿態為例進行研究。當然,該主動控制方法可 以很容易推廣至其它任意姿態。本混凝土泵車臂架的 主要結構參數和臂節油缸參數分別如表 1、表 2 所示。

              表 1 臂架結構參數 Tab. 1 Structure parameters of booms

              參數項目 第一臂節第二臂節第三臂節第四臂節 第五臂節 長度 l/m 10. 4 9. 1 8. 9 9. 6 9. 9 質量 m/kg 3 613 2 205 1 507 1 029 823

              剛度 E·I/ ( MN·m2) 172. 8 135. 7 107. 5 45. 8 16. 2

              表 2 臂節油缸參數 Tab. 2 Structure parameters of oil - cylinders

              參數項目

              第一臂節 油缸

              第二臂節 油缸

              第三臂節 油缸

              第四臂節 油缸

              第五臂節 油缸

              長度 l/m 1. 9 4. 5 3. 2 2. 2 2. 1 質量 m/kg 638 593 288 217 76 剛度 k/( MN·m -1) 1 000 1 000 500 200 100

              通過泵送混凝土工況下泵車工作模態試驗及分析 得到臂架系統的模態參數如表 3 所示??紤]泵車實際 工作狀態下臂架振動以一階振動為主的特點,本文主 要研究抑制泵車臂架振動的一階模態,而不考慮去抑 制其它模態。

              表 3 水平姿態下臂架系統模態參數

              Tab. 3 Modal Parameters of boom system in horizontal position 模態振型 模態頻率/Hz 模態阻尼比/% XOY 平面一階彎曲 0. 33 1. 026 XOY 平面二階彎曲 0. 97 0. 862

              由振動理論可知,系統第 1 階模態極點參數 α1 = - ξ1ω1,β1 = ω1 1 - ξ 槡 1,考慮一階被控模態阻尼比的 實際情況,取 α1 = - 0. 45 × 2 × π × 0. 33 = - 0. 93,

              β1 =2 × π ×0. 33 × 1 -0. 45 槡

              2 =1. 85。

              參考文獻[ 7]的方法建立混凝土泵車臂架柔性多 體動力學模型,在水平姿態下該臂架的主動減振控制 系統如圖 3 所示。本主動減振系統由受控臂架對象、 信號采集單元、振動控制單元和信號調理單元組成。在控制過程中,控制器應根據控制規律實時快速地對 反饋振動進行響應,為保證控制的實時性要求,控制系 統選用 LabVIEW RT 實時模塊和 PCI - 7041 嵌入式控 制器來構建振動控制實驗平臺,控制算法采用 LabVIEW 語言來實現。由于只考慮臂架末端在 XOY 平面 內的振動,故約束臂架模型的節點 1、 2 在該平面內的 所有自由度,計算可知該系統共有 50 個自由度。根據 傳感器位置優化配置的分析結果,將 2 個 PCB 加速度 傳感器分別配置于節點 27Y、 15Y。由臂架的動力學模 型仿真分析結果,在該臂架系統中選擇第二臂節油缸 ( 節點 4、節點 7 之間) 和第三臂節油缸( 節點 10、節點 12 之間) 為控制作動器。信號采集單元實時采集 2 個 PCB 加速度信號,并將其進行放大、濾波處理后輸出至 振動控制單元,振動控制單元對反饋信號進行模態濾 波和控制力的計算,換算為作動臂節油缸的控制量,輸 出至信號調理單元,信號調理單元對作動臂節油缸控 制量進行功率放大等處理后,最終輸出至泵車作動臂 節油缸電磁閥,通過作動臂節油缸產生的伸長或收縮 運動,實現對泵車末臂節振動的有效控制。

              3 實驗結果分析

              如圖 4 所示,主動減振實驗對象選擇中聯重科某 型號長臂架混凝土泵車,由混凝土泵送試驗臺提供混 凝土料,通過泵送混凝土產生的沖擊力給水平姿態下 泵車臂架施加激勵。實驗過程中泵車排量為 100%,發 動機轉速為 1 750 r/min,砼缸的泵送頻率為 0. 32 Hz。 激勵頻率處于水平姿態下臂架的一階固有頻率 0. 33 Hz 的共振范圍內,導致臂架末端產生較大的共振。由 振動理論可知,共振頻率下的振動控制最能說明該主 動減振系統的有效性。圖 5 為臂架末端位移的時間歷 程,包括三個階段: ① 最初不施加主動減振控制,臂架 在泵送混凝土的沖擊作用下產生較大的振動,振動峰 峰值達到 650 mm; ② 從 18 秒至 93 s 開啟臂架主動減 振控制,振動峰峰值很快穩定在 100 mm 左右; ③ 93 s 以后再次關閉主動減振控制,振動峰峰值又恢復到650 mm 左右。從泵車臂架末端振動位移曲線可以看出,水 平姿態臂架的一階模態振動得到較好的獨立控制,開啟主動減振控制后混凝土泵車臂架振動收斂可以達到 80%。試驗結果說明本文的獨立模態振動控制策略對 混凝土泵車臂架結構動力響應的控制效果是比較理 想的。圖 4 試驗現場

              Fig. 4 Experiment of

              active vibration control

              圖 5 減振效果時間歷程圖

              Fig. 5 Time histroy of

              controlled vibration

              4 結 論

              本文采用獨立模態空間控制方法對泵送狀態下的 混凝土泵車臂架結構響應進行了主動控制試驗研究。 信號采集單元實時反饋混凝土泵車臂架的加速度傳感器信號,通過采用模態濾波技術和最優控制理論設計 主動控制策略的振動控制單元,獲取臂架系統的模態 位移和模態速度響應,計算得到模態控制力和臂節油 缸控制力,最后通過信號調理單元處理后輸出至泵車 臂節油缸,通過作動臂節油缸產生的伸長或收縮運動, 對臂架施加作動控制,以實現對泵車末臂節振動響應 的有效控制。試驗結果表明,理想工況下臂架末端的 減振精度可達 80% 以上,因而在實現混凝土泵車臂架 結構響應的主動控制方面具有很好的實用性。


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