混凝土泵車臂架運行穩(wěn)定性提升方法研究

符 智，李海亮，朱 俊

（三一重工股份有限公司，湖南 長沙 414000）

在現(xiàn)代建筑施工中，混凝土泵車已經(jīng)在建造高層建筑、橋梁以及地下工程中得到了廣泛應用。作為混凝土泵車的核心部分［1］，混凝土泵車臂架系統(tǒng)通常由多節(jié)臂架及之間的臂架油缸、連桿、鉸接軸等組成，每兩節(jié)臂架和其連桿構(gòu)成四桿機構(gòu)，由油缸驅(qū)動完成展開、收攏及旋轉(zhuǎn)等動作。根據(jù)四桿機構(gòu)的特點，當臂架油缸以恒定速度驅(qū)動時，由于展開角度的變化，導致臂架本身轉(zhuǎn)動速度變化，臂架運行過程中出現(xiàn)快開快收的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會導致：（1）操作員在操作臂架運行時，由于臂架運動速度的變化，提高了操作難度，增加了操作過程的不確定性；（2）臂架運行速度的變化增大了臂架運行時的振動［2］，降低了臂架的結(jié)構(gòu)可靠性，增加了臂架運動過程的危險性。

目前國內(nèi)外對于臂架穩(wěn)定性的研究主要集中在減小臂架運動啟動與停止時的慣性力及油缸運動穩(wěn)定性方面。如胡鵬法［3］等人通過改善油缸伸縮控制策略，提高油缸同步穩(wěn)定性，減小啟動及停機時的慣性力，但其并沒有對臂架運行過程中的穩(wěn)定性進行分析。對于泵車臂架振動的研究主要集中在泵送過程中液壓換向沖擊導致的振動，對臂架收攏與展開過程中的振動研究及慣性研究較少，如王佳茜［4］等人提出利用偏移控制抑制臂架在泵送過程中的振動。吳智勇［5］等人提出基于時滯補償?shù)幕炷帘奂軠p震方法。

針對以上問題，文章利用Adams多體動力學仿真軟件，模擬臂架勻速運動時油缸速度與臂架展開角對應關系，加裝臂架展開角傳感器，提出一種對臂架展開角實時監(jiān)測，利用油缸速度-臂架展開角對應曲線進行閉環(huán)反饋控制，通過調(diào)節(jié)電磁閥電流，實現(xiàn)臂架勻速運行的方法。通過試驗驗證了此方法的實用性及可靠性，并運用于實際工程中。

1 臂架運行速度分析

混凝土泵由油缸驅(qū)動1個四桿機構(gòu)實現(xiàn)臂架展開與收攏，將臂架簡化為1個油缸推動1個四桿機構(gòu)，當臂架油缸以速度v伸長時，可推算出臂架運行速度w2。如圖1所示。

圖1 臂架四桿機構(gòu)示意圖

根據(jù)封閉適量法，推算桿l1與桿l3角速度關系

計算可得

l1桿轉(zhuǎn)動速度w1由油缸伸長速度v和油缸轉(zhuǎn)動速度w合成

通過動力學仿真軟件Adams仿真可以得出臂架油缸在勻速運動時臂架角速度的變化趨勢，如圖2所示。

圖2 Adams仿真界面

過去混凝土泵車臂架通過恒定伸縮速度的油缸推動展開或收攏，當油缸速度恒定時，由于臂架展開角度不同時，導致展開或收攏時運行速度波動，角速度最大時接近于角速度最小時的2倍，臂架展開或收攏過程運行速度非常不穩(wěn)定。如圖3所示。

圖3 恒定油缸速度時臂架角速度變化曲線

2 臂架展開平穩(wěn)性提升方法

2.1 油缸伸長速度改進

由式（6）可知，若需要運行速度w3恒定，則油缸速度v需根據(jù)展開角度a3變化而變化。為得到v隨a3變化關系式，利用Adams建立了臂架四桿機構(gòu)模型，得到臂架速度恒定時油缸速度—臂架展開角曲線。如圖4所示。

圖4 恒定臂架速度時油缸速度變化曲線

2.2 油缸控制方法改進

其中 v——油缸速度；

β——流量系數(shù)；

A油——油缸面積；

A——實際流通面積；

Δp——壓差。

由于二通流量閥的存在，多路閥進出油口之間的壓差一定，當油缸面積一定時，油缸速度v只與多路閥滑閥開度A成正比。在遙控狀態(tài)下，多路閥開度A由電磁閥控制，與電磁閥電流成正比，故控制電磁閥電流即可控制油缸速度，進一步控制臂架運行速度。

為保證臂架展開速度恒定，在臂架上加裝傾角傳感器，實時監(jiān)測臂架展開角度，將展開角度和油缸隨展開角變化關系曲線相結(jié)合，通過控制電磁閥電流實現(xiàn)臂架展開收攏速度的閉環(huán)控制。

控制原理如圖5所示。

圖5 臂架勻速運動控制原理圖

當運用角加速度傳感器反饋時，電流控制為實時瞬態(tài)控制，每一控制點都隨著相對角加速度瞬時值而改變。當角加速度＞0時，減小電磁閥電流，減小液壓滑閥開度，減慢油缸運行速度；反之，當角加速度＜0時，增大電磁閥電流，增大滑閥開度，提高油缸運行速度，最終實現(xiàn)臂架近似勻角速運動。

3 改進方法試驗驗證

為驗證文章方法的有效性與實用性，以某單位量產(chǎn)的某型號泵車為試驗對象，如圖7所示應用Adams計算其油缸速度曲線，加裝傾角傳感器，優(yōu)化控制程序，對各節(jié)臂架的優(yōu)化控制程序前后臂架速度對比，結(jié)果如表1、表2，圖6、圖7所示。

表1 程序優(yōu)化后臂架運行速度

表2 程序優(yōu)化前臂架運行速度

圖6 臂架收攏角度時歷曲線

圖7 臂架展開角度時歷曲線

對比臂架展開與收攏時程序優(yōu)化前后臂架角位移曲線，可以看出程序優(yōu)化后臂架展開與收攏接近勻速運動，臂架運行速度波動大幅度減小。

4 結(jié)束語

（1）分析了混凝土泵車臂架與油缸運行速度特點，由于臂架為四桿機構(gòu)，油缸勻速運行時，臂架展開與收攏速度波動較大，導致臂架操作時存在快開快收現(xiàn)象，提高了操作難度，降低了臂架穩(wěn)定性。

（2）利用Adams軟件模擬臂架運行過程，得到臂架勻速運動時，油缸速度—臂架展開角曲線，提出利用傾角傳感器實時監(jiān)測臂架展開角，反饋控制電磁閥電流，進而控制油缸速度，實現(xiàn)了臂架勻速展開與收攏，通過試驗驗證了方法的可行性。

［1］ 馮波. 混凝土泵車臂架系統(tǒng)的仿真分析［D］. 長沙：長沙理工大學，2012.

［2］ 劉會勇，李偉，彭秀英，等. 混凝土泵車臂架液壓系統(tǒng)建模與仿真研究［J］. 工程設計學報，2010，17（4）：253-257.

［3］ 胡鵬法. 高空消防車臂架控制關鍵技術研究與系統(tǒng)開發(fā)［D］. 武漢：武漢理工大學，2012.

［4］ 王佳茜，郭崗，黃露，等. 主動減振控制中泵車臂架末端偏移研究［J］. 建設機械技術與管理，2012（8）：91-94.

［5］ 吳智勇，周翔，胡德文，等. 基于時滯補償方法的混凝土泵車臂架主動減振［J］. 中國機械工程，2013，24（24）：3283-3288.