地下連續(xù)墻液壓抓斗糾偏系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析與建模

1、PAGE PAGE 9地下連續(xù)墻液壓抓斗糾偏系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析與建模嘉紅霞1，2，李萬(wàn)莉1，余浩杰1(1同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 200092；2上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院， 上海 200135）摘要：分析了地下連續(xù)墻液壓抓斗糾偏控制系統(tǒng)的功能及基本工作原理，利用功率鍵合圖理論建立了該系統(tǒng)的鍵合圖模型。取系統(tǒng)中容性元件及慣性元件上自變量的積分作用為狀態(tài)變量，推導(dǎo)出該系統(tǒng)的狀態(tài)方程。MATLAB的仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。關(guān)鍵詞：液壓抓斗，糾偏控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)模型，MATLAB仿真；中圖分類號(hào)：TP 202 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：Dynamic analysis and model

2、 of underground diaphragm wall hydraulic grab control systemJIA Hongxia1，2 LI Wanli1 YU Haojie1College of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai, 200092, China; 2. Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai, 200135, China)Abstract：The function and basic princi

3、ple of underground diaphragm wall hydraulic grab control system were analyzed. With the theory of power bond graph, the bond graph model of the system was established. Independent variables integrations of capacitive element and inertial element were selected as state variables and state equations o

4、f were deduced. Simulation results based on MATLAB prove the control system has very excellent characteristics. Lastly, the influence of changed parameters to the system was also discussed. Keywords: hydraulic grab; the control system of hydraulic grab; dynamic model; MATLAB simulation;收稿日期：2008-06-

5、18基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2006BAJ12B01）作者簡(jiǎn)介：嘉紅霞（1973-），女，講師，博士生，主要研究方向?yàn)楣こ虣C(jī)械智能控制。Email： HYPERLINK mailto: 李萬(wàn)莉 （1965-），女，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣こ虣C(jī)械智能控制。Email：cnlwl地下連續(xù)墻液壓抓斗因其施工效率高、成槽深度較深、地層適應(yīng)性好等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用1。液壓抓斗的糾偏控制系統(tǒng)是提高抓斗施工精度的有力保障，可滿足地下連續(xù)墻對(duì)防滲、擋土、防漏的要求。抓斗施工過(guò)程中，當(dāng)連續(xù)墻槽體出現(xiàn)傾斜而偏離設(shè)計(jì)要求時(shí)，該糾偏控制系統(tǒng)能夠通過(guò)自動(dòng)調(diào)整抓斗姿態(tài)的方式達(dá)到糾正槽體傾斜的目的，從而

6、順利完成施工任務(wù)。但是目前該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用并不完全成熟，所以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，分析其動(dòng)態(tài)性能，成為研究液壓抓斗糾偏控制系統(tǒng)的首要任務(wù)。本文將以X軸方向的糾偏控制系統(tǒng)為例分析該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。地下連續(xù)墻液壓抓斗糾偏控制系統(tǒng)1.1 液壓抓斗施工精度概述液壓抓斗的施工精度主要是指連續(xù)墻槽體的垂直精度，包括垂直于連續(xù)墻方向（即前后方向，或稱X方向）的垂直精度及平行于連續(xù)墻方向（即左右方向，或稱Y方向）的垂直精度。連續(xù)墻前后方向及左右方向如圖1所示。圖1. 連續(xù)墻槽體左右方向及前后方向示意圖Fig.1 X direction and Y direction of diaphragm wall從圖1可以看出

7、,在使用液壓抓斗進(jìn)行地下連續(xù)墻施工時(shí)，一般會(huì)沿著連續(xù)墻長(zhǎng)度的方向?qū)⒄尾垠w劃分為若干截，然后分段施工，澆注混凝土?xí)r也是分段澆注的。如果墻體的垂直度發(fā)生偏差，尤其是X軸方向的偏差，將使相鄰的墻段之間不能完全對(duì)齊，勢(shì)必影響連續(xù)墻質(zhì)量，造成滲漏。1.2 抓斗挖掘狀態(tài)分析在地下連續(xù)墻施工過(guò)程中，抓斗在連續(xù)墻槽體中所處的狀態(tài)根據(jù)槽體是否垂直可分為正常工作狀態(tài)和偏斜工作狀態(tài)。在正常工作狀態(tài)下，抓斗落在連續(xù)墻槽體底部后，抓斗中心線垂直于水平面，且與槽體中心線相重合，此時(shí)抓斗處于正常狀態(tài)。在正常狀態(tài)下進(jìn)行挖掘的抓斗，挖掘完成后產(chǎn)生的槽體，其垂直度產(chǎn)生偏差的可能性最小。如圖2a所示。 但是由于施工地段地質(zhì)不均勻

8、等原因，抓斗在挖掘過(guò)程中槽體會(huì)逐漸出現(xiàn)傾斜致使其垂直度發(fā)生偏差。一旦槽體傾斜，即使抓斗正確放下，但由于槽壁對(duì)抓斗的導(dǎo)向作用，抓斗落到槽體底部后也無(wú)法處于垂直狀態(tài)，而是中心線與平面成一角度，這種狀態(tài)為偏斜狀態(tài)，如圖2b所示。 a 正常工作狀態(tài)b槽體側(cè)傾狀態(tài) 槽壁抓斗外框抓斗內(nèi)框 圖2. 液壓抓斗工作過(guò)程中的正常狀態(tài)及槽體側(cè)傾狀態(tài)Fig.2 Normal and pitching status of hydraulic crab during working1.3 抓斗X方向糾偏液壓控制系統(tǒng)抓斗X軸方向糾偏液壓系統(tǒng)如圖3所示。液壓抓斗是由內(nèi)框和外框兩部分組成（圖2），當(dāng)槽體出現(xiàn)傾斜需要糾偏時(shí)，內(nèi)框

9、就會(huì)在液壓系統(tǒng)的作用下相對(duì)外框轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，然后在接下來(lái)的整個(gè)糾偏挖掘過(guò)程中，抓斗的內(nèi)、外框都是保持這樣的角度，直至槽體重新回復(fù)垂直。圖3所示的背靠背液壓缸的兩個(gè)活塞桿分別通過(guò)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)與抓斗內(nèi)框連接，在圖3所示位置時(shí)，液壓抓斗處于正常狀態(tài)，即沒(méi)有糾偏動(dòng)作，抓斗內(nèi)、外框的中心線處于重合位置。123 SHAPE * MERGEFORMAT 1三位四通電磁閥，2二位四通電磁閥，3液壓油缸，P液壓油進(jìn)油口，T液壓油回油口 圖3. 抓斗X軸方向糾偏液壓系統(tǒng)圖Fig.3 X direction hydraulic control system of hydraulic crab 此時(shí)若抓斗需要向

10、后糾偏，則應(yīng)使三位四通電磁閥和二位四通電磁閥同時(shí)置為左位，使圖中左側(cè)油缸縮回并通過(guò)其鉸接的平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)抓斗內(nèi)框相對(duì)外框轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)由于右側(cè)油缸處于行程的終點(diǎn)，因此雖然右側(cè)油缸有桿腔接到高壓油，但不會(huì)發(fā)生動(dòng)作。當(dāng)糾偏結(jié)束抓斗需回復(fù)正常工作狀態(tài)時(shí)，則要將三位閥置于右位，二位閥置于右位，此時(shí)左側(cè)油缸無(wú)桿腔得油伸出，并帶動(dòng)抓斗內(nèi)框旋轉(zhuǎn)回原始位置。而右側(cè)油缸有桿腔雖然仍接高壓油，但由于其活塞處于行程終點(diǎn)而不會(huì)發(fā)生動(dòng)作。當(dāng)抓斗內(nèi)框處于中位需向前方糾偏，則需要將三位閥置于右位，二位閥置于左位。此時(shí)右側(cè)油缸無(wú)桿腔接高壓油使活塞伸出，并帶動(dòng)抓斗內(nèi)框轉(zhuǎn)動(dòng)。而左側(cè)油缸無(wú)桿腔雖也接高壓油，但此時(shí)它已經(jīng)處于行程

11、的終點(diǎn)，不會(huì)產(chǎn)生任何動(dòng)作。此時(shí)若需要將內(nèi)框回復(fù)中位時(shí)，則將三位閥置于右位，二位閥同樣置于右位，則右側(cè)油缸有桿腔接高壓油而縮回，帶動(dòng)抓斗轉(zhuǎn)動(dòng)回復(fù)原始位置。左側(cè)油缸無(wú)桿腔也接高壓油，但由于活塞已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到行程終點(diǎn)，同樣不會(huì)發(fā)生動(dòng)作。2 基于功率鍵合圖的抓斗糾偏液控系統(tǒng)建模2.1 液壓抓斗糾偏系統(tǒng)鍵合圖的建立本文以液壓抓斗向前糾偏時(shí)的狀態(tài)為例建立系統(tǒng)的功率鍵合圖，并在此基礎(chǔ)上求出系統(tǒng)的狀態(tài)方程。在建立鍵合圖時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況忽略了油泵泄漏、一般管道的分布效應(yīng)和油缸的外泄漏2-3。因?yàn)橐话銥樽ザ饭┯偷囊簤赫疚挥诘妆P(pán)上，使用液壓軟管將液壓油送到抓斗上，該軟管長(zhǎng)度較長(zhǎng)，故其液容、液阻不可忽略4，但由于回油時(shí)壓

12、力較小，因此回程時(shí)僅考慮軟管液阻而忽略軟管液容。液壓抓斗糾偏系統(tǒng)向前糾偏時(shí)的鍵合圖如圖4所示。圖4 液壓抓斗前向糾偏功率鍵合圖Fig.4 Forward direction control system power bond graph of hydraulic crab圖中鍵合圖元的含義分別是：R表示阻性元件，其中R2是溢流閥液阻，R4為長(zhǎng)液壓油管等效液阻，R8，R9分別為三位閥和二位閥液阻，R15液壓缸粘性摩擦系數(shù)，R20是液壓缸的內(nèi)漏液阻，R24為二位閥和三位閥綜合回油液阻，R25為液壓油管回油液阻。C表示容性元件：C6為液壓油管的等效液容，C11為三位切換閥到二位糾偏閥和液壓缸無(wú)桿腔的

13、綜合液容，C22是液壓缸有桿腔到二位閥及三位閥的綜合液容。I為慣性元件：I16是液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)部分的當(dāng)量質(zhì)量。流源Sf是定量泵的理論流量，勢(shì)源Se是液壓缸的外負(fù)載，Sb是回油壓力。轉(zhuǎn)換器TF1在液壓缸無(wú)桿腔將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能帶動(dòng)負(fù)載動(dòng)作，TF2在液壓缸有桿腔處將又機(jī)械能液壓能。由圖4可知，液壓定量泵的理論流量Sf在第一個(gè)共勢(shì)結(jié)處分為兩路，一路經(jīng)溢流閥流回油箱，另一路經(jīng)液壓油管到達(dá)三位電磁閥。液壓油因溢流閥液阻及液壓油管等效液阻和液容的影響流量和油壓都有所下降。 圖中流量即為進(jìn)入三位電磁閥的流量，經(jīng)由三位電磁閥和二位電磁閥之后的流量又分為三路，分別是由管道液容確定的補(bǔ)充流量、推動(dòng)液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)

14、所需的流量和液壓缸的泄漏流量。根據(jù)鍵合圖理論，在該“0”結(jié)處有 (1) 式中,分別為,處對(duì)應(yīng)的壓力。 推動(dòng)液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)的流量經(jīng)轉(zhuǎn)換器TF1轉(zhuǎn)換成活塞運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。活塞受4個(gè)力作用達(dá)到平衡，即液壓缸有桿腔側(cè)液壓作用力F18、活塞與缸壁間的摩擦力F15、加在活塞桿上外負(fù)載Se及活塞運(yùn)動(dòng)的慣性力F16。它們滿足以下關(guān)系 (2)式中,，為活塞運(yùn)動(dòng)速度。為液壓缸有桿腔的流量，為活塞與缸壁的摩擦力引起的流量變化，為活塞運(yùn)動(dòng)引起的流量變化，為外載荷引起的流量變化，為液壓缸無(wú)桿腔的流量?；钊\(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓油路的回油從液壓缸有桿腔流出，流量為，在與液壓缸內(nèi)泄漏的流量匯聚后，又分成兩路，即由管道液容確定的補(bǔ)充流量

15、和通過(guò)二位電磁閥的流量。設(shè)各處對(duì)應(yīng)的壓力分別為，則該共勢(shì)結(jié)處平衡方程為 (3)通過(guò)二位電磁閥的功率流又流經(jīng)三位電磁閥和液壓油管道流回油箱，并因此產(chǎn)生壓降，最后流回油箱的液壓油壓力Sb為零。2.2、液壓抓斗糾偏系統(tǒng)的狀態(tài)方程建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程首先確定系統(tǒng)的狀態(tài)變量，通常取系統(tǒng)中容性元件和慣性元件上自變量的積分作用為狀態(tài)變量。對(duì)于容性元件C有，其中，V為廣義體積，f為流變量，t為時(shí)間；對(duì)于慣性元件I則有，其中，P為廣義動(dòng)量，e為勢(shì)變量。液壓抓斗前向糾偏系統(tǒng)鍵合圖中共有4個(gè)容性和慣性元件C6,C11,I16,C22，積分后得四個(gè)狀態(tài)變量V6,V11,P16,V22。其中P16為液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)部分的動(dòng)

16、量，V6，V11和V22分別為因?yàn)橛蛪鹤兓枰a(bǔ)充的液壓油體積。若設(shè)狀態(tài)變量為，則可表達(dá)為向量形式：。根據(jù)系統(tǒng)鍵合圖中各鍵之間的關(guān)系可得各狀態(tài)變量及其因變量之間的關(guān)系式(4)，并根據(jù)式(1)(4)可得方程組(5)中的勢(shì)方程和流方程 (4) (5)用各狀態(tài)變量來(lái)表達(dá)式(5)，并將已知系數(shù)代入，得系統(tǒng)的狀態(tài)方程 (6)系統(tǒng)的輸入即為Sf和Se，設(shè)輸入向量為，則：。若以液壓缸工作時(shí)有桿腔的壓強(qiáng)、無(wú)桿腔的壓強(qiáng)及活塞運(yùn)行速度為輸出，輸出量即是，及，設(shè)輸出為，可寫(xiě)成向量形式為：。同時(shí)根據(jù)鍵合圖及及式(1)(4)可知與狀態(tài)變量的關(guān)系為 (7)3、抓斗糾偏液控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的仿真分析 根據(jù)系統(tǒng)中具體的液壓元件和

17、外部載荷的情況確定狀態(tài)方程(6)中各系數(shù)的值，其中，。在此基礎(chǔ)上對(duì)狀態(tài)方程進(jìn)行求解，利用MATLAB仿真結(jié)果分析整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及各參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。圖5所示是抓斗前向糾偏時(shí)給定額定流量時(shí)刻的仿真結(jié)果。b 液壓缸有桿腔壓力c 液壓缸液壓活塞速度 圖5 抓斗前向糾偏系統(tǒng)仿真曲線 Fig.5 Forward direction control system simulations of hydraulic crab 從圖5可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行具有良好的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性，無(wú)桿腔的壓力、有桿腔的壓力及活塞運(yùn)行速度都是在大約0.014秒時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值。由于在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中抓斗糾偏過(guò)程非常短暫，通

18、常實(shí)際需要其響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)0.020秒，而仿真結(jié)果顯示該系統(tǒng)完全符合要求。同時(shí)仿真結(jié)果中有桿腔的壓力與實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工作壓力值非常接近，其壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)桿腔也充分體現(xiàn)了抓斗糾偏時(shí)活塞負(fù)重伸出的特性。而且當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，幾乎不影響仿真結(jié)果，說(shuō)明該系統(tǒng)對(duì)于負(fù)載的變化并不敏感，這與抓斗實(shí)際糾偏時(shí)可能遇到外部干擾導(dǎo)致負(fù)載增加仍然需要糾偏動(dòng)作正常完成的需求是相一致的。4、結(jié)語(yǔ) 地下連續(xù)墻液壓抓斗的糾偏控制系統(tǒng)是抓斗整機(jī)當(dāng)中非常重要的一個(gè)組成部分，直接影響到連續(xù)墻的成槽質(zhì)量。而對(duì)于抓斗糾偏系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析則是設(shè)計(jì)糾偏系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為糾偏系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。 參考文獻(xiàn)1 宋剛.YZD液壓連續(xù)墻抓斗的研制與應(yīng)用J.西部探礦工程,2002（5）：89. SONG Gang.Development and application of YZD hydraulic diaphragm wall grab J. West-