CN109455621A - 一种轮胎吊闭式液压系统操作装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮胎吊闭式液压系统操作装置及控制方法，包括：车载控制器接收吊臂长度传感器、吊臂变幅角度传感器、变幅缸压力传感器、风速传感器、吊钩倍率、强制开关模块、速度选择开关模块、模式选择开关模块信号，进行计算后得出该工况下允许的最大速度；根据计算值，车载控制器根据手柄动作角度模块成比例的控制闭式泵摆角，从而控制动作的速度；基于模式选择开关模块的信号，然后根据手柄角度模块、油门踏板角度模块和闭式泵出口压力模块，计算出该动作下的需求功率；最后通过功率匹配算法模块，可以求出此功率需求下最优的发动机转速、控制器输出电流。本发明根据检测用户对手柄和油门踏板的操作，控制器通过功率匹配算法，使发动机始终工作在燃油经济性最佳的工况，避免发动机工作在低速大负载或发动机高速小负载的工况。

Description

一种轮胎吊闭式液压系统操作装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种轮胎吊闭式液压系统的操作装置及控制方法，属于轮胎吊闭式液压系统操作技术领域。

背景技术

目前采用闭式系统的轮胎吊有如下特点：手柄和油门分别单独控制闭式泵的摆角和发动机的转速；闭式泵的摆角和发动机转速都可以控制系统流量。当用户操作的发动机转速足够高时，为了使闭式泵决定的流量与发动机决定的流量相适应，闭式泵的排量就要小于闭式泵的最大排量，而如果恰巧此时是轻负载，发动机就工作在了高速小负载的工况，燃油经济性差。

目前采用闭式系统的轮胎吊使用过程中，为了获得较好的发动机燃油经济性，需要凭经验匹配手柄倾角和油门倾角，司机的操作难度大，且难以使发动机工作在燃油经济性最佳的工况。由于安全的需要，对于很多工况来说，产品的速度都受到了限制(控制系统限制不达到最大速度)，这更加大了操作难度。

发明内容

本发明正是针对现有技术存在的不足，提供一种轮胎吊闭式液压系统操作装置及控制方法，采用闭式泵供油的卷扬、回转、主臂变幅、副臂变幅等系统的一种操作装置及其控制方法，设计了模式切换功能，用户通过模式选择开关，可以不使用该模式而是采用传统的操作方式，满足实际使用要求。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种轮胎吊闭式液压系统操作装置，其特征在于：包括吊臂长度传感器、吊臂变幅角度传感器、变幅缸压力传感器、风速传感器、力矩限制器系统、手柄角度模块、车载控制器模块、吊钩倍率模块、强制开关模块、速度选择开关模块、模式选择开关模块、闭式泵电流模块、闭式泵出口压力模块、整机功率匹配算法模块、发动机转速模块、油门踏板角度模块以及发动机比油耗模块；所述吊臂长度传感器、吊臂变幅角度传感器、变幅缸压力传感器、风速传感器与力矩限制器实现单向通信，所述力矩限制器系统、手柄角度模块、吊钩倍率模块、强制开关模块、速度选择开关模块、模式选择开关模块与车载控制器实现单向通信，所述车载控制器与闭式泵电流模块、闭式泵出口压力模块实现单向通信，所述闭式泵出口压力模块与整机功率匹配算法模块实现单向通信，所述整机功率匹配算法模块与发动机转速模块实现单向通信，所述发动机转速模块与发动机比油耗模块实现单向通信，所述油门踏板角度模块与整机功率匹配算法模块实现单向通信。

所述速度选择开关，主要分为蜗牛、乌龟、兔子，该三种模式下，产品速度随着手柄、发动机油门踏板角度变化的曲线形状不同，并且该三种模式下，最大速度分别为慢速、中速、高速。

具体地，所述一种轮胎吊控制方法，包括：车载控制器接收吊臂长度传感器、吊臂变幅角度传感器、变幅缸压力传感器、风速传感器、吊钩倍率、强制开关模块、速度选择开关模块、模式选择开关模块信号，进行计算后得出该工况下允许的最大速度；根据计算值，车载控制器根据手柄动作角度模块成比例的控制闭式泵摆角，从而控制动作的速度；基于模式选择开关模块的信号，然后根据手柄角度模块、油门踏板角度模块和闭式泵出口压力模块，计算出该动作下的需求功率；最后通过功率匹配算法模块，可以求出此功率需求下最优的发动机转速、控制器输出电流来控制发动机转速模块。

具体的，操作时某动作工况下功率需求计算方法如下：第一步，计算所述闭式泵模块的最大输出电流值以及不同手柄倾角下的控制器输出给闭式泵的电流；第二步，计算系统的实际需求流量；第三步，计算出闭式泵的需求功率。

具体地，第一步，所述闭式泵模块的最大输出电流值：

I＝f(x_长度，x_角度，x_压力，x_风速，x_倍率，x_强制，x_模式，x_速度)

所述x_长度为吊臂长度传感器测量的吊臂长度；所述x_角度为吊臂变幅角度传感器测量的吊臂角度；所述x_压力为变幅缸压力传感器测量的闭式泵出口压力；所述x_风速为风速传感器测量的吊臂臂头风速；所述x_倍率为吊钩倍率模块输出的吊钩倍率；所述x_强制为强制开关模块状态；所述x_模式为模式选择开关模块状态；所述x_速度为速度选择开关模块的输出速度。

闭式泵模块的最大输出电流值与吊臂长度、吊臂角度、闭式泵出口压力之间存在预设关系。以纵坐标为最大电流，其特征在于：

第一种：在小于一定的全伸臂臂长百分比时(例如30％)，最大电流为100％；随着臂长的增加，电流减小，在100％全伸臂臂长时最大电流较小(例如为40％)。

第二种：在一定的变幅角度范围内时，最大电流为100％；在另外较小的变幅角度范围内时，随着变幅角度的减小，电流递减；在另外的变幅角度较大的范围内，随着变幅角度的增大，电流递减。

第三种：在小于一定的压力时(例如70％)，最大电流为100％；随着压力的增加，电流逐渐减小，在达到最大系统压力时最大电流较小(例如为30％)。

第四种：在小于一定的风速时(例如60％)，最大电流为100％；随着风速的增加，电流逐渐减小，超过一定值时，最大电流为0。

所述手柄角度模块里不同手柄倾角α下的控制器输出给闭式泵的电流：

I_A＝δα

所述δ为手柄倾角α与闭式泵电流的对应系数，不同工况下有不同的系数。

第二步，根据手柄倾角α得出由闭式泵电流决定的流量需求：

Q_手柄＝kI_A

k为闭式泵的电流与闭式泵输出流量的对应系数

根据油门踏板角度模块输出值θ、最大发动机转速n_max、闭式泵最大排量V_max等计算出由油门踏板决定的闭式泵可提供最大流量：

系统的实际需求流量为两流量取小者Q＝min(Q_手柄，Q_泵)；

第三步，通过变幅缸压力传感器检测闭式泵出口的油压力P_泵，可以计算出闭式泵的需求功率：

W＝mP_泵Q

其中m为系数；

根据上述求出的功率需求，产品发动机最佳工作曲线的求解方法如下：发动机比油耗ge与发动机转速n、输出扭矩T的对应关系ge＝f(T,n)；将比油耗数据中的扭矩T乘以闭式泵的总效率η、发动机与闭式泵的传动比s，得到闭式泵的等效输出扭矩T_P＝ηsT；进而求出发动机比油耗ge与发动机转速n、闭式泵等效输出扭矩T_p的关系：

ge＝f(T_P，n)

其中闭式泵的总效率η受闭式泵的转速、排量、油液温度和输出压力的影响；

根据闭式泵不同转速、等效输出扭矩时，发动机的比油耗，绘制发动机的等比油耗曲线，功率曲线与发动机的等比油耗曲线的切点，就是当前功率W(i)时的最佳工作点(T_p(i,j),n(i,j))，W(i)通过如下公式求得：

W(i)＝min(π.T_P(i，j).n(i，j)/30)

其中T_p(i,j)、n(i,j)受如下条件约束：

将不同功率的最佳工作点相连可以求出最佳工作曲线,可以将最佳工作曲线转化为发动机转速与需求功率的关系n＝g(W)，用于根据用户操作需求功率得出发动机的最佳转速,以及需要匹配的控制器输出的电流。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

(1)本发明中保留了轮胎吊传统的手柄和油门踏板，其操作方法与传统轮胎吊相比并无明显差别。控制器会自动匹配闭式泵的控制电流和发动机转速，达到节能的目的。

(2)传统的操作模式仍然保留，满足不同客户需求。

附图说明

图1为本发明所述一种轮胎吊闭式液压系统操作装置结构框架图。

图2为本发明所述变幅角度随着变幅油缸的长度的变化曲线。

图3为本发明所述闭式泵电流随吊臂长度的变化曲线。

图4为本发明所述闭式泵电流随吊臂角度的变化曲线。

图5为本发明所述闭式泵电流随闭式泵出口压力的的变化曲线。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

1、本发明的目的及基本方案

本发明提供了一种轮胎吊闭式液压系统操作模式及其控制方法，适用于经过特殊设计的采用闭式泵供油的卷扬系统、回转系统、副臂变幅系统等。整机功率匹配算法根据手柄倾角信号、油门踏板的角度信号的大小计算用户的速度需求，结合检测闭式泵出口的压力、闭式泵电流，可以计算出此速度下对应功率需求。根据发动机的燃油特性和闭式泵的效率特性，可以计算出此功率时，发动机燃油消耗率最低的负载扭矩和转速。整机功率匹配算法根据计算结果和闭式泵的压力，匹配控制发动机的转速和闭式泵的摆角(控制电流)，在满足用户需求的情况下，使发动机工作在燃油经济性最佳的工况。为了满足多种用户的需要，本专利设计了模式切换功能，用户可以通过模式选择开关，可以不使用该模式而是采用传统的操作方式。

2、本发明技术方案

如图1所示，一种轮胎吊闭式液压系统操作装置，包括吊臂长度传感器、吊臂变幅角度传感器、变幅缸压力传感器、风速传感器、力矩限制器系统、手柄角度模块、车载控制器模块、吊钩倍率模块、强制开关模块、速度选择开关模块、模式选择开关模块、闭式泵电流模块、闭式泵出口压力模块、整机功率匹配算法模块、发动机转速模块、油门踏板角度模块以及发动机比油耗模块；所述吊臂长度传感器、吊臂变幅角度传感器、变幅缸压力传感器、风速传感器与力矩限制器实现单向通信，所述力矩限制器系统、手柄角度模块、吊钩倍率模块、强制开关模块、速度选择开关模块、模式选择开关模块与车载控制器实现单向通信，所述车载控制器与闭式泵电流模块、闭式泵出口压力模块实现单向通信，所述闭式泵出口压力模块与整机功率匹配算法模块实现单向通信，所述整机功率匹配算法模块与发动机转速模块实现单向通信，所述发动机转速模块与发动机比油耗模块实现单向通信，所述油门踏板角度模块与整机功率匹配算法模块实现单向通信。速度选择开关，主要分为蜗牛、乌龟、兔子，该三种模式下，产品速度随着手柄、发动机油门踏板角度变化的曲线形状不同，并且该三种模式下，最大速度分别为慢速、中速、高速。

具体地，所述一种轮胎吊闭式液压系统控制方法，具体实现方案如下：由于轮胎吊安全的需要，产品本身设计有力矩限制器系统，车载控制器接收吊臂长度传感器、吊臂变幅角度传感器、变幅缸压力传感器、风速传感器、吊钩倍率、强制开关模块、速度选择开关模块、模式选择开关模块信号，进行计算后得出该工况下允许的最大速度；根据计算值，车载控制器根据手柄动作角度模块成比例的控制闭式泵摆角，从而控制动作的速度；基于模式选择开关模块的信号，然后根据手柄角度模块、油门踏板角度模块和闭式泵出口压力模块，计算出该动作下的需求功率；最后通过功率匹配算法模块，可以求出此功率需求下最优的发动机转速、控制器输出电流来控制发动机转速。

具体的，操作时某动作工况下功率需求计算方法如下：第一步，计算所述闭式泵模块的最大输出电流值以及不同手柄倾角下的控制器输出给闭式泵的电流；第二步，计算系统的实际需求流量；第三步，计算出闭式泵的需求功率。

第一步，闭式泵模块的最大输出电流值：

I＝f(x_长度，x_角度，x_压力，x_风速，x_倍率，x_强制，x_模式，x_速度)

所述x_长度为吊臂长度传感器测量的吊臂长度；所述x_角度为吊臂变幅角度传感器测量的吊臂角度；所述x_压力为变幅缸压力传感器测量的闭式泵出口压力；所述x_风速为风速传感器测量的吊臂臂头风速；所述x_倍率为吊钩倍率模块输出的吊钩倍率；所述x_强制为强制开关模块状态；所述x_模式为模式选择开关模块状态；所述x_速度为速度选择开关模块的输出速度。

闭式泵模块的最大输出电流值与吊臂长度、吊臂角度、闭式泵出口压力之间存在预设关系。以纵坐标为最大电流，其特征在于：

第一种：在小于一定的全伸臂臂长百分比时(例如30％)，最大电流为100％；随着臂长的增加，电流减小，在100％全伸臂臂长时最大电流较小(例如为40％)。

第二种：在一定的变幅角度范围内时，最大电流为100％；在另外较小的变幅角度范围内时，随着变幅角度的减小，电流递减；在另外的变幅角度较大的范围内，随着变幅角度的增大，电流递减。

第三种：在小于一定的压力时(例如70％)，最大电流为100％；随着压力的增加，电流逐渐减小，在达到最大系统压力时最大电流较小(例如为30％)。

第四种：在小于一定的风速时(例如60％)，最大电流为100％；随着风速的增加，电流逐渐减小，超过一定值时，最大电流为0。

如图2所示，在角度较小时线性度较差，油缸以相同的速度运动时，吊臂的角速度不同；用户使用时最关注的是臂头线速度，线速度等于吊臂长度x_长度和角速度乘积，理想的情况是臂头线速度不管在什么工况下都不变(现有情况是线速度会随着吊臂长度进行变化，但不是线性变化，造成安全性和使用性较差)，闭式泵输出的流量需要根据臂头的长度进行变化，而闭式泵的流量由闭式泵的排量和发动机转速决定，所以闭式泵的控制电流需要根据发动机转速实时调整。变幅起时闭式泵出口压力x_压力由变幅角度、吊重量等负载决定，无法进行控制，只能基于压力的大小进行去被动的控制。吊臂臂头风速x_风速影响整车的安全性，风速越大整车受到的侧向力会越大，侧向力不可控；风速造成的侧向力主要由风速大小、臂的受力面积决定；根据风速大小的不同，风速会对使用造成两种情况影响：限制向非安全方向运动；另一种情况是降低动作速度。x_强制为强制开关状态，在危险工况例如达到额定载荷的100％及以上、车身倾角大于一定值或风速大于一定的值等工况，都要在强制开关按下才能工作，只要按下强制开关，根据情况不同产品动作的速度就要限制到一定的值。x_模式为模式选择开关状态，也就是只有按下该操作模式，功率匹配算法才能起作用。x_速度为速度选择开关，主要分为蜗牛、乌龟、兔子，该三种模式下，产品速度随着手柄、发动机油门踏板角度变化的曲线形状不同，并且该三种模式下，最大速度不同。另外，吊钩钢丝绳倍率x_倍率影响卷扬系统的压力和变幅、回转等系统基本无关，在吊重量相同的情况下，倍率越多重量分配到每个钢丝绳上的重量变小，卷扬起时压力会越小。

具体的，手柄角度模块里不同手柄倾角α下的控制器输出给闭式泵的电流：

I_A＝δα

所述δ为手柄倾角α与闭式泵电流的对应系数，不同工况下有不同的系数；

第二步，根据手柄倾角α得出由闭式泵电流决定的流量需求：

Q_手柄＝kI_A

k为闭式泵电流与闭式泵输出流量的对应系数；

由于安全和操作感受的需要，闭式泵电流又受到吊臂长度、吊臂角度、闭式泵出口压力的限制，它们之间的关系如图3、图4、图5所示；风速大于一定值时则限制产品向非安全方向(吊臂外伸、变幅落、卷扬起等)动作；倍率用于力矩百分比的辅助计算；强制开关启动后对产品最大速度进行限制；在该发明所述的操作模式下时整机功率匹配算法才发挥作用；在速度选择(蜗牛、乌龟、兔子)开关下随着手柄角度的变化系统速度曲线不同、最大速度不同。

根据油门踏板角度模块输出值θ、最大发动机转速n_max、闭式泵最大排量V_max等计算出由油门踏板决定的闭式泵可提供最大流量：

系统的实际需求流量为两流量取小者Q＝min(Q_手柄，Q_泵)。

第三步，通过变幅缸压力传感器检测闭式泵出口的油压力P_泵，可以计算出闭式泵的需求功率：

W＝mP_泵Q

其中m为系数；对于发动机来说，T为发动机扭矩，Nm；P为发动机功率，KW；n为发动机转速，r/min；9550是系数。扭矩、功率、转速之间关系为：T＝9550P/n。

根据上述求出的功率需求，产品发动机最佳工作曲线的求解方法如下：发动机比油耗ge与发动机转速n、输出扭矩T的对应关系ge＝f(T,n)；将比油耗数据中的扭矩T乘以闭式泵的总效率η、发动机与闭式泵的传动比s，得到闭式泵的等效输出扭矩T_P＝ηsT；进而求出发动机比油耗ge与发动机转速n、闭式泵等效输出扭矩T_p的关系：

ge＝f(T_P，n)

其中闭式泵的总效率η受闭式泵的转速、排量、油液温度和输出压力的影响；

根据闭式泵不同转速、等效输出扭矩时，发动机的比油耗，绘制发动机的等比油耗曲线，功率曲线与发动机的等比油耗曲线的切点，就是当前功率W(i)时的最佳工作点(T_p(i,j),n(i,j))，W(i)通过如下公式求得：

W(i)＝min(π.T_P(i，j).n(i，j)/30)

其中T_p(i,j)、n(i,j)受如下条件约束：

将不同功率的最佳工作点相连可以求出最佳工作曲线,可以将最佳工作曲线转化为发动机转速与需求功率的关系n＝g(W)，用于根据用户操作需求功率得出发动机的最佳转速,以及需要匹配的控制器输出的电流。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种轮胎吊闭式液压系统操作装置，其特征在于：包括吊臂长度传感器、吊臂变幅角度传感器、变幅缸压力传感器、风速传感器、力矩限制器系统、手柄角度模块、车载控制器模块、吊钩倍率模块、强制开关模块、速度选择开关模块、模式选择开关模块、闭式泵电流模块、闭式泵出口压力模块、整机功率匹配算法模块、发动机转速模块、油门踏板角度模块以及发动机比油耗模块；所述吊臂长度传感器、吊臂变幅角度传感器、变幅缸压力传感器、风速传感器与力矩限制器实现单向通信，所述力矩限制器系统、手柄角度模块、吊钩倍率模块、强制开关模块、速度选择开关模块、模式选择开关模块与车载控制器实现单向通信，所述车载控制器与闭式泵电流模块、闭式泵出口压力模块实现单向通信，所述闭式泵出口压力模块与整机功率匹配算法模块实现单向通信，所述整机功率匹配算法模块与发动机转速模块实现单向通信，所述发动机转速模块与发动机比油耗模块实现单向通信，所述油门踏板角度模块与整机功率匹配算法模块实现单向通信；

所述速度选择开关，主要分为蜗牛、乌龟、兔子，该三种模式下，并且该三种模式下，最大速度分别为慢速、中速、高速。

2.一种轮胎吊控制方法，包括：车载控制器接收吊臂长度传感器、吊臂变幅角度传感器、变幅缸压力传感器、风速传感器、吊钩倍率、强制开关模块、速度选择开关模块、模式选择开关模块信号，进行计算后得出该工况下允许的最大速度；根据计算值，车载控制器根据手柄动作角度模块成比例的控制闭式泵摆角，从而控制动作的速度；基于模式选择开关模块的信号，然后根据手柄角度模块、油门踏板角度模块和闭式泵出口压力模块，计算出该动作下的需求功率；最后通过功率匹配算法模块，可以求出此功率需求下最优的发动机转速、控制器输出电流。

3.根据权利要求2所述的一种轮胎吊控制方法，其特征在于：操作时某动作工况下功率需求计算方法如下：第一步，计算所述闭式泵模块的最大输出电流值以及不同手柄倾角下的控制器输出给闭式泵的电流；第二步，计算系统的实际需求流量；第三步，计算出闭式泵的需求功率。

4.根据权利要求3所述的一种轮胎吊控制方法，其特征在于：所述闭式泵模块的最大输出电流值：

I＝f(x_长度，x_角度，x_压力，x_风速，x_倍率，x_强制，x_模式，x_速度)

所述x_长度为吊臂长度传感器测量的吊臂长度；所述x_角度为吊臂变幅角度传感器测量的吊臂角度；所述x_压力为变幅缸压力传感器测量的闭式泵出口压力；所述x_风速为风速传感器测量的吊臂臂头风速；所述x_倍率为吊钩倍率模块输出的吊钩倍率；所述x_强制为强制开关模块状态；所述x_模式为模式选择开关模块状态；所述x_速度为速度选择开关模块的输出速度；

所述闭式泵模块的最大输出电流值与吊臂长度、吊臂角度、闭式泵出口压力之间存在预设关系；

所述手柄角度模块里不同手柄倾角α下的控制器输出给闭式泵的电流：

I_A＝δα

所述δ为手柄倾角α与闭式泵电流的对应系数，不同工况下有不同的系数。

5.根据权利要求4所述的一种轮胎吊控制方法，其特征在于：计算系统的实际需求流量方法如下：

根据手柄倾角α得出由闭式泵电流决定的流量需求：

Q_手柄＝kI_A

k为闭式泵电流与闭式泵输出流量的对应系数；

根据油门踏板角度模块输出值θ、最大发动机转速n_max、闭式泵最大排量V_max等计算出由油门踏板决定的闭式泵可提供最大流量：

系统的实际需求流量为两流量取小者Q＝min(Q_手柄，Q_泵)。

6.根据权利要求5所述的一种轮胎吊控制方法，其特征在于：计算闭式泵的需求功率方法如下：

通过变幅缸压力传感器检测闭式泵出口的油压力P_泵，可以计算出闭式泵的需求功率：

W＝mP_泵Q

其中m为系数。

7.根据权利要求6所述的一种轮胎吊控制方法，其特征在于：产品发动机最佳工作曲线的求解方法如下：

发动机比油耗ge与发动机转速n、输出扭矩T的对应关系ge＝f(T,n)；将比油耗数据中的扭矩T乘以闭式泵的总效率η、发动机与闭式泵的传动比s，得到闭式泵的等效输出扭矩T_P＝ηsT；进而求出发动机比油耗ge与发动机转速n、闭式泵等效输出扭矩T_p的关系：

ge＝f(T_P，n)

其中闭式泵的总效率η受闭式泵的转速、排量、油液温度和输出压力的影响；

根据闭式泵不同转速、等效输出扭矩时，发动机的比油耗，绘制发动机的等比油耗曲线，功率曲线与发动机的等比油耗曲线的切点，就是当前功率W(i)时的最佳工作点(T_p(i,j),n(i,j))，W(i)通过如下公式求得：

W(i)＝min(π.T_P(i，j).n(i，j)/30)

其中T_p(i,j)、n(i,j)受如下条件约束：(C(i)为常数，i＝1、2、3、…，j＝1、2、3、…)

将不同功率的最佳工作点相连可以求出最佳工作曲线,可以将最佳工作曲线转化为发动机转速与需求功率的关系n＝g(W)，用于根据用户操作需求功率得出发动机的最佳转速,以及需要匹配的控制器输出的电流。