越野輪胎起重機(jī)帶載行駛下安全控制技術(shù)的研究

康禹樂 李朝弟 陸陽陳

1中聯(lián)重科股份有限公司工程起重機(jī)分公司 長沙 410100

2長沙中聯(lián)恒通機(jī)械有限公司 長沙 410100

0 引言

越野輪胎起重機(jī)是輪式起重機(jī)中特點(diǎn)十分鮮明的類型，發(fā)源于20世紀(jì)70年代的歐美，集汽車起重機(jī)的機(jī)動靈活與履帶起重機(jī)的帶載行駛等優(yōu)點(diǎn)于一體［1］。與普通汽車起重機(jī)相比，其優(yōu)點(diǎn)有：底盤懸掛方式為油氣懸掛，爬坡能力強(qiáng)，具有更優(yōu)越的越野性能；具有良好的帶載行駛性能，在狹窄場地?zé)o法完全打開支腿的情況下可輕松利用輪胎起重工況作業(yè)，在需要短距離轉(zhuǎn)移重物的情況下具備超強(qiáng)的吊載行駛能力；外形尺寸小，全輪轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑小，適用范圍更廣；支腿跨距大，作業(yè)穩(wěn)定性好，360°全方位作業(yè)；駕駛與操作司機(jī)室一體化等。這些優(yōu)點(diǎn)使越野輪胎起重機(jī)在工程施工過程中具有其他起重機(jī)無法比擬的優(yōu)越性，國內(nèi)對越野輪胎起重機(jī)的研發(fā)力度越來越大，對關(guān)鍵技術(shù)的研究越來越深［2］。

帶載行駛工況是越野輪胎起重機(jī)重要工況之一，與靜載工況相比，帶載行駛時(shí)由加減速產(chǎn)生的慣性力會引起吊重?cái)[振和臂架振動，從而產(chǎn)生附加沖擊載荷［3］，故對輪胎起重機(jī)的安全穩(wěn)定性帶來了極大的挑戰(zhàn)。本文介紹了越野輪胎起重機(jī)帶載行駛下安全控制技術(shù)總體框架，并對該框架下的人機(jī)交互設(shè)計(jì)、安全控制要求、動態(tài)安全監(jiān)控控制策略進(jìn)行了詳細(xì)分析設(shè)計(jì)，旨在對進(jìn)入帶載行駛工況的條件進(jìn)行主動限制，同時(shí)對帶載行駛過程存在的動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而提高輪胎起重機(jī)帶載行駛安全等級，降低事故概率，為輪胎起重機(jī)帶載行駛模式下的安全控制提供重要的理論設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 帶載行駛下安全控制技術(shù)總體框架

根據(jù)越野輪胎起重機(jī)帶載行駛實(shí)際使用情況，按照模塊化的設(shè)計(jì)思想，將帶載行駛下的安全控制技術(shù)分為人機(jī)交互設(shè)計(jì)、安全控制要求、動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控等3部分，系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1 帶載行駛下安全控制技術(shù)總體框架

越野輪胎起重機(jī)在進(jìn)入帶載行駛模式前，通過力矩限制器顯示屏的人機(jī)交互設(shè)計(jì)界面，讓用戶選擇對應(yīng)的工況，確保在該工況下才能進(jìn)入帶載行駛模式。同時(shí)，為保證帶載行駛工況實(shí)際使用的安全，起重機(jī)在該工況下要滿足對應(yīng)的安全控制要求和條件，通過PLC控制器收集帶載行駛模式下影響安全的信息源，進(jìn)行智能處理與判斷，對帶載行駛模式進(jìn)行動態(tài)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控、主動報(bào)警。

2 帶載行駛模式人機(jī)交互設(shè)計(jì)

在越野輪胎起重機(jī)正常工作前，應(yīng)設(shè)置力矩限制器顯示屏進(jìn)入正確工況。力矩限制器顯示屏每次點(diǎn)亮屏幕時(shí)，首先進(jìn)入工況選擇界面，圖2為某型越野輪胎起重機(jī)力矩限制器顯示屏工況選擇界面，只有在主臂工況和臂端滑輪工況下才能進(jìn)入輪胎行駛即帶載行駛模式，在副臂工況下沒有輪胎行駛的選項(xiàng)；在主臂工況和臂端滑輪工況下，除輪胎行駛模式外，還有支腿全伸吊載、支腿半伸吊載、支腿全縮吊載、輪胎支撐側(cè)方吊載及輪胎支撐前方吊載等模式。在不同模式下，允許的額定載荷不同。因此，只有選擇正確的模式，力矩限制器才能正常的通過力矩百分比保護(hù)車輛的抗傾覆穩(wěn)定性。

圖2 工況選擇界面

為確保模式選擇正確，在工況選擇完成后，會彈出警示界面，提醒機(jī)手當(dāng)前選擇的工況信息是否和實(shí)際工況一致；同時(shí)，控制器實(shí)時(shí)監(jiān)控車速，在除帶載行駛模式外的其他工況模式下，若發(fā)現(xiàn)車速大于0，則力矩限制器顯示屏立即進(jìn)行模式選擇錯(cuò)誤聲光報(bào)警。

3 帶載行駛模式安全控制要求

根據(jù)越野輪胎起重機(jī)帶載行駛實(shí)際使用情況，為保證帶載行駛工況實(shí)際使用的安全，由上述力矩限制器工況選擇界面可知，只有在主臂工況和臂端滑輪工況下才能通過顯示屏正常進(jìn)入帶載行駛模式，而在帶載行駛模式下起重機(jī)需要滿足以下安全控制要求：

1）吊臂位于起重機(jī)的正前方、轉(zhuǎn)臺處于鎖定狀態(tài)。通過控制吊臂回轉(zhuǎn)到起重機(jī)的正前方，并在滿足預(yù)設(shè)的回轉(zhuǎn)角度限制條件時(shí)鎖定轉(zhuǎn)臺；

2）車輛處于柔性懸掛狀態(tài)。將滿足柔性懸掛條件的油氣懸掛系統(tǒng)切換為柔性懸掛模式狀態(tài)，避免起重機(jī)在帶載行駛過程中超速；

3）為滿足整車抗傾覆穩(wěn)定性，根據(jù)GB/T 6068－2008《汽車起重機(jī)和輪胎起重機(jī)試驗(yàn)規(guī)范》［4］中的規(guī)定，對于作整機(jī)帶載運(yùn)行，但不作起升、變幅、伸縮臂架和回轉(zhuǎn)等動作的起重機(jī)，車輛最大行駛速度不大于0.4 m/s，即1.44 km/h；實(shí)際載荷的力矩不能大于額定載荷力矩；作業(yè)環(huán)境風(fēng)速不大于8.3 m/s。

4）為滿足輪胎承載能力的要求，各輪胎胎壓不小于輪胎廠家推薦的氣壓值，表1為某輪胎廠家推薦的特定承載能力下要求的氣壓值。

表1 特定承載能力下的氣壓值

4 帶載行駛模式動態(tài)安全監(jiān)控控制策略

為滿足整車抗傾覆穩(wěn)定性，在進(jìn)入帶載行駛模式后需實(shí)時(shí)進(jìn)行動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控，以確保帶載行駛過程中的安全，主要包括吊臂是否位于起重機(jī)正前方、轉(zhuǎn)臺是否處于鎖定狀態(tài)、車輛是否處于柔性懸掛狀態(tài)、車速是否不大于1.44 km/h、力矩百分比是否不大于100%、作業(yè)環(huán)境風(fēng)速是否不大于8.3 m/s以及各輪胎胎壓是否不小于廠家推薦的氣壓值等的安全監(jiān)控。控制策略如圖3所示。

圖3 帶載行駛模式動態(tài)安全監(jiān)控電氣控制策略

4.1 帶載行駛模式下影響安全的信息源

以某型越野輪胎起重機(jī)為例，吊臂是否位于起重機(jī)的正前方通過轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)角度信息來反饋，回轉(zhuǎn)角度信息一般由安裝于起重機(jī)中央集電環(huán)位置處的回轉(zhuǎn)電位計(jì)采集并檢測吊臂的回轉(zhuǎn)角度值；轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)鎖定和解鎖、車架懸掛狀態(tài)通過其電磁閥的電磁線圈得失電采集信號；車速通過變速箱上的渦輪速度傳感器采集信息；力矩百分比通過力矩限制器采集；作業(yè)環(huán)境風(fēng)速則吊臂頭部的風(fēng)速儀采集數(shù)據(jù)；胎壓由輪胎里的壓力傳感器采集信息。

4.2 帶載行駛模式下安全信息的處理方式

轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)角度、車輛車速、作業(yè)環(huán)境風(fēng)速和輪胎胎壓均可通過控制器將角度傳感器、速度傳感器、風(fēng)速傳感器和壓力傳感器采集到的模擬量信息處理為實(shí)際的角度值、車速值、風(fēng)速值和壓力值，并實(shí)時(shí)傳遞給力矩限制器。

力矩限制器對起重機(jī)工作時(shí)的力矩百分比進(jìn)行計(jì)算判斷，它通過采集起重機(jī)上的吊臂長度傳感器、吊臂角度傳感器和變幅液壓缸上下腔壓力傳感器的數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)軟件中的算法模型計(jì)算力矩和吊重載荷，從而進(jìn)行安全報(bào)警和保護(hù)。變幅液壓缸取力方式下的力矩平衡理論計(jì)算公式為

式中：MF為變幅液壓缸的力矩，MZ為臂架自重力矩，MG為吊重力矩，P2、P1為變幅液壓缸上下腔壓力，D、d為變幅液壓缸的缸徑和桿徑，Lb為變幅液壓缸力臂，l1為主臂后絞點(diǎn)到變幅缸下絞點(diǎn)距離，l2為變幅液壓缸長度，α為主臂與水平面夾角即仰角，β為主臂后鉸點(diǎn)和變幅液壓缸后鉸點(diǎn)連線與水平面的夾角，G為重物質(zhì)量，R為工作幅度，Lc為回轉(zhuǎn)中心到后鉸點(diǎn)的距離［5］。

由上述可知，通過式（1）～式（4）即可求得吊重力矩MG和重物質(zhì)量G，從而判斷起重力矩百分比是否不大于100%。

轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)鎖定解鎖及車架懸掛方式的安全信息處理則和其液壓控制原理有關(guān)，通過控制器可采集到其控制動作的電磁閥電磁線圈的得失電情況。圖4為回轉(zhuǎn)鎖定解鎖液壓控制原理圖，回轉(zhuǎn)鎖定系統(tǒng)主要由回轉(zhuǎn)鎖定閥和回轉(zhuǎn)鎖定液壓缸組成，當(dāng)Y3電磁線圈得電，液壓油驅(qū)動回轉(zhuǎn)鎖定液壓缸活塞桿伸出，鎖定回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，上車不能回轉(zhuǎn)。當(dāng)Y4電磁線圈得電，液壓油驅(qū)動回轉(zhuǎn)鎖定液壓缸活塞桿回縮，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)解鎖，上車可以回轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)鎖定解鎖開關(guān)信號進(jìn)入控制器，并根據(jù)實(shí)際需要通過控制器控制Y3和Y4電磁線圈得失電反饋回轉(zhuǎn)鎖定信息。

圖4 回轉(zhuǎn)鎖定解鎖液壓控制原理

圖5為懸掛系統(tǒng)壓控制原理圖，其中4個(gè)電磁閥Y5、Y6、Y7、Y8在不得電的情況下，左后懸掛液壓缸和右后懸掛液壓缸的無桿腔和活塞桿腔均處于鎖止?fàn)顟B(tài)，后橋剛性懸掛，懸架不能擺動。當(dāng)Y5、Y6、Y7、Y8得電時(shí)，左后懸掛液壓缸和右后懸掛液壓缸的無桿腔和活塞桿腔與回油相通，兩個(gè)液壓缸處于浮動狀態(tài)，后橋柔性懸掛，懸架可以擺動。剛?cè)嵝郧袚Q開關(guān)信號進(jìn)入控制器，并根據(jù)實(shí)際需要通過控制器控制Y5、Y6、Y7、Y8電磁線圈得失電反饋懸掛狀態(tài)信息。

圖5 懸掛液壓控制原理

4.3 顯示屏根據(jù)控制器處理結(jié)果實(shí)時(shí)報(bào)警

帶載行駛模式下，控制器對采集到的安全信息實(shí)時(shí)進(jìn)行處理，判斷是否滿足報(bào)警條件，若滿足則通過CAN總線將報(bào)警信息發(fā)送給顯示屏顯示屏，并在顯示屏上彈出對應(yīng)的報(bào)警界面及文字警示和聲音警示。當(dāng)報(bào)警條件解除時(shí)，顯示屏上的報(bào)警同時(shí)解除。具體的報(bào)警條件有：回轉(zhuǎn)角度在357°～3°范圍內(nèi)；回轉(zhuǎn)解鎖電磁閥線圈Y4得電；懸掛柔性電磁閥Y5、Y6、Y7、Y8不得電；車速大于1.44 km/h；力矩百分比大于100%；風(fēng)速大于8.3 m/s；胎壓小于廠家推薦的氣壓值（某輪胎廠家推薦的氣壓值具體見表1）。

5 結(jié)論

本文搭建了野輪胎起重機(jī)帶載行駛下安全控制技術(shù)總體框架，并對人機(jī)交互設(shè)計(jì)和安全控制要求進(jìn)行了闡述，進(jìn)一步對控制要求下各信息源的獲取和安全信息的處理方式及控制策略進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過力矩限制器實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)控車輛的實(shí)際狀態(tài)，對帶載行駛安全條件進(jìn)行主動監(jiān)控、主動報(bào)警，提前規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，減少甚至避免了帶載行駛模式下機(jī)手的危險(xiǎn)操作，為起重機(jī)安全作業(yè)提供了強(qiáng)有力的保障。