液壓軟管卷盤的控制策略及安全監(jiān)控系統(tǒng)設計

李萬莉，余清福，薛紅梅

（同濟大學 機械工程學院，上海 201804）

液壓軟管卷盤是為地下連續(xù)墻施工裝置的液壓系統(tǒng)提供液壓油源的重要部件，液壓軟管一端纏繞在臂架上的卷盤中，另一端與施工裝置相連.卷盤由電動機驅(qū)動.這種驅(qū)動是單向驅(qū)動，產(chǎn)生始終要收緊的趨勢.當施工裝置向上時，卷盤趁勢收緊，當施工裝置向下運動時，將強制帶動軟管向下運動，但此時卷盤馬達仍試圖收緊，因此產(chǎn)生1個張力，可以防止軟管松弛.為防止液壓軟管被拉斷，在系統(tǒng)中設置溢流閥.當電動機壓力過高以致溢流閥打開.軟管受到的拉力由溢流閥的設定壓力控制，也取決于軟管在卷盤上的作用半徑.這個拉力不能太大，以防止軟管被拉斷或受損.但這個拉力也不能太小，至少不能被軟管的懸垂段的重力拉下去.目前，有相當一部分產(chǎn)品未能很好地解決這個問題，這也是施工裝置啟閉油管（軟管）無法隨著施工裝置的提升自動繞回卷盤，成為施工中最常見故障的最主要原因之一［1］.本文正是針對這一問題，研究連續(xù)墻設備在施工過程中軟管卷盤受到的扭矩變化規(guī)律，以此規(guī)律為基礎，設計安全軟管卷盤監(jiān)控系統(tǒng).

1 軟管卷盤隨動系統(tǒng)工作原理

軟管是將高壓（30MPa）液壓能傳遞給施工裝置的通道，它要隨施工裝置深入到地下幾十米，用以完成施工裝置的開啟和關閉動作.任意時刻都必須隨施工裝置同步升降，一旦與施工裝置發(fā)生纏繞或與墻體發(fā)生磨擦而導致破損，后果將不堪設想.為此設計了隨動系統(tǒng).圖1為液壓軟管卷繞系統(tǒng)，圖2為軟管隨動系統(tǒng)液壓圖.圖中A1，A2為卷盤電動機進油口，B1，B2為卷盤電動機回油口，C1，C2為卷盤剎車裝置進油口，P為卷盤驅(qū)動系統(tǒng)供油口，T為卷盤驅(qū)動系統(tǒng)回油口，P1為卷盤剎車系統(tǒng)供油口，T1為卷盤剎車系統(tǒng)回油口，S為電動機泄漏油回油口.該系統(tǒng)通過液壓電動機給卷盤施以適時變化的合適拉力，使軟管始終處于拉緊狀態(tài)的同時，且拉力不會太小，以免出現(xiàn)軟管無法隨著施工裝置的提升自動繞回卷盤的故障，拉力也不會太大，以免損壞膠管，還可顧及裝配和柴油機啟動要求.

圖1 液壓軟管卷繞系統(tǒng)Fig.1 Hose winch

圖2 軟管隨動系統(tǒng)液壓圖Fig.2 Hydraulic figure of hose servo system

2 軟管拉力控制的數(shù)學模型

軟管拉力控制就是通過實時設定油管卷盤的電比例溢流閥的壓力值來實現(xiàn)的.先建立需施以油管卷盤的扭矩與軟管繞出油管卷盤的角度的數(shù)學模型.

圖3 液壓軟管的示意圖Fig.3 Schematic of hydraulic hoses

液壓軟管示意見圖3.軟管是按阿基米得螺旋線繞在卷盤上的，每繞1rad的軟管，卷盤有效扭矩半徑增加r0／π，其中r0為軟管半徑.故軟管繞出角度θ時，卷盤有效扭矩半徑為

式中：r1為軟管在軟管卷盤相對于卷盤中心的最大半徑，m.

由幾何微分關系得：當卷盤繞出θ后，繞出卷盤的軟管長度L1與卷盤繞出的角度θ之間的關系為

由幾何關系可得施工裝置的挖掘深度與軟管繞出卷盤的長度大小相等，故施工裝置的挖掘深度h與卷盤繞出的角度θ之間的關系為

由空間幾何關系可得軟管的垂直懸掛長度為

式中：L3為臂架長度，m；L0為施工裝置的高度，m.

所以當卷盤繞出θ時，軟管懸垂段施加到卷盤上的扭矩為

式中：G2為軟管懸重段的重力，N；ρ為軟管線密度，kg·m-1；g為重力加速度.

由空間幾何關系可得θ和h的關系為

結(jié)合連續(xù)墻液壓起重機的具體參數(shù)，使用MATLAB工具計算出軟管懸垂段施加到卷盤上的扭矩M和施工裝置的挖掘深度h的關系如圖4所示.

圖4 扭矩和施工裝置的挖掘深度的關系Fig.4 Relationship between torque and digging depth of device

3 軟管安全收放應滿足的條件

工作過程中，軟管需要保持張緊狀態(tài)，卷盤受到的扭矩由液壓馬達產(chǎn)生的驅(qū)動扭矩抗衡.當施工裝置主動下降時，軟管端部勢必隨著下降，此時卷盤上受到的扭矩急劇增大，為了防止軟管拉斷，必須限制液壓馬達能產(chǎn)生的驅(qū)動扭矩.液壓馬達能產(chǎn)生的驅(qū)動扭矩受其比例溢流閥的設定值控制.如何結(jié)合實際的施工裝置深度值，動態(tài)地改變比例溢流閥的設定值以維持軟管張緊的同時不被拉斷，是軟管拉力控制的主要內(nèi)容.根據(jù)卷盤受到的扭矩和施工裝置的挖掘位置之間的公式，可以作為軟管收放控制系統(tǒng)算法設計的基礎.

4 安全監(jiān)控系統(tǒng)設計

液壓軟管卷盤安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件由EPEC2024控制器、TTC vision Control控制器、顯示面板、計深編碼器、臂架傾角傳感器、油管卷盤電比例溢流閥和CAN總線組成［2］.

EPEC2024控制器單元是液壓軟管卷盤安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心，實時對計深編碼器和臂架傾角傳感器信號進行采樣，經(jīng)過運算輸出油管卷盤電比例溢流閥的設定值，控制器每10ms運行1遍程序，從而實時設定油管卷盤的電比例溢流閥的壓力值.

油管卷盤電比例溢流閥將其實際電流值反饋回EPEC2024控制器，控制器再將該值發(fā)送至CAN總線上，然后由TTC vision Control控制器將其接收下來，并輸出到顯示屏上顯示，實現(xiàn)對油管卷盤電比例溢流閥的實時監(jiān)控.系統(tǒng)各硬件的組織結(jié)構(gòu)如圖5所示.

液壓軟管安全監(jiān)控系統(tǒng)程序包括EPEC2024模塊程序和TTC vision Control模塊程序，EPEC2024模塊程序負責實時設定油管卷盤的電比例溢流閥的壓力值并將電比例溢流閥的電流反饋值發(fā)送至CAN上，其程序流程如圖6所示.TTC vision Control模塊程序，負責接收來自CAN上的管卷盤的電比例溢流閥電流反饋值，并顯示至顯示屏上，其程序流程圖如圖6所示.

圖5 液壓軟管卷盤安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.5 Hardware structure of safety supervisory control system

圖6 液壓軟管安全監(jiān)控系統(tǒng)程序流程圖Fig.6 Flow chart of the safety supervisory control system

通過裝機試驗及上海虹橋交通樞紐工程、天津地鐵文化宮站等施工現(xiàn)場驗證，該智能控制系統(tǒng)達到了施工安全性要求.

5 結(jié)語

本文以地下連續(xù)墻液壓施工設備為研究對象，對液壓軟管的收放控制中要解決的主要技術(shù)難題進行研究，提出了控制策略中的算法應遵循的基礎公式.根據(jù)此控制策略設計的液壓軟管卷盤監(jiān)控系統(tǒng)，成功地解決了以往此類設備中存在的軟管不能安全收放的問題.

［1］嘉紅霞，李萬莉，余浩杰.地下連續(xù)墻液壓抓斗糾偏系統(tǒng)動態(tài)分析與建模［J］.同濟大學學報：自然科學版，2009，37（10）：1393-1397.JIA Hongxia，LI Wanli，YU Haojie.Dynamic analysis and model of underground diaphragm wall hydraulic grab control system［J］.Journal of Tongji University：Natural Science，2009，37（10）：1393-1397.

［2］游張平，來磊，李萬莉.基于CAN總線的連續(xù)墻液壓抓斗起重機安全報警系統(tǒng)設計［J］.中國工程機械學報，2009，7（2）：171-174.YOU Zhangping，LAI Lei，LI Wanli.Safety alarm system design for diaphragm-wall grab based on CAN bus［J］.Chinese Journal of Construction Machinery，2009，7（2）：171-174.