Regelungsstrategien für den Ausleger einer Autobetonpumpe

Abstract

Verbesserte Konstruktionstechniken und Produktionsmethoden haben in den letzten Jahrzehnten zu einer ständigen Verringerung der Masse von Auslegern moderner Autobetonpumpen geführt. Die geringere statische Belastung erlaubt die Verwendung von Lastkraftwagen mit einer kleineren Anzahl an Radachsen, eine Verkleinerung der für die Standsicherheit erforderlichen Abstützflächen sowie eine Erhöhung der Reichweiten dieser Systeme. Die Leichtbauweise führt jedoch unvermeidbar zu einer Reduktion der Steifigkeit der Konstruktion, weshalb die Ausleger von Autobetonpumpen im Allgemeinen anfällig für elastische Schwingungen sind. Diese werden im Betrieb durch das Verfahren des Auslegers seitens des Maschinisten sowie durch das Pumpen des Frischbetons verursacht, erschweren dessen Verteilung auf der Baustelle und führen zu einer beschleunigten Ermüdung der mechanischen Struktur. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Regelungsstrategien zur Vermeidung und Kompensation der elastischen Schwingungen. Der Fokus liegt dabei in der aktiven Dämpfung auftretender Schwingungen sowie in der Verringerung der Bewegungen an der Auslegerspitze bzw. dem Endschlauch, wodurch der Betrieb der Maschine wesentlich vereinfacht werden kann. Zur aktiven Schwingungsdämpfung wird in dieser Arbeit ein passivitätsbasierter, dezentraler Ansatz auf Grundlage einer vereinfachten verteilt-parametrischen Beschreibung des elastischen Auslegers verfolgt, welcher modular und unabhängig von der Anzahl an Mastsegmenten einsetzbar ist und keine exakte Kenntnis der Systemparameter erfordert. Da die typischerweise eingesetzten hydraulischen Systeme zur Aktuierung des Auslegers fundamentale Schwächen für die Umsetzung hochperformanter Regelungen aufweisen, wird zudem ein alternatives Hydraulikkonzept vorgestellt, welches den Ansprüchen hinsichtlich der dynamischen Eigenschaften sowie der funktionalen Sicherheit und Verfügbarkeit genügt. Auf Grundlage der aktiven Schwingungsdämpfung wird eine zusätzliche Strategie für die Regelung der Höhe der Auslegerspitze vorgestellt, durch welche gesondert die Bewegung des Endschlauchs während des Pumpvorgangs kompensiert wird. Hierfür wird ein Schätzverfahren unter Verwendung von Inertialsensoren zur Erfassung der Position der Auslegerspitze vorgestellt. Die Untersuchungen der vorgeschlagenen Regelungskonzepte erfolgen in dieser Arbeit anhand einer typischen Autobetonpumpe mit einer Reichweite von etwa 40m, die mit dem neu entwickelten Hydraulikkonzept ausgestattet wurde. Für dieses System wird ein dynamisches Simulationsmodell vorgestellt, welches durch Messungen validiert wurde. Die Effektivität des vorgestellten Ansatzes zur Schwingungsdämpfung wird durch eine Vielzahl von experimentellen Ergebnissen gezeigt. Das Konzept zur Regelung der Höhe der Auslegerspitze während des Pumpvorgangs wird durch umfangreiche Simulationsstudien am validierten mathematischen Modell getestet.

In the last decades, improved construction techniques and production methods have led to a permanent reduction of the weight of booms of modern mobile concrete pumps. The lower static load enables the use of trucks with a smaller number of wheel axles, a reduction of the support surface needed for steadiness as well as an increase of the operating range. However, the lightweight construction also decreases the overall stiffness and thus results in a higher vulnerability to elastic vibrations. These vibrations, which are primarily stimulated by the manual control of the joints by the operator and the concrete-pumping process, make the operating of these systems more difficult and lead to an accelerated fatigue of the material. This work deals with control strategies for the avoidance and compensation of elastic vibrations. The focus is on the active damping of occurring vibrations and the reduction of the movement of the tool center point. With this, the operation of the system can be significantly simplified. In this work, a passivity-based decentralized approach based on the infinite-dimensional description of the booms in form of Euler-Bernoulli beams is considered for the active damping task. This allows for a modular application independent of the number of boom segments and without the need for an accurate knowledge of the system parameters. Since the hydraulic system typically used for the actuation of the boom exhibits some fundamental deficits in view of high-performance control tasks, an alternative hydraulic architecture is proposed that fulfills the dynamic requirements as well as the demands for functional safety and availability. Based on the active damping control, an additional strategy for the control of the height of the tool center point is presented that compensates the movement of the end hose during the pumping process. For this purpose, an estimation strategy using inertial sensors for the determination of the position of the tool center point with respect to the ground is presented. An industrial mobile concrete pump with an operating range of about 40m that is equipped with the newly developed hydraulic system serves as a test carrier for the proposed strategies. For this system, a dynamic simulation model is presented and validated by means of measurements. The effectiveness of the proposed active damping approach is demonstrated by a number of experimental results. The concept for the control of the height of the tool center point during the pumping process is tested by extensive simulation studies utilizing the validated mathematical model.