CN103062281B - 泵车及其臂架的振动抑制方法、控制器和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泵车臂架的回转振动抑制方法,抑制方法包括:检测所述臂架在回转方向上的振动烈度;提取臂架的动态特性参数;根据所述振动烈度以及所提取的动态特性参数计算能够补偿该振动烈度的用以对所述回转执行机构进行控制的控制信号;以及根据该控制信号驱动所述回转执行机构运动以抑制所述臂架的回转振动。另外本发明还提供了一种泵车臂架的回转振动抑制控制器、装置以及包括该装置的泵车。通过上述技术方案,抑制泵车臂架在回转方向上的振动,不仅降低了臂架发生故障的危险,还能提高相关工程操作的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种泵车臂架的振动抑制方法、控制器、装置以及泵车,具体地,涉及一种抑制泵车臂架在回转方向上振动的方法、控制器、装置以及一种泵车。
背景技术
目前,对于具有上装结构的特种车辆来说,臂架是较为常见的一种上装结构。在工作过程中,臂架通常需要进行伸缩、旋转或平移等运动,在此过程中如果臂架发生回转方向上的振动不但有可能会影响上装结构的工作,还可能影响臂架或者上装结构的使用寿命,甚至引起事故。
以混凝土泵车为例,臂架为多关节铰接的细长柔性悬臂梁结构,在臂架进行回转操作时或泵送混凝土施工过程中,如果在回转方向上的振动严重,由于臂架末端软管柔性较大,会对臂架末端的回转振动起到较明显的放大作用。在振动较大的情况下,臂架末端软管的摆动幅度甚至会超过1米。臂架的回转振动会导致臂架末端定位不准、臂架开裂等问题,不仅影响泵车结构件的使用寿命,而且容易引起重大的人身伤亡事故。因此,如何有效地抑制臂架的振动,尤其是臂架在回转方向上的振动,对于提高臂架操纵安全性有着重大意义。
以混凝土泵车为例,在现有技术中,通常泵车施工操作者利用调低泵送档位以降低泵送排量和泵送效率的手段;或者是改变臂架姿态,从而调整臂架固有频率;或者是将回转操作的档位设置为慢档,通过降低回转机构的回转速度来减小由于惯性产生的回转振动。但是上述方法耗时耗力,影响施工工期。
除此之外,还有一种方式是通过改变回转操作启动和制动时回转机构的操作电流的形式,如将方波改为带斜坡的方波形式或增加斜坡斜率以缓冲振动,但是这种方式不仅延长了臂架回转操作的时间,更致命的是,在制动时由于斜坡式的回转操作电流的存在,使得即使是在泵车施工操作者发出了制动信号的情况下,臂架仍会继续向前回转一定距离,所以仍然存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够有效抑制臂架在回转方向上的振动的臂架的回转振动抑制方法、臂架的回转振动抑制控制器以及臂架的振动抑制系统。
为了实现上述目的,本发明提供一种泵车臂架的回转振动抑制方法,所述臂架安装在所述泵车的回转平台上,所述回转平台由回转执行机构驱动从而带动所述臂架进行回转,其中,所述抑制方法包括:
检测所述臂架在回转方向上的振动烈度;
提取臂架的动态特性参数;
根据所述振动烈度以及所提取的动态特性参数计算能够补偿该振动烈度的用以对所述回转执行机构进行控制的控制信号;以及
根据该控制信号驱动所述回转执行机构运动以抑制所述臂架的回转振动。
为了实现上述目的,本发明还提供一种泵车臂架的回转振动抑制控制器,所述臂架安装在回转平台上,所述回转平台由回转执行机构驱动从而带动所述臂架进行回转,所述控制器包括依次连接的输入模块、处理模块和控制模块,其中,
所述输入模块用于接收表征臂架在回转方向上的振动烈度的振动烈度信号;
所述处理模块用于提取臂架的动态特性参数、根据所述振动烈度信号以及所提取的动态特性参数计算并产生能够补偿所述振动烈度的控制信号,并将该控制信号传送给所述控制模块;
所述控制模块用于根据所述控制信号控制所述回转执行机构运动。
为了实现上述目的,本发明还提供一种泵车臂架的回转振动抑制装置,所述臂架安装在所述泵车的回转平台上,所述回转平台由回转执行机构驱动从而带动所述臂架进行回转,其中,所述抑制装置包括:第一传感器,用于检测所述臂架在回转方向上的振动烈度并生成表征臂架在回转方向上的振动烈度的振动烈度信号;和本发明所提供的上述回转振动抑制控制器,其中,所述第一传感器与所述回转振动抑制控制器的输入模块连接。
另外,本发明的另一个目的是提供一种泵车,该泵车包括本发明所提供的上述泵车臂架的回转振动抑制装置。
通过上述技术方案,检测臂架在回转方向上的振动烈度,根据振动烈度计算出补偿该振动烈度的回转执行机构的控制信号,并根据该控制信号对泵车的回转执行机构进行相应的控制,从而抑制泵车臂架在回转方向上的振动,不仅降低了臂架发生故障的危险,还能提高相关工程操作的安全性。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与下面的具体实施方式一起用于解释本发明,但并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1是泵车的示意图;
图2是本发明优选实施方式的液压马达和回转平台的连接示意图;
图3是图2所示的圈出部分的局部放大示意图;
图4是本发明优选实施方式的液压马达和回转平台的连接示意图;
图5是本发明优选实施方式的回转油缸与回转平台的连接示意图;
图6是根据本发明优选实施方式提供的泵车臂架的回转振动抑制方法的流程图;
图7是实施本发明提供的减振模式一的信号波形图;
图8是实施本发明提供的减振模式二的信号波形图;
图9是实施本发明提供的减振模式三的信号波形图;
图10是本发明提供的泵车臂架的回转振动抑制控制器的框图;
图11是本发明提供的泵车臂架的回转振动抑制装置的框图;
图12是应用本发明技术方案的泵车臂架的末臂节的减振效果图。
附图标记说明
1臂架 2回转平台
21第二齿轮 3液压马达
31第一齿轮 32回转减速机
11末臂节 4回转油缸
41齿条 50输入模块
60处理模块 70控制模块
80第一传感器 90第二传感器
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
首先参考图1至图5说明泵车回转所涉及的主要结构。泵车主要包括臂架1、底盘、上装总成和泵送单元。其中回转机构是上装总成的一部分,包括回转平台2和回转执行机构,其中臂架1安装在回转平台2上,回转平台2由回转执行机构驱动从而带动所述臂架1进行回转。
如图1所示,臂架1包括N个臂节,依次相接,其中连接到回转平台2上的称为第一臂节,以此类推,最末一节臂节称为末臂节11,末臂节11连接软管,臂架的振动主要是指连接软管的臂架末端的振动,也就是末臂节11的振动。本发明所关注的臂架在回转方向上的振动主要也是指末臂节11在回转方向上的振动,因此本发明所提供的回转振动抑制方法、装置等效果也主要体现在减弱末臂节11在回转方向上的振动。
回转平台2包括回转支承外圈和内圈,内外圈用钢球连接,内圈与底架固定连接,外圈与上转台连接。
所述回转执行机构可以有多种实施方式,例如带液压马达的回转执行机构,或者带回转油缸的回转执行机构。
如图2至图4所示,为带液压马达的回转执行机构。如图2、图3所示,液压马达3的输出轴带动套在该输出轴外的第一齿轮31转动,该第一齿轮31与设置在回转平台2上的第二齿轮21(即回转支承外圈)啮合,该第二齿轮21通过自身的转动而带动回转平台2转动。通过这样的传动结构,液压马达3的运动就传递给回转平台2,回转平台2带动与之相连的臂架1的臂节运动,也就是带动第一臂节运动,第一臂节的运动会以一定比例传递到末臂节11,该传递的比例也与臂架1的姿态有关。
优选地,在液压马达3的输出轴与第一齿轮31之间还可以设置有回转减速机32,见图4,通过该回转减速机32可以将液压马达3的输出速度降低到回转平台2可承受的速度。
其中,液压马达3的动作是由回转电磁阀(未图示)通过液压油路控制的,该回转电磁阀接收控制信号并根据控制信号来控制液压马达3的动作。当控制信号为0时,回转电磁阀的阀芯处于中位,此时液压马达3不动作,回转平台2无回转动作。当控制信号为正值或负值时,回转电磁阀的阀芯相应位于左位或右位,驱动液压马达3顺时针或逆时针转动,从而驱动回转平台2在回转方向或相反于回转方向上转动。对于本领域普通技术人员而言,回转电磁阀控制液压马达3的液压油路可以根据上述描述设计得到,在此不再赘述。
可替换地,如图5所示,为带回转油缸的回转执行机构。如图5所示,回转油缸4通过齿条41与回转平台2上的第二齿轮21(即回转支承外圈)啮合并带动回转支承转动。通过这样的传送机构,将回转油缸4的往复直线运动转换成平台2的转动运动。
其中,回转油缸4的动作也可以由回转电磁阀(未图示)通过液压油路控制的,该回转电磁阀接收控制信号并根据控制信号来控制回转油缸4的动作。当控制信号为0时,回转电磁阀的阀芯处于中位,此时回转油缸4不动作,回转平台2无回转动作。当控制信号为正值或负值时,回转电磁阀的阀芯相应位于左位或右位,驱动回转油缸4向左或向右直线运动从而驱动回转平台2在回转方向或相反于回转方向上转动。对于本领域普通技术人员而言,回转电磁阀控制回转油缸4的液压油路可以根据上述描述设计得到,在此不再赘述。
基于上述泵车结构,如图6所示,本发明提供的泵车臂架的回转振动抑制方法包括:
检测所述臂架1在回转方向上的振动烈度;
提取臂架1的动态特性参数;
根据所述振动烈度以及所提取的动态特性参数计算能够补偿该振动烈度的用以对回转执行机构进行控制的控制信号;以及
根据该控制信号驱动所述回转执行机构运动以抑制所述臂架1的回转振动。
臂架1在回转方向上的振动烈度可以通过检测能够表征振动烈度的各种信号得到,例如位移信号、速度信号、加速度信号、角度信号、压力信号等等。对于回转方向上的振动烈度而言,可以通过以下几种形式来表征振动烈度:
(I)通过检测臂架末端在回转方向上的位移、速度、加速度来作为表征振动烈度的振动烈度信号。
(II)通过检测回转平台的回转角度、角速度、角加速度来作为表征振动烈度的振动烈度信号。
(III)通过检测回转执行机构(例如液压马达、回转油缸等)进/出油口的压力、压力差来作为表征振动烈度的振动烈度信号。
以上三种形式均可以使用,后面在计算抑制回转振动的控制信号时还可以根据所采用的振动烈度信号的不同形式而使用不同的计算形式,后面将会详细介绍。
所述臂架的动态特性参数包括但不限于幅值增益k、相位差阻尼比ξ等,可以为预先设置的默认值,例如可以是根据实验设置的具有普适性的取值,采用这样的取值就能够对回转振动产生一定抑制效果。然而,臂架的动态特性参数可能会依据臂架姿态的变化而略有不同,因此为了取得更好的减振效果,臂架的动态特性参数可以依据臂架姿态而略有变化。
因此,在这种情况下,优选地,如图6所示,该方法还可以包括以下步骤:检测当前臂架姿态,并且所述提取臂架的动态特性参数的步骤为根据所检测到的当前臂架姿态从预先设置的动态特性参数数据库中提取对应于当前臂架姿态的动态特性参数。
需要说明的是,本发明所述的动态特性参数数据库是指预先根据不同臂架姿态建立起来的臂节的动态特性参数数值矩阵,矩阵中的各个元素分别对应着相应臂架姿态的各种动态特性参数,包括但不限于幅值增益k、相位差阻尼比ξ等。该数据库的建立可以基于模态试验等振动试验的实验数据及经验值的训练得到,或者通过建立臂架回转系统动力学模型进行理论分析得到,或者是根据实际使用工况设定的参数值,均是本领域技术人员能够理解并实现的。因此,通过根据此时的臂架姿态来提取对应该姿态的动态特性参数能够与实际情况更加接近。并且,在臂节的振动烈度的基础上结合臂架自身的动态特性,从而计算对回转执行机构的控制信号,使得到的控制信号更加准确,从而使臂架的回转方向的振动迅速地衰减。
优选地,所检测的当前臂架姿态可以为各臂节相对于水平面或竖直面的倾角或者可以为相接两臂节间的夹角,一般采用相对于水平面的倾角。
在得到振动烈度以及动态特性参数之后,可以进行对回转执行机构的控制信号的计算。该控制信号用以补偿振动烈度,从而在一定程度上抑制臂架在回转方向上的振动。
本发明并不限制控制信号的计算方式,只要是根据振动烈度以及动态特性参数计算出能够用以补偿振动烈度的控制信号的计算方式均可以实施。例如采用如下的计算方法:
首先对振动烈度信号进行建模;
对检测到的实际的振动烈度信号进行分析得到实际振动烈度信号的函数式;
根据实际振动烈度信号的函数式来计算控制信号,使得控制信号所激励得到的补偿振动信号能够减小实际振动烈度信号的幅值。优选情况下,最好使得控制信号所激励得到的补偿振动信号与实际振动烈度信号二者的和相加为零。这一步骤可以通过如下方式得到:计算与该实际振动烈度信号的函数式相加为零的补偿振动信号的函数式;将补偿振动信号的函数式作为响应,将用以对所述回转执行机构进行控制的控制信号作为激励,根据臂架振动的激励响应传递函数关系计算出控制信号。其中臂架振动的激励响应传递函数关系可以通过大量实验得到。
下面,介绍一种根据振动产生的原因进行建模计算控制信号的计算方式。
本发明的发明人经过长期大量实验研究发现,在泵车施工作业的过程中,引起泵车的臂架在回转方向上产生振动的主要原因有以下三个方面,下面分别根据各个方面来对每个原因所产生的振动进行建模以得到振动烈度信号的形式:
(1)回转操作急停时臂架的惯性作用。
泵车施工操作者操作回转机构使得臂架转动到指定施工位置时,停止臂架的转动,此时臂架的巨大惯性由于急停将导致臂架在平衡位置附近作往复回转振动。这种振动呈随时间衰减的形式,振动模型按照所采用的振动烈度信号形式的不同可以为如下几种形式(例如分别用y1(t)、和来区分不同的振动烈度信号形式):
(I)采用臂架末端在回转方向上的位移信号、速度信号或加速度信号来作为表征振动烈度的振动烈度信号:
其中y1(t)为振动烈度信号,B1i为第i阶回转模态振动幅度,ξi为臂架第i阶回转模态阻尼比,ωi为臂架第i阶回转模态频率,α1i为第i阶回转模态相位,其中n为模态阶数,根据所需要的模拟精度取值,一般取1或2即可。
(II)采用回转平台的回转角度信号、角速度信号或角加速度信号来作为表征振动烈度的振动烈度信号:
(III)采用回转执行机构的进/出油口的压力信号、压力差信号来表征振动烈度信号:
(2)泵送混凝土过程中的混凝土流动冲击力作用。
在泵送过程中,由于砼缸的周期性交替泵送和换向或者输送管在水平方向的换向使得混凝土在泵车臂架输送管内不连续流动或者改变流动方向,这样会造成较大的水平脉动冲击,是造成臂架回转振动的主要激励源。以目前常用的双缸混凝土泵送机构为例,其中一个砼缸的活塞完成混凝土压送时,分配阀换向,混凝土流动即停止一段时间,换向完毕后,另一个砼缸的活塞开始压送,混凝土又开始流动。如此重复的混凝土泵送过程导致混凝土给了臂架一个周期性的作用力。根据周期信号的傅里叶分解可知,该周期性的混凝土流动冲击作用可以表示为该周期性的混凝土流动冲击作用将导致臂架在平衡位置作往复回转受迫振动,受迫振动模型按照所采用的振动烈度信号形式的不同可以为如下几种形式:
(I)采用臂架末端在回转方向上的位移信号、速度信号或加速度信号来表征振动烈度信号:
其中y2(t)为振动烈度信号,B2i为第i阶回转模态振动幅度,ωi为臂架第i阶回转模态频率,α2i为第i阶回转模态相位,其中n为模态阶数,根据所需要的模拟精度取值,一般取1或2即可。
(II)采用回转平台的回转角度信号、角速度信号或角加速度信号来表征振动烈度信号:
(III)采用回转执行机构的进/出油口的压力信号、压力差信号来表征振动烈度信号:
(3)泵送过程中回转操作急停时的混凝土流动冲击力与臂架惯性力的
综合作用。
此时,这种综合作用所导致的振动模型为(1)、(2)中激励作用的叠加,即按照所采用的振动烈度信号形式的不同可以为如下几种形式:
(I)采用臂架末端在回转方向上的位移信号、速度信号或加速度信号来表征振动烈度信号:
其中y3(t)为振动烈度信号,其他参数如前所述。
(II)采用回转平台的回转角度信号、角速度信号或角加速度信号来表征振动烈度信号:
(III)采用回转执行机构的进/出油口的压力信号、压力差信号来表征振动烈度信号:
其中为振动烈度信号,B1i为第i阶第一回转模态振动幅度,B2i为第i阶第二回转模态振动幅度,ξi为臂架第i阶回转模态阻尼比,ωi为臂架第i阶回转模态频率,α1i为第i阶第一回转模态相位,α2i为第i阶第二回转模态相位,n为模态阶数。
通过上述对振动原因的分析而完成对振动烈度信号的建模后,当检测到相应的振动烈度信号之后,可以通过对检测到的振动烈度信号(波形)进行相应的时域、频域特性分析以确定上述信号形式中的各个参数。然后,结合臂架的动态特性参数来计算控制信号。也就是说,通过确定振动烈度信号的表达式来得到能够补偿该振动烈度的控制信号的表达式。理论上,振动烈度信号与控制信号所激励得到的另一振动信号这二者的和应为0,这样才能完全消除振动。
根据上述对产生振动的原因的分析,可以得知在急停或者泵送过程中产生的振动较大,因此当泵车处于急停或者泵送的工况时,最有必要实施回转振动抑制控制。在这种情况下,优选针对不同工况实施不同的减振模式。工况可以分为以下四种:①非泵送过程中回转急停;②仅泵送不回转;③泵送过程中回转急停;④仅回转并不泵送。
优选地,本发明提供的方法还包括以下步骤:检测回转操作信号和泵送状态信号;结合回转操作信号和泵送状态信号按照表1判断泵车的工况。其中,回转操作信号为遥控器回转手柄或泵车电控柜回转多路阀手柄的电信号,其反映了是否正在进行回转操作,泵送状态信号为遥控器泵送手柄或泵送机构接近开关或泵送机构电磁阀的换向频率的电信号,其反映了是否正在进行泵送过程。
表1
不同工况中,占主要激励的振动来源也不同,因此根据所采用的减振模式的不同,控制信号的计算方式也不同。下面就按照各个减振模式来介绍控制信号的计算。需要说明的是,下面给出的各个减振模式并不一定组合使用,也可以单独使用,均能起到一定的减振效果,另外,本发明也不限于这几种减振模式。
减振模式一:即非泵送过程中回转急停的减振控制。这种工况下,占主要激励的振动来源为上面原因中的第(1)种,即回转操作急停时臂架的惯性作用,因此振动烈度信号应当为y1(t)、或的形式。所以,可以对检测到的振动烈度信号按照y1(t)、或的形式进行相应的时域和频域分析处理,确定信号的时域、频域特征参数以确定y1(t)、或另外,根据当前臂架姿态从动态特性参数数据库中提取对应的动态特性参数(幅值增益(针对三种振动烈度信号形式有各自的幅值增益)、相位差(针对三种振动烈度信号形式有各自的相位差)、阻尼比ξi等)。阻尼比ξi可以从动态特性参数数据库中提取,也可以根据振动烈度信号确定,二者取一即可。然后针对不同的振动烈度信号的形式,根据下列的相应公式计算控制信号。
式12
以上计算出的控制信号将被用于驱动回转执行机构动作,从而对臂架施加一个主动的减振控制作用力,该作用力将引起臂架的振动为:
式13
z1(t)与急停惯性力所引起的臂架回转方向的振动y1(t)幅值相等,但相位相反,二者叠加后y1(t)+z1(t)理想情况下为零,即施加减振控制后臂架末端在回转方向上将很快处于静止状态。
参见图7,其中示出了y1(t)(或)、i1(t)(或)、z1(t)(或)、y1(t)+z1(t)(或)的波形图,从中可以看出z1(t)与y1(t)幅值相同、相位相反,二者的和y1(t)+z1(t)接近于0,其他振动烈度信号的形式情况相同。
减振模式二:即泵送混凝土过程中的减振控制。这种工况下,占主要激励的振动来源为上面原因中的第(2)种,即泵送混凝土过程中的混凝土流动冲击力作用,因此振动烈度信号应当为y2(t)、或的形式。所以,可以对检测到的振动烈度信号按照y2(t)、或的形式进行相应的时域和频域分析处理,确定信号的时域、频域特征参数 以确定y2(t)、或另外,根据当前臂架姿态从动态特性参数数据库中提取对应的动态特性参数(幅值增益相位差等)。然后针对不同的振动烈度信号的形式,根据下列的相应公式计算控制信号。
以上计算出的控制信号将被用于驱动回转执行机构动作,从而对臂架施加一个主动的减振控制作用力,该作用力将引起臂架的振动为:
式21
z2(t)与泵送混凝土冲击力所引起的臂架回转方向的振动y2(t)幅值相等,但相位相反,二者叠加后y2(t)+z2(t)理想情况下为零,即施加减振控制后臂架末端在回转方向上将很快处于静止状态。
参见图8,其中示出了y2(t)(或)、i2(t)(或)、z2(t)(或)、y2(t)+z2(t)(或)的波形图,从中可以看出z2(t)与y2(t)幅值相同、相位相反,二者的和y2(t)+z2(t)接近于0,其他振动烈度信号的形式情况相同。
减振模式三:即泵送混凝土过程中回转急停的减振控制。这种工况下,占主要激励的振动来源为上面原因中的第(3)种,即泵送过程中回转操作急停时的混凝土流动冲击力与臂架惯性力的综合作用,因此振动烈度信号应当为y3(t)、或的形式。所以,可以对检测到的振动烈度信号按照y3(t)、或的形式进行相应的时域和频域分析处理,确定信号的时域、频域特征参数以确定y3(t)、或另外,根据当前臂架姿态从动态特性参数数据库中提取对应的动态特性参数(幅值增益相位差阻尼比ξi等)。阻尼比ξi可以从动态特性参数数据库中提取,也可以根据振动烈度信号确定,二者取一即可。然后针对不同的振动烈度信号的形式,根据下列的相应公式计算控制信号。
以上计算出的控制信号将被用于驱动回转执行机构动作,从而对臂架施加一个主动的减振控制作用力,该作用力将引起臂架的振动为:
式26
z3(t)与泵送混凝土冲击力以及急停惯性力所引起的臂架回转方向的振动y3(t)幅值相等,但相位相反,二者叠加后y3(t)+z3(t)理想情况下为零,即施加减振控制后臂架末端在回转方向上将很快处于静止状态。
参见图9,其中示出了y3(t)(或i3(t)(或)、z3(t)(或)、y3(t)+z3(t)(或)的波形图,从中可以看出z3(t)与y3(t)幅值相同、相位相反,二者的和y3(t)+z3(t)接近于0,其他振动烈度信号的形式情况相同。
减振模式四:即泵车回转过程(不泵送),此时不需要施加任何减振控制。因此,控制信号为0。
通过本发明的优选实施方式提供的方法,可以针对不同工况所产生振动的原因的不同而实施不同的减振模式,能够更加有效地抑制臂架末端在回转方向上的振动。
根据本发明的另一方面,如图10所示,本发明提供的泵车臂架的回转振动抑制控制器包括依次连接的输入模块50、处理模块60和控制模块70,其中,所述输入模块50用于接收表征臂架1在回转方向上的振动烈度的振动烈度信号;所述处理模块60用于提取臂架的动态特性参数、根据所述振动烈度信号以及所提取的动态特性参数计算并产生能够补偿所述振动烈度的控制信号,并将该控制信号传送给所述控制模块70;所述控制模块70用于根据所述控制信号控制回转执行机构运动。
其中所述输入模块50为任意接收电路,用于接收振动烈度信号,所述振动烈度信号为表征所述臂架1的末臂节11在回转方向上的振动烈度的信号。如前所述,可以采用各种形式的信号来表征,如臂架末端在回转方向上的位移、速度、加速度;回转平台的回转角度、角速度、角加速度;回转执行机构进/出油口的压力、压力差等。
优选情况下,所述输入模块50还用于接收当前臂架姿态信号;所述处理模块60还用于根据所接收的当前臂架姿态信号从预先设置的动态特性参数数据库中提取对应于当前臂架姿态的臂架的动态特性参数。
有关于动态特性参数数据库的建立及作用已经在上文进行了详细的介绍,此处不再赘述。数据库可以位于处理模块60内部,也可以位于控制器外部。
所述处理模块60用于计算控制信号,计算方式如前所述,此处不再赘述。
需要说明的是,前文所提到的回转操作信号和泵送状态信号也是由输入模块50接收的。也就是说,所述输入模块50还用于接收回转操作信号和泵送状态信号,所述处理模块60还用于结合回转操作信号和泵送状态信号按照表1的方式判断泵车的工况。
如图11所示,本发明还提供一种泵车臂架的回转振动抑制装置,包括:第一传感器80,用于检测所述臂架1在回转方向上的振动烈度并生成表征臂架1在回转方向上的振动烈度的振动烈度信号;和上述回转振动抑制控制器,其中,所述第一传感器80与所述回转振动抑制控制器的输入模块50连接。
所述第一传感器80可以为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、角度传感器或压力传感器。对于回转方向的振动的测量来说,可以通过末臂节11的回转位移、速度、加速度等参数获得,因此该第一传感器可以任意选择为位移传感器、速度传感器、加速度传感器或倾角传感器。或者,也可以使用角度传感器,用于检测回转支承的角度、角速度或角加速度以反映振动烈度。另外,还可以使用压力传感器,用于检测回转执行机构(例如液压马达、回转油缸等)进/出油口的压力、压力差以反映振动烈度。
优选情况下,所述回转振动抑制装置还可以包括第二传感器90,与输入模块50连接,用于检测当前的臂架姿态并生成当前臂架姿态信号。
优选地,所述第二传感器90为多个,多个所述第二传感器90分别用于检测各臂节相对于水平面或竖直面的倾角或者检测各相接臂架间夹角,所述当前臂架姿态信号为各臂节相对于水平面或竖直面的倾角信号或各相接臂架间夹角信号。
优选地,所述第二传感器90为姿态传感器。在现有的传感器中,已经有很多用来检测物体姿态的姿态传感器,该姿态传感器测量将物体相对于水平或竖直方向的多种参数,从而判断该物体的姿态。在本发明的装置中,第二传感器90优选为使用这种姿态传感器来更加精确可靠地测量,例如可以为检测各臂架与水平面或竖直面的夹角的倾角传感器或者检测各相接臂架间夹角的角度编码器。
本发明还提供一种泵车,其中,该泵车包括本发明所提供的回转振动抑制装置。通过上述技术方案的回转振动抑制装置可以有效地减小泵车臂架1的回转方向的振动,从而提高泵车自身的安全性和操作的安全性。
此外,在利用本发明的技术方案对实际工况下的混凝土泵车臂架进行实验测量,从实验结果可见,在理想工况下本发明的技术方案可以使得混凝土泵车臂架回转方向振动消减80%。本实验使用5臂节的混凝土泵车,该泵车在水平姿态下一阶谐振频率为0.28Hz。由振动理论可知,该谐振频率下振动控制最能够说明该主动减振系统的性能。图12为该泵车臂架末臂节回转方向上的位移时间历程图,其中,0-25s和100s-125s两个时间段未进行减振控制,而25s-100s之间的时间段则开启了减振控制。由此可见,未进行减振控制的末臂节11的回转方向上的振动位移幅度达到350mm左右,而在进行减振控制的阶段,末臂节11的振动位移幅度可在2s内迅速稳定在80mm左右,进行本发明的技术方案所述的减振控制后,泵车臂架的回转方向上的振动收敛在80%左右。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (35)
1.一种泵车臂架的回转振动抑制方法,所述臂架(1)安装在所述泵车的回转平台(2)上,所述回转平台由回转执行机构驱动从而带动所述臂架(1)进行回转,其中,所述抑制方法包括:
检测所述臂架(1)在回转方向上的振动烈度;
提取臂架(1)的动态特性参数;
根据所述振动烈度以及所提取的动态特性参数计算能够补偿该振动烈度的用以对所述回转执行机构进行控制的控制信号;以及
根据该控制信号驱动所述回转执行机构运动以抑制所述臂架(1)的回转振动。
2.根据权利要求1所述的回转振动抑制方法,其中,所述臂架(1)包括N个臂节,所检测的振动烈度为所述臂架(1)的末臂节(11)在回转方向上的振动烈度。
3.根据权利要求2所述的回转振动抑制方法,其中,所述振动烈度通过以下任一种形式来表征:
(I)臂架末端在回转方向上的位移、速度或加速度;
(II)回转平台的回转角度、角速度或角加速度;
(III)回转执行机构进/出油口的压力或压力差。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的回转振动抑制方法,其中,该方法还包括以下步骤:
检测当前臂架姿态;
并且所述提取臂架的动态特性参数的步骤为根据所检测到的当前臂架姿态从预先设置的动态特性参数数据库中提取对应于当前臂架姿态的动态特性参数。
5.根据权利要求4所述的回转振动抑制方法,其中,所检测的当前臂架姿态为各臂节相对于水平面或竖直面的倾角、或者为相接两臂节间的夹角。
6.根据权利要求1所述的回转振动抑制方法,其中,所述控制信号通过以下方式计算:
对振动烈度信号进行建模;
对检测到的实际的振动烈度信号进行分析得到实际振动烈度信号的函数式;
根据实际振动烈度信号的函数式来计算控制信号,使得控制信号所激励得到的补偿振动信号能够减小实际振动烈度信号的幅值。
7.根据权利要求6所述的回转振动抑制方法,其中,所述补偿振动信号与实际振动烈度信号二者的和相加为零。
8.根据权利要求7所述的回转振动抑制方法,其中,根据实际振动烈度信号的函数式来计算控制信号的步骤包括:
计算与该实际振动烈度信号的函数式相加为零的补偿振动信号的函数式;
将补偿振动信号的函数式作为响应,将用以对所述回转执行机构进行控制的控制信号作为激励,根据臂架振动的激励响应传递函数关系计算出控制信号。
12.根据权利要求6-8中任一项权利要求所述的回转振动抑制方法,其中,该方法还包括:
根据泵车的工况采用如下的计算控制信号的减振模式:
工况为仅回转并不泵送,不进行减振,控制信号为0。
13.根据权利要求9所述的回转振动抑制方法,其中,该方法还包括以下步骤:
检测回转操作信号和泵送状态信号;
结合回转操作信号和泵送状态信号按照如下方式判断泵车的工况:
回转操作信号为从开到关,泵送状态信号为关,判断为非泵送过程中回转急停的工况;
回转操作信号为关,泵送状态信号为开,判断为仅泵送不回转的工况;
回转操作信号为从开到关,泵送状态信号为开,判断为泵送过程中回转急停的工况;
回转操作信号为开,泵送状态信号为关,判断为仅回转不泵送的工况。
14.根据权利要求10所述的回转振动抑制方法,其中,该方法还包括以下步骤:
检测回转操作信号和泵送状态信号;
结合回转操作信号和泵送状态信号按照如下方式判断泵车的工况:
回转操作信号为从开到关,泵送状态信号为关,判断为非泵送过程中回转急停的工况;
回转操作信号为关,泵送状态信号为开,判断为仅泵送不回转的工况;
回转操作信号为从开到关,泵送状态信号为开,判断为泵送过程中回转急停的工况;
回转操作信号为开,泵送状态信号为关,判断为仅回转不泵送的工况。
15.根据权利要求11所述的回转振动抑制方法,其中,该方法还包括以下步骤:
检测回转操作信号和泵送状态信号;
结合回转操作信号和泵送状态信号按照如下方式判断泵车的工况:
回转操作信号为从开到关,泵送状态信号为关,判断为非泵送过程中回转急停的工况;
回转操作信号为关,泵送状态信号为开,判断为仅泵送不回转的工况;
回转操作信号为从开到关,泵送状态信号为开,判断为泵送过程中回转急停的工况;
回转操作信号为开,泵送状态信号为关,判断为仅回转不泵送的工况。
16.根据权利要求12所述的回转振动抑制方法,其中,该方法还包括以下步骤:
检测回转操作信号和泵送状态信号;
结合回转操作信号和泵送状态信号按照如下方式判断泵车的工况:
回转操作信号为从开到关,泵送状态信号为关,判断为非泵送过程中回转急停的工况;
回转操作信号为关,泵送状态信号为开,判断为仅泵送不回转的工况;
回转操作信号为从开到关,泵送状态信号为开,判断为泵送过程中回转急停的工况;
回转操作信号为开,泵送状态信号为关,判断为仅回转不泵送的工况。
17.根据权利要求13-16所述的回转振动抑制方法,其中,回转操作信号为遥控器回转手柄或泵车电控柜回转多路阀手柄的电信号,泵送状态信号为遥控器泵送手柄或泵送机构接近开关或泵送机构电磁阀的换向频率的电信号。
18.一种泵车臂架的回转振动抑制控制器,所述臂架(1)安装在回转平台(2)上,所述回转平台(2)由回转执行机构驱动从而带动所述臂架(1)进行回转,所述控制器包括依次连接的输入模块(50)、处理模块(60)和控制模块(70),其中,
所述输入模块(50)用于接收表征臂架(1)在回转方向上的振动烈度的振动烈度信号;
所述处理模块(60)用于提取臂架的动态特性参数、根据所述振动烈度信号以及所提取的动态特性参数计算并产生能够补偿所述振动烈度的控制信号,并将该控制信号传送给所述控制模块(70);
所述控制模块(70)用于根据所述控制信号控制所述回转执行机构运动。
19.根据权利要求18所述的回转振动抑制控制器,其中,所述臂架(1)包括N个臂节,所述振动烈度信号为表征所述臂架(1)的末臂节(11)在回转方向上的振动烈度的信号。
20.根据权利要求19所述的回转振动抑制控制器,其中,所述振动烈度信号为以下任一种中的任一者:
(I)臂架末端在回转方向上的位移、速度或加速度;
(II)回转平台的回转角度、角速度或角加速度;
(III)回转执行机构进/出油口的压力或压力差。
21.根据权利要求18-20中任一项所述的回转振动抑制控制器,其中,所述输入模块(50)还用于接收当前臂架姿态信号;所述处理模块(60)还用于根据所接收的当前臂架姿态信号从预先设置的动态特性参数数据库中提取对应于当前臂架姿态的臂架的动态特性参数。
22.根据权利要求21所述的回转振动抑制控制器,其中,所述当前臂架姿态信号为各臂节相对于水平面或竖直面的倾角信号、或者为相接两臂节间的夹角信号。
23.根据权利要求18所述的回转振动抑制控制器,其中,所述处理模块(60)通过以下方式计算控制信号:
对振动烈度信号进行建模;
对检测到的实际的振动烈度信号进行分析得到实际振动烈度信号的函数式;
根据实际振动烈度信号的函数式来计算控制信号,使得控制信号所激励得到的补偿振动信号能够减小实际振动烈度信号的幅值。
24.根据权利要求23所述的回转振动抑制控制器,其中,所述补偿振动信号与实际振动烈度信号二者的和相加为零。
25.根据权利要求24所述的回转振动抑制控制器,其中,所述处理模块(60)根据实际振动烈度信号的函数式来计算控制信号是通过如下方式计算的:
计算与该实际振动烈度信号的函数式相加为零的补偿振动信号的函数式;
将补偿振动信号的函数式作为响应,将用以对所述回转执行机构进行控制的控制信号作为激励,根据臂架振动的激励响应传递函数关系计算出控制信号。
26.根据权利要求23-25中任一项权利要求所述的回转振动抑制控制器,其中,所述处理模块(60)还根据泵车的工况按照如下方式判断应采用的计算控制信号的减振模式:
(1)工况为非泵送过程中回转急停时,振动烈度信号按照如下公式建模:
其中y1(t)为振动烈度信号,B1i为第i阶回转模态振动幅度,ξi为臂架第i阶回转模态阻尼比,ωi为臂架第i阶回转模态频率,α1i为第i阶回转模态相位,n为模态阶数;
控制信号按照下式计算:
其中i1(t)为控制信号,ki为幅值增益,为相位差;
(2)工况为仅泵送不回转时,振动烈度信号按照如下公式建模:
其中y2(t)为振动烈度信号,B2i为第i阶回转模态振动幅度,ωi为臂架第i阶回转模态频率,α2i为第i阶回转模态相位,n为模态阶数;
控制信号按照下式计算:
(3)工况为泵送过程中回转急停,振动烈度信号按照如下公式建模:
其中y3(t)为振动烈度信号,B1i为第i阶第一回转模态振动幅度,B2i为第i阶第二回转模态振动幅度,ξi为臂架第i阶回转模态阻尼比,ωi为臂架第i阶回转模态频率,α1i为第i阶第一回转模态相位,α2i为第i阶第二回转模态相位,n为模态阶数;
控制信号按照下式计算:
其中i3(t)为控制信号,ki为幅值增益,为相位差;
(4)工况为仅回转并不泵送,不进行减振。
27.根据权利要求26所述的回转振动抑制控制器,其中,所述输入模块(50)还用于接收回转操作信号和泵送状态信号,所述处理模块(60)还用于结合回转操作信号和泵送状态信号按照如下方式判断泵车的工况:
回转操作信号为从开到关,泵送状态信号为关,判断为非泵送过程中回转急停的工况;
回转操作信号为关,泵送状态信号为开,判断为仅泵送不回转的工况;
回转操作信号为从开到关,泵送状态信号为开,判断为泵送过程中回转急停的工况;
回转操作信号为开,泵送状态信号为关,判断为仅回转不泵送的工况。
28.根据权利要求27所述的回转振动抑制控制器,其中,回转操作信号为遥控器回转手柄或泵车电控柜回转多路阀手柄的电信号,泵送状态信号为遥控器泵送手柄或泵送机构接近开关或泵送机构电磁阀的换向频率的电信号。
29.一种泵车臂架的回转振动抑制装置,所述臂架(1)安装在所述泵车的回转平台(2)上,所述回转平台(2)由回转执行机构驱动从而带动所述臂架(1)进行回转,其中,所述抑制装置包括:
第一传感器(80),用于检测所述臂架(1)在回转方向上的振动烈度并生成表征臂架在回转方向上的振动烈度的振动烈度信号;以及
根据权利要求18-28中任一项权利要求所述的回转振动抑制控制器,其中,所述第一传感器(80)与所述回转振动抑制控制器的输入模块(50)连接。
30.根据权利要求29所述的回转振动抑制装置,其中,所述第一传感器(80)为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、角度传感器或压力传感器。
31.根据权利要求29所述的回转振动抑制装置,其中,该装置还包括第二传感器(90),与输入模块(50)连接,用于检测当前的臂架姿态并生成当前臂架姿态信号。
32.根据权利要求31所述的回转振动抑制装置,其中,所述第二传感器(90)为多个,多个所述第二传感器(90)用于检测各臂节相对于水平面或竖直面的倾角或者检测各相接臂架间夹角,所述当前臂架姿态信号为各臂节相对于水平面或竖直面的倾角信号或各相接臂架间夹角信号。
33.根据权利要求31或32所述的回转振动抑制装置,其中,所述第二传感器(90)为姿态传感器。
34.一种泵车,泵车的臂架(1)安装在所述泵车的回转平台(2)上,所述回转平台(2)由回转执行机构驱动从而带动所述臂架(1)进行回转,其中,该泵车包括上述权利要求29-33中任意一项所述的回转振动抑制装置。
35.根据权利要求34所述的泵车,其中,所述回转执行机构包括液压马达(3)或回转油缸(4)。
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