混凝土泵车主动防倾翻控制技术
黄大为,万 梁,吴德志,吴斌兴,赵 鑫
【摘 要】摘要：基于混凝土泵车工作原理与负载特性,建立了整机力学模型.通过理论分析,得到了泵车的倾翻条件与安全工作区域,并设计了安全系数计算模型.通过支腿压力、开度等实时反馈信息,基于安全系数计算模型,搭建了泵车主动分级防倾翻控制系统,实现任意工况下泵车作业的稳定性判断,并根据安全系数大小对泵车的执行机构进行主动分级控制,有效防止泵车倾翻.样机验证结果表明:主动防倾翻控制系统可以实时掌控泵车的安全状态,在不同的安全等级下准确地对臂架等执行机构进行主动干预,确保施工安全. 【期刊名称】中国工程机械学报 【年(卷),期】2016(014)004 【总页数】6
【关键词】混凝土泵车; 防倾翻; 主动控制; 安全系数
混凝土泵车是一种用于输送和浇筑混凝土的移动式工程机械,它可以将混凝土沿着输送管道连续泵送到施工现场,逐渐成为了工程施工中的关键设备[1].近年来随着泵车吨位的提高,倾翻力矩越来越大,汽车底盘本身的重量不足以平衡其倾翻力矩,故须对泵车工作时的稳定性进行跟踪监测,以防止倾翻.通常为获得较好的稳定性,泵车工作时的支腿要求完全展开.但由于施工场地的限制导致支腿跨距不能达到要求,或者机手操作失误,都可能引起整车的稳定性异常而发生倾翻事故.即使机手发现这种现象,由于采取措施到设备响应有一定的延时,故还是存在事故发生的风险.因此开发一种控制系统,实时监控整车的稳定状态,并根据倾翻风险等级主动干预执行机构,从而防止泵车倾翻是十分必要的.它实时 跟踪监测随车
起重机的稳定性,当整机重心超出支承范围或支腿油缸压力小于某一最小值时,单片机系统发出控制指令使随车起重机变幅、回转等动作停止,并发出报警提示信号,确保整机的安全,防止发生倾翻事故[2].本文深入分析了混凝土泵车施工过程的负载特性,建立了整机力学模型,并提出了一种安全系数模型和分级控制策略,可以实时准确地评估整机的安全状态,预判危险的发生.基于风险等级及时主动地干预设备,控制执行机构有效地做出防倾翻的响应动作(如调整臂架姿态降低倾翻趋势或者紧急停止泵送等),以确保施工安全.
1 混凝土泵车的力学分析
以混凝土泵车的回转中心为坐标原点构建坐标系,车尾方向为x轴正,车左侧为y轴正,如图1所示.当混凝土泵车作业时,4个支腿将支承起整个设备(包含工作介质混凝土)产生的重力.即整机重力G等于各支腿支撑反力的累加值. (1)式中:F1,F2,F3,F4为左前、右前、右后、左后4个支腿的支撑反力. 支撑反力可通过设置在支腿垂直油缸上压力传感器读数后换算得到.
如图1所示,倾翻线为支腿接触地面的中心连线.对于右侧、前方倾翻线,存在如下的力矩平衡 (2) (3)
式中:LG1,LG2为整机重心到右侧倾翻线、前方倾翻线的距离,边线确定后即距离确定;LR1,LR2为左前支腿、左后支腿到右侧倾翻线的距离,边线确定后即距离确定;LF1,LF2为右后支腿、左后支腿到前方倾翻线的距离,边线确定后即距离确定. 根据式(2),(3)可以求解LG1以及LG2,由LG1和LG2的值又可唯一确定整机重心的坐标G(xG,yG).
(4)式中:l1、l2为前方倾翻线、右侧倾翻线的向量表示;x1,y1,x2,y2,x3,y3为左前、右前、右后支腿的坐标值.同理,可依次计算出LR2,LF1和LF2的数值. 在LG1和LG2求解的情况下,通过式(4)可以建立重心坐标G(xG,yG)的二元二次方程组,如下所示: (5)
各支腿的支撑点位置坐标可通过支腿上安装的位移传感器以及角度传感器实时测量得到.
2 安全系数计算模型
根据相关文献[3-4],定义整车安全系数S如下: (6)
受泵送混凝土质量的影响,下车重力Gm和臂架重力GB以及臂架重心距离LB都是很难确定的,只有下车重心距离Lm是相对确定的,因而无法直接准确地计算出整车安全系数S.但是如图3所示,臂架,下车和整机之间存在着以下的力矩平衡关系:
Gmxm+GBxB=GxG (7)
式中，xm,xB,xG为下车、臂架、整机重心的坐标值. 将坐标值换算成力臂的形式: (8)
式中:LG为整机重心到后方倾翻线的距离. 同时,因整机重力等于臂架重力与下车重力之和: (9)
混凝土泵车主动防倾翻控制技术
