液壓式振動(dòng)樁錘減振問題分析

陳 麗, 李龍海

(1.重慶工商職業(yè)學(xué)院 城市建設(shè)工程學(xué)院,重慶 401520, E-mail: fregh22080@`63.com;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院,哈爾濱 150030)

隨著人們對(duì)大型機(jī)械制造要求得提高,機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)迫在眉睫。相關(guān)大型機(jī)械在生產(chǎn)過程中的振動(dòng)控制效果較差,嚴(yán)重影響機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)效率[1]。目前一些大型機(jī)械設(shè)備在生產(chǎn)過程中,可根據(jù)客戶的需求,利用相關(guān)方法進(jìn)行振動(dòng)控制,通過優(yōu)化控制過程,降低共振對(duì)機(jī)械的損傷速度[2-3]。在建筑項(xiàng)目施工中,液壓式振動(dòng)樁錘、升降機(jī)、混凝土配料機(jī)、混凝土噴射機(jī)等都屬于建筑項(xiàng)目中應(yīng)用較為頻繁的重要機(jī)械,普遍的振動(dòng)控制方式對(duì)其進(jìn)行控制時(shí)都以盲目、隨機(jī)為主,存在振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、滿意度低、外部抗振設(shè)備配置費(fèi)用高等問題[4-5]。針對(duì)上述問題,提高機(jī)械振動(dòng)控制方案的有效性,并將其其控制成本,已經(jīng)成為該領(lǐng)域亟待解決的問題。

針對(duì)這一問題,我國(guó)研究的較少,處于起步階段:如文獻(xiàn)[6]中提出了一種基于LabVIEW的液壓振動(dòng)錘啟停共振控制技術(shù),其先對(duì)振動(dòng)錘的工作原理進(jìn)行分析,然后根據(jù)其工作原理設(shè)計(jì)出一種控制信號(hào)輸出程序,最后以此為基礎(chǔ)完成控制器的設(shè)計(jì),采用軟啟動(dòng)的方式對(duì)振動(dòng)錘的共振進(jìn)行控制。最后利用實(shí)驗(yàn)證明該方法的可行性,該方法在一定程度上可減弱振動(dòng)錘的共振,但僅限于啟停階段,對(duì)工作過程中產(chǎn)生的共振控制效果較差。文獻(xiàn)[7]中針對(duì)在施工中應(yīng)用的減震器比例閥動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真研究,其先對(duì)減震器調(diào)節(jié)閥的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析,然后搭建調(diào)節(jié)閥電壓階躍信號(hào)模型,并以此為基礎(chǔ)建立減震器的仿真模型,最后通過測(cè)試得出激勵(lì)電壓、負(fù)載壓差及阻尼系數(shù)等與機(jī)械減振的關(guān)系?；诖?其研究的液壓減震器在應(yīng)用過程中仍然存在無法完全控制液壓式振動(dòng)樁錘振動(dòng)的問題。

為解決上述方法中存在的不足,本文以建筑用液壓式振動(dòng)樁錘為例,提出一種新的振動(dòng)控制方法。先對(duì)液壓式振動(dòng)樁錘的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,根據(jù)其振動(dòng)原因設(shè)定目標(biāo)函數(shù),進(jìn)而構(gòu)建振動(dòng)控制分組優(yōu)化模型,通過改進(jìn)后的粒子群算法完成模型求解,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提方法的實(shí)用性。

1 液壓式振動(dòng)樁錘的機(jī)械振動(dòng)原理分析

液壓式振動(dòng)樁錘是一種通電后可產(chǎn)生強(qiáng)大激振力將混凝土樁打入地下的一種設(shè)備,在建筑施工中常被用來進(jìn)行振動(dòng)沉樁的施工。液壓式振動(dòng)樁錘中主要通過將柴油機(jī)和液壓泵組合在一起共同構(gòu)成動(dòng)力柜,為其振動(dòng)沉樁提供動(dòng)力[8]。液壓式振動(dòng)樁錘機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

▲圖1 液壓式振動(dòng)樁錘機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示,液壓式振動(dòng)樁錘的動(dòng)力站主要由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、主副油泵及相應(yīng)控制系統(tǒng)組成。動(dòng)力站主副油泵中,主泵為馬達(dá)提供動(dòng)力支持,副泵為加緊夾樁器提供動(dòng)力支持。柴油機(jī)與液壓泵之間主要用軟管連接,其動(dòng)力站出油口均配有快速接頭,以方便軟管的拆卸。動(dòng)力站處的控制系統(tǒng)主要是對(duì)主副油泵的排量進(jìn)行控制,通過對(duì)其進(jìn)行調(diào)整,可控制機(jī)械的動(dòng)力支撐,實(shí)現(xiàn)變頻的目的。振動(dòng)樁錘主要由振動(dòng)器、懸掛器件、夾樁器等部分組成,其偏心塊安裝在齒輪軸側(cè)。振動(dòng)錘受馬達(dá)驅(qū)動(dòng),借助齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)偏心塊旋轉(zhuǎn),進(jìn)而產(chǎn)生激振力用于沉樁施工。

在檢驗(yàn)液壓式振動(dòng)樁錘激振能力時(shí),樁錘的偏心力矩是一項(xiàng)重要的參數(shù)。當(dāng)樁錘產(chǎn)生的振幅足夠大時(shí)才能克服土壤的彈性形變實(shí)現(xiàn)沉樁,而其偏心力矩越大,振幅越大;樁越重,振幅越小。故在進(jìn)行偏心塊振動(dòng)時(shí),要注意其振動(dòng)方向。在該機(jī)械工作的過程中,振錘軸也非常重要,應(yīng)考慮其多方受力產(chǎn)生的振動(dòng)情況,其受力分析如圖2所示。

如圖2所示,其振錘軸的振動(dòng)強(qiáng)度應(yīng)與彎扭合成強(qiáng)度有關(guān),在對(duì)其進(jìn)行控制時(shí),應(yīng)考慮軸強(qiáng)度能否符合彎扭合成強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的校核。

▲圖2 振錘軸受力分析圖

2 液壓式振動(dòng)樁錘振動(dòng)控制模型構(gòu)建

2.1 振動(dòng)控制約束條件分析

為實(shí)現(xiàn)液壓式振動(dòng)樁錘振動(dòng)控制的優(yōu)化,首先構(gòu)建振動(dòng)控制模型。根據(jù)振動(dòng)控制的目標(biāo)函數(shù),設(shè)置模型的限定約束條件,約束條件的需求如下:

R=(T,F,C,O)

(1)

式中:T代表液壓式振動(dòng)樁錘的基礎(chǔ)配置類型;F代表用戶對(duì)液壓式振動(dòng)樁錘振動(dòng)功能的需求集,F=(F1,F2,…,Fi);C代表液壓式振動(dòng)樁錘的物理結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵參數(shù)集,C=(C1,C2,…,Ci);O代表用戶對(duì)液壓式振動(dòng)樁錘振動(dòng)性能需求的傾向集,O=(O1,O2,…,Oi)。振動(dòng)控制約束需求向量為

(2)

式中:需求約束條件表示用戶選擇的產(chǎn)品基礎(chǔ)配置類型必須存在于系統(tǒng)能力之中,對(duì)功能、物理結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品振動(dòng)參數(shù)的選擇,也不能超出配置的能力約束范圍。部分用戶對(duì)液壓式振動(dòng)樁錘振動(dòng)性能的需求不同,但都是為定制性能最優(yōu)的產(chǎn)品,故將產(chǎn)品配置優(yōu)劣問題轉(zhuǎn)換為比較產(chǎn)品綜合性能指數(shù)高低的問題,通過層次分析法建立判斷矩陣,按照“綜合性能、興趣、零部件”的層次總排序求取部分向量的特征值。

根據(jù)液壓式振動(dòng)樁錘的主要抗振功能,按照用戶需求,選取m個(gè)性能指標(biāo)用T=[P1,P2,…,Pm]T來表示,建立綜合性能-需求判斷矩陣,計(jì)算權(quán)重,生成配件權(quán)重向量

w=(c1,c2,c3,…,cn)T

(3)

液壓式振動(dòng)樁錘的待配置振動(dòng)相關(guān)向量為

p=(f1,f2,f3,…,fn)

(4)

則配置后振動(dòng)綜合性能向量為

G=p·w

(5)

當(dāng)配置n種配件在m項(xiàng)性能指標(biāo)下的振動(dòng)約束性能矩陣為

(6)

則按照用戶需求配置,其綜合性能指數(shù)為

(7)

K值越大,代表用戶需求與產(chǎn)品配置結(jié)果越匹配,最優(yōu)的約束條件評(píng)價(jià)模型可表示為

(8)

2.2 考慮約束條件的振動(dòng)控制優(yōu)化模型

在進(jìn)行振動(dòng)控制時(shí),需要考慮客戶需求,同時(shí)還會(huì)考慮到控制成本,在產(chǎn)品振動(dòng)控制的優(yōu)化控制中,要盡最大能力滿足客戶需求的同時(shí),也要保證控制效果最大化。設(shè)n個(gè)產(chǎn)品振動(dòng)控制組件的實(shí)際振動(dòng)信號(hào)為L(zhǎng)=[l1,l2,…,lm]T,此時(shí)可得到:

(9)

當(dāng)用戶確定需要對(duì)其振動(dòng)進(jìn)行控制時(shí),設(shè)置振動(dòng)成本為Sk,其限制條件設(shè)置為:

(10)

除以上限制條件外,客戶會(huì)要求生產(chǎn)廠家在規(guī)定的時(shí)間段Tk內(nèi)供給產(chǎn)品[9],所以在產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間上進(jìn)行約束:

(11)

綜上所述,將公式進(jìn)行結(jié)合,得到本文構(gòu)建的優(yōu)化振動(dòng)控制模型:

(12)

3 模型求解方法

根據(jù)上述構(gòu)建的優(yōu)化模型,為避免該模型求得的結(jié)果存在誤差,本文通過改進(jìn)粒子群算法進(jìn)行求解,完成最終的優(yōu)化目標(biāo)。

根據(jù)隨機(jī)生成的初始化粒子的任意解,設(shè)在d維空間內(nèi)任一粒子的解均不存在體積和質(zhì)量,則粒子的空間位置為X=(X1,X2,…,Xd),粒子在空間中的飛行速度為v=(v1,v2,…,vd)T,根據(jù)最基本的粒子群算法中,以振動(dòng)控制速度和位置更新為約束條件,表達(dá)式分別為[10]:

(12)

(13)

針對(duì)粒子群算法中存在的收斂性較差的問題[11],為能夠更好地完成產(chǎn)品振動(dòng)控制優(yōu)化配置,必須對(duì)傳統(tǒng)的該算法進(jìn)行改進(jìn),其改進(jìn)分為以下兩個(gè)部分。

(1) 振動(dòng)因素慣性權(quán)重改進(jìn)

由公式(12)可知,?較低時(shí)會(huì)有較好的搜素能力,但是只適合小范圍內(nèi)的搜索。當(dāng)?較高時(shí),有利于實(shí)現(xiàn)全局大范圍內(nèi)的搜索,對(duì)小范圍內(nèi)的搜索能力較低,精確值也較低,所以適合大范圍的搜索[12]。為能夠保證粒子群算法對(duì)復(fù)雜建筑機(jī)械產(chǎn)品的大范圍搜索能力和小范圍搜索能力,同時(shí)還得考慮到在陷入小范圍最優(yōu)的情況下能搜索到大范圍的最優(yōu),引用非線性函數(shù)來對(duì)慣性權(quán)重進(jìn)行更新,以解決其振動(dòng)控制模型收斂性差的問題[13],其公式如下:

(13)

(2) 振動(dòng)控制加速度因子改進(jìn)

通過公式(12)可以看出,振動(dòng)控制加速度因子c1和c2分別表示各個(gè)粒子本身的學(xué)習(xí)能力和互相協(xié)作能力,當(dāng)加速度因子較低時(shí),會(huì)陷入小范圍極值點(diǎn),當(dāng)加速度因子過高時(shí),會(huì)導(dǎo)致最優(yōu)解丟失[15]。利用下式對(duì)加速度因子進(jìn)行更新:

(14)

粒子群算法中的各個(gè)粒子容易在局部范圍內(nèi)獲得最優(yōu)解,這種情況容易使粒子群算法偏向一個(gè)方向發(fā)展,缺少了多樣性,導(dǎo)致粒子群算法會(huì)提前陷入局部最優(yōu)解中。為避免陷入局部最優(yōu)解中,在訓(xùn)練的過程中對(duì)粒子最優(yōu)位置進(jìn)行擾動(dòng),獲取全局最優(yōu)解為:

(15)

即得到全局最優(yōu)解后,就可使得模型收斂性最佳,能夠平衡約束條件,合理對(duì)液壓式振動(dòng)樁錘進(jìn)行振動(dòng)控制。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證所提方法的性能,設(shè)計(jì)一次實(shí)驗(yàn)分析。以某一建筑項(xiàng)目中采用的液壓式振動(dòng)樁錘為例進(jìn)行本文所提方法的驗(yàn)證。

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

主要試驗(yàn)設(shè)備有:YS7114型三相異步電機(jī)兩臺(tái)、偏心裝置2套、變頻器1 臺(tái)、懸臂裝置1套、振動(dòng)檢測(cè)儀及軟件各1套、高速相機(jī)1臺(tái)、電線若干等。試驗(yàn)用液壓式振動(dòng)樁錘參數(shù)如表1所示。

表1 液壓式振動(dòng)樁錘

4.2 結(jié)果分析

本實(shí)例是在Matlab7.0的基礎(chǔ)上,根據(jù)上表實(shí)現(xiàn)的。選取綜合性能指數(shù)K、慣性權(quán)重?、加速度因子c1和c2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

(1)K值

先進(jìn)行綜合性能指數(shù)K驗(yàn)證,時(shí)間由計(jì)算機(jī)自帶的時(shí)間軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3中曲線走勢(shì)可以看出,實(shí)際K值僅能滿足液壓式振動(dòng)樁錘裝配需求,而采用本文方法時(shí),K值隨著時(shí)間的增加逐漸增高,雖然在20 s,35 s,45 s,50 s處出現(xiàn)了下降趨勢(shì),但其值仍要高于實(shí)際值,表明采用本文方法可有效提高K值的取值范圍,使液壓式振動(dòng)樁錘裝配合理,且提高其裝配精度。這是由于本文方法在設(shè)計(jì)優(yōu)化模型后,借助改進(jìn)后的新算法完成了模型最優(yōu)解的獲取,提升了本文方法的性能。

▲圖3 K值分析

(2)?值

其次,進(jìn)行慣性權(quán)重?值驗(yàn)證。同樣時(shí)間由計(jì)算機(jī)自帶的時(shí)間軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

▲圖4 ?值分析

分析圖4可知,采用本文方法控制后,從最初的末端較大到后期穩(wěn)定所消耗時(shí)間內(nèi)的?值與實(shí)際?值是類似的。雖然在27 s處出現(xiàn)了波動(dòng),比實(shí)際值高了0.02,但很快趨于穩(wěn)定,與實(shí)際?值類似,具有一定優(yōu)勢(shì)。

(3)c1和c2值

最后,進(jìn)行加速度因子c1和c2值驗(yàn)證。同樣時(shí)間由計(jì)算機(jī)自帶的時(shí)間軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

分析圖5可知,采用本文方法控制后時(shí),其c1值在3 s～16 s時(shí)略高于實(shí)際值,c2值在0～2 s、4 s及13 s處與實(shí)際值相差明顯,其余時(shí)間與實(shí)際值是相符的,穩(wěn)定性較高,具有一定的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語

本文以建筑用液壓式振動(dòng)樁錘的振動(dòng)控制為例,對(duì)其模型非線性收斂問題進(jìn)行研究。該方法先根據(jù)液壓式振動(dòng)樁錘振動(dòng)控制過程,結(jié)合改進(jìn)PSO算法構(gòu)建液壓式振動(dòng)樁錘模型。針對(duì)模型的非線性收斂進(jìn)行分析,獲取最終的優(yōu)化解。

▲圖5 c1、c2值分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用所提方法控制后,其綜合性能指數(shù)、慣性權(quán)重及加速度因子與實(shí)際值相似,表明本文方法具有較好的應(yīng)用性能。