泵车与搅拌车自适应协同作业研究

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引言

在混凝土施工过程中,搅拌车将商品混凝土由搅拌站运送到施工现场后,由现场卸料工人手动操作搅拌车的卸料开关,向泵车的料斗中卸料,再由泵车将混凝土泵送到浇筑地点。在卸料过程中,操作工人需根据泵送速度和料斗内料位高度情况实时调整卸料速度,避免造成料斗内混凝土溢出或吸空。溢出将造成混凝土的浪费,提高施工成本;吸空会造成空气吸入泵管,引起出料口跳动或爆管,引发人身伤害等安全事故。

由于卸料工人与布料操作手一般相距较远,无法实时有效沟通,施工过程中两者同步性较差,经常出现溢出或吸空现象。本文设计了一套自适应协同作业的控制系统,搅拌车根据泵车泵送速度和料位高度,自动调整卸料速度,不再需要人工干预,自动化程度高,有效保证了施工的同步性,降低了人工成本。

1 协同作业系统说明

泵车与搅拌车作业系统如图1所示,泵车通过油缸的往复运动,将料斗内的混凝土吸入输送缸,再通过输送缸、泵管输送到浇筑点。油缸往复运动速度越快,布料所需方量越多,搅拌车的卸料速度也越快。为了保证施工的同步性,搅拌车的卸料方量QJ需约等于泵车的布料方量QB。

图1 泵车与搅拌车作业示意图

为了实现自动协同作业,需要解决以下几个问题:

(1)泵车需获取自身料斗内料位高度、搅拌车的卸料速度信息;

(2)搅拌车需获取泵车实时作业状态、料位高度、混凝土方量需求信息;

(3)搅拌车卸料方量与搅拌筒转速的曲线关系;

(4)泵车与搅拌车之间实时通讯。

2 泵车控制系统设计

2.1 料位检测设计 如图2所示,在泵车料斗中安装3个料位检测装置,高料位为料斗上限位检测,用作混凝土溢出的判断信号,低料位为料斗下限位检测,用作混凝土吸空的判断信号,中料位为工作料位检测,也为目标料位,当料斗料位控制在中料位附近时为最理想料位高度。

图2 料位检测示意图

2.2 泵送需求方量计算 设泵车输送缸体积为V,泵送换向次数为每分钟N次,则泵车每分钟所需要的混凝土方量Q可表示为

其中η为泵车的吸料效率,通常选为0.85,泵车排量确定后,输送缸的体积V即可确定,因此泵送方量只与换向次数有关,且成正比关系。换向次数可通过检测换向信号计算得出,主要取决于泵车发动机转速、液压油泵输出流量、高低压泵送方式、混凝土塌落度等。

3 搅拌车控制系统设计

3.1 搅拌筒转速控制关系 根据电控搅拌车的动力传递关系:

其中,N为发动机转速,Vg为液压油泵输出流量,与油泵比例阀的控制电流成正比,Vm为马达排量,y为减速机减速比,V为搅拌桶转速,马达与减速机确定后,Vm与y即可确定,因此Vm与y可作为常量。

油泵型号确定后,其输出流量与油泵比例阀控制电流的特征关系曲线即可查询得出,如图3所示:

图3 流量与电流关系

从图3可知,油泵输出流量与控制电流的关系表达式可描述为

其中Vgmax为油泵最大输出流量,PWMmin为油泵最小工作电流,PWMmax为油泵最大工作电流,油泵选定后,这3个常量参数即可确定,因此油泵输出流量只与控制电流有关,且成线性关系。

将公式3-2代入公式3-1可得出搅拌桶转速关系表达式

因此,搅拌筒转速的快慢取决于搅拌车发动机转速和油泵控制电流。

3.2 搅拌筒卸料方量与转速关系 搅拌车的卸料方量与搅拌筒转速、筒内混凝土余量、混凝土塌落度、液压油温度、搅拌筒叶片结构等均有关系,由于目前搅拌车均为手动控制卸料,卸料方量还没有一个准确的关系表达式,只能通过大量实验来获取电控搅拌车的卸料数据近似曲线,然后进行微调与修正。

首先采用卸料仿真分析与卸水测试相结合的方式,将搅拌筒的转速平分成N个离散的速度点,忽略出料的不均匀性,测试出每个离散速度点对应的平均卸水方量值,获取搅拌筒卸水方量与转速V的离散关系表达式

选择常用的几种卸料转速进行混凝土卸料测试,对式3-4进行修正,获取搅拌筒卸料方量与转速V的离散关系表达式

4 通讯系统设计

在泵车与搅拌车上均安装有无线接收器与无线发射器,通过一键方式,将泵车与搅拌车的无线系统连接起来,泵车与搅拌车即可进行数据传输。泵车将泵送状态、泵送速度、泵送所需方量、料位传感器检测信号通过无线方式发送到搅拌车的无线接收装置,搅拌车对接收的信号进行处理后,根据需求控制卸料状态、卸料速度等,同时搅拌车将搅拌筒转速信息通过无线方式发送到泵车的无线接收装置,以便泵车根据搅拌车速度与料位高度,了解搅拌筒内混凝土的余量,无线通讯结构如图4所示。

图4 无线通讯结构

图5 协同作业控制流程

5 协同作业流程设计

泵车与搅拌车建立无线通讯网络后,根据联动控制原则:QB≈QJ,泵车将相关信息发送给搅拌车,搅拌车根据泵送需求方量和自身卸料方量与转速的关系,控制搅拌筒的卸料转速,同时根据泵车料斗内的料位信息对搅拌筒的转速进行微调,以确保料斗内不溢出、不吸空,控制流程如图5所示。

6 结束语

本文设计了一种泵车与搅拌车的自适应协同作业系统,搅拌车可根据泵送需求方量、料位高度信息,自动调节搅拌车的卸料速度,自适应能力强,数据通讯通过无线方式传输。该系统结构简单,卸料与布料同步性好,自动化程度较高,大大降低了人工成本,提高了产品的市场竞争力。