CN116335726B - 一种刮板保护控制方法及工程车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种刮板保护控制方法及工程车辆，涉及工程设备技术领域。刮板保护控制方法包括以下步骤：获取表征第一接触点的第一作用力信息；获取表征第二接触点的第二作用力信息；根据第一作用力信息和第二作用力信息等效计算出刮板在第三接触点的第三作用力信息；将第三作用力信息与最大受力信息进行比对以得到比对信息，根据比对信息控制驱动机构工作。通过控制驱动机构的输出力矩，避免第三作用力信息大于刮板的最大受力信息，从而避免了刮板因受力过大而损坏，有效地保护了刮板，显著提高了刮板的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及工程设备技术领域，具体而言，涉及一种刮板保护控制方法及工程车辆。
背景技术
隧道断面喷射在岩壁上的混凝土时常出现不平整的现象，因此通常需要利用刮板把混凝土均匀抹平，以对隧道断面进行整形。
由于刮板受到驱动机构以及隧道岩壁的作用，刮板容易损坏。现有的设备通常在刮板设置传感器，但其传感器无法直接获取刮板与岩壁接触处的力，因此无法准确地获取刮板的受力情况，仍然导致刮板的受损率较高。
发明内容
本发明提供了一种刮板保护控制方法及工程车辆，其通过控制驱动机构的输出力矩，避免第三作用力信息大于刮板的最大受力信息，从而避免了刮板因受力过大而损坏，有效地保护了刮板，显著提高了刮板的使用寿命。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种刮板保护控制方法，用于保护刮板，所述刮板包括第一接触点、第二接触点以及所述第三接触点，所述第一接触点位于所述第二接触点和所述第三接触点之间，所述第一接触点用于进行受力检测，所述第二接触点用于施加驱动力，所述第三接触点用于与待整形件接触，所述刮板保护控制方法包括以下步骤：
获取表征所述第一接触点的第一作用力信息；
获取表征所述第二接触点的第二作用力信息；
根据所述第一作用力信息和所述第二作用力信息等效计算出所述刮板在第三接触点的第三作用力信息；
将所述第三作用力信息与所述刮板的最大受力信息进行比对以得到比对信息，根据比对信息控制驱动机构工作。
在可选的实施方式中，所述刮板保护控制方法的步骤还包括：
根据所述刮板的材料信息计算所述刮板的最大受力信息。
在可选的实施方式中，所述刮板的最大受力信息通过有限元分析获取。
在可选的实施方式中，所述根据所述刮板的材料信息计算所述刮板的最大受力信息的步骤包括：
根据所述刮板的材料信息计算得出所述刮板的最大允许应力；
根据所述最大允许应力计算得出所述刮板的最大允许弯矩。
在可选的实施方式中，所述根据所述刮板的材料信息计算得出所述刮板的最大允许应力的步骤包括：
依据以下公式计算得到所述最大允许应力：
；
其中，表示最大允许应力，E为所述刮板的材料的弹性模量，/>为应变系数。
在可选的实施方式中，所述根据所述最大允许应力计算得出所述刮板的最大允许弯矩的步骤包括：
依据以下公式计算得到所述最大允许弯矩：
；
其中，Wz为G点的抗弯矩截面系数，Ks为安全系数。
在可选的实施方式中，所述根据所述第一作用力信息和所述第二作用力信息等效计算出所述刮板在第三接触点的第三作用力信息的步骤包括：
依据以下公式计算得到所述第三作用力信息：
；
其中，表征所述第一作用力信息，其为在所述刮板的所述第一接触点相对所述第三接触点的矢量力矩，x2为所述第一接触点与所述第二接触点的距离，a为所述刮板的形变系数；/>表征所述第二作用力信息，其为所述驱动机构对所述刮板在所述第二接触点形成的合力矢量力矩；/>表征所述刮板在所述第三接触点受到X轴、Y轴以及Z轴的分力总和，/>表征所述第三接触点相对所述第二接触点的力臂。
在可选的实施方式中，所述将所述第三作用力信息与所述刮板的最大受力信息进行比对以得到比对信息，根据比对信息控制驱动机构工作的步骤包括：
将所述最大受力信息对应的数值与所述第三作用力信息对应的数值相减以得到所述比对信息；
在所述比对信息大于或等于预设阈值的情况下，控制所述驱动机构正常运行；
在所述比对信息小于预设阈值的情况下，发出预警信号并控制所述驱动机构停止工作。
在可选的实施方式中，所述在所述比对信息小于预设阈值的情况下，发出预警信号并控制所述驱动机构停止工作的步骤之后，所述刮板保护控制方法还包括：
控制所述驱动机构调整所述刮板的姿态及位置，并重新向所述刮板输出驱动力；
在所述比对信息大于或等于预设阈值的情况下，停止发出所述预警信号并控制所述驱动机构正常运行。
第二方面，本发明提供一种工程车辆，所述工程车辆包括驱动机构、刮板、传感器以及控制器，所述传感器设置于所述刮板第一接触点，所述驱动机构作用于所述刮板的第二接触点，待整形件对所述刮板的接触点为第三接触点，所述控制器与所述传感器以及所述驱动机构电连接，所述控制器用于执行如前述实施方式任一项所述的刮板保护控制方法。
本发明实施例提供的刮板保护控制方法及工程车辆的有益效果包括：通过获取第一作用力信息以及第二作用力信息以等效计算出第三作用力信息，即精确地获取了刮板在岩壁对其的受力处的受力信息，因此在计算得出刮板的最大受力信息的情况下，可通过控制驱动机构的输出力矩，避免第三作用力信息大于刮板的最大受力信息，从而避免了刮板因受力过大而损坏，有效地保护了刮板，显著提高了刮板的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的工程车辆结构示意图；
图2为本发明实施例提供的刮板受力示意图；
图3为本发明实施例提供的刮板保护控制方法流程图；
图4为本发明实施例提供的拉压称重传感器示意图；
图5为本发明实施例提供的应力片传感器示意图。
图标：10-工程车辆；100-车体；200-驱动机构；300-刮板；400-传感器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
在隧道内喷射混凝土是隧道施工作业中一种非常重要的工序，具体来说，就是在狭小的隧道内将掺有速凝剂的细石混凝土喷射到岩壁表面上。然而隧道断面喷射在岩壁上的混凝土通常会出现不平整的现象，从而阻碍其他工序和施工工艺满足要求。
目前通常需要人工或借助其余辅助设备，利用刮板把混凝土均匀抹平，以对隧道断面进行整形。然而人工效率低，且目前市场上出现的刮板结构和使用方式均存在多种弊端和隐患，比如刮板作业过程中，控制不方便且支撑力不够；又比如由于隧道环境恶劣、作业视角不好，容易导致刮板受到恶劣的冲击力，对相关设备及臂架形成不可逆转的创伤；其次由于隧道结构条件的限制，采用多种不同设备进入狭小的工作区域，对施工区域容易造成阻碍。
即使现有的设备在刮板设置有传感器，但其传感器也无法直接获取刮板与岩壁接触处的力，因此无法准确地获取刮板的受力情况，仍然会导致刮板的受损率较高。
因此为了在施工过程中，能更好的综合解决上述问题，本发明实施例提供了一种工程车辆，特别适用于隧道整形与喷浆作业。
请参阅图1和图2，工程车辆10包括车体100以及设置于车体100的驱动机构200、刮板300、传感器400以及控制器（图未示）。
其中，传感器400设置于刮板300第一接触点（如图2所示的K点），用于对刮板300的第一接触点进行受力检测，以获取能够表征第一接触点的第一作用力信息；驱动机构200作用于刮板300的第二接触点（如图2所示的O点），以对刮板300的第二接触点施加驱动力，因此可通过获取驱动机构200的载荷或功率等效获取刮板300在第二接触点的第二作用力信息；待整形件对刮板300的接触点为第三接触点（如图2所示的G点），换言之，第三接触点为刮板300与隧道端面的接触受力点。第三接触点、第一接触点以及第二接触点依次间隔设置。
在本实施例中，控制器与传感器400以及驱动机构200电连接，控制器用于接收传感器400获取的数据，并根据该数据控制驱动机构200对刮板300施加的驱动力，以避免刮板300在作业过程中出现断臂、回转台开裂等安全事故。
详细地，驱动机构200包括臂架系统、回转系统等，传感器400包括拉压称重传感器400（如图4所示）以及应力片传感器400（如图5所示）等，在此不做具体限定。
进一步地，本发明还提供了一种刮板300保护控制方法，用于保护刮板300，应用于工程车辆10，因此该刮板300保护控制方法可通过上述的工程车辆10执行。刮板300包括第一接触点、第二接触点以及第三接触点，第一接触点位于所述第二接触点和所述第三接触点之间，第一接触点用于进行受力检测，第二接触点用于施加驱动力，第三接触点用于与待整形件接触。
请参阅图3，本发明实施例中，刮板300保护控制方法可以包括以下步骤：
步骤S100，获取表征第一接触点的第一作用力信息；
在本实施例中，通过设置于刮板300并与第一接触点直接接触的传感器400即可获取刮板300在第一接触点的受力，以得到第一作用力信息。
可选地，传感器400可以是，但不限于拉压称重传感器400以及压力片传感器400。
步骤S200，获取表征第二接触点的第二作用力信息；
在本实施例中，第二接触点是臂架系统、回转系统等对刮板300的驱动力施加点，因此，通过臂架系统、回转系统等输出的载荷或功率等即可等效地获得在第二接触点的受力，以得到第二作用力信息。
步骤S300，根据第一作用力信息和第二作用力信息等效计算出刮板300在第三接触点的第三作用力信息；
在本实施例中，在获取第一作用力信息和第二作用力信息后，可通过等效原理获取第三作用力信息。
本实施例中，步骤S300可以包括以下子步骤：
依据以下公式计算得到所述第三作用力信息：
；
其中，表征所述第一作用力信息，其为在所述刮板300的所述第一接触点相对所述第三接触点的矢量力矩，x1为第三接触点与第二接触点的距离，x2为所述第一接触点与所述第二接触点的距离，a为所述刮板300的形变系数；/>表征所述第二作用力信息，其为所述驱动机构200对所述刮板300在所述第二接触点形成的合力矢量力矩；表征所述第三作用力信息，其为所述刮板300在所述第三接触点相对第三接触点形成的合力矢量力矩，/>表征所述刮板300在所述第三接触点受到X轴、Y轴以及Z轴的分力总和，/>表征第三接触点相对所述第二接触点的力臂，需要说明的是，θ为第三接触点相对第二接触点的力臂与三个接触点所在直线的夹角，因此该力臂可通过第三接触点与第二接触点的距离x1与夹角θ计算得出。
需要说明的是，由于隧道断面通常凹凸不平，大多为复杂的曲面，并且夹杂的混凝土、岩石种类较多，因此刮板300在工程的过程中受到隧道断面的各项分力较多。因此，如图2所示，对刮板300在第三接触点处建立直角坐标系，可将刮板300在将X轴向各项分力总和划分为矢量，将Y轴向各项分力总和划分矢量/>，将Z轴向各项分力总和划分矢量/>，因此刮板300在第三接触点所受到各轴向分力总和为矢量，其中，/>相对第二接触点的力臂矢量为，L表示/>的力臂，θ表示该力臂与三个接触点连线的夹角。因此，在刮板300收到隧道断面的岩壁在第三接触点以及驱动机构200在第二接触点的两相合力矩的情况下，刮板300的第一接触点因第二接触点和第三接触点的力矩不平衡会发生形变、位移、应力的变化量，因此可根据等效原理，第一接触点的相对第二接触点的矢量力矩视为，因此存在/>，将上述公式进行变形以得到/>，以计算得出第三作用力信息。
步骤S400，将第三作用力信息与刮板的最大受力信息进行比对以得到比对信息，根据比对信息控制驱动机构200工作。
在本实施例中，除了将通过第一作用力信息以及第二作用力信息得到的第三作用力信息与最大受力信息进行比对之外，可以理解的是，还可直接将第一作用力信息与最大受力信息进行比较，从而确保第一作用力信息或第三作用力信息均小于最大受力信息，以实现保护刮板300的目的。
本实施例中，步骤S400还可以包括以下子步骤：
子步骤S410，将最大受力信息对应的数值与第三作用力信息对应的数值相减以得到比对信息；
子步骤S420，在比对信息大于或等于预设阈值的情况下，控制驱动机构200正常运行；
子步骤S430，在比对信息小于预设阈值的情况下，发出预警信号并控制驱动机构200停止工作。
在本实施例中，预设阈值可以是1，在对比信息的情况下，则说明刮板300在第三接触点的受力未达到其最大承受负载；而在对比信息/>的情况下，则说明刮板300在第一接触点的负载接近材料的屈服点，此时需发出预警信号，并自动控制摆动油缸、臂架系统等停止对刮板300的驱动作用，避免刮板300损坏。
子步骤S440，控制驱动机构调整刮板300的姿态及位置，并重新向刮板300输出驱动力；
在本实施例中，在刮板300停止整形作业后，根据整形面的结构或形状特点，还控制摆动油缸、臂架系统等调整刮板300的姿态及位置，并重新向刮板300输出驱动力。
子步骤S450，在比对信息大于或等于预设阈值的情况下，停止发出预警信号并控制驱动机构200正常运行。
在本实施例中，在重新向刮板300输送驱动力后，重复上述步骤S410、步骤S420以及步骤S430，若此时获取的对比信息，则继续控制摆动油缸、臂架系统等驱动刮板300正常进行整形作业。
本实施例中，刮板300保护控制方法的步骤还包括：
步骤S500，根据刮板300的材料信息计算刮板300的最大受力信息。
在本实施例中，通过刮板300自身的材料信息，可以计算出刮板300的最大承受载荷，即最大受力信息。
需要说明的是，步骤S500与步骤S100、步骤S200以及步骤S300为并列的实施例，换言之，步骤S500可以同时与步骤S100、步骤S200或步骤S300实施，也可以先后实施。
本实施例中，步骤S500可以包括以下子步骤：
子步骤S510，根据刮板300的材料信息计算得出刮板300的最大允许应力；
具体地，子步骤510还可以包括以下子步骤：
子步骤511，依据以下公式计算得到所述最大允许应力：
；
其中，表示最大允许应力，E为所述刮板300的材料的弹性模量，/>为应变系数。
子步骤S520，根据最大允许应力计算得出刮板300的最大允许弯矩。
具体地，子步骤520还可以包括以下子步骤：
依据以下公式计算得到所述最大允许弯矩：
；
其中，Wz为G点的抗弯矩截面系数，Ks为安全系数。
在本实施例中，通过刮板300的材料的弹性模量、应变系数、抗弯矩截面系数以及安全系数即可计算的出刮板300在第三接触点的最大允许弯矩。
另外还需要说明的是，在第二接触点不存在力矩的情况下，根据力矩动量守恒原理，存在/>，因此第一接触点的力还可以表征为。
本实施例中，刮板300保护控制方法的步骤还可以包括：
步骤S600，刮板的最大受力信息通过有限元分析获取。
本实施例中，步骤S600与步骤S500是并列的实施例，也就是说，刮板的最大受力信息可以通过刮板的材料信息采用相应的公式计算得出，刮板的最大受力信息还可以采用有限元分析这一数学模型求得。另外，刮板的最大受力信息在设计时即可确定。
综上所述，本发明实施例提供了一种刮板300保护控制方法及工程车辆10，通过获取第一作用力信息以及第二作用力信息以等效计算出第三作用力信息，即精确地获取了刮板300在岩壁对其的受力处的受力信息，因此在计算得出刮板300的最大受力信息的情况下，可通过控制驱动机构200的输出力矩，避免第三作用力信息大于刮板300的最大受力信息，从而避免了刮板300因受力过大而损坏，有效地保护了刮板300，显著提高了刮板300的使用寿命。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种刮板保护控制方法，所述刮板包括第一接触点、第二接触点以及第三接触点，所述第一接触点用于进行受力检测，所述第二接触点用于施加驱动力，所述第三接触点用于与待整形件接触，其特征在于，所述刮板保护控制方法包括以下步骤：
通过传感器对所述第一接触点进行受力检测，以获取表征第一接触点的第一作用力信息；
通过驱动机构对所述第二接触点施加驱动力，并获取表征第二接触点的第二作用力信息；
根据所述第一作用力信息和所述第二作用力信息等效计算出所述刮板在第三接触点的第三作用力信息，其中，所述第三接触点为所述待整形件与所述刮板的接触点；
将所述第三作用力信息与所述刮板的最大受力信息进行比对以得到比对信息，根据比对信息控制驱动机构工作；
根据所述第一作用力信息和所述第二作用力信息等效计算出所述刮板在第三接触点的第三作用力信息的步骤包括：
依据以下公式计算得到所述第三作用力信息：
；
其中，表征所述第一作用力信息，其为在所述刮板的所述第一接触点相对所述第三接触点的矢量力矩，x2为所述第一接触点与所述第二接触点的距离，a为所述刮板的形变系数；/>表征所述第二作用力信息，其为所述驱动机构对所述刮板在所述第二接触点形成的合力矢量力矩；/>表征所述刮板在所述第三接触点受到X轴、Y轴以及Z轴的分力总和，/>表征所述第三接触点相对所述第二接触点的力臂。
2.根据权利要求1所述的刮板保护控制方法，其特征在于，所述刮板保护控制方法的步骤还包括：
根据所述刮板的材料信息计算所述刮板的最大受力信息。
3.根据权利要求1所述的刮板保护控制方法，其特征在于，所述刮板的最大受力信息通过有限元分析获取。
4.根据权利要求2所述的刮板保护控制方法，其特征在于，根据所述刮板的材料信息计算所述刮板的最大受力信息的步骤包括：
根据所述刮板的材料信息计算得出所述刮板的最大允许应力；
根据所述最大允许应力计算得出所述刮板的最大允许弯矩。
5.根据权利要求4所述的刮板保护控制方法，其特征在于，根据所述刮板的材料信息计算得出所述刮板的最大允许应力的步骤包括：
依据以下公式计算得到所述最大允许应力：
；
其中，表示最大允许应力，E为所述刮板的材料的弹性模量，/>为应变系数。
6.根据权利要求5所述的刮板保护控制方法，其特征在于，根据所述最大允许应力计算得出所述刮板的最大允许弯矩的步骤包括：
依据以下公式计算得到所述最大允许弯矩：
；
其中，Wz为G点的抗弯矩截面系数，Ks为安全系数。
7.根据权利要求1所述的刮板保护控制方法，其特征在于，将所述第三作用力信息与所述刮板的最大受力信息进行比对以得到比对信息，根据比对信息控制驱动机构工作的步骤包括：
将所述最大受力信息对应的数值与所述第三作用力信息对应的数值相减以得到所述比对信息；
在所述比对信息大于或等于预设阈值的情况下，控制所述驱动机构正常运行；
在所述比对信息小于预设阈值的情况下，发出预警信号并控制所述驱动机构停止工作。
8.根据权利要求7所述的刮板保护控制方法，其特征在于，在所述比对信息小于预设阈值的情况下，发出预警信号并控制所述驱动机构停止工作的步骤之后，所述刮板保护控制方法还包括：
控制所述驱动机构调整所述刮板的姿态及位置，并重新向所述刮板输出驱动力；
在所述比对信息大于或等于预设阈值的情况下，停止发出所述预警信号并控制所述驱动机构正常运行。
9.一种工程车辆，其特征在于，所述工程车辆包括驱动机构、刮板、传感器以及控制器，所述传感器设置于所述刮板第一接触点，所述驱动机构作用于所述刮板的第二接触点，待整形件对所述刮板的接触点为第三接触点，所述控制器与所述传感器以及所述驱动机构电连接，所述控制器用于执行如权利要求1-8任一项所述的刮板保护控制方法。
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