混凝土噴漿車臂架抑振控制研究與應用

萬林林，曹希龍，張淑君，張衛國，何繼盛，李明明

（徐州徐工施維英機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

混凝土噴漿車是一種隧道支護混凝土噴漿作業的專用設備。它主要應用于公路鐵路隧道、地鐵、礦山巷道等領域。噴漿車在施工過程中仍存在臂架晃動量大，操作手操作體驗差等缺陷，造成噴漿作業噴頭定位精準度差，進而導致噴漿混凝土表面平整度差。如何減少臂架晃動量，降低現場操作難度，提高噴漿作業時噴頭定位精度，成為近年來混凝土噴漿車升級的關鍵技術。

1 噴漿車臂架控制工作原理

目前，行業內混凝土噴漿車臂架作業由轉臺回轉、臂架變幅、臂架伸縮、末端噴頭旋轉等配合完成。這種結構方式既能夠單獨運行動作又能同時組合運行動作，能最大限度增加臂架展開自由度，增加狹小空間內作業面積。噴漿車結構如圖1所示。

臂架控制系統由依次連接的液壓油缸、油路管、電液比例閥、控制器、遙控器組成。總線型遙控器通過CAN網絡發送手柄控制信號至控制器，控制器采用可控的PWM（脈寬調制）技術，電路中輸出可變的開關電壓，來驅動電液比例閥閥芯位移，從而控制液壓油路的流量和壓力，液壓油缸驅動臂架動作。

圖1 混凝土噴漿車結構圖

2 臂架振動原因分析

噴漿車臂架展開后的縱向變幅、橫向回轉是一種較大的慣性系統。在啟動、制動過程中負載及本身慣性沖擊會對臂架產生較大沖擊，從而產生晃動。

再者，噴漿車臂架帶有伸縮功能，臂架需要用柔性的混凝土輸送管和氣路軟管進行連接。在臂架啟動和停止時，剛性臂架運動帶動柔性管路運動。在現有技術條件下，柔性的軟管無法替代，臂架啟動停止時，應盡量減少軟管對臂架的慣性拖拉作用，以降低、消除其對臂架平穩性的影響。

在啟動、制動階段抑制慣性參量加速時間可以有效抑制臂架晃動。在不改變臂架結構及液壓系統下選用合理的控制策略，可以在一定程度上彌補機械的性能缺失造成的臂架晃動的現象。

3 抑振原理及策略

遙控手柄開度值與控制器PWM端口輸出成一定的比例關系。電液比例閥閥芯位置基于PWM原理控制，一旦閥芯到達位置，脈寬調制結束，閥芯位置鎖定。假設忽略比例閥響應遲滯，理想狀態下，臂架油缸伸縮速度與手柄操作速度成一定比例關系。如圖2所示。遙控手柄幅度與控制器輸出對應關系，如圖3所示。在t1、t2階段由于時間較短，這一階段變化過程可看成階躍響應，遙控手柄從零位至滿行程，速度越快臂架晃動量越大。通過測量臂架速度及振動量，發現加速度越大帶來臂架晃動沖擊越大。在某個加速區間內，臂架動作即能滿足工況要求，在此區間內臂架具有較好的平順性。臂架油缸平均速度與臂架晃動振幅關系如表1所示。

圖2 臂架伸速與手柄幅度

圖3 手柄幅度與控制器輸出

表1 臂架油缸平均速度與臂架晃動振幅

表2 手柄開度與端口輸出電流對應表

按照以上思路，如果在相同操作下可以降低多路閥響應速度，使控制多路閥的輸出比例電流按照一定緩沖曲線輸出，可有效降低突然啟停引起的沖擊，從而保證起動和停止階段臂架平穩運行。所以在t1、t2階段，加入緩沖曲線度，使得初始階段緩慢輸出，后段快速輸出。通過控制器采集手柄開度數值（取值范圍0～127）與端口輸出電流相應變化數據，部分數據如表2所示。

通過采集數據，擬合手柄開度值與比例閥電流（mA）緩沖曲線，如圖4所示。通過修訂及應用比較不同曲線輸出效果，確定3型擬合曲線。

圖4 手柄開度與比例閥電流擬合曲線

由于t1、t2變換時間短，在應用緩沖曲線輸出后，臂架抑振效果有限，為進一步提升抑振效果，需要降低端口輸出響應。根據控制原理，設計一階慣性環節軟件算法。

其中，a為慣性系數，Y(n-1）為上次輸出值，X(n)為本次采樣值。此慣性濾波算法能使本次采樣值與上次輸出值進行加權，使得輸出對輸入有一定反饋作用，從而有效降低手柄突變對比例閥輸出響應。

4 結 語

本文通過對噴漿車臂架振動影響因素分析，明確了臂架抑振控制的控制方式，通過引用緩沖曲線及慣性算法，優化控制策略，在一定程度上有效彌補機械特性帶來的性能缺失。經過場內及施工現場實踐，噴漿車臂架晃動明顯降低，操作可控性、臂架工作壽命均得到了提升。