CN103557823B - 布料臂架振动位移检测方法、检测系统、控制器及设备 - Google Patents

Abstract

布料臂架振动位移检测方法，其中，包括如下步骤：检测步骤，在布料臂架的物料输送管道处于物料输送作业的状态下，检测布料臂架的第一臂节至第n节臂节相对于水平面的倾角θ₁，θ₂…θ_n、布料臂架上的检测设定位置D0的应变ε以及布料臂架的末节臂节末端端部相对于水平面的倾角θ(l)，其中所述第n节臂节为所述末节臂节；以及振动位移确定步骤，根据布料臂架的各个臂节的所述倾角θ₁，θ₂…θ_n、应变ε以及末节臂节末端端部的倾角θ(l)，确定检测设定位置D0的振动位移。此外，本发明还提供一种布料臂架振动位移检测系统、控制器和布料设备。本发明能够相对优化程度地检测布料臂架的弯曲振动位移，具有良好的实用性和可靠性，具有良好的应用前景。

Description

布料臂架振动位移检测方法、检测系统、控制器及设备

技术领域

本发明涉及一种布料臂架振动检测方法，具体地，涉及一种布料臂架振动位移检测方法。进一步地，本发明涉及一种布料臂架振动位移检测系统和用于该布料臂架振动位移检测系统的控制器。此外，本发明还涉及一种包括所述布料臂架振动位移检测系统的布料设备。

背景技术

布料设备，例如混凝土泵车、混凝土布料机、砂浆机等公知地具有布料臂架，其通过安装在布料臂架上的物料输送管道将粘稠物料输送到要求的施工位置。例如，混凝土泵车就是一种利用压力将混凝土沿混凝土输送管道连续输送的工程机械，其广泛应用于道路工程、桥梁工程、地下工程、工业与民用建筑施工等各个领域。

随着布料设备的布料臂架轻量化、超长化等发展趋势，布料臂架的振动性能成为考核臂架设计的一项重要指标，如何相对准确的测量到布料臂架的振动位移，成为布料设备（例如混凝土泵车）振动测试中亟待解决的问题。

在一般的机械结构振动测量中，通常直接测量振动的加速度信号，而振动位移的测量通常较困难或较复杂。振动的位移通常是采用各种惯性式位移传感器进行测量，但使用位移传感器时，都需要一个安装传感器的参考点，即在被测点附近确定一相对静止的参考点，这对于布料臂架等大型、活动结构，几乎是不可能的。现有的混凝土泵车布料臂架等大型结构一般采用位移式拉线传感器进行测量，但是拉线式传感器在工程作业中很难固定，即使通过安装的这种位移传感器进行检测，其检测的振动位移也非常不准确，例如参见图3检测的振动位移波形图，这种检测的振动位移一般叠加在布料臂架的运动位移基础上，非常不稳定，而且也很不准确。另外，通过检测加速度并进行积分而检测振动位移的方法主要是针对加速度信号比较单一的信号，但是布料臂架振动过程中加速度信号过于复杂，有时无法进行滤波，而对于超低频信号，加速度转位移无法进行，因为超低频信号与需要滤除的直流分量频率相差太近而无法分离。

但是，如上所述，在振动系统分析评价以及振动控制系统设计过程中，布料臂架在使用时的振动位移幅度等振动信息，常常是设计者非常关心的重要参数，需要找到有效的方法进行测量。

中国发明专利申请CN101870110A中公开了一种机械铰接臂的控制方法，这种控制方法主要是根据铰接臂发生弹性变形后的长度参数和角度参数对铰接臂进行控制，以增强铰接臂的姿态的可测性和可控性，提高控制精度，但是其并未提供相对可靠的弹性振动位移的检测方法。

另外，《长沙铁道学院学报》2003年9月第21卷第3期公开了一种“梁的位移测试”（作者：李丰良、李敏），其研究了如何应用应变片代替位移传感器进行梁的位移测试.在建立连续梁的运动微分方程的基础上，经过比较梁上测点的位移与应变的数学表达式，证明了连续梁以一阶模态振动时的动应变与动挠度具有正比关系，故只要测得连续梁的应变，即可得到连续梁的挠度（即垂直于梁的线位移，也就是本发明所称的“振动位移”）。但是，这种理论研究与在布料臂架应用的实用性仍然相差很远，布料臂架存在多节臂节，布料臂架的各节臂节在运动中存在变化的倾角，而且悬臂梁的振型函数中存在多个需要确定的参数，这在振动位移的检测中无法回避。

有鉴于此，需要提供一种新型的布料臂架振动位移检测方案。

发明内容

本发明首先所要解决的技术问题是提供一种布料臂架振动位移检测方法，该布料臂架振动位移检测方法能够相对优化程度地检测布料臂架的弯曲振动位移，具有良好的实用性和可靠性。

进一步地，本发明所要解决的技术问题是提供一种布料臂架振动位移检测系统，该布料臂架振动位移检测系统能够相对优化程度地检测布料臂架的弯曲振动位移，具有良好的实用性和可靠性。

对应地，本发明所要解决的技术问题是提供一种控制器，该控制器能够用于布料臂架振动位移检测系统，以相对优化程度地检测布料臂架的弯曲振动位移。

此外，本发明还要解决的技术问题是提供一种布料设备，该布料设备能够相对优化程度地检测布料臂架的弯曲振动位移，具有良好的实用性和可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种布料臂架振动位移检测方法，其中，包括如下步骤：检测步骤：在所述布料臂架的物料输送管道处于物料输送作业的状态下，检测所述布料臂架的第一臂节至第n节臂节相对于水平面的倾角θ₁，θ₂…θ_n、所述布料臂架上的检测设定位置的应变ε以及所述布料臂架的末节臂节末端端部相对于水平面的倾角θ(l)，其中所述第n节臂节为所述末节臂节；以及振动位移确定步骤：根据所述布料臂架的各个臂节的所述倾角θ₁，θ₂…θ_n、所述应变ε以及所述末节臂节末端端部的所述倾角θ(l)，确定所述检测设定位置的振动位移。

优选地，其中，在所述振动位移确定步骤中，以所述第一臂节（2）与支承基础的铰接点为原点O，竖直方向的轴线为Y轴，沿各个所述臂节在水平面上的俯视投影的纵向延伸方向的轴线为X轴，所述检测设定位置在所述布料臂架的各个臂节伸展为平行于所述X轴的状态下沿所述布料臂架长度方向的位置为x＝l₀，根据如下公式计算所述检测设定位置的所述振动位移y(l₀)：

以及

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6\mathrm{\ρA}}{\mathrm{Eb}{h}^2}[(l-l_0)\mathrm{\θ}\left(l\right)-y\left(l\right)+y\left(l_0\right)];$

其中，l₁、l₂、l₃、l₄…l_n分别为所述第一至第n节臂节的长度；

l＝l₁+l₂+…+l_n-1+l_n；

k为悬臂梁的中间转换系数，其中：

$\mathrm{kl}=\frac{1}{2}\mathrm{\π};$

ρ为所述布料臂架的线密度，A为所述布料臂架在所述检测设定位置的横截面面积；h为所述布料臂架在所述检测设定位置处的横截面的厚度；b为所述布料臂架在所述检测设定位置处的横截面的宽度；E为布料臂架的各个臂节的弹性模量。

作为具体选择形式，在所述检测步骤中，通过分别设置在所述布料臂架的第一至第n节臂节上的倾角传感器检测各个臂节的所述倾角θ₁，θ₂…θ_n，通过设置在所述布料臂架上的所述检测设定位置处的应变片检测所述应变ε，以及通过设置在所述末节臂节的末端端部的倾角传感器检测所述末节臂节末端端部的所述倾角θ(l)。

更优选地，所述检测设定位置处的应变片包括相互垂直设置的第一应变片和第二应变片，所述应变ε为该第一应变片和第二应变片检测的最大应变。

优选地，所述布料臂架振动位移检测方法还包括在所述检测步骤之前进行的监测步骤，在该监测步骤中，监测并确定所述布料臂架的物料输送管道处于物料输送作业状态。

优选地，在所述检测步骤中，对检测的所述应变ε的信号和所述末节臂节末端端部的所述倾角θ(l)信号进行滤波处理。

与上述布料设备振动位移检测方法相对应，本发明提供一种布料臂架振动位移检测系统，其中，包括：应变信号采集单元，用于检测所述布料臂架的检测设定位置处的应变ε；臂架姿态监测单元，用于检测所述布料臂架的各个臂节相对于水平面的倾角θ₁，θ₂…θ_n；末节臂节末端端部倾角检测单元，用于检测所述布料臂架的末节臂节的末端端部相对于水平面的倾角；以及控制器，该控制器电连接于所述应变信号采集单元、臂架姿态监测单元和末节臂节末端端部倾角检测单元，该控制器根据接收的所述布料臂架的各个臂节的倾角信号、所述应变信号以及所述末节臂节末端端部的倾角信号，确定所述检测设定位置的振动位移。

具体地，所述应变信号采集单元为设置在所述布料臂架的检测设定位置处的应变片，所述臂架姿态监测单元为设置在所述布料臂架的各个臂节上的倾角传感器，所述末节臂节末端端部倾角检测单元为设置在所述布料臂架的末节臂节末端端部的倾角传感器。

优选地，所述应变片包括设置在所述布料臂架的检测设定位置处的相互垂直的第一应变片和第二应变片。

优选地，所述控制器包括信号滤波单元，所述应变信号采集单元和所述末节臂节末端端部倾角检测单元经由所述信号滤波单元电连接于所述控制器的信号处理单元。

优选地，所述布料臂架振动位移检测系统还包括用于监测所述布料臂架上的物料输送管道是否处于物料输送作业状态的泵送作业监测单元。

典型地，所述布料臂架振动位移检测系统还包括用于显示所述检测设定位置的振动位移的显示装置，该显示装置电连接于所述控制器。

优选地，所述控制器以所述布料臂架的第一臂节（2）与支承基础的铰接点为原点O，竖直方向的轴线为Y轴，沿各个所述臂节在水平面上的俯视投影的纵向延伸方向的轴线为X轴，所述检测设定位置在所述布料臂架的各个臂节伸展为平行于所述X轴的状态下沿所述布料臂架长度方向上的位置为x＝l₀，将臂架回转对应倾斜角度使臂架处于与X轴重合位置，根据如下公式计算所述检测设定位置的所述振动位移y(l₀)：

以及

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6\mathrm{\ρA}}{\mathrm{Eb}{h}^2}[(l-l_0)\mathrm{\θ}\left(l\right)-y\left(l\right)+y\left(l_0\right)];$

其中，l₁、l₂、l₃、l₄…l_n分别为所述第一至第n节臂节的长度；

l＝l₁+l₂+…+l_n-1+l_n；

k为悬臂梁的中间转换系数，其中：

$\mathrm{kl}=\frac{1}{2}\mathrm{\π};$

ρ为所述布料臂架的线密度，A为所述布料臂架在所述检测设定位置的横截面面积；h为所述布料臂架在所述检测设定位置处的横截面的厚度；b为所述布料臂架在所述检测设定位置处的横截面的宽度；E为布料臂架的各个臂节的弹性模量。

进一步地，本发明提供一种控制器，其中，包括：信号接收单元，用于接收检测的所述布料臂架的检测设定位置处的应变信号、所述布料臂架的各个臂节相对于水平面的倾角信号以及所述布料臂架的末节臂节的末端端部相对于水平面的倾角信号；以及信号处理单元，用于根据接收的所述布料臂架的各个臂节的倾角信号、所述应变信号以及所述末节臂节末端端部的所述倾角信号，确定所述检测设定位置的振动位移。

优选地，所述控制器还包括信号滤波单元，该信号滤波单元用于在所述信号接收单元之前至少对所述应变信号和所述末节臂节的末端端部的倾角信号进行滤波处理。

优选地，所述信号处理单元以所述布料臂架的第一臂节（2）与支承基础的铰接点为原点O，竖直方向的轴线为Y轴，沿各个所述臂节在水平面上的俯视投影的纵向延伸方向的轴线为X轴，所述检测设定位置在所述布料臂架的各个臂节伸展为平行于所述X轴的状态下沿所述布料臂架长度方向上的位置为x＝l₀，根据如下公式计算所述检测设定位置的所述振动位移y(l₀)：

以及

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6\mathrm{\ρA}}{\mathrm{Eb}{h}^2}[(l-l_0)\mathrm{\θ}\left(l\right)-y\left(l\right)+y\left(l_0\right)];$

其中，l₁、l₂、l₃、l₄…l_n分别为所述第一至第n节臂节的长度；

l＝l₁+l₂+…+l_n-1+l_n；

k为悬臂梁的中间转换系数，其中：

$\mathrm{kl}=\frac{1}{2}\mathrm{\π};$

ρ为所述布料臂架的线密度，A为所述布料臂架在所述检测设定位置的横截面面积；h为所述布料臂架在所述检测设定位置处的横截面的厚度；b为所述布料臂架在所述检测设定位置处的横截面的宽度；E为布料臂架的各个臂节的弹性模量。

此外，本发明还提供一种布料设备，包括布料臂架，其中，所述布料设备包括上述任一项布料臂架振动位移检测系统。

典型地，所述布料设备为混凝土泵车、混凝土布料机或砂浆布料机。

通过上述技术方案，本发明的布料臂架振动位移检测方法及其检测系统根据布料臂架属于悬臂梁的特点，独创性地利用应变片检测布料臂架需要的检测设定位置的应变，将该应变转换为弯矩，通过弯矩与应变的对应公式，建立应变与布料臂架的振型函数所计算的振动位移之间的等式，从而巧妙地通过检测应变确定布料臂架的检测设定位置的振动位移，其简单实用，检测精度相对较高，易于在布料设备上推广使用，其能够相对优化程度地检测布料臂架的弯曲振动位移，具有良好的实用性和可靠性，避免了现有技术的缺点，具有良好的应用前景。本发明的控制器以及布料设备与上述布料臂架振动位移检测方法及其检测系统采用同一技术构思，因而具有同样的优点。

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

下列附图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，其与下述的具体实施方式一起用于解释本发明，但本发明的保护范围并不局限于下述附图及具体实施方式。在附图中：

图1是现有技术中梁单元的受力分析示意图。

图2是现有技术CN101870110A公开的机械铰接臂控制方法的步骤框图。

图3是现有技术中通过位移传感器检测的布料臂架弹性振动位移的波形示意图。

图4是具有五节臂节的混凝土泵车的结构示意图，其主要作为本发明布料臂架振动位移检测方法的应用示例。

图5是本发明的布料臂架振动位移检测系统的主要控制原理框图。

图6是本发明的布料臂架振动位移检测系统中的臂架应变信号采集单元采集的应变信号的波形示意图。

图7是本发明具体实施方式的布料臂架振动位移检测系统的结构原理框图。

图8是本发明具体实施方式的布料臂架振动位移检测方法的步骤框图。

附图标记说明：

1回转台；2第一臂节；

3第二臂节；4第三臂节；

5第四臂节；6第五臂节；

7布料软管。

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，本发明的保护范围并不局限于下述的具体实施方式。

首先需要说明的是，在本发明的布料臂架振动位移检测中，所检测的振动位移为布料臂架的弯曲振动位移（即所谓的垂直于布料臂架的各个臂节纵向轴线的“横向振动位移”（参见《机械振动与模态分析基础》机械工业出版社1998年第1版）），也就是布料臂架的振动测试中最为关键的布料臂架各个臂节的振幅。布料臂架主要是以受压为主的构件，在布料作业过程中，其应变主要为“线应变”。另外，在以下的描述中，本发明布料臂架振动位移检测的技术方案中所采用的各个计算公式，尽管主要是在公知的悬臂梁公式的基础上获得的，但是考虑到布料臂架的实际应用情形，结合布料臂架的工况试验数据，对相关的公式进行了一定的实际应用过程中的变化和近似化。

在布料设备进行布料作业时，操作人员通过操作输入设备（例如遥控器）使得布料臂架的各个臂节展开并运动到需要的位置，然后进行泵送作业。在布料臂架上的物料输送管处于物料输送状态，即此时布料臂架已经运动到需要的位置，布料设备的泵送装置（例如混凝土泵）工作而进行泵送作业，从而布料臂架上的物料输送管处于稳定的物料输送状态，此时由于物料对物料输送管的冲击以及压力，使得布料臂架发生振动。本发明布料臂架振动位移检测的主要技术构思是：在布料臂架上的物料输送管处于物料输送状态下，检测布料臂架的各个臂节相对于水平面的倾角θ1，θ2…θn、所述布料臂架上的检测设定位置D0的应变ε以及布料臂架的末节臂节的末端端部相对于水平面的倾角θ(l)，进而根据检测的各个参数计算出所述检测设定位置D0的振动位移y(x)。

在此需要注意的是，布料臂架的各个臂节相对于水平面的倾角θ1，θ2…θn主要是指布料臂架的各个臂节的主体相对于水平面的倾角，例如通过分别设置在各个臂节沿各自长度方向的中间区域的倾角传感器进行检测。在一般的布料设备的设计中，通常假设各个臂节是刚性的，但是实际使用过程中，在布料臂架处于伸展状态下，布料臂架整体式存在一定的挠度的，尤其是布料臂架的末节臂节的末端端部较为明显，因此在本发明下述的技术方案中，末节臂节的末端端部相对于水平面的倾角θ(l)作为一个近似计算参量需要单独检测。

具体地，以下以图4所示的混凝土泵车的布料臂架为例进行描述，在图4中，布料臂架具有依次铰接的五节臂节，即第一臂节2、第二臂节3、第三臂节4、第四臂节5和第五臂节6，其中第一臂节2与回转台1铰接，第五臂节6为末节臂节，该第五臂节6的混凝土输送管道的末端连接有用于供施工人员手持布料的布料软管7。

如上所述，在图4所示的状态下，通过回转台1的回转以及布料臂架的各个臂节的伸展运动已经使得布料软管7处于所需的位置，在此状态下，布料臂架保持在该展开状态，使得混凝土泵工作，从而使得布料臂架上的混凝土输送管道开始进行输送作业，布料臂架因为混凝土输送管道受到流态混凝土的冲击以及混凝土的重量而发生振动，在布料臂架保持在该展开状态下进行物料输送作业时，布料臂架相当于一个悬臂梁。为了计算方便，建立坐标系，其中第一臂节2与回转台1的铰接点为原点O，竖直方向的轴线为Y轴，各个臂节沿竖直方向在水平面上的投影的纵向延伸方向的轴线为X轴，在此需要注意的是，公知地，布料设备（例如混凝土泵车）的布料臂架的各个臂节在折叠伸展运动中始终处于同一个竖直平面内，因此各个臂节在水平面上的投影处于同一直线或基本处于同一直线上，该投影类似于倾斜的杆沿竖直方向在水平面上的投影，其同样具有自身的长度方向，即纵向方向。另外，在实际应用中各个臂节的截面并不是规则的箱形臂节，而是类似矩形，在以下的理论计算中均认为各个臂节的横截面为矩形截面，这并不影响本发明计算结果的相对精确性。

如上所述，本发明的技术构思主要是将检测的检测设定位置D0的应变ε的信号，转换成该检测设定位置D0处的弯矩，并最终转换成挠度即振动位移，具体转换过程如下：

第一，设y(x)为布料臂架振型函数，如上所述，在布料臂架上的物料输送管道处于物料输送状态下，布料臂架相当于悬臂梁，根据悬臂梁的振型函数的基本公式并结合布料臂架大量的实际应用数据进行近似化归纳，获得如下振型函数公式（1）：

在本申请提出的上述布料臂架的振型函数公式中，其中y(x)为布料臂架的检测设定位置D0的振动位移，x即为该检测设定位置D0在布料臂架的各个臂节伸展为平行于所述X轴的状态下沿所述布料臂架长度方向的长度（即布料臂架的各个臂节伸展为平行于所述X轴的状态下该检测设定位置的X坐标值，设x＝l0），l1，l2，l3，l4，l5…ln分别为第一至第n臂节的长度，θ1，θ2…θn分别为各个臂节相对于水平面的倾角。检测设定位置D0由于预先设置在某一臂节上，在布料臂架的布料姿态确定后，该检测设定位置D0的x＝l0是确定的，例如在图4中检测设定位置D0设定在第二臂节3上，假设该检测设定位置D0沿第二臂节3的纵向距离第二臂节3的与第一臂节2的铰接端的长度为ld，此时检测设定位置D0的x＝l0＝l1+ld，此时需要选择上述振型函数公式（1）的第二个等式进行检测设定位置的计算。也就是说，检测设定位置D0可以是布料臂架的任一臂节上的设定的检测位置，由于该检测设定位置D0是设定的，因此在布料臂架的布料姿态确定后，x＝l0是已知的，仅需要根据x的值选择公式（1）中的相应的等式进行计算即可，当然，由于检测设定位置不会选择在相邻臂节的铰接点处，因此x一般不会正好等于l1或l1+l2，以下对于x的取值不再赘述。另外，n与布料臂架的臂节数量对应，第n臂节代表布料臂架的末节臂节。

在上述布料臂架振动函数公式（1）中，l为布料臂架的各个臂节的长度之和，具体地：

l＝l₁+l₂+…+l_n-1+l_n（2）

k为悬臂梁的中间转换系数，由于悬臂梁振型函数在一阶振型更具典型性，为了简化计算，在本发明的技术方案中取与悬臂梁频率方程的最小的求解根相近似的值进行计算（参见《机械振动与模态分析基础》机械工业出版社1998年第1版），具体有：

$\mathrm{kl}=\frac{1}{2}\mathrm{\π}---\left(3\right)$

这样，由于l的值在布料臂架布料姿态确定后是确定的，k的值也就确定，在此情形下，根据悬臂梁的振动固有频率公式可以容易地计算出固有频率，即：

${\mathrm{\ω}}_n={\left(\frac{1}{2l}\mathrm{\π}\right)}^2\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{\mathrm{\ρA}}}---\left(4\right)$

其中，假设布料臂架质量均匀，各个臂节的截面相同，其中ρ为单位长度的质量，即布料臂架各个臂节的线密度，A为布料臂架的各个臂节的横截面积，EI为布料臂架各个臂节的截面抗弯刚度，在计算中可以设定各个臂节的截面抗弯刚度相同。

通过上述对公式（1）相关的描述可以看出，在布料臂架的布料姿态确定后，除了振幅常数D之外，相关的参数基本已经确定，振幅常数D与悬臂梁的振动位移关系密切，由于在悬臂梁的振型函数中，理论研究关注的是振动波形，振幅常数D并不影响振动形态，因此在振型函数中并不注重D的求解。但是，由于本申请的技术方案需要计算出相对准确的振动位移，振幅常数D的具体数值非常关键，但是通过公式（1）本身无法求解，需要借助下述的应变进行转换求解。

在上述布料臂架的线密度ρ和横截面积A均已知的情形下，根据牛顿第二定律，将布料臂架的在检测设定位置之前的各个臂节分别假设为悬臂梁进行积分计算，则在该检测设定位置D0所受的弯矩为：

$M={\∫}_{l_0}^l(x-l_0)q\left(x\right)\mathrm{dx}---\left(5\right)$

其中，公式（5）中的q(x)布料臂架单位体积质量在振动过程中所承受的均布载荷，现有技术中具有多种公知的方法进行近似计算。

在此情形下，根据材料力学可知存在如下公式：

$\mathrm{\σ}=\frac{M}{I_z}\frac{h}{2}=\frac{6}{b{h}^2}M---\left(6\right)$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\σ}}{E}=\frac{6M}{\mathrm{Eb}{h}^2}---\left(7\right)$

其中，σ为检测设定位置D0处的横截面上的应力；Iz为检测设定位置D0处的横截面相对于Z轴的惯性矩（由于布料臂架是以受压为主的梁件，该惯性矩Iz主要相对于Z轴（图4中未显示，即垂直于X轴和Y轴的另一坐标轴线），抗弯截面刚度系数EI公知地其为弹性模量与惯性矩Iz的乘积）；h为布料臂架的检测设定位置D0处的横截面的厚度；b为布料臂架的检测设定位置D0处的横截面的宽度；E为布料臂架的各个臂节的弹性模量，这可以根据布料臂架的臂节材料选择；ε为待测的检测设定位置D0的应变。

如上所述，根据上述公式（5）、（7）以及实际工程作业中的测试数据模拟归纳，检测设定位置D0处的应变可以通过如下归纳的公式计算：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6\mathrm{\ρA}}{\mathrm{Eb}{h}^2}[(l-l_0)\stackrel{.}{y}\left(l\right)-y\left(l\right)+y\left(l_0\right)]---\left(8\right)$

在上述公式（8）中，主要采用布料臂架末端的振型曲线（即振动位移曲线）的斜率进行计算。但是，在本发明的实际设计过程中，经过分析布料臂架的大量实际测试数据，发现在布料臂架中，与末节臂节的姿态密切相关，一般可以认为其中θ(l)为布料臂架的末节臂节末端端部相对于水平面的倾角，因此上述公式（8）可以简化为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6\mathrm{\ρA}}{\mathrm{Eb}{h}^2}[(l-l_0)\mathrm{\θ}\left(l\right)-y\left(l\right)+y\left(l_0\right)]---\left(9\right)$

在上述公式（9）中，在检测设定位置D0的x＝l0的情形下，可以根据l0的具体数值，对照上述公式（1）中的相应等式的取值范围选取相应的等式计算y(l₀)，例如在图4中检测设定位置D0位于第二臂节3上的情形下，根据上述公式（1）中的第二个等式，具有：

y(l₀)＝cos²θ₂D[chkx-coskx-0.5186(shkx-sinkx)]（10）

在此情形下，公式（10）中的x＝l0。

同时，在上述公式（9）中y(l)也可以通过根据公式（1）中对应末节臂节的等式计算，例如在图4中布料臂架具有五节臂节的情形下，具有：

y(l)＝cos²θ₅D[chkx-coskx-0.5186(shkx-sinkx)]（11）

在此情形下，公式（11）中的x＝l。

将公式（10）和（11）代入公式（9）中，可以方便地计算出振幅常数D，在确定出振幅常数D的情形下，根据公式（10）计算出y(l₀)，从而获得布料臂架的检测设定位置D0处的振动位移。

以上尽可能详细描述了本发明的布料臂架振动位移检测方法的详细过程，需要说明的是，在本发明的上述技术构思的启示下，本领域技术人员会根据实际应用情形进行相应的参数变型，但是只要采用本发明的技术构思，其均属于本发明的保护范围。

参见图8所示，本发明的布料臂架振动位移检测方法包括如下步骤：

第一，在所述布料臂架的物料输送管道处于物料输送作业状态下，检测所述布料臂架的第一臂节至第n节臂节相对于水平面的倾角θ1，θ2…θn、所述布料臂架上的检测设定位置D0的应变ε以及所述布料臂架的末节臂节末端端部相对于水平面的倾角θ(l)，其中所述第n节臂节为所述布料臂架的末节臂节；

第二，根据所述布料臂架的各个臂节的所述倾角θ1，θ2…θn、所述应变ε以及所述末节臂节末端端部的所述倾角θ(l)，并确定所述检测设定位置D0的振动位移。

上述第二步骤中，可以通过多种方式根据所述布料臂架的各个臂节的所述倾角θ1，θ2…θn、所述应变ε以及所述末节臂节末端端部的所述倾角θ(l)，计算并确定所述检测设定位置D0的振动位移检测设定位置D0的振动位移，例如，通过实际的工况试验建立所述倾角θ1，θ2…θn、所述应变ε以及所述末节臂节末端端部的所述倾角θ(l)对应的检测设定位置D0的振动位移的数据库，从而通过查询数据库可以确定检测设定位置D0的振动位移。

优选地，在上述第二步骤中，其中以所述第一臂节2与支承基础（例如混凝土泵车的回转台1）的铰接点为原点O，竖直方向的轴线为Y轴，沿各个所述臂节在水平面上的俯视投影（即沿竖直方向的投影）的纵向延伸方向的轴线为X轴，所述检测设定位置在所述布料臂架的各个臂节伸展为平行于所述X轴的状态下沿所述布料臂架长度方向的位置为x＝l₀，并根据如下公式计算并确定所述检测设定位置D0的振动位移y(l₀)：

以及

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6\mathrm{\ρA}}{\mathrm{Eb}{h}^2}[(l-l_0)\mathrm{\θ}\left(l\right)-y\left(l\right)+y\left(l_0\right)];---\left(1.2\right)$

其中，l₁、l₂、l₃、l₄…l_n分别为所述第一至第n节臂节的长度；

l＝l₁+l₂+…+l_n-1+l_n；

k为悬臂梁的中间转换系数，其中：

$\mathrm{kl}=\frac{1}{2}\mathrm{\π};$

ρ为所述布料臂架的线密度，A为所述布料臂架在所述检测设定位置的横截面面积；h为所述布料臂架在所述检测设定位置处的横截面的厚度；b为所述布料臂架在所述检测设定位置处的横截面的宽度；E为布料臂架的各个臂节的弹性模量。在此需要说明的是，上述公式（1.1）和公式（1.2）中，由于各个参数均属于常用的参数，本领域技术人员可以容易地进行各个参数单位的匹配（例如长度、宽度、厚度、密度以毫米为基础进行单位的相互匹配，角度以弧度为单位进行匹配等。再如，在 $\mathrm{\ϵ}=\frac{6M}{{\mathrm{Ebh}}^2}=\frac{6\mathrm{\ρA}}{{\mathrm{Ebh}}^2}[(l-l_0)\mathrm{\θ}\left(l\right)-y\left(l\right)+y\left(l_0\right)]$ 中，各分母的单位可以确定为以N·mm进行匹配，分子是计算弯矩的积分结果，其只是数值关系，单位可以相应地匹配为弯矩单位N·mm），应变ε属于无单位参数等，对此无需赘述。

显然地，在上述第二步骤的具体计算中，如上所述，根据公式（1.1）和（1.2）首先可以计算出对应应变下的振幅常数D，在振幅常数D确定的情形下，根据公式（1.1）中x的取值范围与l0相应的等式可以方便地计算出检测设定位置D0处的振动位移y(l₀)。

在上述第一步骤中，显然地，可以通过分别设置在所述布料臂架的第一至第n节臂节上倾角传感器检测各个臂节的所述倾角θ₁，θ₂…θ_n，通过设置在所述布料臂架的所述检测设定位置D0处的应变片检测所述应变ε，通过设置在所述末节臂节的末端端部的倾角传感器检测所述末节臂节末端端部的倾角θ(l)。

优选地，为了更加准确地检测所述应变ε，所述检测设定位置D0处的应变片包括相互垂直设置的第一应变片和第二应变片，所述应变ε为该第一应变片和第二应变片检测的最大应变。通过设置两个相互垂直的第一应变片和第二应变片，可以防止仅设置一个应变片检测的应变不可靠，从而可以以检测的最大应变作为后续计算的基础，增强检测的可靠性，相对有效地提高检测的振动位移的保险系数。

优选地，上述布料臂架振动位移检测方法还包括在所述检测步骤之前进行的监测步骤，在该监测步骤中，监测并确定所述布料臂架的物料输送管道处于物料输送作业状态。这可以通过多种具体手段实现，例如通过位移传感器检测布料设备的泵送装置是否处于工作状态，控制器判断是否接收到操作人员通过遥控器输入的臂架操作信号（一般在泵送作业状态操作人员不再操作布料臂架运动）、通过压力传感器直接检测布料臂架的物料输送管道内是否正在进行物料输送作业等，这些技术手段对于本领域技术人员是熟知的，对此不再赘述。

另外，优选地，在检测的所述应变ε的信号和末节臂节末端端部的倾角θ(l)进行滤波处理，由于振动过程中存在各种干扰因素，检测的应变信号通过滤波处理，可以有效地排除因为漏电、干扰、信号偏移而导致的信号不准确等现象，从而使得检测的振动位移更加精确。

以上描述了本发明的布料臂架振动位移检测方法，以下描述本发明的布料臂架振动位移检测系统的具体实施方式。

参见图7所示，本发明的布料臂架振动位移检测系统包括：

应变信号采集单元，用于检测所述布料臂架的检测设定位置D0处的应变ε；

臂架姿态监测单元，用于检测所述布料臂架的各个臂节相对于水平面的倾角θ₁，θ₂…θ_n；

末节臂节末端端部倾角检测单元，用于检测所述布料臂架的末节臂节的末端端部相对于水平面的倾角；以及

控制器，该控制器电连接于所述应变信号采集单元、臂架姿态检测单元和末节臂节末端端部倾角检测单元，该控制器根据接收的所述布料臂架的各个臂节的倾角信号、所述应变信号以及所述末节臂节末端端部的倾角θ(l)信号，确定所述检测设定位置D0的振动位移。

如上所述，具体地，所述应变信号采集单元为设置在所述布料臂架的检测设定位置D0处的应变片，所述臂架姿态监测单元为设置在所述布料臂架的各个臂节上的倾角传感器，所述末节臂节末端端部倾角检测单元为设置在所述布料臂架的末节臂节末端端部的倾角传感器。

优选地，所述应变片包括设置在所述布料臂架的检测设定位置D0处的相互垂直的第一应变片和第二应变片。通过设置两个相互垂直的第一应变片和第二应变片，可以防止仅设置一个应变片检测的应变不可靠，从而可以以检测的最大应变作为后续计算的基础，增强检测的可靠性，相对有效地提高检测的振动位移的保险系数。

更优选地，所述控制器包括信号滤波单元，所述应变信号采集单元和末节臂节末端端部倾角检测单元经由所述信号滤波单元电连接于所述控制器的信号处理单元。这可以有效地排除因为漏电、干扰、信号偏移而导致的信号不准确等现象，从而使得检测的振动位移更加精确。当然，除了末节臂节端部的倾角传感器由于挠度等因素之外，其它各个倾角传感器的倾角信号也可以经过该信号滤波单元进行滤波处理，但其它各个倾角传感器的检测信号一般比较准确，可以无需滤波直接使用。

优选地，所述布料臂架振动位移检测系统还包括用于监测所述布料臂架上的物料输送管道是否处于物料输送作业状态的泵送作业监测单元。

如上所述，控制器可以通过多种手段根据所述布料臂架的各个臂节的所述倾角θ1，θ2…θn、所述应变ε以及所述末节臂节末端的振动速度计算并确定所述检测设定位置D0的振动位移检测设定位置D0的振动位移，例如，通过实际的工况试验建立所述倾角θ1，θ2…θn、所述应变ε以及所述末节臂节末端端部的倾角θ(l)对应的检测设定位置D0的振动位移的数据库，从而通过查询数据库可以确定检测设定位置D0的振动位移。优选地，所述控制器通过上述公式（1.1）和（1.2）进行计算确定，在此不再重复。

进一步地，本发明提供一种控制器，该控制器包括：信号接收单元，用于接收检测的所述布料臂架的检测设定位置D0处的应变信号、所述布料臂架的各个臂节相对于水平面的倾角信号以及所述布料臂架的末节臂节的末端端部相对于水平面的倾角θ(l)信号；以及信号处理单元，用于根据接收的所述布料臂架的各个臂节的倾角信号、所述应变信号以及所述末节臂节末端端部的倾角θ(l)信号，确定所述检测设定位置D0的振动位移。

优选地，所述控制器还包括信号滤波单元，该信号滤波单元用于在所述信号接收单元之前至少对所述应变信号和末节臂节的末端端部的倾角信号进行滤波处理。

优选地，所述控制器的信号处理单元通过上述公式（1.1）和（1.2）进行计算确定，在此不再重复。此外，显然地，根据需要，控制器可以电连接于显示装置，以显示所述振动位移。

此外，本发明还提供一种布料设备，该布料设备包括布料臂架，其中，所述布料设备包括上述任一项布料臂架振动位移检测系统。典型地，所述布料设备可以为混凝土泵车、混凝土布料机或砂浆布料机。例如，在布料设备为混凝土泵车的情形下，上述在公式（1.1）和（1.2）中建立的坐标系原点O即为布料臂架的第一臂节2与回转台1的铰接点。

由上描述可以看出，本发明的优点在于：本发明的布料臂架振动位移检测方法及其检测系统根据布料臂架属于悬臂梁的特点，独创性地利用应变片检测布料臂架需要的检测设定位置D0的应变，将该应变转换为弯矩，通过弯矩与应变的对应公式，建立应变与布料臂架的振型函数所计算的振动位移之间的等式，从而巧妙地通过检测应变确定布料臂架的检测设定位置D0的振动位移，其简单实用，检测精度相对较高，易于在布料设备上推广使用，其能够相对优化程度地检测布料臂架的弯曲振动位移，具有良好的实用性和可靠性，避免了现有技术的缺点，具有良好的应用前景。本发明的控制器以及布料设备与上述布料臂架振动位移检测方法及其检测系统采用同一技术构思，因而具有同样的优点。

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 (18)

1.布料臂架振动位移检测方法，其中，包括如下步骤：

检测步骤：在所述布料臂架的物料输送管道处于物料输送作业的状态下，检测所述布料臂架的第一臂节至第n节臂节相对于水平面的倾角θ₁，θ₂…θ_n、所述布料臂架上的检测设定位置的应变ε以及所述布料臂架的末节臂节末端端部相对于水平面的倾角θ(l)，其中所述第n节臂节为所述末节臂节；以及

振动位移确定步骤：根据所述布料臂架的各个臂节的所述倾角θ₁，θ₂…θ_n、所述应变ε以及所述末节臂节末端端部的所述倾角θ(l)，确定所述检测设定位置的振动位移。

2.根据权利要求1所述的布料臂架振动位移检测方法，其中，在所述振动位移确定步骤中，以所述第一臂节(2)与支承基础的铰接点为原点O，竖直方向的轴线为Y轴，沿各个所述臂节在水平面上的俯视投影的纵向延伸方向的轴线为X轴，所述检测设定位置在所述布料臂架的各个臂节伸展为平行于所述X轴的状态下沿所述布料臂架长度方向的位置为x＝l₀，根据如下公式计算所述检测设定位置的所述振动位移y(l₀)：

以及

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6\mathrm{\ρ}A}{{\mathrm{Ebh}}^2}\[(l-l_0)\mathrm{\θ}\left(l\right)-y\left(l\right)+y\left(l_0\right)\];$

其中，l₁、l₂、l₃、l₄…l_n分别为所述第一至第n节臂节的长度；

l＝l₁+l₂+…+l_n-1+l_n；

k为悬臂梁的中间转换系数，其中：

$kl=\frac{1}{2}\mathrm{\π};$

ρ为所述布料臂架的线密度，A为所述布料臂架在所述检测设定位置的横截面面积；h为所述布料臂架在所述检测设定位置处的横截面的厚度；b为所述布料臂架在所述检测设定位置处的横截面的宽度；E为布料臂架的各个臂节的弹性模量。

3.根据权利要求1所述的布料臂架振动位移检测方法，其中，在所述检测步骤中，通过分别设置在所述布料臂架的第一至第n节臂节上的倾角传感器检测各个臂节的所述倾角θ₁，θ₂…θ_n，通过设置在所述布料臂架上的所述检测设定位置处的应变片检测所述应变ε，以及通过设置在所述末节臂节的末端端部的倾角传感器检测所述末节臂节末端端部的所述倾角θ(l)。

4.根据权利要求3所述的布料臂架振动位移检测方法，其中，所述检测设定位置处的应变片包括相互垂直设置的第一应变片和第二应变片，所述应变ε为该第一应变片和第二应变片检测的最大应变。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的布料臂架振动位移检测方法，其中，所述布料臂架振动位移检测方法还包括在所述检测步骤之前进行的监测步骤，在该监测步骤中，监测并确定所述布料臂架的物料输送管道处于物料输送作业状态。

6.根据权利要求5所述的布料臂架振动位移检测方法，其中，在所述检测步骤中，对检测的所述应变ε的信号和所述末节臂节末端端部的所述倾角θ(l)信号进行滤波处理。

7.布料臂架振动位移检测系统，其中，包括：

应变信号采集单元，用于检测所述布料臂架的检测设定位置处的应变ε；

臂架姿态监测单元，用于检测所述布料臂架的各个臂节相对于水平面的倾角θ₁，θ₂…θ_n；

末节臂节末端端部倾角检测单元，用于检测所述布料臂架的末节臂节的末端端部相对于水平面的倾角；以及

控制器，该控制器电连接于所述应变信号采集单元、臂架姿态监测单元和末节臂节末端端部倾角检测单元，该控制器根据接收的所述布料臂架的各个臂节的倾角信号、所述应变信号以及所述末节臂节末端端部的倾角信号，确定所述检测设定位置的振动位移。

8.根据权利要求7所述的布料臂架振动位移检测系统，其中，所述应变信号采集单元为设置在所述布料臂架的检测设定位置处的应变片，所述臂架姿态监测单元为设置在所述布料臂架的各个臂节上的倾角传感器，所述末节臂节末端端部倾角检测单元为设置在所述布料臂架的末节臂节末端端部的倾角传感器。

9.根据权利要求8所述的布料臂架振动位移检测系统，其中，所述应变片包括设置在所述布料臂架的检测设定位置处的相互垂直的第一应变片和第二应变片。

10.根据权利要求7所述的布料臂架振动位移检测系统，其中，所述控制器包括信号滤波单元，所述应变信号采集单元和所述末节臂节末端端部倾角检测单元经由所述信号滤波单元电连接于所述控制器的信号处理单元。

11.根据权利要求7所述的布料臂架振动位移检测系统，其中，所述布料臂架振动位移检测系统还包括用于监测所述布料臂架上的物料输送管道是否处于物料输送作业状态的泵送作业监测单元。

12.根据权利要求7所述的布料臂架振动位移检测系统，其中，所述布料臂架振动位移检测系统还包括用于显示所述检测设定位置的振动位移的显示装置，该显示装置电连接于所述控制器。

13.根据权利要求7至12中任一项所述的布料臂架振动位移检测系统，其中，所述控制器以所述布料臂架的第一臂节(2)与支承基础的铰接点为原点O，竖直方向的轴线为Y轴，沿各个所述臂节在水平面上的俯视投影的纵向延伸方向的轴线为X轴，所述检测设定位置在所述布料臂架的各个臂节伸展为平行于所述X轴的状态下沿所述布料臂架长度方向上的位置为x＝l₀，将臂架回转对应倾斜角度使臂架处于与X轴重合位置，根据如下公式计算所述检测设定位置的所述振动位移y(l₀)：

以及

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6\mathrm{\ρ}A}{{\mathrm{Ebh}}^2}\[(l-l_0)\mathrm{\θ}\left(l\right)-y\left(l\right)+y\left(l_0\right)\];$

其中，l₁、l₂、l₃、l₄…l_n分别为所述第一至第n节臂节的长度；

l＝l₁+l₂+…+l_n-1+l_n；

k为悬臂梁的中间转换系数，其中：

$kl=\frac{1}{2}\mathrm{\π};$

ρ为所述布料臂架的线密度，A为所述布料臂架在所述检测设定位置的横截面面积；h为所述布料臂架在所述检测设定位置处的横截面的厚度；b为所述布料臂架在所述检测设定位置处的横截面的宽度；E为布料臂架的各个臂节的弹性模量。

14.控制器，其中，包括：

信号接收单元，用于接收检测的布料臂架的检测设定位置处的应变信号、所述布料臂架的各个臂节相对于水平面的倾角信号以及所述布料臂架的末节臂节的末端端部相对于水平面的倾角信号；以及

信号处理单元，用于根据接收的所述布料臂架的各个臂节的倾角信号、所述应变信号以及所述末节臂节末端端部的所述倾角信号，确定所述检测设定位置的振动位移。

15.根据权利要求14所述的控制器，其中，所述控制器还包括信号滤波单元，该信号滤波单元用于在所述信号接收单元之前至少对所述应变信号和所述末节臂节的末端端部的倾角信号进行滤波处理。

16.根据权利14或15所述的控制器，其中，所述信号处理单元以所述布料臂架的第一臂节(2)与支承基础的铰接点为原点O，竖直方向的轴线为Y轴，沿各个所述臂节在水平面上的俯视投影的纵向延伸方向的轴线为X轴，所述检测设定位置在所述布料臂架的各个臂节伸展为平行于所述X轴的状态下沿所述布料臂架长度方向上的位置为x＝l₀，根据如下公式计算所述检测设定位置的所述振动位移y(l₀)：

以及

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6\mathrm{\ρ}A}{{\mathrm{Ebh}}^2}\[(l-l_0)\mathrm{\θ}\left(l\right)-y\left(l\right)+y\left(l_0\right)\];$

其中，l₁、l₂、l₃、l₄…l_n分别为所述第一至第n节臂节的长度；

l＝l₁+l₂+…+l_n-1+l_n；

k为悬臂梁的中间转换系数，其中：

$kl=\frac{1}{2}\mathrm{\π};$

ρ为所述布料臂架的线密度，A为所述布料臂架在所述检测设定位置的横截面面积；h为所述布料臂架在所述检测设定位置处的横截面的厚度；b为所述布料臂架在所述检测设定位置处的横截面的宽度；E为布料臂架的各个臂节的弹性模量。

17.布料设备，包括布料臂架，其中，所述布料设备包括根据权利要求7至13中任一项所述的布料臂架振动位移检测系统。

18.根据权利要求17所述的布料设备，其中，所述布料设备为混凝土泵车、混凝土布料机或砂浆布料机。