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混凝土泵车臂架振动响应的主动控制实验研究报告

更新时间:2017-02-23 11:27:07   点击量:

  混凝土泵车是一种用于输送和浇注混凝土的专用 机械,可以将混凝土沿管道连续输送到浇注现场,逐步 成为建筑施工中不可缺少的关键设备。目前市场常用 泵车臂架一般由 4 臂节至 6 臂节组成,工作时臂架部 分伸展较大,在力学上属悬臂梁结构,受力比较复杂。 泵车臂架的振动是影响混凝土泵车整车性能和施工质 量的重要因素,振动过大会造成泵车臂架末端软管无 法精确定位,同时产生的动应力直接影响泵车的疲劳 寿命。随着高压、大排量泵送和超长臂架技术的发展, 臂架振动问题将越发严重,如何有效抑制泵车臂架振 动的需求将更加迫切。 振动主动控制[1]是在振动过程中根据受控对象的 振动状况进行实时的外加控制,使振动满足系统的预 定要求。由于控制力由外部输入能量来改变,因而其 具有良好的可控性,是一种积极有效的减振控制策略。虽然振动主动控制技术在航空航天[2],土木建筑[3]、车 辆工程[4]、机械工程[5]等领域有较深入的发展,但由于 振动主动控制技术的复杂性,导致在工程机械领域对 其的研究还没得到较深入的研究与应用。开展混凝土 泵车臂架振动响应主动控制研究,达到工程中对振动 的控制要求,具有重要的理论和实际意义。 本文以中联重科某型号长臂架混凝土泵车为研究 对象,建立泵车臂架系统的动力学模型,采用模态滤波 技术和最优控制理论设计主动电液控制策略,通过控 制优选臂节油缸的作动以实现对臂架振动响应的实时 控制。实验结果表明,采用该主动减振控制后水平工 况下臂架末端的减振精度可达 80%,取得了显著的减 振实验效果。

  1 主动控制策略

  由结构模态理论可知,复杂机械系统在时域内的 振动可用其低阶自由度系统在模态空间内的振动足够 近似地描述,故对其振动控制可转化为在模态空间内 少数几个模态的振动控制。独立模态空间控制法可实现对所需模态的独立控制,而不影响其它未控模态,具 有易设计的优点。 独立模态空间控制原理框图如图 1 所示。M、 K、 C 分别表示混凝土泵车臂架系统的质量矩阵、刚度矩阵 和阻尼矩阵,Fexi为臂架系统所受混凝土泵送激励力,根据模态叠加原理,系统的振动响应可由 n 阶主 模态响应的叠加来近似表达。故作下式变换:

  x = φq = ∑ n i =1

  φiqi ( 1) 为了实现臂架系统的独立模态空间主动控制,需 要同时知道 振动系统的模态位移和模态速度,但工程 中通常测量的振动量为加速度信号。由文献[ 6]可知, 通过引入模态滤波器 ΦT i = φT i M,可从物理加速度 x ··求 得模态加速度 q ·· i,然后通过设计的状态观测器,实现从 模态加速度响应 q ·· i 到模态速度响应q · i 和模态位移响应 qi 的转换。 对于要控制的第 i 阶模态,对应的模态控制力为: fi = - giqi - hiq · i ( 2) 模态控制力增益系数 gi和 hi通常由极点配置法来 确定,若要求第 i 阶模态极点配置在 λi = αi ± βij 处,则 可从闭环特征方程求得: gi = ( α2 i + β2 i ) /ωi - ωi hi = 2α } i ( 3) 其中 ωi为系统第 i 阶固有频率。 对独立模态空间控制算法来说,振动系统的各阶 模态都是相互独立的,所以可以得到实际控制力为:

  Fctrl = Vifi = - ∑ n i =1

  Mφi( giqi + hiq · i) ( 4)

  2 臂架振动主动控制实验 本文研究对象为某型号混凝土泵车的臂架,该泵 车臂架主要结构如图 2 所示,分别包括转台、末端软 管、第一臂节至第五臂节、第一臂节油缸至第五臂节油 缸、混凝土输送管道。混凝土由砼缸通过连接机构交 替推入混凝土输送管道,管道固定在臂架侧面,将混凝 土输送到预定的目标位置。 工作状态下的泵车臂架各臂节之间的夹角可根据·· 为系统加速度响应,qi、q ·

  i、 q ··

  i 为系统第 i 阶模态 位移、模态速度和模态加速度,Φi 和 φi 为第 i 阶模态 滤波器向量和振型向量, gi、 hi为模态控制力增益, Vi为 由模态控制力 fi到实际控制力 Fctrl的变换矩阵。

  目标施工位置任意调整,理论上泵车姿态有无穷多种。 但从实际工程应用中发现,臂架伸展程度越大,臂架末 端振动越严重,因此本文仅以泵车臂架伸展程度最大 的水平姿态为例进行研究。当然,该主动控制方法可 以很容易推广至其它任意姿态。本混凝土泵车臂架的 主要结构参数和臂节油缸参数分别如表 1、表 2 所示。

  表 1 臂架结构参数 Tab. 1 Structure parameters of booms

  参数项目 第一臂节第二臂节第三臂节第四臂节 第五臂节 长度 l/m 10. 4 9. 1 8. 9 9. 6 9. 9 质量 m/kg 3 613 2 205 1 507 1 029 823

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

  表 2 臂节油缸参数 Tab. 2 Structure parameters of oil - cylinders

  参数项目

  第一臂节 油缸

  第二臂节 油缸

  第三臂节 油缸

  第四臂节 油缸

  第五臂节 油缸

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

  通过泵送混凝土工况下泵车工作模态试验及分析 得到臂架系统的模态参数如表 3 所示。考虑泵车实际 工作状态下臂架振动以一阶振动为主的特点,本文主 要研究抑制泵车臂架振动的一阶模态,而不考虑去抑 制其它模态。

  表 3 水平姿态下臂架系统模态参数

  Tab. 3 Modal Parameters of boom system in horizontal position 模态振型 模态频率/Hz 模态阻尼比/% XOY 平面一阶弯曲 0. 33 1. 026 XOY 平面二阶弯曲 0. 97 0. 862

  由振动理论可知,系统第 1 阶模态极点参数 α1 = - ξ1ω1,β1 = ω1 1 - ξ 槡 1,考虑一阶被控模态阻尼比的 实际情况,取 α1 = - 0. 45 × 2 × π × 0. 33 = - 0. 93,

  β1 =2 × π ×0. 33 × 1 -0. 45 槡

  2 =1. 85。

  参考文献[ 7]的方法建立混凝土泵车臂架柔性多 体动力学模型,在水平姿态下该臂架的主动减振控制 系统如图 3 所示。本主动减振系统由受控臂架对象、 信号采集单元、振动控制单元和信号调理单元组成。在控制过程中,控制器应根据控制规律实时快速地对 反馈振动进行响应,为保证控制的实时性要求,控制系 统选用 LabVIEW RT 实时模块和 PCI - 7041 嵌入式控 制器来构建振动控制实验平台,控制算法采用 LabVIEW 语言来实现。由于只考虑臂架末端在 XOY 平面 内的振动,故约束臂架模型的节点 1、 2 在该平面内的 所有自由度,计算可知该系统共有 50 个自由度。根据 传感器位置优化配置的分析结果,将 2 个 PCB 加速度 传感器分别配置于节点 27Y、 15Y。由臂架的动力学模 型仿真分析结果,在该臂架系统中选择第二臂节油缸 ( 节点 4、节点 7 之间) 和第三臂节油缸( 节点 10、节点 12 之间) 为控制作动器。信号采集单元实时采集 2 个 PCB 加速度信号,并将其进行放大、滤波处理后输出至 振动控制单元,振动控制单元对反馈信号进行模态滤 波和控制力的计算,换算为作动臂节油缸的控制量,输 出至信号调理单元,信号调理单元对作动臂节油缸控 制量进行功率放大等处理后,最终输出至泵车作动臂 节油缸电磁阀,通过作动臂节油缸产生的伸长或收缩 运动,实现对泵车末臂节振动的有效控制。

  3 实验结果分析

  如图 4 所示,主动减振实验对象选择中联重科某 型号长臂架混凝土泵车,由混凝土泵送试验台提供混 凝土料,通过泵送混凝土产生的冲击力给水平姿态下 泵车臂架施加激励。实验过程中泵车排量为 100%,发 动机转速为 1 750 r/min,砼缸的泵送频率为 0. 32 Hz。 激励频率处于水平姿态下臂架的一阶固有频率 0. 33 Hz 的共振范围内,导致臂架末端产生较大的共振。由 振动理论可知,共振频率下的振动控制最能说明该主 动减振系统的有效性。图 5 为臂架末端位移的时间历 程,包括三个阶段: ① 最初不施加主动减振控制,臂架 在泵送混凝土的冲击作用下产生较大的振动,振动峰 峰值达到 650 mm; ② 从 18 秒至 93 s 开启臂架主动减 振控制,振动峰峰值很快稳定在 100 mm 左右; ③ 93 s 以后再次关闭主动减振控制,振动峰峰值又恢复到650 mm 左右。从泵车臂架末端振动位移曲线可以看出,水 平姿态臂架的一阶模态振动得到较好的独立控制,开启主动减振控制后混凝土泵车臂架振动收敛可以达到 80%。试验结果说明本文的独立模态振动控制策略对 混凝土泵车臂架结构动力响应的控制效果是比较理 想的。图 4 试验现场

  Fig. 4 Experiment of

  active vibration control

  图 5 减振效果时间历程图

  Fig. 5 Time histroy of

  controlled vibration

  4 结 论

  本文采用独立模态空间控制方法对泵送状态下的 混凝土泵车臂架结构响应进行了主动控制试验研究。 信号采集单元实时反馈混凝土泵车臂架的加速度传感器信号,通过采用模态滤波技术和最优控制理论设计 主动控制策略的振动控制单元,获取臂架系统的模态 位移和模态速度响应,计算得到模态控制力和臂节油 缸控制力,最后通过信号调理单元处理后输出至泵车 臂节油缸,通过作动臂节油缸产生的伸长或收缩运动, 对臂架施加作动控制,以实现对泵车末臂节振动响应 的有效控制。试验结果表明,理想工况下臂架末端的 减振精度可达 80% 以上,因而在实现混凝土泵车臂架 结构响应的主动控制方面具有很好的实用性。


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