具有自動(dòng)調(diào)速功能的液力變矩叉車油門控制裝置的研制

李葉妮，趙海兵，陳水宣，雷振輝

(廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門 361024)

具有自動(dòng)調(diào)速功能的液力變矩叉車油門控制裝置的研制

李葉妮，趙海兵，陳水宣，雷振輝

(廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門 361024)

通過研究液力變矩叉車傳動(dòng)特性，研制出一套可實(shí)現(xiàn)液力變矩叉車緩動(dòng)功能的控制裝置。該裝置通過檢測(cè)操縱手柄位置，采用臺(tái)達(dá)PLC控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，并可通過觸摸屏修改控制參數(shù)以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，使得液力變矩叉車在怠速作業(yè)時(shí)通過操縱手柄就可以順利、穩(wěn)定地進(jìn)行平移、提升或傾斜作業(yè)，讓叉車操作更加方便，且降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

叉車;液力變矩器;緩動(dòng)功能;控制裝置

叉車作為工程車輛的典型代表，在工程機(jī)械中占有重要地位［1］。工程機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)主要有機(jī)械傳動(dòng)、液力機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)4種類型［2］。液力變矩叉車采用液力傳動(dòng)的方式，其傳動(dòng)系統(tǒng)主要由液力變矩器、動(dòng)力換擋變速器、傳動(dòng)軸、前后驅(qū)動(dòng)橋及輪邊減速器等部件組成。液力傳動(dòng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速和無級(jí)調(diào)速等［3-4］，但在其工作時(shí)需要踩踏油門以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得泵的轉(zhuǎn)速提高，輸出流量變大，從而使貨叉能夠提升、平移或者傾斜。發(fā)動(dòng)機(jī)的突然提速容易使貨物受到?jīng)_擊，運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，而且叉車工況較多，頻繁換擋易使工作人員產(chǎn)生疲勞，降低工作效率。

本文對(duì)液力傳動(dòng)系統(tǒng)控制算法進(jìn)行了研究，在不改變現(xiàn)有叉車傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種用于液力變矩叉車的緩動(dòng)控制裝置，實(shí)現(xiàn)了液力變矩叉車怠速作業(yè)的緩動(dòng)功能，具有類似靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)的作業(yè)效果。該控制裝置已在叉車上安裝使用，驗(yàn)證了控制算法的可靠性與優(yōu)越性。

1 液力傳動(dòng)系統(tǒng)分析

液力傳動(dòng)系統(tǒng)主要依靠液力變矩器實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)功能。液力變矩器具有自適應(yīng)的特性，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，液力變矩器將自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，從而與負(fù)載相匹配。液力變矩器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其非常適用于工程機(jī)械中負(fù)載變化頻繁的環(huán)境［5］。但是由于液力變矩器只有在發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)載轉(zhuǎn)速下才能吸收全部轉(zhuǎn)矩達(dá)到匹配，此轉(zhuǎn)速以下，其吸收能力急劇下降，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩也變小，因此液力變矩型叉車在啟動(dòng)時(shí)，力矩不能被充分利用，啟動(dòng)力矩小，低速傳動(dòng)效率低。當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)只有達(dá)到較高的轉(zhuǎn)速、較大的功率，車輛才可能被啟動(dòng)。車輛啟動(dòng)時(shí)需要大的牽引力，而不要求大的功率，但是在液力傳動(dòng)的方式下，為達(dá)到大的牽引力必須輸入大的功率，于是多余的功率以變矩器內(nèi)部滑轉(zhuǎn)的形式損耗了［6-7］。

與之相比，靜壓傳動(dòng)的方式更加先進(jìn)。叉車的靜壓傳動(dòng)(又稱容積式傳動(dòng))系統(tǒng)主要由1個(gè)斜盤式變量柱塞泵、2個(gè)柱塞馬達(dá)組成，從而獲得優(yōu)良的牽引特性。在靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，其工作壓力取決于外加負(fù)載，而輸出速度取決于泵的輸出流量。速度與負(fù)載之間沒有直接的聯(lián)系，即當(dāng)外加負(fù)載變化時(shí)，車輛速度也基本保持不變，速度剛性也比較大。低速大牽引力工況與啟動(dòng)工況相同，靜壓傳動(dòng)可以在發(fā)動(dòng)機(jī)較低轉(zhuǎn)速和較小功率時(shí)工作，功率利用好，效率高。圖1為2種傳動(dòng)方式的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與行駛速度的關(guān)系曲線。可以看到，在低速傳動(dòng)時(shí)，靜壓傳動(dòng)體現(xiàn)出較好的傳動(dòng)性能［8］。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與行駛速度關(guān)系曲線

目前主要對(duì)液力變矩器的結(jié)構(gòu)形式和葉片參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使得在工作轉(zhuǎn)速下的功率傳遞滿足作業(yè)的要求。但是該類方法不能很好地改善液力傳動(dòng)特性，不具有靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)力矩大、功率質(zhì)量比大、調(diào)速性能好等特性，且改進(jìn)的成本和難度較大。本文研制一種通過控制操縱手柄對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控的裝置，簡(jiǎn)化了操作的過程，降低了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到了類似于靜壓傳動(dòng)叉車的效果。

2 整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 操縱手柄位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)

采用在叉車多路閥控制手柄下安裝拉線式傳感器的方式，檢測(cè)手柄根部相對(duì)原始狀態(tài)的直線位移量。以電壓信號(hào)傳遞給PLC控制器模擬量輸入口，通過電壓與數(shù)字量的比例關(guān)系，計(jì)算出實(shí)時(shí)的位移量，并判斷此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。通過PLC發(fā)送脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與速度的控制［4］，從而控制油門撥動(dòng)及復(fù)位，達(dá)到實(shí)時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的［5-9］。

圖2(a)為操縱手柄位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)，拉線傳感器用螺栓固定在固定座上，固定座再通過螺栓固定在操作手柄1的保護(hù)架上。傳感器3的出線口在操作手柄根部的正下方，拉繩2末端連接一個(gè)拉線頭。拉線頭攻M10外螺紋，裝配在手柄根部原有的螺紋孔內(nèi)。由于拉線口豎直安裝會(huì)干涉到操作手柄下方的油管，故整體傳感器出線口皆采用橫向安裝。為避免拉線直接斜拉易磨損拉線，因此設(shè)計(jì)了安裝支座4。安裝支座在拉線傳感器出線口處裝有一鋁合金材質(zhì)導(dǎo)輪，拉線繞過導(dǎo)輪連接到操作手柄根部，可減小摩擦，延長(zhǎng)拉線壽命。

2.2 油門控制機(jī)構(gòu)

通過改變油門的大小實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。因此，該設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠上的滑塊左右移動(dòng)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加或者降低。

如圖2所示，油門拉線支撐桿上用螺栓固定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的固定座，構(gòu)件為鋁合金型材，由4個(gè)M4螺釘固定在固定座上，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝基座。2個(gè)支承塊用螺釘固定在基座上，用于支承絲杠6及導(dǎo)軌。支撐塊上各裝配一個(gè)內(nèi)徑Ф8的滾珠軸承，過盈配合。步進(jìn)電機(jī)10是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件，通過彈性聯(lián)軸器5與絲杠螺母副連接，帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，并在兩端安裝接近開關(guān)7起到限位的作用。絲杠螺母用螺釘固定在滑塊8上，滑塊下方用2個(gè)M4螺釘連接L型撥片，滑塊的來回運(yùn)動(dòng)推動(dòng)油門改變大小。為防止滑塊繞絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，用兩根Ф6的45#鋼作為導(dǎo)軌。導(dǎo)軌與支承塊為過盈配合。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制方案

采用拉線傳感器KS15M、步進(jìn)電機(jī)、線性模組、臺(tái)達(dá)DVP-20SX211T型晶體管PLC控制器以及DOP-B觸摸屏進(jìn)行控制。系統(tǒng)硬件接線如圖3所示。

系統(tǒng)控制方案如圖4所示。叉車的3個(gè)操作手柄分別為貨叉上下、左右、前后傾操縱手柄，由3個(gè)拉線傳感器檢測(cè)手柄底部位移量，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過PLC模擬量輸入模塊檢測(cè)，經(jīng)計(jì)算處理后PLC將再輸出脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)控制器，從而控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖方向與頻率，使絲杠機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與方向的控制。設(shè)置了左右限位開關(guān)，確保步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)不超限。可加入發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)速。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到所需轉(zhuǎn)速時(shí)，反饋信號(hào)給控制單元，停止對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)加速，以便減少能量損耗，同時(shí)使控制更精準(zhǔn)［10］。

圖4 系統(tǒng)控制方案

3.2 控制程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)流程如圖5所示。PLC上電瞬間，程序進(jìn)入數(shù)據(jù)采集初始化模塊，進(jìn)行模擬量通道初始化設(shè)定，包括電壓/電流模式的選擇。模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字的時(shí)間設(shè)定5 ms。

通過算法實(shí)現(xiàn)拉線傳感器與步進(jìn)電機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制。PLC程序由WPLSoft2.2軟件進(jìn)行編譯下載［11］，使用臺(tái)達(dá)DOP-B系列觸摸屏編輯軟件DOPSoft1.01.04編程［12］。

圖5 控制系統(tǒng)總體流程

4 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

本文為了便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，增加了觸摸屏調(diào)試系統(tǒng)。通過觸摸屏界面程序的設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)置拉線傳感器的位置等數(shù)據(jù)，與PLC進(jìn)行聯(lián)動(dòng)調(diào)試。

觸摸屏上手動(dòng)開關(guān)啟動(dòng)后，程序進(jìn)入手動(dòng)控制主控程序。當(dāng)在觸摸屏上按下復(fù)位鍵時(shí)，程序控制電機(jī)反轉(zhuǎn)指令，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)位。當(dāng)在觸摸屏上按下推油門按鍵時(shí)，程序控制電機(jī)按原設(shè)定好的頻率輸出脈沖給電機(jī)，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行推油門動(dòng)作。

圖6中:區(qū)域1為時(shí)間、日期的顯示與調(diào)整;區(qū)域2為手動(dòng)、自動(dòng)控制的界面選擇菜單及報(bào)警菜單;區(qū)域3為手動(dòng)的復(fù)位鍵和推油門鍵，用于手動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的前進(jìn)、后退復(fù)位;區(qū)域4為傳感器參數(shù)設(shè)置菜單，用于設(shè)置拉線傳感器的2個(gè)極限位置輸入?yún)?shù)及比例;區(qū)域5為傳感器輸入?yún)?shù)及輸出脈沖參數(shù)的歷史數(shù)值數(shù)據(jù)表顯示界面;區(qū)域6為傳感器0位置設(shè)置菜單及傳感器輸入值表針菜單。

首先，在觸摸屏系統(tǒng)初始化的頁面設(shè)計(jì)有時(shí)間顯示，各傳感器輸入初始值設(shè)置、比例設(shè)置、極限設(shè)置以及輸出設(shè)置，方便操作人員進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)置;其次，頁面上設(shè)置有報(bào)警按鈕，是為了提高操作的安全性，需要先設(shè)置好參數(shù)再進(jìn)行動(dòng)作以提高操作的正確性;再次，頁面上設(shè)計(jì)有自動(dòng)與手動(dòng)的選擇按鈕以及輸入、輸出參數(shù)的顯示界面，方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性，使操作更直觀簡(jiǎn)便。

圖6 觸摸屏首頁界面

5 結(jié)束語

液力變矩叉車存在以下問題:啟動(dòng)力矩小;低速傳動(dòng)效率低;發(fā)動(dòng)機(jī)必須高轉(zhuǎn)速、大功率工作，功率的損失非常嚴(yán)重;在失速工況下，液力傳動(dòng)的功率損失可達(dá)到95%以上;很難達(dá)到靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)具有的優(yōu)越性能。

本文在不改變叉車原有傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了叉車的緩動(dòng)功能。采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，研制出一種用于叉車動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)速的裝置。在原有的動(dòng)力系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了位移檢測(cè)機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)速度調(diào)整機(jī)構(gòu)和車速檢測(cè)機(jī)構(gòu)，并通過機(jī)電控制技術(shù)完成各部分的自動(dòng)化控制，使得叉車工作平穩(wěn)，具有較高的性價(jià)比。該系統(tǒng)目前在國內(nèi)屬于首次開發(fā)。該系統(tǒng)的使用使得發(fā)動(dòng)機(jī)速度的調(diào)節(jié)不需要踩踏油門，簡(jiǎn)化了叉車的工作，并降低了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。這種人性化的控制裝置使液力變矩型叉車更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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(責(zé)任編輯 劉舸)

Inching Function Research on Hydraulic Torque Forklift

LI Ye-ni，ZHAO Hai-bing，CHEN Shui-xuan，LEI Zhen-hui
(School of Mechanical and Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China)

By researching the characteristics of hydraulic torque forklifts，we developed a device which achieved inching function.It can detect position of the handle，using Delta PLC controlled stepper motor driven screw movement，to achieve the control of the engine speed，and modify the control parameters via touch-screen on-site commissioning，to achieve a truck at idle operation，through the manipulation of the handle can smooth and stable pan，lift or tilt operation，making operation of forklift more convenient and reduce the operator’s labor intensity，having a high value market applications.

forklift;hydraulic torque;inching function;control device

TH132

A

1674-8425(2014)08-0022-04

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.005

2014-03-28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205336);福建省教育科技項(xiàng)目B類(JB12181);校卓越計(jì)劃教改項(xiàng)目(JGZY201245)

李葉妮(1982—)，女，實(shí)驗(yàn)師，主要從事機(jī)電一體化、機(jī)器視覺研究。

李葉妮，趙海兵，陳水宣，等.具有自動(dòng)調(diào)速功能的液力變矩叉車油門控制裝置的研制［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(8):22-25.

format:LI Ye-ni，ZHAO Hai-bing，CHEN Shui-xuan，et al.Inching Function Research on Hydraulic Torque Forklift［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):22-25.