CN105384120A - 一种基于重力自平衡的自动调平方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于重力自平衡的自动调平方法及装置。本发明以能发挥重力自平衡力矩作用的工作斗悬挂方式为结构基础，采用了配置有安全离合器的行星齿轮系作为执行机构，进而实施主动助力调平控制的方法及装置。调平机构具有调平驱动省力、动态响应快、过程平稳、精度高等优点；通过安全离合器，当自动调平出现超调或故障时，触发安全离合器开启动作，调平系统被动转化为重力自平衡调平的安全模式，实现了调平系统的本质安全；调平系统还具有工作斗受到瞬态扰动、负载冲击时的系统安全保护和及时自恢复自动调平运行的功能。本发明能有效提高调平系统的性能及安全和可靠性水平。

Description

一种基于重力自平衡的自动调平方法及装置

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，具体地说是高空作业车、云梯消防车及自行式高空作业平台等特种工程机械产品中，其臂架末端装配的载人工作平台(亦称工作斗)的一种自动调平方法及装置。

背景技术

在高空作业车、云梯消防车及自行式高空作业平台等特种工程机械产品中，一般在臂架末端装配有载人工作平台，亦称工作斗。由于臂架系统变幅运动、臂架弹性变形和结构振动，以及工作斗的运动惯性、风荷、作业载荷冲击等作用下，均会引起工作斗偏摆，产生倾斜。调平机构的作用是调整工作斗偏移角，回复并保持工作斗作业过程中始终处于水平状态。调平机构优劣直接关系到整车机动性能、人员的作业条件和人身安全，是高空作业车的核心技术之一。

随着高空作业车技术向大高度、大范围、高机动、轻量化方向的发展，调平机构对整机性能的影响愈加突出，调平机构既要具有优良的调平性能，调平角度范围大、动态响应快、调平精度高、平稳性好等，同时又要保证绝对安全可靠，即在调平系统故障或失灵的情况下，也能避免工作斗倾翻、人员跌落等恶性安全事故的发生。目前可见的调平方法，如自重平衡调平、平行四杆调平机构，静液压调平机构、机电液自动调平技术等，均难以满足对调平性能和安全可靠性水平日益增长的要求。

自重平衡调平方法，利用重力原理，工作斗在自身重力和负载重力的作用下始终具有趋向水平状态的自平衡能力。该方法结构简单、成本低，但由于缺乏主动控制手段，不能解决因惯性力和变动负载引起的工作斗不平及动态晃动。平行四杆机构调平和静液压调平两种方法均是于臂架结构为刚性构件系统的调平方法，不具备动态因素引起的工作斗不平的调平能力，限制了其调平性能的提高。

自动调平是利用电子控制器和作业斗水平传感器实时控制工作斗调平机构运动的自动调平方法。较常用的是电液控制自动调平和电机控制自动调平两类，其区别在于调平执行机构驱动件是液压还是电动机。自动调平方法，由作业斗水平传感器采集水平偏移角实时误差信号，控制器根据偏移角反馈信号和控制策略，生成控制电信号，调节电液阀控元件或电机驱动器输出,进而控制调平液压缸、力矩马达、摆动油缸或电动机等动力装置动作，驱动调平执行机构实现工作斗水平的动态调节。自动调平是机电液一体化技术，拥有较高的响应速度和调平精度，是高性能高空作业车的首选调平方法。

然而，现有的自动调平方法缺点也较突出，其系统复杂，技术实现难度大，成本高；同时一旦出现超调、故障等问题，极易瞬间发生工作斗倾覆事故，技术风险大，装置的运行可靠性和安全性难保障。因此设计时必须相应提高调平系统驱动能力、动态响应能力等指标；同时同步配置手动调平装置，系统故障时切换为手动调平。这些措施既增加了系统复杂性，也不能完全避免事故发生。

发明内容

本发明提出了一种基于重力自平衡的自动调平方法及装置，其目的在于，通过将调平执行机构安装于工作斗质心上方，并采用带有安全离合器的行星齿轮轮系作为调平执行机构，有效提高调平系统的性能及安全性和可靠性水平。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于重力自平衡的自动调平方法及装置，包括调平执行机构、系统控制器、传感器、驱动器等，调平执行机构的中心轴安装在工作斗质心上方。其特征在于，所述调平执行机构由驱动马达、行星齿轮系、安全离合器等组成，其中驱动马达作为主动助力调平的动力源，由驱动器控制运转，使行星齿轮系的一个中心轮获得运动输入，安全离合器两轴端与行星齿轮系的另一中心轮和臂架末端杆分别固联，行星齿轮系的行星架（亦称系杆）与工作斗固联。

进一步地，所述安全离合器为带易损元件类型。

进一步地，所述安全离合器为不带易损元件类型，如摩擦安全离合器。

进一步地，所述驱动马达是液压力矩马达、摆动油缸或者电动机，所述驱动器则相应是液压阀控元器件或者电机驱动器。

进一步地，所述调平执行机构采取轴向两端对称布置两套调平机构，实施同步驱动工作斗调平；也可采用一套调平机构单边驱动工作斗的方式。

进一步地，所述系统控制器在安全控制策略上，当所述安全离合器因调平装置出现超调或故障而启动动作时，采取关闭调平驱动器输出、臂架系统进入低速运行等安全保护措施，直至收车或自动调平功能恢复。

与现有技术相比，本发明采用设置有安全离合器的行星齿轮轮系作为调平执行机构，并将调平执行机构布置于工作斗质心上方，实现了基于重力自平衡的主动电子助力的自动调平方法及装置，调平性能好；当自动调平出现超调或故障时，安全离合器动作，自动调平可被动转化为重力自平衡调平的安全模式，调平系统具有本质安全特性；安全离合器采用不带易损元件类型时，如摩擦安全离合器，调平机构具有由安全模式恢复到自动调平模式的自恢复功能，提高了调平系统抗干扰能力。现有工作斗自动调平技术中尚未见以上技术方法、方案或装置。

附图说明

图1是工作斗自动调平系统结构图，其中，图1(a)是调平系统结构组成示意图，图1(b)是调平执行机构结构组成示意图。

图2是行星齿轮轮系中心轴位置布置图。

图3是调平执行机构传动原理图，其中，图3(a)是主动助力控制调平模式下的调平机构简图，图3(b)是安全模式触发瞬态的调平机构简图；图3(c)是重力自平衡调平的安全模式下的调平机构简图。

图4是选用不带易损元件类安全离合器的调平机构简图。

图5是调平执行机构轴向配置图。

在所有附图中，相同的附图标记号用来表示相同的元件、结构或构件，其中：

1-调平执行机构，2-工作斗，3-臂架末端杆，4-驱动马达，5-行星齿轮轮系，6-带易损元件安全离合器，7-外齿中心齿轮，8-内齿中心齿轮，9-带易损元件安全离合器，10-驱动器，11-系统控制器，12-传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是工作斗自动调平系统结构的一个具体实施例。图1（a）所示为调平系统整体结构组成示意图，调平系统由调平执行机构1,系统控制器11,驱动器10,传感器12等构成，其中调平执行机构1安置于工作斗质心上方，并联接工作斗2和臂架末端杆3。图1（b）所示为调平执行机构结构组成示意图，调平执行机构1由驱动马达4、行星齿轮轮系5、安全离合器6等组成，其中马达4作为主动助力调平的驱动件，由主动助力调平驱动器10控制运转，安全离合器6的轴向两端分别与行星齿轮轮系5的中心轮8与臂架末端杆3固联。

图2是行星齿轮轮系中心轴位置布置图的实施例。主动助力控制自动调平系统是以重力自平衡为基础实现的，行星齿轮轮系5的中心轴位置布置应有效发挥重力自平衡作用。如图所示，行星齿轮轮系5的中心轴位置应尽量置于工作斗2满载质心作用线上，且悬置距离越大越有利于重力自平衡作用发挥。同时，为最大限度减小主动助力调平的最大驱动力矩要求，当作业相关的外载荷力较大时，如工作斗2有消防水炮作业时水炮后座力为工作斗2主要的偏摆力，行星齿轮轮系5的中心轴位置布置则应尽量靠近该力作用线。因此，行星齿轮轮系5的中心轴位置布置应根据工作斗2作业特点和承载能力要求等因素综合设计。

图3是调平执行机构传动原理图的实施例。图中，安全离合器为带易损元件类的安全离合器6。图3(a)是自动调平模式下传动原理图。如图所示，调平执行机构1以主动助力调平方式工作，其为单自由度行星轮机构5，其中，外齿中心轮7为输入构件，行星架为输出构件并与工作斗2固联，机架为臂架末端杆3。外齿中心轮7由马达直驱或由马达驱动的传动机构获得运动输入，使行星架即工作斗2产生调平动作。调平系统以能发挥重力自平衡力矩作用的工作斗悬挂方式为结构基础，通过采用以行星齿轮系5作为执行机构，实现了主动助力调平控制的功能，因此本方法及装置具有调平驱动省力、动态响应快、过程平稳、精度高等优点。

图3(b)是安全模式触发瞬态传动原理图。如图所示，当调平系统出现超调或故障时，工作斗2偏摆角变大，造成内齿中心轮8承受扭矩增大而触发安全离合器6开启动作，由此与臂架末端杆3固联的安全离合器6将释放内齿中心轮8为自由转动状态，调平执行机构1进入安全模式，此时调平机构转化为两自由度行星轮机构5，其中中心轮7和行星架成为机构的两个独立的运动输入构件。行星架即工作斗2因工作斗质心偏置回覆力矩作用下产生转动，实现调平功能。因此，当主动控制系统故障或超调发生时，调平系统被动转化为重力自平衡调平模式，可确保工作斗2工作在一定的偏摆角范围内，实现调平机构由自动助力调平工作模式向安全模式的转化功能。

图3(c)是安全模式传动原理图。如图所示，调平系统进入安全模式后，可采取切断主动助力调平驱动输出和使臂架切换为低速运行等措施，即外齿中心轮7锁止，调平机构处于单自由度机构状态，行星架即工作斗2为原动件，以重力自平衡力矩驱动运转，安全离合器6动轴为阻尼负载，实现了具有阻尼特性的重力自平衡功能。因此调平机构具有本质安全性。

图4是选用不带易损元件类安全离合器的调平机构简图的实施例。图4所示机构与图3相比较，区别在于选用了不带易损元件类的安全离合器9。采用这类离合器时，调平系统具有由安全模式恢复到自动调平模式的功能。如采用摩擦安全离合器时，若调平执行机构1出现超调或故障，离合器9动作，调平执行机构1由主动控制助力调平转为重力自平衡调平。由于离合器9动、静摩擦特性的力矩差值，随着工作斗2偏摆角减小，离合器9重新恢复到吸合状态，调平系统又自动恢复到自动调平功能模式，实现工作斗2受到瞬态扰动、负载冲击时系统安全保护和及时自恢复正常的自动调平运行的功能。

按照本发明的较佳实施方式，调平执行机构1的驱动马达4，根据作业车调平系统设计的动力来源不同，可以采用液压力矩马达、摆动油缸或者电动机，而分别形成电液控制自动调平系统和机电控制自动调平系统。

图5是调平执行机构轴向配置的实施例。如图所示，为调平执行机构1轴向两端对称布置，调平系统对两端的调平机构实现同步驱动控制。对于小轴向距离的工作斗2，也可采用调平机构单边驱动的结构型式，可简化系统结构、节约成本。

按照本发明的较佳实施方式，控制器11在安全控制策略上，当安全离合器6或9因调平装置出现超调或故障而启动动作时，采取关闭调平驱动器10输出、臂架系统及其末端杆3进入低速运行等安全保护措施，直至收车或自动调平功能恢复。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于重力自平衡的自动调平方法及装置，包括调平执行机构（1）、驱动器（10）、系统控制器(11)、传感器(12)等，其特征在于，所述调平执行机构（1）由驱动马达（4）、行星齿轮系（5）、安全离合器（6）等组成，其中马达作为主动助力调平的动力源，由驱动器（10）控制运转，使行星齿轮系（5）的一个中心轮获得运动输入，安全离合器（6）两轴端与行星齿轮系（5）的另一中心轮和臂架末端杆（3）分别固联，行星齿轮系（5）的行星架（亦称系杆）与工作斗（2）固联。

2.根据权利要求1所述的一种基于重力自平衡的自动调平方法及装置，其特征在于，所述安全离合器（6）为带易损元件类型。

3.根据权利要求1所述的一种基于重力自平衡的自动调平方法及装置，其特征在于，所述安全离合器（6）为不带易损元件类型。

4.根据权利要求1所述的一种基于重力自平衡的自动调平方法及装置，其特征在于，所述驱动马达（4）是液压力矩马达、摆动油缸或者电动机，所述驱动器（10）则相应是液压阀控元器件或者电机驱动器。

5.根据权利要求1所述的一种基于重力自平衡的自动调平方法及装置，其特征在于，所述调平执行机构（1）采取轴向两端对称布置两套调平机构，实施同步驱动工作斗调平；也可采用一套调平机构单边驱动工作斗（2）的方式。

6.根据权利要求1所述的一种基于重力自平衡的自动调平方法及装置，其特征在于，所述系统控制器（11）在安全控制策略上，当所述安全离合器因调平装置出现超调或故障而启动动作时，采取关闭调平驱动器（10）输出、臂架系统进入低速运行等安全保护措施，直至收车或自动调平功能恢复。