CN103964311A - 工程设备及其整机稳定性检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程设备及其整机稳定性检测方法和装置，工程设备设置有底盘及设置于底盘上的支腿和回转中心，该整机稳定性检测方法包括：在支腿展开后，测量各支腿垂直油缸与回转中心的相对位置，检测各支腿垂直油缸所承受的压力；根据相对位置和压力，计算工程设备的可用力矩，根据支腿垂直油缸所承受的压力变化计算当前的冲击力矩，并根据冲击力矩的大小，确定许用力矩阈值；根据可用力矩和预设的许用力矩阈值，确定工程设备的整机状态。因此，本发明通过计算整个设备的合力和作用点，确定设备的重力和重心位置，进而确定工程设备的整机稳定性状态。

Description

工程设备及其整机稳定性检测方法和装置

技术领域

本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种工程设备及其整机稳定性检测方法和装置。

背景技术

对于工程机械设备来讲，尤其是起重机，准确地测量和判断设备重心，能够预防倾翻事故，对安全生产十分重要。汽车起重机通常采用工况表(如幅度和吊载量的限定)来提示设备的稳定性的状况。在生产作业现场上，由于幅度和吊载量的测量的误差，偶尔会产生失稳倾翻事故，这主要是由设计、制造、工作时测量的重量、重心误差积累造成的。

目前，为避免因这种误差而造成设备倾翻事故，通常预留较大的稳定安全系数，在一定程度上造成设备性能的浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提出一种工程设备及其整机稳定性检测方法和装置，能够准确确定设备的重力和重心位置，进而确定工程设备的整机稳定性状态。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明实施例提供了一种工程设备的整机稳定性检测方法，所述工程设备设置有底盘及设置于所述底盘上的支腿垂直油缸和回转中心，该方法包括：在支腿展开后，测量各支腿垂直油缸与所述回转中心的相对位置，检测各所述支腿垂直油缸所承受的压力；根据所述相对位置和压力，计算所述工程设备的可用力矩，并根据所述可用力矩和预设的许用力矩阈值，确定所述工程设备的整机状态。

在一些实施例中，所述根据可用力矩和预设的许用力矩阈值，确定工程设备的整机状态包括：所述可用力矩大于所述工程设备的许用力矩阈值时，所述工程设备处于稳定状态；所述可用力矩小于许用力矩阈值时，所述工程设备位于不稳定状态；所述可用力矩等于许用力矩阈值时，所述工程设备处于稳定临界状态；其中，所述可用力矩为所述工程设备的当前力矩与其稳定临界力矩的差值。

在一些实施例中，所述计算所述工程设备的可用力矩包括：计算各所述支腿垂直油缸所承受压力的合力及合力作用点；计算所述合力作用点相对于所述设备稳定多边形各边的最小距离；根据所述最小距离与所述工程设备的重力，获取所述工程设备的当前力矩；将所述当前力矩与所述稳定临界力矩作差，获得所述工程设备的可用力矩。

在一些实施例中，计算各所述支腿垂直油缸所承受压力的合力及合力作用点包括：根据各所述支腿垂直油缸所承受的压力计算合力；连接各所述支腿垂直油缸的压力作用点形成设备稳定多边形，通过计算合力作用点在多边形的位置，判断设备的稳定性。

在一些实施例中，上述方法还包括：计算各所述支腿垂直油缸所承受压力的合力后，计算所述工程设备空载与吊载时合力的差值，获取吊载的重量。

在一些实施例中，上述方法还包括：计算各所述支腿垂直油缸所承受压力的合力后，计算所述工程设备吊载静止时的合力与吊载冲击时合力峰值的差值，获取当前吊载时冲击动载荷的大小。

在一些实施例中，上述方法还包括：计算各所述支腿垂直油缸所承受压力的合力后，计算所述工程设备吊载静止时的可用力矩与吊载冲击时的可用力矩最小峰值的差值，获取当前动作力矩冲击的大小。

相对于现有技术，本发明实施例具有以下优势：

本发明实施例的工程设备的整机稳定性检测方法通过测量工程设备支腿垂直油缸的位置及其受力大小，计算整个设备的合力和作用点，从而确定设备的重力和重心位置。根据可用力矩和预设的许用力矩阈值，确定工程设备的整机状态，实质是通过确定合力作用点在各支腿垂直油缸的受力作用点所形成的封闭多边形中的位置，来判断设备的稳定性情况。

为实现上述方法，本发明实施例还提供一种工程设备的整机稳定性检测装置，该装置包括：测量单元，用于测量伸出后各所述支腿垂直油缸与所述回转中心的相对位置；检测单元，用于检测各所述支腿垂直油缸所承受的压力，并将所述压力传送给所述工程设备的控制系统；计算单元，与所述测量单元及所述压力检测装置连接，所述计算单元用于计算所述工程设备的可用力矩；状态确定单元，与所述计算单元连接，用于根据所述可用力矩，确定所述工程设备的整机状态。

在一些实施例中，计算单元还用于计算所述工程设备的可用力矩、吊载的重量、当前吊载时冲击动载荷的大小、当前动作力矩冲击的大小；和/或，所述状态确定单元进一步用于将所述可用力矩与预设的许用力矩阈值进行比较，并根据比较结果确定所述工程设备的整机状态。

另外，本发明实施例提出一种工程设备，该工程设备设置有上述的工程设备的整机稳定性检测装置。由于上述任一种工程设备的整机稳定性检测装置具有上述技术效果，因此，设有该工程设备的整机稳定性检测装置的工程设备也应具备相应的技术效果，兹不赘述。

附图说明

构成本发明实施例的一部分的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中工程设备的底盘结构示意图；

图2为本发明实施例中设备处于平衡状态时的合力分析示意图；

图3为本发明实施例中设备处于平衡状态时的可用力矩分析示意图；

图4为本发明实施例中判断设备状态的示意图；

图5为本发明实施例中设备处于平衡状态时的受力分析示意图；

图6为本发明实施例中一个支腿垂直油缸悬空时的受力分析示意图。

附图标记说明

10 底盘

20 回转中心

30 支腿

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图，对本发明的各优选实施例作进一步说明：

方法实施例

参照图1，其示出了本实施例的工程设备底盘结构，该工程设备设置有底盘10，底盘10设置有回转中心20和支腿30。

其中，工程设备的整机稳定性检测方法包括以下步骤：

S100：展开支腿，以回转中心为原点，测量伸出后各支腿垂直油缸与回转中心的相对位置。

本步骤中，可采用长度传感器测量伸出后各支腿垂直油缸中心与回转中心的相对位置。其中，长度传感器可优选拉线传感器。将测量结果传送给控制器，用于确定各支腿垂直油缸作用力，计算合力。以H型支腿为例，当只有支腿全伸工况时，可以简化测量，默认为设计最大Y坐标。

S200：检测各支腿垂直油缸所承受的压力，将压力传送给工程设备的控制系统，计算工程设备的可用力矩；

S300：根据所述支腿垂直油缸所承受的压力变化计算当前的冲击力矩，并根据所述冲击力矩的大小，确定许用力矩阈值；

S400：根据可用力矩和预设的许用力矩阈值，确定工程设备的整机状态。

其中，控制系统设置有整机稳定性检测装置，其功能包括存储压力数据、计算合力、以及判断设备是否处于稳定，并在设备状态不稳定时报警。

需要说明的是，上述实施例S200中，根据可用力矩和预设的许用力矩阈值，确定工程设备的整机状态可包括：

状态一：可用力矩大于工程设备的许用力矩阈值时，工程设备处于稳定状态。

状态二：可用力矩小于许用力矩阈值时，工程设备位于不稳定状态。

状态三：可用力矩等于许用力矩阈值时，工程设备处于稳定临界状态。

需要说明的是，上述实施例可通过支腿垂直油缸压力测量装置如测量垫板，将测量垫板设置于支腿盘下方，连接于各支腿垂直油缸的底端，进而测量各个支腿垂直油缸对地的压力，即各个支腿所承受的压力。

上述实施例中，通过测量工程设备支腿垂直油缸的位置及其受力大小，计算整个设备所受的合力和作用点，从而确定设备的重力和重心位置。S200中，根据可用力矩和预设的许用力矩阈值，确定工程设备的整机状态，实质是通过确定合力作用点在各支腿垂直油缸的受力作用点所形成的封闭多边形中的位置，来判断设备的稳定性情况。

需要说明的是，上述实施例中，封闭多边形是指各支腿垂直油缸受力点连线形成的区域。其中，可用力矩为重力与重心到合力多边形最近边距离L_min的乘积：M＝GL_min。

其中，许用力矩阈值为稳定状态下最小可用力矩，是指设备保证安全的最低储备的力矩，可根据在作业稳定的条件，力矩冲击大小进行设置。

因此，上述实施例有利于降低设备的稳定性储备，减少生产成本，而且更能够有效避免因误判工作重心而出现倾翻事故，避免事故的发生。

在一可选实施例中，上述S200中，计算工程设备的可用力矩可包括以下步骤：

S201：计算各支腿垂直油缸所承受压力的合力及合力作用点；

S202：计算合力作用点相对于设备稳定多边形各边的最小距离；

S203：根据最小距离与支腿垂直油缸所承受压力的合力，获取工程设备的当前力矩；

S204：将当前力矩与稳定临界力矩作差，获得工程设备的可用力矩。

在一可选实施例中，上述S201中，计算各支腿垂直油缸所承受压力的合力及合力作用点可包括以下步骤：

S2011：根据各支腿垂直油缸所承受的压力计算合力；

其中，本步骤可通过力的平衡原理，计算平行且方向相同的压力的合力。

S2012：连接各支腿垂直油缸的压力作用点形成设备稳定多边形，在设备稳定多边形中确定合力作用点的位置。

本步骤中，根据力矩平衡原理列出如下方程组：

F₁(x₁-X)+F₂(x₂-X)+F₃(x₃-X)+F₄(x₄-X)+F₅(x₅-X)＝0

F₁(y₁-Y)+F₂(y₂-Y)+F₃(y₃-Y)+F₄(y₄-Y)+F₅(y₅-Y)＝0

F+(-G)＝0

解得：

$X=\frac{F_1{x}_1+F_2{x}_2+F_3{x}_3+F_4{x}_4+F_5{x}_5}{F_1+F_2+F_3+F_4+F_5}$

$Y=\frac{F_1{y}_1+F_2{y}_2+F_3{y}_3+F_4{y}_4+F_5{y}_5}{F_1+F_2+F_3+F_4+F_5}$

F＝G

所以，设备重心坐标为： $(\frac{F_1{x}_1+F_2{x}_2+F_3{x}_3+F_4{x}_4+F_5{x}_5}{F_1+F_2+F_3+F_4+F_5},\frac{F_1{y}_1+F_2{y}_2+F_3{y}_3+F_4{y}_4+F_5{y}_5}{F_1+F_2+F_3+F_4+F_5})$

以此类推，

当有N个支腿时，根据力矩平衡可得如下方程：

F₁(x₁-X)+F₂(x₂-X)+...+F_n(x_n-X)＝0

F₁(y₁-Y)+F₂(y₂-Y)+...+F_n(y_n-Y)＝0

F+(-G)＝0

解得：

$X=\frac{F_1{x}_1+F_2{x}_2+...+F_n{x}_n}{F_1+F_2+...+F_n}$

$X=\frac{F_1{y}_1+F_2{y}_2+...+F_n{y}_n}{F_1+F_2+...+F_n}$

F＝G

所以，设备重心坐标为： $(\frac{F_1{x}_1+F_2{x}_2+...+F_n{x}_n}{F_1+F_2+...+F_5},\frac{F_1{y}_1+F_2{y}_2+...+F_n{y}_n}{F_1+F_2+...+F_n}),$ 其中，N代表支腿的个数。

在一优选实施例中，上述工程设备的整机稳定性检测方法还可包括以下步骤：

S500：计算各支腿垂直油缸所承受压力的合力后，记录工程设备空载与吊载时合力值，计算其差值获取吊载的重量。

本步骤在获得合力结果后，对不同工况下、不同合力大小以及合力作用位置的数据进一步分析，根据设备空载与当前吊载时的合力值，获取当前吊载的重量。这样，在施工过程中，当需要获取工程设备的吊重量时，上述实施例则可通过吊载和空载的重力差值，准确计算出吊载的重量。

在一优选实施例中，上述工程设备的整机稳定性检测方法还可包括以下步骤：

S600：计算各所述支腿所承受压力的合力后，计算工程设备吊载静止时的合力与吊载冲击时合力峰值的差值，获取当前吊载时冲击动载荷的大小。

这样，在施工过程中，当需要获取工程设备当前吊载时冲击动载荷的大小时，上述实施例则可通过吊载静止时的合力与吊载冲击时合力峰值的差值，准确计算当前吊载时冲击动载荷的大小。

在一优选实施例中，上述工程设备的整机稳定性检测方法还可包括以下步骤：

S700：计算各所述支腿所承受压力的合力后，计算工程设备吊载静止时的可用力矩与吊载冲击时的可用力矩最小峰值的差值，获取当前动作力矩冲击的大小。

这样，在施工过程中，当需要获取工程设备当前动作力矩冲击的大小时，上述实施例则可通过计算吊载静止时的可用力矩与吊载冲击时可用力矩峰值(最小)的差值，准确计算当前动作力矩冲击的大小。

这里，以设置有四个支腿的起重机为例：先展开工程设备的支腿，测量各个垂直支腿相对于回转中心的位置。然后测量各支腿的压力，可将四块支腿压力测量垫板置于各支腿盘下，测量各个支腿对地的压力，并将测量力传送给设备控制系统。控制系统求出合力和作用点，即工程设备的测量重心。

将四个垂直于底面的支腿力根据力的合成原理合成，得到合力。将相邻的各个支腿作用点用直线连接，形成封闭的多边形(即设备稳定多边形)。在多边形中标出合力作用点的位置，并计算合力作用点相对于各边的最小距离。然后，通过重心点到最近连接线的距离与重力的乘积，计算出设备可用力矩(即设备现有力矩与倾翻临界力矩的差值)。

经判断，当可用力矩大于最小可用力矩时，起重机处于稳定状态。当可用力矩小于最小可用力矩时，起重机位于不稳定状态。当可用力矩等于最小可用力矩时，起重机处于倾翻临界状态。

这里，参考图2至图6，对上述实施例中的整机稳定性检测方法作进一步说明：

如图2和图3所示，可先计算重心点到各支腿相邻边连线的距离L₁、L₂、L₃、L₄、L₅，以及坐求取最小值L_min＝min(L₁、L₂、L₃、L₄、L₅)。

然后，据此计算可用力矩M＝F_合*L_min。其中，最小可用力矩即许用力矩阈值[M]是指满足稳定安全性的最小力矩储量。当可用力矩M>[M]时，设备处于安全稳定状态。

参照图4，其示出了各支腿受力作用点连接而成的多边形区域，上述实施例可通过计算合力作用点即重心在多边形中的位置，来判断设备的稳定性：

如图4所示，将相邻的各个支腿作用点用直线连接，形成封闭的多边形(即设备稳定多边形)。在多边形中标出合力作用点的位置，并计算合力作用点相对于各边的最小距离。

这样，通过重心点到最近连接线的距离与重力的乘积，计算出设备可用力矩(即设备现有力矩与稳定临界力矩的差值)。经判断，当可用力矩大于最小可用力矩时，起重机处于稳定状态。

1)根据计算得到的各支腿垂直油缸的受力作用点，设置图4所示的多边形区域的边界区域B为设备重心稳定临界区域，当计算确定设备重心在多边形边界上时，设备处于稳定临界状态，有倾翻的危险。

2)根据计算得到的各支腿垂直油缸的受力作用点，设置设备重心稳定区域，其为多边形的边界所围成的内部区域，计算确定设备重心在多边形内部时，设备稳定，没有倾翻的危险。

参照图5，其为设备处于平衡状态时的受力分析示意图。如图5所示，上述实施例中，F1、F2、F3、F4、F5为地面给各支腿的支撑力，方向垂直于地面(XOY面)向上。F合为各支腿所受的支撑力的合力，其将五个垂直于地面的支腿受力根据力的合成原理进行合成，得到合力F合。其中，G为设备重力，方向垂直于地面(XOY面)向下。由于此时设备处于平衡状态，所以F_合＝G。力矩平衡，则：∑Mx＝0，∑My＝0，∑F＝0。

又如图6所示，其示出了出现一个支腿悬空、不受力的情况，即翘腿，如F5＝0。此时，虽然不稳定，但计算确定设备重心在多边形内部时，设备稳定，咱无倾翻危险。

3)根据计算得到的各支腿垂直油缸的受力作用点，设置设备重心倾翻区域，计算确定设备重心在多边形边界外部区域时，即设备处于不稳定状态，极有可能倾翻。

从上述各实施例可以看出，本发明的工程设备的整机稳定性检测方法通过测量支腿垂直油缸的位置及其力的大小，计算整设备的合力和作用点，从而确定设备的重力和重心位置，进而计算设备剩余稳定性力矩(实际力矩与稳定临界力矩的差值)，从而确定设备的稳定状态。因此，本发明通过设备支承力来计算设备的重心，能够减小重心测量误差的累计，有利于降低设备的稳定性储备，减少生产成本，避免事故的发生。

另外，本发明还可通过计算吊载和空载的重力差值，获取吊重量、冲击载荷的大小、以及冲击力矩的大小。

需要指出的是，本发明适用于所有具有支腿的设备的重心测量。其中，支腿形式包括但不限于H型支腿、摆动支腿、X型支腿以及各种附加支腿的情况。

装置实施例

为实现上述方法实施例，上述实施例提出一种工程设备的整机稳定性检测装置，该工程设备的整机稳定性检测装置包括：测量单元、压力检测装置、及控制系统。

其中，测量单元用于测量伸出后各支腿末端与回转中心的相对位置。检测单元用于检测各支腿所承受的压力，并将压力传送给工程设备的控制系统。计算单元与测量单元及检测单元连接，用于计算工程设备的可用力矩；状态确定单元与所述计算单元连接，用于根据可用力矩，确定工程设备的整机状态。

上述装置中，计算单元还可用于计算工程设备的吊载的重量、当前吊载时冲击动载荷的大小、当前动作力矩冲击的大小。状态确定单元进一步用于将可用力矩与预设的许用力矩阈值进行比较，并根据比较结果确定工程设备的整机状态。

上述装置中，整机稳定性检测装置的功能可包括存储压力数据、计算合力、以及判断设备是否处于稳定，并在设备状态不稳定时报警。另外，上述实施例可采用长度传感器测量伸出后各支腿垂直油缸中心与回转中心的相对位置。其中，长度传感器可优选拉线传感器。将测量结果传送给控制器，用于确定各支腿垂直油缸作用力，计算合力。以H型支腿为例，当只有支腿全伸工况时，可以简化测量，默认为设计最大Y坐标。

需要说明的是，上述工程设备的整机稳定性检测装置可设置于工程设备的控制系统中，整机稳定性检测装置各实施例所采用的具体计算方式可参照上述方法实施例，此处不再赘述。

另外，本发明实施例还提供了一种工程设备，例如起重机，该工程设备设有上述任一种工程设备的整机稳定性检测装置。

由于上述任一种工程设备的整机稳定性检测装置具有上述技术效果，因此，设有该工程设备的整机稳定性检测装置的工程设备也应具备相应的技术效果，其具体实施过程与上述实施例类似，兹不赘述。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。所述存储装置为非易失性存储器，如：ROM/RAM、闪存、磁碟、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种工程设备的整机稳定性检测方法，所述工程设备设置有底盘及设置于所述底盘上的支腿和回转中心，其特征在于，该方法包括：

在支腿展开后，测量各支腿垂直油缸与所述回转中心的相对位置，检测各所述支腿垂直油缸所承受的压力；

根据所述相对位置和压力，计算所述工程设备的可用力矩；

根据所述支腿垂直油缸所承受的压力变化计算当前的冲击力矩，并根据所述冲击力矩的大小，确定许用力矩阈值；

根据所述可用力矩和所述许用力矩阈值，确定所述工程设备的整机稳定性状态。

2.根据权利要求1所述的工程设备的整机稳定性检测方法，其特征在于，所述根据可用力矩和预设的许用力矩阈值，确定工程设备的整机状态包括：

所述可用力矩大于所述工程设备的许用力矩阈值时，所述工程设备处于稳定状态；

所述可用力矩小于许用力矩阈值时，所述工程设备位于不稳定状态；

所述可用力矩等于许用力矩阈值时，所述工程设备处于稳定临界状态；

其中，所述可用力矩为所述工程设备的当前力矩与其稳定临界力矩的差值。

3.根据权利要求2所述的工程设备的整机稳定性检测方法，其特征在于，所述计算所述工程设备的可用力矩包括：

计算各所述支腿垂直油缸所承受压力的合力及合力作用点；

计算所述合力作用点相对于所述设备稳定多边形各边的最小距离；

根据所述最小距离与所述支腿垂直油缸所承受压力的合力，获取所述工程设备的当前力矩；

将所述当前力矩与所述稳定临界力矩作差，获得所述工程设备的可用力矩。

4.根据权利要求3所述的工程设备的整机稳定性检测方法，其特征在于，所述计算各所述支腿垂直油缸所承受压力的合力及合力作用点包括：

根据各所述支腿垂直油缸所承受的压力计算合力；

连接各所述支腿垂直油缸的压力作用点形成设备稳定多边形，在所述设备稳定多边形中确定合力作用点的位置。

5.根据权利要求3或4所述的工程设备的整机稳定性检测方法，其特征在于，还包括：

计算各所述支腿垂直油缸所承受压力的合力后，计算所述工程设备空载与吊载时合力的差值，获取当前吊载的重量。

6.根据权利要求3至5任一项所述的工程设备的整机稳定性检测方法，其特征在于，还包括：

计算各所述支腿垂直油缸所承受压力的合力后，计算所述工程设备吊载静止时的合力与吊载冲击时合力最大峰值的差值，获取当前吊载时的冲击载荷。

7.根据权利要求3至6任一项所述的工程设备的整机稳定性检测方法，其特征在于，还包括：

计算各所述支腿垂直油缸所承受压力的合力后，计算所述工程设备吊载静止时的可用力矩与吊载冲击时的可用力矩最大峰值的差值，获取当前动作的冲击力矩。

8.一种工程设备的整机稳定性检测装置，其特征在于，包括：

测量单元，用于测量伸出后各所述支腿垂直油缸与所述回转中心的相对位置；

检测单元，用于检测各所述支腿垂直油缸所承受的压力；

计算单元，与所述测量单元连接，所述计算单元用于计算所述工程设备的可用力矩；

状态确定单元，与所述计算单元连接，用于根据所述可用力矩，确定所述工程设备的整机状态。

9.根据权利要求8所述的工程设备的整机稳定性检测装置，其特征在于：

所述计算单元还用于计算吊载的重量、当前吊载时冲击动载荷的大小、当前动作力矩冲击的大小；和/或，

所述状态确定单元进一步用于将所述可用力矩与预设的许用力矩阈值进行比较，并根据比较结果确定所述工程设备的整机状态；和/或，

所述测量单元为长度传感器。

10.一种工程设备，其特征在于，设置有权利要求8或9所述的工程设备的整机稳定性检测装置。