液壓式振動樁錘減振問題分析

陳 麗, 李龍海

(1.重慶工商職業學院 城市建設工程學院,重慶 401520, E-mail: fregh22080@`63.com;2.東北農業大學 工程學院,哈爾濱 150030)

隨著人們對大型機械制造要求得提高,機械制造產業升級迫在眉睫。相關大型機械在生產過程中的振動控制效果較差,嚴重影響機械設備生產效率[1]。目前一些大型機械設備在生產過程中,可根據客戶的需求,利用相關方法進行振動控制,通過優化控制過程,降低共振對機械的損傷速度[2-3]。在建筑項目施工中,液壓式振動樁錘、升降機、混凝土配料機、混凝土噴射機等都屬于建筑項目中應用較為頻繁的重要機械,普遍的振動控制方式對其進行控制時都以盲目、隨機為主,存在振動時間長、滿意度低、外部抗振設備配置費用高等問題[4-5]。針對上述問題,提高機械振動控制方案的有效性,并將其其控制成本,已經成為該領域亟待解決的問題。

針對這一問題,我國研究的較少,處于起步階段:如文獻[6]中提出了一種基于LabVIEW的液壓振動錘啟停共振控制技術,其先對振動錘的工作原理進行分析,然后根據其工作原理設計出一種控制信號輸出程序,最后以此為基礎完成控制器的設計,采用軟啟動的方式對振動錘的共振進行控制。最后利用實驗證明該方法的可行性,該方法在一定程度上可減弱振動錘的共振,但僅限于啟停階段,對工作過程中產生的共振控制效果較差。文獻[7]中針對在施工中應用的減震器比例閥動態特性進行仿真研究,其先對減震器調節閥的機械結構和工作原理進行分析,然后搭建調節閥電壓階躍信號模型,并以此為基礎建立減震器的仿真模型,最后通過測試得出激勵電壓、負載壓差及阻尼系數等與機械減振的關系?；诖?其研究的液壓減震器在應用過程中仍然存在無法完全控制液壓式振動樁錘振動的問題。

為解決上述方法中存在的不足,本文以建筑用液壓式振動樁錘為例,提出一種新的振動控制方法。先對液壓式振動樁錘的機械結構進行分析,根據其振動原因設定目標函數,進而構建振動控制分組優化模型,通過改進后的粒子群算法完成模型求解,并通過實驗驗證所提方法的實用性。

1 液壓式振動樁錘的機械振動原理分析

液壓式振動樁錘是一種通電后可產生強大激振力將混凝土樁打入地下的一種設備,在建筑施工中常被用來進行振動沉樁的施工。液壓式振動樁錘中主要通過將柴油機和液壓泵組合在一起共同構成動力柜,為其振動沉樁提供動力[8]。液壓式振動樁錘機械結構圖如圖1所示。

▲圖1 液壓式振動樁錘機械結構圖

如圖1所示,液壓式振動樁錘的動力站主要由柴油發動機、主副油泵及相應控制系統組成。動力站主副油泵中,主泵為馬達提供動力支持,副泵為加緊夾樁器提供動力支持。柴油機與液壓泵之間主要用軟管連接,其動力站出油口均配有快速接頭,以方便軟管的拆卸。動力站處的控制系統主要是對主副油泵的排量進行控制,通過對其進行調整,可控制機械的動力支撐,實現變頻的目的。振動樁錘主要由振動器、懸掛器件、夾樁器等部分組成,其偏心塊安裝在齒輪軸側。振動錘受馬達驅動,借助齒輪傳動帶動偏心塊旋轉,進而產生激振力用于沉樁施工。

在檢驗液壓式振動樁錘激振能力時,樁錘的偏心力矩是一項重要的參數。當樁錘產生的振幅足夠大時才能克服土壤的彈性形變實現沉樁,而其偏心力矩越大,振幅越大;樁越重,振幅越小。故在進行偏心塊振動時,要注意其振動方向。在該機械工作的過程中,振錘軸也非常重要,應考慮其多方受力產生的振動情況,其受力分析如圖2所示。

如圖2所示,其振錘軸的振動強度應與彎扭合成強度有關,在對其進行控制時,應考慮軸強度能否符合彎扭合成強度和疲勞強度的校核。

▲圖2 振錘軸受力分析圖

2 液壓式振動樁錘振動控制模型構建

2.1 振動控制約束條件分析

為實現液壓式振動樁錘振動控制的優化,首先構建振動控制模型。根據振動控制的目標函數,設置模型的限定約束條件,約束條件的需求如下:

R=(T,F,C,O)

(1)

式中:T代表液壓式振動樁錘的基礎配置類型;F代表用戶對液壓式振動樁錘振動功能的需求集,F=(F1,F2,…,Fi);C代表液壓式振動樁錘的物理結構和關鍵參數集,C=(C1,C2,…,Ci);O代表用戶對液壓式振動樁錘振動性能需求的傾向集,O=(O1,O2,…,Oi)。振動控制約束需求向量為

(2)

式中:需求約束條件表示用戶選擇的產品基礎配置類型必須存在于系統能力之中,對功能、物理結構及產品振動參數的選擇,也不能超出配置的能力約束范圍。部分用戶對液壓式振動樁錘振動性能的需求不同,但都是為定制性能最優的產品,故將產品配置優劣問題轉換為比較產品綜合性能指數高低的問題,通過層次分析法建立判斷矩陣,按照“綜合性能、興趣、零部件”的層次總排序求取部分向量的特征值。

根據液壓式振動樁錘的主要抗振功能,按照用戶需求,選取m個性能指標用T=[P1,P2,…,Pm]T來表示,建立綜合性能-需求判斷矩陣,計算權重,生成配件權重向量

w=(c1,c2,c3,…,cn)T

(3)

液壓式振動樁錘的待配置振動相關向量為

p=(f1,f2,f3,…,fn)

(4)

則配置后振動綜合性能向量為

G=p·w

(5)

當配置n種配件在m項性能指標下的振動約束性能矩陣為

(6)

則按照用戶需求配置,其綜合性能指數為

(7)

K值越大,代表用戶需求與產品配置結果越匹配,最優的約束條件評價模型可表示為

(8)

2.2 考慮約束條件的振動控制優化模型

在進行振動控制時,需要考慮客戶需求,同時還會考慮到控制成本,在產品振動控制的優化控制中,要盡最大能力滿足客戶需求的同時,也要保證控制效果最大化。設n個產品振動控制組件的實際振動信號為L=[l1,l2,…,lm]T,此時可得到:

(9)

當用戶確定需要對其振動進行控制時,設置振動成本為Sk,其限制條件設置為:

(10)

除以上限制條件外,客戶會要求生產廠家在規定的時間段Tk內供給產品[9],所以在產品生產時間上進行約束:

(11)

綜上所述,將公式進行結合,得到本文構建的優化振動控制模型:

(12)

3 模型求解方法

根據上述構建的優化模型,為避免該模型求得的結果存在誤差,本文通過改進粒子群算法進行求解,完成最終的優化目標。

根據隨機生成的初始化粒子的任意解,設在d維空間內任一粒子的解均不存在體積和質量,則粒子的空間位置為X=(X1,X2,…,Xd),粒子在空間中的飛行速度為v=(v1,v2,…,vd)T,根據最基本的粒子群算法中,以振動控制速度和位置更新為約束條件,表達式分別為[10]:

(12)

(13)

針對粒子群算法中存在的收斂性較差的問題[11],為能夠更好地完成產品振動控制優化配置,必須對傳統的該算法進行改進,其改進分為以下兩個部分。

(1) 振動因素慣性權重改進

由公式(12)可知,?較低時會有較好的搜素能力,但是只適合小范圍內的搜索。當?較高時,有利于實現全局大范圍內的搜索,對小范圍內的搜索能力較低,精確值也較低,所以適合大范圍的搜索[12]。為能夠保證粒子群算法對復雜建筑機械產品的大范圍搜索能力和小范圍搜索能力,同時還得考慮到在陷入小范圍最優的情況下能搜索到大范圍的最優,引用非線性函數來對慣性權重進行更新,以解決其振動控制模型收斂性差的問題[13],其公式如下:

(13)

(2) 振動控制加速度因子改進

通過公式(12)可以看出,振動控制加速度因子c1和c2分別表示各個粒子本身的學習能力和互相協作能力,當加速度因子較低時,會陷入小范圍極值點,當加速度因子過高時,會導致最優解丟失[15]。利用下式對加速度因子進行更新:

(14)

粒子群算法中的各個粒子容易在局部范圍內獲得最優解,這種情況容易使粒子群算法偏向一個方向發展,缺少了多樣性,導致粒子群算法會提前陷入局部最優解中。為避免陷入局部最優解中,在訓練的過程中對粒子最優位置進行擾動,獲取全局最優解為:

(15)

即得到全局最優解后,就可使得模型收斂性最佳,能夠平衡約束條件,合理對液壓式振動樁錘進行振動控制。

4 實驗分析

為驗證所提方法的性能,設計一次實驗分析。以某一建筑項目中采用的液壓式振動樁錘為例進行本文所提方法的驗證。

4.1 實驗設備

主要試驗設備有:YS7114型三相異步電機兩臺、偏心裝置2套、變頻器1 臺、懸臂裝置1套、振動檢測儀及軟件各1套、高速相機1臺、電線若干等。試驗用液壓式振動樁錘參數如表1所示。

表1 液壓式振動樁錘

4.2 結果分析

本實例是在Matlab7.0的基礎上,根據上表實現的。選取綜合性能指數K、慣性權重?、加速度因子c1和c2進行實驗驗證。

(1)K值

先進行綜合性能指數K驗證,時間由計算機自帶的時間軟件進行統計,實驗結果如圖3所示。

從圖3中曲線走勢可以看出,實際K值僅能滿足液壓式振動樁錘裝配需求,而采用本文方法時,K值隨著時間的增加逐漸增高,雖然在20 s,35 s,45 s,50 s處出現了下降趨勢,但其值仍要高于實際值,表明采用本文方法可有效提高K值的取值范圍,使液壓式振動樁錘裝配合理,且提高其裝配精度。這是由于本文方法在設計優化模型后,借助改進后的新算法完成了模型最優解的獲取,提升了本文方法的性能。

▲圖3 K值分析

(2)?值

其次,進行慣性權重?值驗證。同樣時間由計算機自帶的時間軟件進行統計,實驗結果如圖4所示。

▲圖4 ?值分析

分析圖4可知,采用本文方法控制后,從最初的末端較大到后期穩定所消耗時間內的?值與實際?值是類似的。雖然在27 s處出現了波動,比實際值高了0.02,但很快趨于穩定,與實際?值類似,具有一定優勢。

(3)c1和c2值

最后,進行加速度因子c1和c2值驗證。同樣時間由計算機自帶的時間軟件進行統計,實驗結果如圖5所示。

分析圖5可知,采用本文方法控制后時,其c1值在3 s～16 s時略高于實際值,c2值在0～2 s、4 s及13 s處與實際值相差明顯,其余時間與實際值是相符的,穩定性較高,具有一定的優勢。

5 結束語

本文以建筑用液壓式振動樁錘的振動控制為例,對其模型非線性收斂問題進行研究。該方法先根據液壓式振動樁錘振動控制過程,結合改進PSO算法構建液壓式振動樁錘模型。針對模型的非線性收斂進行分析,獲取最終的優化解。

▲圖5 c1、c2值分析

實驗結果表明,利用所提方法控制后,其綜合性能指數、慣性權重及加速度因子與實際值相似,表明本文方法具有較好的應用性能。