CN111395767A - 一种臂架泵车防倾翻保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种臂架泵车防倾翻保护系统，包括检测模块、控制模块，执行机构；所述检测模块与控制模块相连接，检测模块检测到的信号输入控制模块；所述控制模块与执行机构联接，控制模块发送执行信号给执行机构，用于干预臂架泵车的臂架动作；利用本发明的臂架泵车防倾翻保护系统，能够实时计算车辆的稳定性，并在车辆即将失稳的时候进行干预，确保车辆稳定。

Description

一种臂架泵车防倾翻保护系统

技术领域

本发明属于工程机械安全防护领域，具体涉及一种臂架泵车的防倾翻保护系统。

背景技术

工程机械广泛应用于工程施工的各种领域，其中，臂架类工程机械具有工作范围大、作业方式灵活等有点，如臂架泵车、集装箱起重机、汽车起重机、伸缩臂叉车等，广泛应用于各类施工作业场所。

随着社会的发展，工程机械的施工安全日益重要，所以，工程机械的技术发展路线之一就是其作业的安全性。以臂架泵车为例，影响其安全施工的因素有很多，其中，对臂架泵车自身影响较大的因素是倾翻稳定性。

为了确保臂架泵车的防倾翻的安全，现有技术虽然采取了很多技术措施，包括：

1、检测支腿液压油缸的压力；

2、在支腿上安装力传感器；

3、通过臂架的姿态实时计算臂架的重心位置；

但上述现有技术并不能很好地解决泵车防倾翻问题：支腿的支撑油缸的压力并不能反应支腿受力；在支腿上安装力传感器的可靠性很低，故障率较高；通过臂架的实时姿态计算臂架的重心位置成本很高，而且计算误差大、实时性差。

发明内容

针对上述问题，本方案提供了一种臂架泵车防倾翻保护系统，能够实时计算车辆的稳定性，并在车辆即将失稳的时候进行干预，确保车辆稳定。本发明的技术方案如下：

一种臂架泵车防倾翻保护系统，包括检测模块、控制模块，执行机构；所述检测模块与控制模块相连接，检测模块检测到的信号输入控制模块；所述控制模块与执行机构联接，控制模块发送执行信号给执行机构，用于干预臂架泵车的臂架动作；

所述检测模块包括臂架水平转角传感器、臂架倾角传感器和臂架支撑力传感器；其中臂架倾角传感器安装在泵车第一节臂架上，用于采集臂架倾角R；臂架水平转角传感器安装在主平台与臂架连接处，用于采集臂架相对主平台的水平转角Q，臂架支撑力传感器安装在泵车臂架的液压油缸支撑点处，用于采集臂架支撑力F；

所述控制模块采集上述的臂架倾角R、臂架水平转角Q和臂架支撑力F，并根据这些信号和控制器内预设的车辆固有参数进行实时计算；

实时计算内容如下：

第一步，计算臂架的重心位置，即臂架的重心到回转中心的距离L1

第二步，计算泵车整车重心G的位置；

第三步：计算泵车整车重心偏离坐标原点的距离S3和稳定性系数K

第四步：输出执行信号，限制泵车臂架的运动速度和运动方向

所述执行信号内容如下：

当K2≤K，回收或转动臂架，使K<K2；

当K1≤K<K2，限制臂架向危险方向的操作速度不超过Vmax

其中K1、K2和Vmax是预设的常数；

进一步的，所述第一步计算臂架的重心位置，即臂架的重心到回转中心的距离L1方法如下：

其中，G1为臂架的重力，已知并预先设定；

F为臂架的支撑力，由臂架支撑力传感器测得；

L2为臂架支撑油缸到臂架纵向回转中心的距离，根据臂架倾角R和第一节臂架与支撑油缸之间几何尺寸关系算得，

L2的计算方法如下：

其中，A、B为臂架根部到油缸两端的距离；R为臂架与水平面的夹角，由倾角传感器测得；R0为臂架根部与油缸根部的连线与水平面的夹角；

进一步的，所述第二步，计算泵车整车重心G的位置方法如下：

泵车的总体重心位置表示为G(Q,S3)，其中，Q为臂架的水平转角，由臂架水平转角传感器测得，S3为泵车总体重心偏离极坐标原点的距离；

其中

其中，G1为臂架的重力，已知并预先设定；

G0为泵车整车除臂架外其余部分的重力，已知并预设

L1为臂架的重心到回转中心的距离，由上一步计算得出；

进一步的，所述第三步，计算泵车整车重心偏离坐标原点的距离S3和稳定性系数K的方法如下：

其中，Smax是坐标原点到臂架在支撑多边形上的投影与多边形的交点的距离，

S3为泵车总体重心偏离极坐标原点的距离，由上一步计算得出；

本发明的原理如下：

1、本发明的系统组成和连接关系

在臂架泵车上安装有检测模块，所述的检测模块包括臂架水平转角传感器、臂架倾角传感器和臂架支撑力传感器中。检测模块用于检测泵车的状态信息。

检测模块与臂架泵车的控制模块相连接，检测模块检测到的信号输入控制模块。

臂架泵车上装有控制模块，用于臂架泵车的控制。

为了实现臂架泵车的防倾翻稳定性安全防护，控制模块输出安全保护信号，安全信号用于控制模块对臂架泵车进行操作控制，以提高臂架泵车的防倾翻稳定性。

2、本发明的安全防护系统的工作原理

检测模块对臂架泵车的实时工作状态参数进行实时检测，主要检测：

臂架倾角、

臂架水平转角、

臂架支撑力，

检测模块的实时数据输入到控制模块后，控制模块对检测数据进行实时运算，获得结论信息：

臂架的实时重心位置和臂架泵车的总体重心位置；

泵车总体重心相对支撑多边形的位置和泵车防倾翻稳定性的安全系数；

输出安全保护信号：限制臂架在危险方向的动作；

安全保护信号发送给对应的执行机构，用于干预臂架泵车的臂架动作，包括臂架回转动作和臂架动作伸展，从而避免倾翻危险发生，提高臂架泵车的安全性。

3、本发明工作过程中采用的控制方法

臂架倾角传感器安装在泵车臂架上，用于采集臂架的倾角R；臂架水平转角传感器安装在主平台与臂架连接处，用于采集臂架相对主平台的水平转角Q，预设臂架在初始位置时的转角Q0，则Q的取值范围为(-180°,180°)；臂架支撑力传感器安装在泵车臂架的液压油缸支撑点处，用于采集臂架支撑力F。

控制模块采集上述的臂架倾角R、臂架水平转角Q和臂架支撑力F，并根据这些信号和控制器内预设的车辆固有参数进行实时计算，得出臂架泵车的重心位置，具体计算方法是：采集臂架支撑力F、臂架倾角R和臂架水平转角Q，结合预设的车辆本身的参数进行计算，车辆本身的参数包括：泵车支腿的多边形、泵车除臂架外部分的重力和重心在泵车支腿多边形上的投影、臂架的重力、第一节臂架与支撑油缸之间几何尺寸关系等。

本发明的有益效果如下：利用本发明的臂架泵车防倾翻保护系统，能够实时计算车辆的稳定性，并在车辆即将失稳的时候进行干预，确保车辆稳定。

附图说明

图1是本发明各模块的连接关系示意图

图2是本发明的控制算法流程图；

图3是臂架的重心到回转中心的距离计算示意图

图4是整车重心的计算示意图

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：

一种臂架泵车防倾翻保护系统，包括检测模块、控制模块，执行机构；所述检测模块与控制模块相连接，检测模块检测到的信号输入控制模块；所述控制模块与执行机构联接，控制模块发送执行信号给执行机构，用于干预臂架泵车的臂架动作；

所述检测模块包括臂架水平转角传感器、臂架倾角传感器和臂架支撑力传感器；其中臂架倾角传感器安装在泵车第一节臂架上，用于采集臂架倾角R；臂架水平转角传感器安装在主平台与臂架连接处，用于采集臂架相对主平台的水平转角Q，臂架支撑力传感器安装在泵车臂架的液压油缸支撑点处，用于采集臂架支撑力F；

所述控制模块采集上述的臂架倾角R、臂架水平转角Q和臂架支撑力F，并根据这些信号和控制器内预设的车辆固有参数进行实时计算。

1、系统组成和连接关系

在臂架泵车上安装有臂架水平转角传感器、臂架倾角传感器和臂架支撑力传感器。其中，臂架水平转角传感器安装在泵车主平台与第一节臂架的连接处，臂架倾角传感器安装在第一节臂架上，臂架支撑力传感器安装在臂架第一节臂液压油缸上。

上述臂架水平转角传感器、臂架倾角传感器和臂架支撑力传感器与臂架泵车的控制器相连接，传感器检测到的信号输入控制器。

为了实现臂架泵车的防倾翻稳定性安全防护，控制器输出安全保护信号，安全信号用于控制器对臂架泵车进行操作控制，以提高臂架泵车防倾翻稳定性。

上述各模块的连接关系如图1所示：

2、本方案所述的安全防护系统的工作原理

臂架水平转角传感器、臂架倾角传感器和臂架支撑力传感器对臂架泵车的实时工作状态参数进行实时检测，主要检测：

臂架倾角、

臂架水平转角、

臂架支撑力，

臂架水平转角传感器、臂架倾角传感器和臂架支撑力传感器的实时数据输入到控制器后，控制器对检测数据进行实时运算，获得结论信息：

臂架的实时重心位置和臂架泵车的总体重心位置；

泵车总体重心相对支撑多边形的位置和泵车防倾翻稳定性的安全系数；

输出安全保护信号：限制臂架在危险方向的动作；

安全保护信号发送给对应的执行机构，用于干预臂架泵车的臂架动作，包括臂架回转动作和臂架动作伸展，从而避免倾翻危险发生，提高臂架泵车的安全性。

3、本方案工作过程中采用的控制方法

臂架倾角传感器安装在泵车第一节臂架上，用于采集臂架的倾角R；臂架水平转角传感器安装在主平台与臂架连接处，用于采集臂架相对主平台的水平转角Q，预设臂架在初始位置时的转角Q0，本实施例中，取Q0＝0。Q的取值范围为(-180°,180°)；臂架支撑力传感器安装在泵车臂架的液压油缸支撑点处，用于采集臂架支撑力F。

控制模块采集上述的臂架倾角R、臂架水平转角Q和臂架支撑力F，并根据这些信号和控制器内预设的车辆固有参数进行实时计算，得出臂架泵车的重心位置，具体计算方法是：采集臂架支撑力F、臂架倾角R和臂架水平转角Q，结合预设的车辆本身的参数进行计算，车辆本身的参数包括：泵车支腿的多边形、泵车除臂架外部分的重力和重心在泵车支腿多边形上的投影、臂架的重力、第一节臂架与支撑油缸之间几何尺寸关系等。

本方案的控制算法流程图如图2所示；

具体计算过程分为以下四步，下面分别说明上述四步计算过程和方法：

第一步：计算臂架的重心到回转中心的距离L1，如图3所示

对于臂架，存在以下公式：

G1×L1＝F×L2

其中，G1为臂架的重力，已知并预先设定；

L1为臂架重心到回转中心的距离，未知，待计算；

F为臂架的支撑力，由臂架支撑力传感器测得；

L2为臂架支撑油缸到臂架纵向回转中心的距离，根据臂架倾角R和第一节臂架与支撑油缸之间几何尺寸关系算得，其计算方法如下：

其中，A、B为臂架根部到油缸两端的距离；R为臂架与水平面的夹角，由倾角传感器测得；R0为臂架根部与油缸根部的连线与水平面的夹角，本实施例中，取R0＝0。

据此，可以计算L1：

可见，L1是臂架倾角R和支撑力F的函数。

第二步：计算泵车整车重心G的位置和整车重心到坐标原点的距离S3；

根据下图和公式可以计算整车重心的位置，如图4所示

其中，Q0，Q，L1，L3均为已知或测得或算得数据，本实施例中，取Q0＝0，取L3＝0

S1×G1＝S3×G0

可以求得整车重心G点的位置。本实施例采用极坐标，坐标原点为支撑正方形的几何重心，也是下车重心位置；臂架的水平转角为极坐标系的角度；总体重心到坐标原点的距离

可见，泵车的总体重心位置可以表示为(Q,S3)，其中，Q为臂架的水平转角，S3为泵车总体重心偏离坐标原点的距离。

第三步：计算泵车稳定性系数K

泵车支腿的支撑多边形，一般为四边形，本实施例取支撑多边形为正方形，且下车重心位于正方形的几何中心。臂架水平转角Q与总体重心的最大值和极限值存在对应关系，即，对于测得的臂架水平转角Q，总体重心到坐标原点的距离S3对应唯一的最大值和极限值。由图可见，对于0<Q<45°时，S3的极限值

其中，S为支撑正方形的边长。

其中，Smax是坐标原点到臂架在支撑多边形上的投影与多边形的交点的距离。

第四步：输出执行信号，限制泵车臂架的运动速度和运动方向。

控制器根据臂架泵车的实时重心位置S3和支撑正方形的位置关系，计算当前泵车倾翻稳定性系数K，并根据稳定性系数K进行数据输出。

根据稳定性系数的大小，控制器进行阶梯式输出信号，如下表：

稳定性系数K	执行信号
		K2≤K	回收或转动臂架，使K<K2
K1≤K<K2	限制危险方向的动作速度不超过Vmax

上表中，K1和K2是预设的常数。本实施例中，取K1＝0.9，K2＝1

当K1≤K<K2时，控制器会限制驾驶员对臂架向危险方向的操作速度不超过Vmax，包括向危险方向转动臂架、向危险方向伸展臂架，但是不限制驾驶员对臂架向安全方向的操作。本实施例中，取Vmax＝0；当K2≤K时，控制器屏蔽驾驶员的所有操作，直接控制臂架回转或收缩，直到K<K2。

以上是对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种臂架泵车防倾翻保护系统，其特征在于，包括检测模块、控制模块，执行机构；

所述检测模块与控制模块相连接，检测模块检测到的信号输入控制模块；所述控制模块与执行机构联接，控制模块发送执行信号给执行机构，用于干预臂架泵车的臂架动作；

所述检测模块包括臂架水平转角传感器、臂架倾角传感器和臂架支撑力传感器；其中臂架倾角传感器安装在泵车第一节臂架上，用于采集臂架倾角R；臂架水平转角传感器安装在主平台与臂架连接处，用于采集臂架相对主平台的水平转角Q，臂架支撑力传感器安装在泵车臂架的液压油缸支撑点处，用于采集臂架支撑力F；

所述控制模块采集上述的臂架倾角R、臂架水平转角Q和臂架支撑力F，并根据这些信号和控制器内预设的车辆固有参数进行实时计算；

实时计算内容如下：

第一步，计算臂架的重心位置，即臂架的重心到回转中心的距离L1

第二步，计算泵车整车重心G的位置；

第三步：计算泵车整车重心偏离坐标原点的距离S3和稳定性系数K

第四步：输出执行信号，限制泵车臂架的运动速度和运动方向所述执行信号内容如下：

当K2≤K，回收或转动臂架，使K<K2；

当K1≤K<K2，限制臂架向危险方向的操作速度不超过Vmax

其中K1、K2和Vmax是预设的常数。

2.根据权利要求1所述的一种臂架泵车防倾翻保护系统，其特征在于，所述第一步计算臂架的重心位置，即臂架的重心到回转中心的距离L1方法如下：

其中，G1为臂架的重力，已知并预先设定；

F为臂架的支撑力，由臂架支撑力传感器测得；

L2为臂架支撑油缸到臂架纵向回转中心的距离，根据臂架倾角R和第一节臂架与支撑油缸之间几何尺寸关系算得，

L2的计算方法如下：

其中，A、B为臂架根部到油缸两端的距离；R为臂架与水平面的夹角，由倾角传感器测得；R0为臂架根部与油缸根部的连线与水平面的夹角。

3.根据权利要求1所述的一种臂架泵车防倾翻保护系统，其特征在于，所述第二步，计算泵车整车重心G的位置方法如下：

泵车的总体重心位置表示为G(Q,S3)，其中，Q为臂架的水平转角，由臂架水平转角传感器测得，S3为泵车总体重心偏离极坐标原点的距离；

其中

其中，G1为臂架的重力，已知并预先设定；

G0为泵车整车除臂架外其余部分的重力，已知并预设；

L1为臂架的重心到回转中心的距离，由上一步计算得出。

4.根据权利要求1所述的一种臂架泵车防倾翻保护系统，其特征在于，所述第三步，计算泵车整车重心偏离坐标原点的距离S3和稳定性系数K的方法如下：

其中，Smax是坐标原点到臂架在支撑多边形上的投影与多边形的交点的距离，

S3为泵车总体重心偏离极坐标原点的距离，由上一步计算得出。

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