泵車與攪拌車自適應協同作業研究

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引言

在混凝土施工過程中,攪拌車將商品混凝土由攪拌站運送到施工現場后,由現場卸料工人手動操作攪拌車的卸料開關,向泵車的料斗中卸料,再由泵車將混凝土泵送到澆筑地點。在卸料過程中,操作工人需根據泵送速度和料斗內料位高度情況實時調整卸料速度,避免造成料斗內混凝土溢出或吸空。溢出將造成混凝土的浪費,提高施工成本;吸空會造成空氣吸入泵管,引起出料口跳動或爆管,引發人身傷害等安全事故。

由于卸料工人與布料操作手一般相距較遠,無法實時有效溝通,施工過程中兩者同步性較差,經常出現溢出或吸空現象。本文設計了一套自適應協同作業的控制系統,攪拌車根據泵車泵送速度和料位高度,自動調整卸料速度,不再需要人工干預,自動化程度高,有效保證了施工的同步性,降低了人工成本。

1 協同作業系統說明

泵車與攪拌車作業系統如圖1所示,泵車通過油缸的往復運動,將料斗內的混凝土吸入輸送缸,再通過輸送缸、泵管輸送到澆筑點。油缸往復運動速度越快,布料所需方量越多,攪拌車的卸料速度也越快。為了保證施工的同步性,攪拌車的卸料方量QJ需約等于泵車的布料方量QB。

圖1 泵車與攪拌車作業示意圖

為了實現自動協同作業,需要解決以下幾個問題:

(1)泵車需獲取自身料斗內料位高度、攪拌車的卸料速度信息;

(2)攪拌車需獲取泵車實時作業狀態、料位高度、混凝土方量需求信息;

(3)攪拌車卸料方量與攪拌筒轉速的曲線關系;

(4)泵車與攪拌車之間實時通訊。

2 泵車控制系統設計

2.1 料位檢測設計 如圖2所示,在泵車料斗中安裝3個料位檢測裝置,高料位為料斗上限位檢測,用作混凝土溢出的判斷信號,低料位為料斗下限位檢測,用作混凝土吸空的判斷信號,中料位為工作料位檢測,也為目標料位,當料斗料位控制在中料位附近時為最理想料位高度。

圖2 料位檢測示意圖

2.2 泵送需求方量計算 設泵車輸送缸體積為V,泵送換向次數為每分鐘N次,則泵車每分鐘所需要的混凝土方量Q可表示為

其中η為泵車的吸料效率,通常選為0.85,泵車排量確定后,輸送缸的體積V即可確定,因此泵送方量只與換向次數有關,且成正比關系。換向次數可通過檢測換向信號計算得出,主要取決于泵車發動機轉速、液壓油泵輸出流量、高低壓泵送方式、混凝土塌落度等。

3 攪拌車控制系統設計

3.1 攪拌筒轉速控制關系 根據電控攪拌車的動力傳遞關系:

其中,N為發動機轉速,Vg為液壓油泵輸出流量,與油泵比例閥的控制電流成正比,Vm為馬達排量,y為減速機減速比,V為攪拌桶轉速,馬達與減速機確定后,Vm與y即可確定,因此Vm與y可作為常量。

油泵型號確定后,其輸出流量與油泵比例閥控制電流的特征關系曲線即可查詢得出,如圖3所示:

圖3 流量與電流關系

從圖3可知,油泵輸出流量與控制電流的關系表達式可描述為

其中Vgmax為油泵最大輸出流量,PWMmin為油泵最小工作電流,PWMmax為油泵最大工作電流,油泵選定后,這3個常量參數即可確定,因此油泵輸出流量只與控制電流有關,且成線性關系。

將公式3-2代入公式3-1可得出攪拌桶轉速關系表達式

因此,攪拌筒轉速的快慢取決于攪拌車發動機轉速和油泵控制電流。

3.2 攪拌筒卸料方量與轉速關系 攪拌車的卸料方量與攪拌筒轉速、筒內混凝土余量、混凝土塌落度、液壓油溫度、攪拌筒葉片結構等均有關系,由于目前攪拌車均為手動控制卸料,卸料方量還沒有一個準確的關系表達式,只能通過大量實驗來獲取電控攪拌車的卸料數據近似曲線,然后進行微調與修正。

首先采用卸料仿真分析與卸水測試相結合的方式,將攪拌筒的轉速平分成N個離散的速度點,忽略出料的不均勻性,測試出每個離散速度點對應的平均卸水方量值,獲取攪拌筒卸水方量與轉速V的離散關系表達式

選擇常用的幾種卸料轉速進行混凝土卸料測試,對式3-4進行修正,獲取攪拌筒卸料方量與轉速V的離散關系表達式

4 通訊系統設計

在泵車與攪拌車上均安裝有無線接收器與無線發射器,通過一鍵方式,將泵車與攪拌車的無線系統連接起來,泵車與攪拌車即可進行數據傳輸。泵車將泵送狀態、泵送速度、泵送所需方量、料位傳感器檢測信號通過無線方式發送到攪拌車的無線接收裝置,攪拌車對接收的信號進行處理后,根據需求控制卸料狀態、卸料速度等,同時攪拌車將攪拌筒轉速信息通過無線方式發送到泵車的無線接收裝置,以便泵車根據攪拌車速度與料位高度,了解攪拌筒內混凝土的余量,無線通訊結構如圖4所示。

圖4 無線通訊結構

圖5 協同作業控制流程

5 協同作業流程設計

泵車與攪拌車建立無線通訊網絡后,根據聯動控制原則:QB≈QJ,泵車將相關信息發送給攪拌車,攪拌車根據泵送需求方量和自身卸料方量與轉速的關系,控制攪拌筒的卸料轉速,同時根據泵車料斗內的料位信息對攪拌筒的轉速進行微調,以確保料斗內不溢出、不吸空,控制流程如圖5所示。

6 結束語

本文設計了一種泵車與攪拌車的自適應協同作業系統,攪拌車可根據泵送需求方量、料位高度信息,自動調節攪拌車的卸料速度,自適應能力強,數據通訊通過無線方式傳輸。該系統結構簡單,卸料與布料同步性好,自動化程度較高,大大降低了人工成本,提高了產品的市場競爭力。