液压软管卷盘的控制策略及安全监控系统设计-.pdf

第 9卷第 2期 2 0 1 1年 6月 中国工程机械学报 C HI N E S E J O UR N A L O F C O N S T R U C T I O N MAC HI NE R Y VO 1 ． 9 No． 2 J u n ．2 0 1 1 液压软管卷盘的控制策略及安全监控 系统设计 李万莉， 余清福 ， 薛红梅 同济大学 机械工程学院 ， 上海 2 0 1 8 0 4 摘要液压软管卷盘是为地下连续墙施工装置的液压系统提供液压油源的重要部件， 软管在卷盘马达作用下随 着施工装置的动作同步收放． 通过对软管收放过程的分析和计算， 得到驱动卷盘所需的扭矩和缠绕角度的关系， 指导设计软管收放系统的智能控制策略． 基于此策略设计液压软管卷盘的安全监控系统， 经现场试验效果良好． 关键词液压软管卷盘；随动系统；可编程序逻辑控制器； 安全监控系统 中图分类号T P 2 7 6 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 25 5 8 1 2 0 1 1 0 20 1 7 1 0 4 Cont r o l s t r a t e g y s p e c ul a t i on and s af e t y moni t or i ng s ys t e m d e s i g n f o r h y d r a ul i c h o s e r e e l L I Wa n l i ，y UQ i n g - f u，XU EHo n g - me i C o l l e g e o f Me c h a n ic a l E n g i n e e r i n g ， T o n g j i Un i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t As t h e h y d r a u l i c h o s e r e e l i s a v i t a l c o mp o n e n t f o r o i l s u p p l y t o t h e h y d r a u l i i c s y s t e ms d u r i n g d i a p h r a m wa l l c o n s t r u c t i o n， t h e r e t r a c t i o n o f h o s e s i s a c t u a t e d b y t h e h o s e r e e l mo t o r a n d s y n c h r o n i z e d wi t h t h e a c t i o n o f c o n s t r u c t i o n e q u i p me n t ． By a n a l y z i n g a n d c a l c u l a t i n g t h e h o s e’ S r e t r a c t i o n p r o c e s s ， t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e h o s e r e e l ’ S d r i v i n g t o r q u e a n d wi n d i n g a n g l e ， t h e i n t e l l i g e n t c o n t r o l s t r a t e g y i s a c c o r d i n g l y d e s i g n e d f o r h o s e’ s r e t r a c t i o n s y s t e m． B a s e d o n t h e o n - s i t e t e s t i n g ， r e l e v a n t s a f e t y mo n i t o r i n g s y s t e m i s p r o v e n p r o mi s i n g f o r h o s e r e e l d e s i g n ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c h o s e r e e l ；f o l l o w u p s y s t e m；p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r ；s a f e t y mo n i t o r i n g s y s - t e rn 液压软管卷盘是为地下连续墙施工装置的液压系统提供液压油源的重要部件 ， 液压软管一端缠绕在臂 架上的卷盘中， 另一端与施工装置相连． 卷盘 由电动机驱动． 这种驱动是单向驱动， 产生始终要收紧的趋势． 当施工装置向上时， 卷盘趁势收紧， 当施工装置向下运动时， 将强制带动软管向下运动， 但此时卷盘马达仍试 图收紧， 因此产生 1 个张力 ， 可以防止软管松弛． 为防止液压软管被拉断， 在系统 中设置溢流阀． 当电动机压 力过高以致溢流阀打开． 软管受到的拉力 由溢流阀的设定压力控制 ， 也取决于软管在卷盘上的作用半径． 这 个拉力不能太大， 以防止软管被拉断或受损． 但这个拉力也不能太小 ， 至少不能被软管的悬垂段的重力拉下 去． 目 前， 有相当一部分产品未能很好地解决这个问题， 这也是施工装置启闭油管 软管 无法随着施工装置 的提升 自动绕回卷盘 ， 成为施工中最常见故障的最主要原因之一_ 1 ] ． 本文正是针对这一 问题 ， 研究连续墙设 备在施工过程中软管卷盘受到的扭矩变化规律， 以此规律为基础 ， 设计安全软管卷盘监控系统． 1 软管卷盘随动系统工作原理 软管是将高压 3 0 MP a 液压能传递给施工装置的通道， 它要随施工装置深入到地下几十米， 用以完 成施工装置的开启和关闭动作． 任意时刻都必须随施工装置同步升降， 一旦与施工装置发生缠绕或与墙体 发生磨擦而导致破损， 后果将不堪设想． 为此设计了随动系统． 图1 为液压软管卷绕系统， 图 2 为软管随动 基金项目 国家科技支撑计划资助项 目 2 O 1 0 B A E 0 0 3 7 2 作者简介 李万莉 1 9 6 5 一 ， 女， 教授 ， 博 士生导师 ， 工学博士 ． E ma i l c n l wl t o n g j i ． e d u ． c a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 2 中国工程机械学报 第 9卷 系统液压图． 图中 A 1 ， A 2为卷盘 电动机进油 口， B 1 ， B 2为卷盘电动机 回油 口， C 1 ， C 2为卷盘刹车装置进油 口， P为卷盘驱动系统供油 口， T为卷盘驱动系统 回油 口， P 1为卷盘刹车系统供油 口， T 1为卷盘刹车系统 回油 口， S为电动机泄漏油回油 口． 该系统通过液压 电动机给卷盘施 以适时变化的合适拉力 ， 使软管始终 处于拉紧状态的同时， 且拉力不会太小 ， 以免出现软管无法随着施工装置的提升 自动绕回卷盘的故 障， 拉 力也不会太大， 以免损坏胶管 ， 还可顾及装配和柴油机启动要求． 图 1 液压软管卷绕系统 Fi g ． 1 Ho s e wi nc h 2 软管拉力控制的数学模型 图 2 软管随动系统液压图 Fi g． 2 Hy d r a u l i c fig u r e o f h o s e s e r v o s y s t e m 软管拉力控制就是通过实时设定油管卷盘的电比例溢流 阀的压力值来实现的． 先建立需施 以油管卷 盘的扭矩与软管绕出油管卷盘的角度的数学模型． 液压软管示意见 图 3 ． 软管是按阿基米得螺旋线 绕在卷 盘上的， 每绕 1 r a d的软管 ， 卷盘有效扭矩半径增加 o ／ 兀 ， 其 中 。 为软管半径． 故软管绕出角度 时， 卷盘有效扭矩半 径为 r l一 1 丁 【 式中 r 为软管在软管卷盘相对于卷盘中心的最大半径 ， m． 由几何微分关系得 当卷盘绕出 后 ， 绕 出卷盘的软管长 度 L 与卷盘绕出的角度 之间的关系为 d L l d O f 1 一 。r o O d O 2 ＼ 7 【 ， 软管在卷盘绕 出 后的长度为 图3 液压软管的示意图 Fi g． 3 S c h e ma t i c o f h y d r a ul i c ho s e s L 肿 一 t r l ～ ㈣ 由几何关系可得施工装置的挖掘深度与软管绕出卷盘的长度大小相等 ， 故施工装置的挖掘深度 h与 卷盘绕出的角度 之间的关系为 h L1 1 一 4 7 c 由空间几何关系可得软管的垂直悬挂长度为 L2 L3 s i n a h Lo 5 式中 L 。 为臂架长度， m； L o 为施工装置的高度， m． 所以当卷盘绕出 时， 软管悬垂段施加到卷盘上的扭矩为 M G 2 l0 g L 2 lD g L 2 lD 9 L 3 S i n h L o r l ～ 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 李万莉， 等 液压软管卷盘的控制策略及安全监控系统设计 1 7 3 P { 一 0 L 3s in a L o 式 中 Gz为软 管悬重段 的重力 ， N； 1 0为软 管线密 度 ， k g m～； g为重力加速度． 由空间几何关系可得 和 的关系为 。l ／ j 7 7 c 结合连续墙液压起 重机 的具体参数 ， 使用 MA T ． L A B工具计算 出软管悬垂 段施加 到卷 盘上 的扭矩 M 和施工装置的挖掘深度 h的关系如图 4所示 ． 3 软管安全收放应满足的条件 工作过程中， 软管需要保持张紧状态 ， 卷盘受到的扭 矩 由液压马达产生的驱动扭矩抗衡 ． 当施工装置主动下 舍 邑 ＼ 窭 ] c L 。 sin 一 L 。 图 4 扭矩和施 工装 置的挖掘深度的关 系 Fi g． 4 Re l a t i o n s hi p b e t we e n t o r q u e a n d d i g g i n g d e p t h o f d e v i c e 6 降时， 软管端部势必随着下降， 此时卷盘上受到的扭矩急剧增大， 为了防止软管拉断， 必须限制液压马达能产 生的驱动扭矩． 液压马达能产生的驱动扭矩受其比例溢流阀的设定值控制． 如何结合实际的施工装置深度 值， 动态地改变比例溢流阀的设定值以维持软管张紧的同时不被拉断， 是软管拉力控制的主要内容． 根据卷 盘受到的扭矩和施工装置的挖掘位置之间的公式， 可以作为软管收放控制系统算法设计的基础． 4 安全监控系统设计 液压软管卷盘安全监控系统硬件 由 E P E C 2 0 2 4控制器 、 T T C v i s i o n C o n t r o l 控制器 、 显示 面板 、 计深编 码器、 臂架倾角传感器、 油管卷盘电比例溢流阀和 C A N总线组成[ 2 ] ． E P E C 2 0 2 4 控制器单元是液压软管卷盘安全监控系统的核心， 实时对计深编码器和臂架倾角传感器 信号进行采样， 经过运算输出油管卷盘电比例溢流阀的设定值， 控制器每 1 0 m s 运行 1 遍程序， 从而实时 设定油管卷盘的电比例溢流 阀的压力值． 油管卷盘电比例溢流阀将其实际电流值反馈回E P E C 2 0 2 4 控制器， 控制器再将该值发送至 C AN 总线 上， 然后由T T C v i s i o n C o n t r o l 控制器将其接收下来， 并输出到显示屏上显示， 实现对油管卷盘电比例溢 流阀的实时监控 ． 系统各硬件的组织结构如图 5 所示． 液压软管安全监控系统程序包括 E P E C 2 0 2 4 模块程序和 T T C v is io n C o n t r o l 模块程序， E P E C 2 0 2 4模 块程序负责实时设定油管卷盘的电比例溢流阀的压力值并将电比例溢流阀的电流反馈值发送至 C A N上， 其程序流程如图 6所示 ． T T C v i s i o n C o n t r o l 模块程序 ， 负责接收来 自C A N上的管卷盘的电比例溢流阀电 流反馈值， 并显示至显示屏上， 其程序流程图如图6 所示． 图5 液压软管卷盘安全监控系统硬件结构 Fi g ． 5 Ha r d wa r e s t r u c t u r e o f s a f e t y s u p e r v i s o r y c o n t r o l s y s t e m 图 6 液压软管安全监控系统程序流程图 Fi g ． 6 Fl o w c h a r t o f t he s a f e t y s uperv i s o r y c o n t r o l s y s t e m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 4 中国工程机械学报 第 9卷 通过装机试验及上海虹桥交通枢纽工程 、 天津地铁文化宫站等施工现场验证 ， 该智能控制系统达到了 施工安全性要求． 5 结语 本文以地下连续墙液压施工设备为研究对象 ， 对液压软管 的收放控制 中要解决 的主要技术难题进行 研究 ， 提出了控制策略中的算法应遵循的基础公式 ． 根据此控制策略设计 的液压软管卷盘监控系统 ， 成功 地解决了以往此类设备 中存在的软管不能安全收放的问题． 参考文献 [ 1 ] 嘉红霞， 李万莉， 余浩杰． 地下连续墙液压抓斗纠偏系统动态分析与建模l_ J ] ． 同济大学学报 自然科学版， 2 0 0 9 ， 3 7 i 0 1 3 9 3 1 3 9 7 ． J I A H o n g x i a ， L I Wa n l i ， Y U t t a o j i e ． D y n a mi c a n a l y s i s a n d mo d e l o f u n d e r g r o u n d d i a p h r a g m wa l l h y d r a u l i c g r a b c o n t r o l s y s t e m[ J J o u r n a l o f To n g j i Un i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e ， 2 0 0 9 ， 3 7 1 0 1 3 9 3 1 3 9 7 ． [ 2 3 游张平， 来磊， 李万莉． 基于 C A N总线的连续墙液压抓斗起重机安全报警系统设计[ J ] ． 中国工程机械学报， 2 0 0 9 ， 7 2 1 7 1 1 7 4 ． Y O U Z h a n g p i n g ， L A I L e i ， L I Wa n l i ． S a f e t y a l a r m s y s t e m d e s i g n f o r d i a p h r a g m ． w a l l g r a b b a s e d o n C A N b u s [ J 3 ． C h i n e s e J o u r n a l o f C o n 。 s t r u c t i o n Ma c h i n e r y， 2 0 0 9， 7 2 1 711 7 4． ⋯⋯ ⋯～⋯⋯⋯⋯⋯⋯，⋯， ⋯，⋯⋯⋯⋯ 上接第 1 4 3页 参考文献 [1] 何国伟． 可靠性设计 [ M3 ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 3 ． 1 i E Gu o we i ． R e l i a b i l i t y d e s i g n [ M] ． B e i j i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s ， 1 9 9 3 ． [ 2] 张义民． 汽车零部件可靠性设计[ M] ． 北京 北京理工大学出版社， 2 0 0 0 [ 3] [4] [ 5] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 O ] [ hi ⋯⋯～⋯～⋯⋯⋯⋯ Z H A N G Y i m i n ． R e l i a b i l i t y d e s i g n o f a u t o m o b i l e c o m p o n e n t s [ M] ． B e i j i n g B e i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y P r e s s ， 2 0 0 0 ． MA D S E NH0 ， K R E N K S ， L I N DN C ． Me t h ods o f s t r u c t u r a l s a f e t y [ M] ． E n g l e w o o d C l i f f s ， N J P r e n t i c e H a l l ， I n c ， 1 9 8 6 ． H O H E NB I C H L E RM， R A C K WI T ZR． S e n s i t i v i t y a n dimpor m n c eme a s u r e si n s t r u c t u r a l r e l i a b i l i t y [ J ] ． C i v i l E n g n e e r i n g S y s t e ms ， 1 9 8 6 ， 3 4 2 0 32 0 9． B J E R A G E R P， KR E NK S ． P a r a me tri c sen s i t i v i t y i n f i r s t o r d e r r e l i a b i l i t y a n a l y s i s [ J 3 ． J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ， A S C E， 1 9 8 9 ， 1 1 5 7 1 5 7 7 1 5 8 2 ． 张义民 ， 贺向东 ， 刘巧伶 ， 等． 不完全概率信息 的汽车零部件可靠性 灵敏度设计 [ J ] ． 兵工学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 4 6 0 8 6 1 2 ． Z H A NG Y i mi n ， H E X i a n g d o n g ， L I U Q i a o l i n g， e t a 1 ． R e l i a b i l i t y b a s e d s e n s i t i v i t y d e s ig n o f v e h i c l e c o mp o n e n t s u p o n i n f o r ma t i o n o f i n c o m． p l e t e p r o b a b i l i t y [ J ] ． A c t a A r m a m e n t a r i i ， 2 0 0 6 ， 2 7 4 6 0 8 6 1 2 ． 张义民． 机械零件的可靠性分析的参数灵敏度分析r J ] ． 机械强度， 2 0 0 3 ， 2 5 6 6 5 7 6 6 0 ． Z H A N G Y i mi n ． P a r a m e t r i c s e n s i t i v i t y i n r e l i a b i l i t y a n a l y s i s o f th e m e c h a n i c a l c o m p o n e n t s [ J ] ． J o u r n a l o f Me c h a n ic a l S t r e n g t h ， 2 0 0 3 ， 2 5 6 65 76 6 0． 张义民． 任 意分布参数的机械零件的可靠性灵 敏度设计 _ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 4 ， 4 0 8 1 0 0 1 0 5 Z H A NG Y i mi n ． Re l ia b i l i t y s e n s i t i v i t y d e s i g n f o r me c h a n i c a l e l e me n t s wi t h a r b i t r a r y d i s t r i b u t i o n p a r a me t e r s [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a ni c a l En g i n e e r i n g， 2 0 0 4， 4 0 8 1 0 01 0 5 ． Z H A NGY i mi n ， HEXi a n g d o n g ， L I UQ i a o l i n g ， e t a 1 ． R e l i a b i l i t y s e n s i t i v i t y o f a u t o mo b i l e c o mp o n e n t sw i t h a r b i t r a r y d i s t r i b u t i o n p a r a me t e r s r J ] ． J o u r n a l o f A u t o mo b i l e E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 ， 2 1 9 2 1 6 51 8 2 ． V E T T E R W J ． Ma t r i x c a l c u l u s o p e r a t i o n s a n d T a y l o r e x p a n s i o n s [ J ] ． S I A M R e v i e w， 1 9 7 3 ， 1 5 3 5 2 3 6 9 ． Z H A OYG ， O N OT ． Mo m e n t m e th o d s f o r s tr u c t u r a l r e l i a b i l i t y [ J ] ． S t r u c t u r a l S a f e t y ， 2 0 0 1 ， 2 3 1 4 7 7 5 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m