曹學(xué)峰， 高 斌， 高 蘭

（1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.四川威遠(yuǎn)鋼鐵有限公司，四川 內(nèi)江 642463）

0 引言

高速鐵路和高速公路施工中，大量使用混凝土拌合設(shè)備，根據(jù)要求的混凝土工程強(qiáng)度不同，拌合時(shí)水泥沙漿的配比也不同，在拌合之前需要對(duì)水泥沙漿按配比進(jìn)行稱重。中鐵十七局集團(tuán)有限公司研制的移動(dòng)瀝青水泥砂漿拌合設(shè)備，滿足了路基施工中混凝土拌合稱重配比的要求。

該拌合設(shè)備屬于車載集裝箱式，生產(chǎn)前要求快速使設(shè)備處于水平狀態(tài)，以保證拌合設(shè)備配料的計(jì)量精度和攪拌質(zhì)量，對(duì)調(diào)平的時(shí)間和精度提出了較高要求。因此，本文設(shè)計(jì)了一種四點(diǎn)支撐的車載集裝箱式混凝土拌設(shè)備平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)應(yīng)用位置逆解法和箱體與拖車轉(zhuǎn)向架的運(yùn)動(dòng)干涉防止技術(shù)，采用三菱FX2N系列PLC［1］為控制核心，以觸摸屏作為有線遙控，以液壓元件作為支撐和動(dòng)力系統(tǒng)，解決了移動(dòng)式混凝土拌和設(shè)備調(diào)平時(shí)間長(zhǎng)、調(diào)平精度低和工作量大等問(wèn)題，保證了施工質(zhì)量。

1 調(diào)平機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 自動(dòng)調(diào)平原理示意圖

混凝土拌設(shè)備平臺(tái)具有3個(gè)自由度，采用3點(diǎn)支撐的原理來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)綜合4點(diǎn)支撐［2］的優(yōu)點(diǎn)。由于3個(gè)點(diǎn)或兩條相交直線確定一個(gè)平面，所以要使攪拌車平臺(tái)達(dá)到水平，需要橫向和縱向兩個(gè)相垂直方向上分別布置一個(gè)傾角傳感器，如圖1所示。對(duì)于ABE3點(diǎn)式支承，可分別控制和調(diào)整A、B、E3點(diǎn)的高低，得到一個(gè)唯一的水平支承面。而對(duì)于ABCD4點(diǎn)式支承，結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了一次超靜定問(wèn)題，在進(jìn)行調(diào)平時(shí)，必然就會(huì)有一個(gè)支承腿處于不受力的懸空狀態(tài)，即產(chǎn)生了“虛腿”現(xiàn)象。為解決這一超靜定箱體調(diào)平問(wèn)題，通常的方案是在4個(gè)支承點(diǎn)上同時(shí)設(shè)置壓力傳感器，根據(jù)水平傳感器和壓力傳感器的檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)復(fù)雜的邏輯控制，反復(fù)調(diào)整4個(gè)支承點(diǎn)的高低，保證在4個(gè)支承點(diǎn)都完全著地承力的情況下達(dá)到水平，所以其調(diào)平方法控制復(fù)雜、調(diào)整周期長(zhǎng)、精度難以提高。

本設(shè)計(jì)中平臺(tái)采用4個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的液壓缸支撐，前部?jī)蓚€(gè)油缸的油路卻是相連的，其后兩個(gè)液壓缸是獨(dú)立的，如圖2所示。左前L3、右前L4、左后L1、右后L2油缸和導(dǎo)向支腿上端與箱體及拖車之間采用球鉸連接，導(dǎo)向柱的下端與拖車之間垂直連接。在調(diào)平的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各油缸能繞其兩端的球鉸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，保證了液壓缸和平臺(tái)及車底板之間不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉。后部油缸L1和L2缸分別用兩個(gè)比例電磁閥控制，它們能獨(dú)立地進(jìn)行伸縮；前部液壓缸L3、L4用一個(gè)比例電磁閥控制，液壓回路連接連如圖3所示，當(dāng)一只液壓缸伸長(zhǎng)（縮短），則另一只液壓缸就縮短（伸長(zhǎng)）相同的長(zhǎng)度，兩油缸（L3、L4）鉸點(diǎn)（D、C）連線的中點(diǎn)（E）的位置不隨兩油缸的伸縮而變化。從效果上看，相當(dāng)于后兩油缸（L1、L2）的鉸點(diǎn)（A、B）和此中點(diǎn)（E）組成一平面，形成3點(diǎn)支撐（A、B、E），如圖1所示。此時(shí)前兩個(gè)油缸就相當(dāng)于一個(gè)油缸，位于D（L3）和C（L4）連線的中點(diǎn)E處，因兩油缸油路相通，L3、L4油缸都不存在虛腿現(xiàn)象，從而解決了4點(diǎn)支撐中出現(xiàn)的虛腿問(wèn)題。

圖2 調(diào)平機(jī)構(gòu)

圖3 前部油缸結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)總體方案

整個(gè)電液控制調(diào)平系統(tǒng)由電控系統(tǒng)、導(dǎo)向支撐系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)3大部分組成?？刂葡到y(tǒng)采用位置逆解法［3］，根據(jù)箱體上的雙軸傾角傳感器（橫向／縱向）的信號(hào)，計(jì)算出油缸在當(dāng)前狀態(tài)下經(jīng)調(diào)平后達(dá)到水平位置時(shí)的目標(biāo)長(zhǎng)度，經(jīng)理論修正算法后，通過(guò)PLC控制內(nèi)置位移傳感器的調(diào)平油缸L1、L2、L3、L4動(dòng)作，改變拌合平臺(tái)與拖車底盤的相對(duì)位置，使拌合設(shè)備達(dá)到水平狀態(tài)。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案參見(jiàn)圖4所示。系統(tǒng)具有預(yù)調(diào)平、自動(dòng)調(diào)平、手動(dòng)調(diào)平、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)顯示等功能。

3 控制算法

該集裝箱式混凝土攪拌設(shè)備平臺(tái)，屬車載移動(dòng)設(shè)備，體積大、質(zhì)量重、機(jī)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)平系統(tǒng)包含機(jī)、電、液3部分，很難建出精確數(shù)學(xué)模型且調(diào)平速度要求不高，所以本設(shè)計(jì)采用位置逆解算法進(jìn)行控制?？刂七^(guò)程為：首先設(shè)定水平位置，根據(jù)橫向Q1、縱向Q2傾角傳感器和油缸位移傳感器Q3～Q6采集的信號(hào)，計(jì)算出4個(gè)油缸L1～L4的目標(biāo)長(zhǎng)度→然后送出控制量→油缸伸縮到目標(biāo)長(zhǎng)度→橫向Q1、縱向Q2傾角傳感器檢測(cè)是否水平，若未平→再根據(jù)傳感器信號(hào)計(jì)算目標(biāo)長(zhǎng)度→繼續(xù)輸出控制量→直到Q1、Q2檢測(cè)平臺(tái)達(dá)到水平位置為止。

3.1 目標(biāo)長(zhǎng)度的計(jì)算方法

（1）根據(jù)調(diào)平前平臺(tái)的傾角和機(jī)構(gòu)的相關(guān)尺寸，通過(guò)位置逆解法計(jì)算平臺(tái)處于某一水平位置時(shí)各油缸的理論目標(biāo)長(zhǎng)度。

（2）根據(jù)平臺(tái)位置最低的原則，同時(shí)考慮平臺(tái)與拖車之間的運(yùn)動(dòng)極限（以不發(fā)生干涉為限）對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，計(jì)算出每個(gè)油缸的最終目標(biāo)長(zhǎng)度。

圖4 系統(tǒng)總體控制方案

3.2 位置逆解法計(jì)算油缸伸縮量

位置逆解法就是根據(jù)調(diào)平前平臺(tái)的傾角和平臺(tái)的相關(guān)尺寸計(jì)算出平臺(tái)到達(dá)某一水平狀態(tài)時(shí)各油缸在坐標(biāo)系中所處的位置。

首先建立平臺(tái)調(diào)平前后的坐標(biāo)系，即靜坐標(biāo)系和動(dòng)坐標(biāo)系。如圖5所示，兩個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)O和O′均與導(dǎo)向柱球鉸的球心重合，調(diào)平前坐標(biāo)系的X－Y平面與集裝箱底面平行，調(diào)平后坐標(biāo)系的X′－Y′平面處于水平，且兩坐標(biāo)系X、Y軸朝向一致。兩坐標(biāo)系X－Y平面之間的夾角就是集裝箱調(diào)平前縱橫兩個(gè)方向的傾角。

圖5 調(diào)平前后兩坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系

設(shè)原坐標(biāo)系中坐標(biāo)原點(diǎn)到油缸的距離矢量為Ai，在箱體調(diào)平后即坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)后在新坐標(biāo)系中，矢量變?yōu)锽i，Li為原坐標(biāo)系中從Ai到Bi的矢量。則有

Bi由油缸位移傳感器Q3～Q6得到，Ai未知。為求得Li，需先求得Ai，可利用相應(yīng)的已知Bi，利用牛頓—?dú)W拉角轉(zhuǎn)換公式求得。對(duì)于已知的箱體角位移θz（等于0）、縱向傾角θx、橫向傾角θy，按此順序轉(zhuǎn)換方式如下

θx、θy分別由Q1、Q2傾角傳感器得到，［T］為正交矩陣，［T］T＝［T］－1。由于箱體沒(méi)有繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度，所以，θz為0，這樣，矩陣［T］為

代入式（1）得理論目標(biāo)長(zhǎng)度矢量

液壓缸的理論目標(biāo)長(zhǎng)度為

3.3 理論目標(biāo)長(zhǎng)度的修正算法

平臺(tái)在達(dá)到理論目標(biāo)長(zhǎng)度后需進(jìn)行修正最終達(dá)到實(shí)際目標(biāo)長(zhǎng)度。平臺(tái)在調(diào)平后會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況：一是調(diào)平前和調(diào)平后的平面箱體橫截面范圍內(nèi)有交線；二是調(diào)平前和調(diào)平后的平面箱體橫截面范圍外有交線。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，這兩種情況下，修正量的表達(dá)式均可用下式表示

式中，a為前部油缸平均伸縮量；b為后部油缸平均伸縮量；X為修正量（有正負(fù)之分）；s1為平臺(tái)前部距前部油缸的距離；s2為前部油缸和后部油缸的距離。

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由PLC主單元、A／D模塊、D／A模塊、位移傳感器、傾角傳感器、溫度傳感器（帶變送器）、觸摸屏、比例放大器、電磁閥、繼電器、風(fēng)機(jī)等電氣元件組成?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 硬件設(shè)計(jì)框圖

角度傳感器Q1、Q2和油缸位移傳感器Q3～Q6的信號(hào)，通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換后送到PLC，PLC經(jīng)過(guò)處理和相關(guān)算法后輸出控制量到比例電磁閥和油缸L1～L4，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制液壓油缸的伸縮速度和位移，從而快速將平臺(tái)調(diào)到水平狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有自動(dòng)調(diào)平、手動(dòng)調(diào)平和預(yù)調(diào)平工作模式。觸摸屏設(shè)計(jì)為有線遙控方式，可在設(shè)備周圍方便操作。當(dāng)液壓系統(tǒng)溫度超限時(shí)，能自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)散熱。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要由傳感器標(biāo)定程序、預(yù)調(diào)平程序、自動(dòng)調(diào)平程序、手動(dòng)調(diào)平程序、退出調(diào)平程序和觸摸屏程序幾部分組成。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的調(diào)平控制系統(tǒng)樣機(jī)經(jīng)中國(guó)鐵道建筑總公司第十七局集團(tuán)有限公司在移動(dòng)瀝青水泥砂漿拌合設(shè)備上的現(xiàn)場(chǎng)使用證明：位置逆解算法控制取得了良好效果。采用CS2092DH動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，控制系統(tǒng)工作可靠，性能穩(wěn)定，傾角調(diào)平精度達(dá)±0.2°，位移精度達(dá)±1mm，調(diào)平時(shí)間1min左右。同時(shí)該系統(tǒng)較好地解決了四點(diǎn)支撐機(jī)構(gòu)出現(xiàn)的虛腿問(wèn)題，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

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