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摘 要：以液压绞车为核心的夯击机构在夯击过程中，钢丝绳过放太长而引发的问题严重影响了施工效率和机器寿命。本文定性分析了钢丝绳过放原因，并从电气控制和认知的角度，逐级阐述了夯击机构的一般常用控制策略，提出了具有自适应控制钢丝绳过放量的方法。将此方法应用于夯机、内击式沉孔灌注桩机进行试验，结果良好。
关键词：液压绞车 夯击 绳过放 提前量 自适应控制
1. 钢丝绳过放分析及初步控制策略
1.1自由制动下的钢丝绳过放量分析
以上算式表明，钢丝绳过放量不仅仅与夯击高度也与卷筒质量与半径成正比。卷筒质量与半径决定的卷筒的惯性，质量越大，半径越大，卷筒的惯性就越大，绳过放量就越大。但对于一个各种参数已固定的液压绞车，钢丝绳过放量只与夯击高度成正比，在施工实验中，已得到验证。但在实际设计中，为了保证较大的夯击动量并且可调，往往对重锤夯击高度进行控制，并且可以提升到较大落差；而针对钢丝绳过放，则可以采用夯击完成的同时内压紧离合器的方法，使卷筒的阻力阻瞬时增加到非常大。
1.2对应的控制方案
此方法需对夯击机构作如下配置：除了安装一套控制卷扬升降的液压手柄操作系统外，卷筒上还要安装一个低精度增量式编码器测重锤高度（精度如果较高，则卷筒在高速转动下，编码器的数据频率值超过控制器的极限值）、导向轮轴上安装一个轴销式重量传感器、一个离合器控制电磁阀（得电脱开、失电压紧）、一个卷扬提升电磁阀、控制器、人机对话显示屏及相关按钮。
夯击控制方案及顺序如下：
（1）手动升降重锤使底部与地平面平齐，钢丝绳稍微松弛，并按“清零”按钮，使编码器读值清零；设定第一次夯击的预夯击高度；按“开始夯击”按钮。执行（2）。
（2）控制器输出使卷扬提升电磁阀得电，重锤提升，当测得重量值大于某一设定值时，记录下编码器当前读值作为“上次深度”参数，当测得深度值小于预夯击高度的相反数时（地平面处深度为零，地表以下深度为正，地表以上深度为负），卷扬提升电磁阀失电，提升停止，同时离合器电磁阀得电，离合器脱开，重锤近乎自由落体下放，进行夯击。执行（3）
（3）当深度大于“上次深度”时，离合器电磁阀失电，离合器压紧，卷筒立即制动停止。紧接着执行（2）。但重锤的夯击高度是程序自动可调的。
（4）如果夯击任务完成或需要中途停止，按“停止夯击”按钮，可停止夯击。
上述方案减小钢丝绳过放的关键在于当深度大于“上次孔深”时便压紧离合器，卷筒立即制动。将方案编程写入控制器进行施工试验发现，钢丝绳过放量虽然较卷筒自由制动情况下大为减少，但仍超过目标要求。
1.3改进的控制方案
深入了解液压绞车的制动原理后，结合施工数据对钢丝绳过放量进行分析，发现钢丝绳过放量仍超标源于机械液压延时。由于液压绞车离合器需要较大制动力，油缸较粗，因此从离合器电磁阀得电到离合面到达设定的压紧力有一段延时。尽管延时非常短，但在卷筒高速转动情况下，钢丝绳过放量尤为可观。另外卷筒的制动过程是一个减速过程，存在惯性，钢丝绳也会过放。
由于对机械液压延时的机理的不完全了解，各种参数难以测量，并且还有其它未知因素的影响，对其建立精确的数学模型是不可能的，经过适当简化，建立绳过放量与重锤夯击高度的关系式L=ah+b■，在控制器中编写一段程序，并进行实验，通过程序用待定系数法确定a、b的值。将原来策略的（3）中离合器失电的条件改为：深度大于“上次孔深”减L，即提前压紧离合器，提前量为L。其中L=ah+b■，而夯击高度h是可用编码器通过程序精确测量的。
将本方案编入控制器程序进行实验，发现在而夯击高度较低时，绳过放量控制得很好，随着落距的增加，绳过放越来越大，并最终超出目标要求。同时发现在同一而夯击高度下测得的钢丝绳过放量每次相差仍较大，即绳过放量中存在随机误差。因为存在随机误差，所以不能期望钢丝绳过放量为零，否则由于随机误差的原因，可造成绳过放量为负值，即重锤尚未着地便将卷筒制动住了，造成巨大震动，甚至损坏钢丝绳或桁架，危害极大。
2. 防钢丝绳过放的自适应控制
由于钢丝绳过放量中有一部份是随机误差，为了避免随机误差造成重锤在半空中被制动住的情况，修改设计要求，允许夯击施工时有一定量的钢丝绳过放量S，这个量比随机误差的波动范围（经多次实验，取方差）大一些。在此基础上，再考虑如何较精确的控制绳过放量，使其均值接近允许的钢丝绳过放量。
有一种方案如下：通过实验，测出机器分别在5米、10米、15米、20米、25米、30米夯击高度下（或其它间距）的钢丝绳平均过放量，然后数据拟合，得出钢丝绳的过放量L与夯击高度h的关系式。并且提前ah+b-S（如果该值小于零，则取零）压紧离合器。此方案的优点是所有夯击高度下的钢丝绳过放量及其波动范围已知，控制精确有把握，缺点是实验工作量大，难以在不同参数的机器间移植实验结论，厂内不具备高落距的夯击条件。
另一种具有自适应控制特点的方案如下：在第一次夯击时，提前量为0；第二次及第二次以后夯击时，提前量的增量为上次钢丝绳过放量减去S（允许过放量）后再乘以一个系数。钢丝绳过放量可通过控制器程序测得，为编码器读值在夯击后提升前这一段时间内的极值再减去“上次深度”。提前量的增量可为负值，但提前量不能为负值。用算式表示上述算法如下：
提前量（本次）=提前量（上次）+[钢丝绳过放量（上次）-允许最低过放量]×系数
钢丝绳过放量（本次）=钢丝绳过放量（上次）-提前量（本次）+随机误差
将这种具有自适应控制特点的方案编成程序，进行实验，数据表明，当夯击高度逐渐增大时，程序跟据上次钢丝绳过放量自适应调节提前量，使本次钢丝绳过放量变化较稳定；当夯击高度稳定于某一值时，钢丝绳过放量亦稳定在某一范围内，波动值只是随机误差而已，但已留下足够余地S来容纳随机误差从而避免出现钢丝绳半空崩直的危险。
本方案的优点是实验工作量小，钢丝绳提前量控制具有自适应的特点，跟随上次误差（过放量）变化而自动做出相应修正，而受夯击高度的影响可被抑制。缺点是，控制策略稍微复杂，自适应程度不够，提前量增量控制精度与夯击高度的变化量有关，但还可以做更好的改进（可以把提前量控制与夯击高度联系起来）。
3. 结语
基于液压绞车的夯击机构在夯击时钢丝绳过放影响效率和安全，危害极大。钢丝绳过放源于机械液压延时，在无法对延时机理建立精确数学模型的前提下，本文提出了夯击机构的一般常用控制策略，分析优劣，并提出了具有自适应控制钢丝绳过放量的方法，并且试验效果显著。
关键词：液压绞车 夯击 绳过放 提前量 自适应控制
1. 钢丝绳过放分析及初步控制策略
1.1自由制动下的钢丝绳过放量分析
以上算式表明，钢丝绳过放量不仅仅与夯击高度也与卷筒质量与半径成正比。卷筒质量与半径决定的卷筒的惯性，质量越大，半径越大，卷筒的惯性就越大，绳过放量就越大。但对于一个各种参数已固定的液压绞车，钢丝绳过放量只与夯击高度成正比，在施工实验中，已得到验证。但在实际设计中，为了保证较大的夯击动量并且可调，往往对重锤夯击高度进行控制，并且可以提升到较大落差；而针对钢丝绳过放，则可以采用夯击完成的同时内压紧离合器的方法，使卷筒的阻力阻瞬时增加到非常大。
1.2对应的控制方案
此方法需对夯击机构作如下配置：除了安装一套控制卷扬升降的液压手柄操作系统外，卷筒上还要安装一个低精度增量式编码器测重锤高度（精度如果较高，则卷筒在高速转动下，编码器的数据频率值超过控制器的极限值）、导向轮轴上安装一个轴销式重量传感器、一个离合器控制电磁阀（得电脱开、失电压紧）、一个卷扬提升电磁阀、控制器、人机对话显示屏及相关按钮。
夯击控制方案及顺序如下：
（1）手动升降重锤使底部与地平面平齐，钢丝绳稍微松弛，并按“清零”按钮，使编码器读值清零；设定第一次夯击的预夯击高度；按“开始夯击”按钮。执行（2）。
（2）控制器输出使卷扬提升电磁阀得电，重锤提升，当测得重量值大于某一设定值时，记录下编码器当前读值作为“上次深度”参数，当测得深度值小于预夯击高度的相反数时（地平面处深度为零，地表以下深度为正，地表以上深度为负），卷扬提升电磁阀失电，提升停止，同时离合器电磁阀得电，离合器脱开，重锤近乎自由落体下放，进行夯击。执行（3）
（3）当深度大于“上次深度”时，离合器电磁阀失电，离合器压紧，卷筒立即制动停止。紧接着执行（2）。但重锤的夯击高度是程序自动可调的。
（4）如果夯击任务完成或需要中途停止，按“停止夯击”按钮，可停止夯击。
上述方案减小钢丝绳过放的关键在于当深度大于“上次孔深”时便压紧离合器，卷筒立即制动。将方案编程写入控制器进行施工试验发现，钢丝绳过放量虽然较卷筒自由制动情况下大为减少，但仍超过目标要求。
1.3改进的控制方案
深入了解液压绞车的制动原理后，结合施工数据对钢丝绳过放量进行分析，发现钢丝绳过放量仍超标源于机械液压延时。由于液压绞车离合器需要较大制动力，油缸较粗，因此从离合器电磁阀得电到离合面到达设定的压紧力有一段延时。尽管延时非常短，但在卷筒高速转动情况下，钢丝绳过放量尤为可观。另外卷筒的制动过程是一个减速过程，存在惯性，钢丝绳也会过放。
由于对机械液压延时的机理的不完全了解，各种参数难以测量，并且还有其它未知因素的影响，对其建立精确的数学模型是不可能的，经过适当简化，建立绳过放量与重锤夯击高度的关系式L=ah+b■，在控制器中编写一段程序，并进行实验，通过程序用待定系数法确定a、b的值。将原来策略的（3）中离合器失电的条件改为：深度大于“上次孔深”减L，即提前压紧离合器，提前量为L。其中L=ah+b■，而夯击高度h是可用编码器通过程序精确测量的。
将本方案编入控制器程序进行实验，发现在而夯击高度较低时，绳过放量控制得很好，随着落距的增加，绳过放越来越大，并最终超出目标要求。同时发现在同一而夯击高度下测得的钢丝绳过放量每次相差仍较大，即绳过放量中存在随机误差。因为存在随机误差，所以不能期望钢丝绳过放量为零，否则由于随机误差的原因，可造成绳过放量为负值，即重锤尚未着地便将卷筒制动住了，造成巨大震动，甚至损坏钢丝绳或桁架，危害极大。
2. 防钢丝绳过放的自适应控制
由于钢丝绳过放量中有一部份是随机误差，为了避免随机误差造成重锤在半空中被制动住的情况，修改设计要求，允许夯击施工时有一定量的钢丝绳过放量S，这个量比随机误差的波动范围（经多次实验，取方差）大一些。在此基础上，再考虑如何较精确的控制绳过放量，使其均值接近允许的钢丝绳过放量。
有一种方案如下：通过实验，测出机器分别在5米、10米、15米、20米、25米、30米夯击高度下（或其它间距）的钢丝绳平均过放量，然后数据拟合，得出钢丝绳的过放量L与夯击高度h的关系式。并且提前ah+b-S（如果该值小于零，则取零）压紧离合器。此方案的优点是所有夯击高度下的钢丝绳过放量及其波动范围已知，控制精确有把握，缺点是实验工作量大，难以在不同参数的机器间移植实验结论，厂内不具备高落距的夯击条件。
另一种具有自适应控制特点的方案如下：在第一次夯击时，提前量为0；第二次及第二次以后夯击时，提前量的增量为上次钢丝绳过放量减去S（允许过放量）后再乘以一个系数。钢丝绳过放量可通过控制器程序测得，为编码器读值在夯击后提升前这一段时间内的极值再减去“上次深度”。提前量的增量可为负值，但提前量不能为负值。用算式表示上述算法如下：
提前量（本次）=提前量（上次）+[钢丝绳过放量（上次）-允许最低过放量]×系数
钢丝绳过放量（本次）=钢丝绳过放量（上次）-提前量（本次）+随机误差
将这种具有自适应控制特点的方案编成程序，进行实验，数据表明，当夯击高度逐渐增大时，程序跟据上次钢丝绳过放量自适应调节提前量，使本次钢丝绳过放量变化较稳定；当夯击高度稳定于某一值时，钢丝绳过放量亦稳定在某一范围内，波动值只是随机误差而已，但已留下足够余地S来容纳随机误差从而避免出现钢丝绳半空崩直的危险。
本方案的优点是实验工作量小，钢丝绳提前量控制具有自适应的特点，跟随上次误差（过放量）变化而自动做出相应修正，而受夯击高度的影响可被抑制。缺点是，控制策略稍微复杂，自适应程度不够，提前量增量控制精度与夯击高度的变化量有关，但还可以做更好的改进（可以把提前量控制与夯击高度联系起来）。
3. 结语
基于液压绞车的夯击机构在夯击时钢丝绳过放影响效率和安全，危害极大。钢丝绳过放源于机械液压延时，在无法对延时机理建立精确数学模型的前提下，本文提出了夯击机构的一般常用控制策略，分析优劣，并提出了具有自适应控制钢丝绳过放量的方法，并且试验效果显著。