CN104876138A - 应用于工程机械的自动适应复杂路面的防倾覆装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于工程机械的自动适应复杂路面的防倾覆装置及方法，用于带支腿的工程机械中，传感器实时检测支腿液压缸上腔工作压力和车体倾角，向控制器发送信号；控制器接收到信号并与预先设定的数值进行比较，当接收到信号超出预设值后，控制器向液压执行元件发出控制命令；通过液压执行元件控制单个支腿升降，达到自动适应复杂路面，防止车体倾覆的目的。当调节支腿达到极限位置时，则发出报警。本发明提供的防倾覆方法，使工程机械自动适应复杂路面，有效地防止工程机械作业时发生倾覆，防止了危险的发生，消除了安全隐患，结构简单。

Description

应用于工程机械的自动适应复杂路面的防倾覆装置及方法

技术领域

本发明涉及一种自动适应复杂路面的防倾覆方法及防倾覆装置，属于工程机械领域。

背景技术

工程机械作为特种车辆的品种之一，在楼宇建筑、道路施工、市政园林、油田开采、灾害现场、搬运和起重等场所发挥重要作用，为社会经济发展做出重大贡献。然而，资料显示，由于经验不足、误操作引起的工程机械倾覆事故每年都会发生，给人民的生命财产造成重大损失。

为了防止工程机械发生倾覆现象，国内工程机械通常采用的措施是：安装力矩限制器；使用支腿作业时，将支腿牢固的支撑在坚实的水平地面上；使回转支撑平面保持水平，其倾斜度不大于0.5％；在工程机械上装有水平仪等。

但是随着社会发展，人们对于工程机械的操作安全性、可靠性要求越来越高，对工程机械的安全保护已经不限于力矩限制等基本功能，简单的利用力矩限制器防倾覆的方法也满足不了人们的需求。而且现在施工现场环境复杂，比如地震救援现场，路面凹凸不平，常规的支撑方式难以适应地面情况，更无法提供有效的防倾覆保护。

鉴于此，需要设计一种防倾覆方法和装置，能够适应凹凸不平的路面，检测每个支腿上承受的压力并自动控制单个支腿升降，及时报警提醒操作人员注意安全。

发明内容

本发明针对工程机械防倾覆问题，提供一种防倾覆方法和装置，简单可靠，通过支腿的升降自动适应不平路面，及时有效的防止工程机械倾覆的发生。

本发明采用的技术方案为：

一种应用于工程机械的自动适应复杂路面的防倾覆装置，包括安装在车体上的四个支腿，,支腿结构及支腿液压缸安装位置均经过有限元分析优化，在车体上安装有位于每个支腿上部和下部的限位开关、用于检测车体倾角的倾角传感器和控制四个支腿伸缩的液压执行元件，在所述的液压执行元件上设有压力传感器；所述的限位开关、倾角传感器、压力传感器均与控制器相连，其中倾角传感器、压力传感器带有CANopen接口，与控制器的通讯方式采用CAN通讯。

所述的控制器还与报警装置相连。

所述的倾角传感器安装在车体回转平台上，实时检测车体的倾角，并将检测到的车体倾 角值发送给控制器。

所述控制器为工程机械专用控制器，满足工程机械标准，可编程写入，具有接收传感器数据，对数据按一定算法运算和比较的能力，可输出PWM控制信号控制液压执行元件。

所述液压执行元件包括先导式电液比例方向阀和液压缸，先导式电液比例方向阀可由PWM信号控制，所述的液压缸的缸体固定在车体上，经过有限元分析，得到了支腿结构的危险部位和应力分布，根据分析结果，对液压缸固定位置进行了选择，即在支腿完全放下的情况下，液压缸活塞杆尾端固定在支腿上半部的2/3处，且液压缸与支腿上半部的夹角为38°最佳。对支腿的结构进行优化，优化结果表明，支腿结构的拐角在142°时，支腿承受力最大。按照此位置安置支腿，使支腿受力时其内部压力分布最为均匀，由此增强支腿受压能力，减小危害的发生。

4个所述的压力传感器安装在4个支腿液压缸后端盖上，实时检测液压缸上腔的压力，并向控制器发送压力信息。

所述支腿可通过液压缸的伸缩运动控制其升降。

所述的压力传感器和倾角传感器。工作可靠，寿命长，功耗低，测量精度高。所述倾角传感器能测量双轴倾角变化，分辨率为±0.03°(0.05％)。所述压力传感器测量范围按实际计算值确定，精确度在±0.3％。压力传感器和倾角传感器带有CANopen接口，与控制器的连接采用CAN通讯，提高信号传输的可靠性，实时性，精简线束。可根据不同需要选择传感器。

上述装置的防倾斜方法，如下：

1)、在工程机械施工前，压力传感器和倾角传感器分别检测到4个支腿液压缸压力和车体倾角，向控制器发出信号；

2)、控制器接收到信号并与预先设定的数值进行比较，当接收到信号超出预设值后，控制器向液压执行元件发出控制命令；

3)、液压执行元件接收到控制器命令后，控制单个支腿的升降，与此同时，控制器实时接收传感器的信号，当接收到的信号在预设值范围之内，控制器停止向液压执行元件发命令，支腿停止升降；

4)、经过以上步骤，调整好支腿位置，控制车体倾斜度保持在0.5％之内，控制4个支腿压力在设定范围之内，工程机械即可进行施工作业；

在施工过程中，传感器实时检测液压缸压力和车体倾角，向控制器发出信号。当检测到某一支腿液压缸压力超出预设值后，则控制该支腿升降，使车体倾角及液压缸压力回到安全范围之内，由此有效的防止车体倾覆。

在调节单个支腿升降过程中，当支腿升降超过极限位置时，即支腿与地面的夹角超出30°—60°的范围，会触碰到限位开关，报警器发出报警，操作人员应停止作业。

所述预先设定的数值包括车体的倾斜度以及支腿液压缸压力设定值；

所述的车体倾斜度不大于0.5％。

所述支腿液压缸压力设置在最小设定压力P_min与最大设定压力P_max之间，设定压力P是根据支腿的受力情况计算得到，假设N为支腿受力，N_min为支腿最小受力，N_max为支腿的最大受力，N_min和N_max根据工程机械施工时的受力情况确定，且不同吨位、不同形状的工程机械施工时，其值是不同的，具体公式如下：

设定压力计算公式为：

$\left[P_{\max }\right]=\frac{N_{\max }}{A}=\frac{{4N}_{\max }}{{\mathrm{\πd}}^2}---\left(1\right)$

$\left[P_{\min }\right]=\frac{N_{\min }}{A}=\frac{{4N}_{\min }}{{\mathrm{\πd}}^2}---\left(2\right)$

式(1)、(2)中，A为支腿液压缸内孔面积，d为液压缸内孔直径。

在所述支腿末端上部和下部分别安装限位开关，当支腿升降幅度超过一定值，触发限位开关，控制器检测到开关量信息，发出报警指令。

工程机械施工过程中，由于重心的移动，支腿的受力是变化的，当某个支腿受力下降到零时，工程机械开始发生倾覆。当某个支腿受力过大，支腿会发生折断。为保证工程机械在施工过程中的防倾覆能力，通过检测支腿液压缸上腔的压力来检测支腿的受力情况。压力传感器实时检测液压缸上腔的压力，并将压力值发送给控制器，当压力值超出设定范围时，控制器发出电信号命令控制液压执行元件，由此控制支腿升降，若经过数次调整压力值还未达到设定值范围内，则报警器发出报警。

所述报警装置为蜂鸣器，价格低廉，能够降低生产成本。

本发明的有益效果：

1)、在工程机械施工前，通过控制单个支腿的升降，使工程机械自动适应复杂路面，控制车体倾斜度在0.5％之内。

2)、在工程机械施工过程中，能够有效地防止工程机械作业时发生倾覆，防止了危险的发生，消除了安全隐患，提高了可靠性，而且结构简单，安装方便。

3)、提高工程机械智能化水平。

附图说明

图1是本发明的防倾覆装置的结构框图

图2是本发明的防倾覆装置示意图及传感器安装结构示意图。

图中，1：限位开关传感器，2：车体，3：压力传感器，4：液压缸，5：支腿，a：液压缸与支腿上半部夹角，b：支腿结构的拐角，h：支腿上半部长度，P：活塞杆与支腿连接处。

具体实施方式

为了能够清楚地理解本发明的上述目的、优点和特征，下面结合附图与具体实施对本发明进行进一步的详细描述。

防倾覆装置的结构框图如图1所示，包括安装在车体上的四个支腿，支腿结构及支腿液压缸安装位置均经过有限元分析优化，在车体2上安装有位于每个支腿上部和下部的限位开关传感器1、用于检测车体倾角的倾角传感器和控制四个支腿伸缩的液压执行元件，在所述的液压执行元件上设有压力传感3器；所述的限位开关、倾角传感器、压力传感器均与控制器相连，其中倾角传感器、压力传感器带有CANopen接口，与控制器的通讯方式采用CAN通讯。

如图2所示，支腿5和液压缸4与车体2连接，液压缸4的伸缩运动可引起支腿的升降。在支腿完全放下的情况下，液压缸活塞杆尾端固定h的2/3处，固定点为P点，且夹角a为38°，支腿结构的拐角b为142°。

在液压缸4后端盖上安装压力传感器3，可实时检测液压缸上腔的压力，在机体上安装限位开关1，可检测支腿的升降是否超过极限位置，在工程机械回转平台上安装倾角传感器，实时检测车体倾角。

在车体上安装控制器，控制器写入程序，使其具有接收传感器数据，对数据按一定算法运算和比较的能力，可输出PWM控制信号控制液压执行元件。

在工程机械施工前，控制支腿放下，并使支腿自动适应不平的路面，此部分的具体实施方式是：

上述装置的防倾斜方法，如下：

1)、在工程机械施工前，压力传感器和倾角传感器分别检测到4个支腿液压缸压力和车体倾角，向控制器发出信号；

2)、控制器接收到信号并与预先设定的数值进行比较，当接收到信号超出预设值后，控制器向液压执行元件发出控制命令；

3)、液压执行元件接收到控制器命令后，控制单个支腿的升降，与此同时，控制器实时接收传感器的信号，当接收到的信号在预设值范围之内，控制器停止向液压执行元件发命令，支腿停止升降；

4)、经过以上步骤，调整好支腿位置，控制车体倾斜度保持在0.5％之内，控制4个支腿压力在设定范围之内，工程机械即可进行施工作业；

在施工过程中，传感器实时检测液压缸压力和车体倾角，向控制器发出信号。当检测到某一支腿液压缸压力超出预设值后，则控制该支腿升降，使车体倾角及液压缸压力回到安全范围之内，由此有效的防止车体倾覆。

在调节单个支腿升降过程中，当支腿升降超过极限位置时，即支腿与地面的夹角超出30°—60°的范围，会触碰到限位开关，报警器发出报警，操作人员应停止作业。

所述预先设定的数值包括车体的倾斜度以及支腿液压缸压力设定值；

所述的车体倾斜度不大于0.5％。

所述支腿液压缸压力设置在最小设定压力P_min与最大设定压力P_max之间，设定压力P是根据支腿的受力情况计算得到，假设N为支腿受力，N_min为支腿最小受力，N_max为支腿的最大受力，N_min和N_max根据工程机械施工时的受力情况确定，且不同吨位、不同形状的工程机械施工时，其值是不同的，具体公式如下：

设定压力计算公式为：

$\left[P_{\max }\right]=\frac{N_{\max }}{A}=\frac{{4N}_{\max }}{{\mathrm{\πd}}^2}---\left(1\right)$

$\left[P_{\min }\right]=\frac{N_{\min }}{A}=\frac{{4N}_{\min }}{{\mathrm{\πd}}^2}---\left(2\right)$

式(1)、(2)中，A为支腿液压缸内孔面积，d为液压缸内孔直径。

在所述支腿末端上部和下部分别安装限位开关，当支腿升降幅度超过一定值，触发限位开关，控制器检测到开关量信息，发出报警指令。

工程机械施工过程中，由于重心的移动，支腿的受力是变化的，当某个支腿受力下降到零时，工程机械开始发生倾覆。当某个支腿受力过大，支腿会发生折断。为保证工程机械在施工过程中的防倾覆能力，通过检测支腿液压缸上腔的压力来检测支腿的受力情况。压力传感器实时检测液压缸上腔的压力，并将压力值发送给控制器，当压力值超出设定范围时，控制器发出电信号命令控制液压执行元件，由此控制支腿升降，若经过数次调整压力值还未达到设定值范围内，则报警器发出报警。

所述报警装置为蜂鸣器，价格低廉，能够降低生产成本。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内 。

Claims (9)

1.一种应用于工程机械的自动适应复杂路面的防倾覆装置，其特征在于，包括安装在车体上的四个支腿，在车体上安装有位于每个支腿上部和下部的限位开关、用于检测车体倾角的倾角传感器和控制四个支腿伸缩的液压执行元件，在所述的液压执行元件上设有压力传感器；所述的限位开关、倾角传感器、压力传感器均与控制器相连，所述的控制器还与报警装置相连。

2.如权利要求1所述的应用于工程机械的自动适应复杂路面的防倾覆装置，其特征在于，所述的倾角传感器安装在车体回转平台上，实时检测车体的倾角，并将检测到的车体倾角值发送给控制器。

3.如权利要求1所述的应用于工程机械的自动适应复杂路面的防倾覆装置，其特征在于，

所述液压执行元件包括先导式电液比例方向阀和液压缸，先导式电液比例方向阀可由PWM信号控制，所述的液压缸的缸体固定在车体上；在支腿完全放下的情况下，液压缸活塞杆尾端固定在支腿上半部的2/3处，且液压缸与支腿上半部的夹角为38°。

4.如权利要求1所述的应用于工程机械的自动适应复杂路面的防倾覆装置，其特征在于，4个所述的压力传感器安装在4个支腿液压缸后端盖上，实时检测液压缸上腔的压力，并向控制器发送压力信息。

5.如权利要求1所述的应用于工程机械的自动适应复杂路面的防倾覆装置，其特征在于，所述的倾角传感器和压力传感器均带有CANopen接口，与控制器的通讯方式采用CAN通讯。

6.如权利要求1所述的装置的防倾斜方法，其特征在于，如下：

步骤1、在工程机械施工前，压力传感器和倾角传感器分别检测到4个支腿液压缸压力和车体倾角，向控制器发出信号；

步骤2、控制器接收到信号并与预先设定的数值进行比较，当接收到信号超出预设值后，控制器向液压执行元件发出控制命令；

步骤3、液压执行元件接收到控制器命令后，控制单个支腿的升降，与此同时，控制器实时接收传感器的信号，当接收到的信号在预设值范围之内，控制器停止向液压执行元件发命令，支腿停止升降；

步骤4、经过以上步骤，调整好支腿位置，控制车体倾斜度保持在0.5％之内，控制4个支腿压力在设定范围之内，工程机械即可进行施工作业。

7.如权利要求1所述的装置的防倾斜方法，其特征在于，在调节单个支腿升降过程中，当支腿升降超过极限位置时，即支腿与地面的夹角超出30°—60°的范围，会触碰到限位开关，报警器发出报警，操作人员应停止作业。

8.如权利要求1所述的装置的防倾斜方法，其特征在于，所述预先设定的数值包括车体的倾斜度以及支腿液压缸压力设定值；

所述的车体倾斜度不大于0.5％；

所述支腿液压缸压力设置在最小设定压力P_min与最大设定压力P_max之间。

9.如权利要求8所述的装置的防倾斜方法，其特征在于，所述的P_min，P_max的计算方法如下:

假设N为支腿受力，N_min为支腿最小受力，N_max为支腿的最大受力，N_min和N_max根据工程机械施工时的受力情况确定，且不同吨位、不同形状的工程机械施工时，其值是不同的，具体公式如下：

设定压力计算公式为：

$\left[P_{\max }\right]=\frac{N_{\max }}{A}=\frac{4N_{\max }}{\mathrm{\π}{d}^2}---\left(1\right)$

$\left[P_{\min }\right]=\frac{N_{\min }}{A}=\frac{4N_{\min }}{\mathrm{\π}{d}^2}---\left(2\right)$

式(1)、(2)中，A为支腿液压缸内孔面积，d为液压缸内孔直径。

在所述支腿末端上部和下部分别安装限位开关，当支腿升降幅度超过一定值，触发限位开关，控制器检测到开关量信息，发出报警指令。