CN111559217A - 一种用于提高平衡重式叉车转向稳定性的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高平衡重式叉车转向稳定性的控制方法，是通过陀螺仪采集的叉车运动参数计算叉车动态稳定点并对比叉车支撑平面的变化以判断叉车的运动状态，并根据不同的运动状态采取不同的稳定性控制方法：当叉车处于稳定状态时，动平衡块锁定在初始位置且液压支撑油缸处于自由状态；当叉车处于基本稳定状态时，将动平衡块沿固定轨道向方向盘转动方向移动且液压支撑油缸处于半自由状态；当叉车处于失稳状态时，将动平衡块沿固定轨道向方向盘转动方向移动到极限位置且液压支撑油缸处于锁止状态。本发明能有效提高叉车在不同转向工况下的稳定性。

Description

一种用于提高平衡重式叉车转向稳定性的控制方法

技术领域

本发明涉及一种叉车稳定性控制领域，具体地说是一种提高叉车转向稳定性的控制方法。

背景技术

随着平衡重式叉车叉车广泛应用于工厂、港口、车站、货仓等各大行业之中，其工作环境也越来越复杂，在叉车转向过程中，若出现转向半径过小、转向车速过大或者转向时货叉及搬运的货物质心较高，则会造成叉车车身侧倾角变大，造成叉车侧倾发生事故，因此叉车在工作过程中其转向安全性亟待提高。

平衡重式叉车前部配有装卸货物的门架货叉装置，叉车前轮为驱动轮，后轮为转向轮，采用双梯形转向机构。转向桥中部有一个铰接点与车架连接，车架可通过铰接点相对转向桥进行上下摆动。由于铰接，叉车支撑平面为两前轮支撑点和后桥与车架的铰接点组成，叉车行驶平面为两前轮支撑点与两后轮支撑点连线中点组成，由于支撑平面与行驶平面不重合而产生夹角，通常称为支承平面倾角。叉车的这种铰链连接方式，虽然提高了叉车作业的灵活性以及通过凹、凸路面时车体的平稳性，但是由于存在支承平面倾角，导致车架摆动，使叉车支撑平面与行驶平面不重合，转向时受离心力影响容易发生横向失稳甚至侧翻，造成操作人员和货物的安全隐患。

发明内容

本发明为避免上述现有技术所存在的不足之处，提出一种用于提高叉车转向稳定性的控制方法，以期使叉车在作业过程中防止因侧倾角过大发生侧倾，从而提升叉车横向稳定性和主动安全。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种用于提高平衡重式叉车转向稳定性的控制方法，是应用于设置有执行机构的叉车上，所述执行机构，包括：液压支撑油缸、动平衡块和动平衡块执行机构；所述液压支撑油缸包括：第一电磁阀与油缸；所述动平衡块执行机构包括：第二电磁阀、移动油缸与固定轨道；

所述第一电磁阀与油缸的进油口相连接，所述油缸的两端分别与叉车的车身以及转向桥相连接；所述移动油缸固定在静平衡块上，所述动平衡块与移动油缸连接，且所述动平衡块通过滑轮安装在所述固定轨道上，从而使得所述动平衡块在所述移动油缸的作用下，能沿着所述固定轨道左右移动；

在叉车的质心位置上还设置一陀螺仪传感器；

以叉车底盘质心为原点O，以叉车底质心为原点O，以叉车前进方向为X轴，Y轴与X轴垂直且位于过原点O的水平面内，Z轴垂直于所述X轴、Y轴构成的平面XOY，从而建立三维坐标系O-XYZ；其特点是：所述控制方法是按如下步骤进行：

步骤1、利用所述陀螺仪传感器采集车身侧倾角、侧向加速度和侧倾角加速度信号，从而计算得到叉车动态稳定点沿叉车横向方向分量y；所述动态稳定点是指在叉车支撑平面内使得叉车车身和底盘合力矩沿叉车横向方向分量为0的点；

步骤2、根据所述叉车动态稳定点沿叉车横向方向分量y与叉车支撑平面，判断叉车的运动状态；

步骤3、当叉车处于稳定状态时，通过动平衡块执行机构将动平衡块锁定在初始位置，并控制所述第一电磁阀使得液压支撑油缸处于自由状态；

当叉车处于基本稳定状态时，根据不同转向工况，通过动平衡块执行机构将动平衡块沿固定轨道向方向盘转动方向移动不同距离，并控制所述第一电磁阀使得液压支撑油缸处于半自由状态；

当叉车处于失稳状态时，通过动平衡块执行机构将动平衡块沿固定轨道向方向盘转动方向移动到极限位置，并控制所述第一电磁阀使得液压支撑油缸处于锁止状态。

本发明所述的控制方法的特点也在于：步骤1中的叉车动态稳定点沿叉车横向方向分量y是利用式(1)计算得到：

式(1)中，m、

分别为叉车整车质量、车身质量和叉车底盘质量；h_s为车身质心到叉车后桥铰接点沿Z轴方向距离；φ为车身侧倾角；a_y为叉车侧向加速度；I_x为整车绕X轴的转动惯量；y为叉车动态稳定点沿叉车横向方向的坐标。

步骤2中是按如下步骤进行判断：

当所述动态稳定点存在于叉车支撑平面以内时，叉车处于稳定状态；

当所述动态稳定点存在于叉车支撑平面以外时，叉车处于危险状态；

所述危险状态包括基本稳定状态和失稳状态。

所述叉车支撑平面是按如下方法确定：

当液压支撑油缸不提供侧向支撑力时，车身处于自由状态，所述叉车支撑平面为车身和前桥的左右连接点与后桥铰接点形成的等腰三角形支撑平面；

当液压支撑油缸为车身提供侧向支撑力时，所述叉车支撑平面为车身与前桥左右连接点、所述液压支撑油缸与后桥连接点以及油缸相对X轴在后桥的对称点所构成的等腰梯形支撑平面。

所述动态稳定点是否存在于所述叉车支撑平面内是按照如下方法进行判断：

当|y|≤l₁，则表示叉车支撑平面内存在所述动态稳定点；其中，l₁表示叉车车身质心到所述等腰三角支撑平面腰的距离；

当|y|＞l₁+l₂，则叉车支撑平面内不存在所述动态稳定点；其中，l₂表示叉车车身质心到所述等腰梯形支撑平面腰的距离。

所述危险状态是按照以下方法进行细分：

当动态稳定点沿叉车横向方向分量y满足l₁＜|y|≤l₂时，叉车处于基本稳定状态；

当动态稳定点沿叉车横向方向分量y满足|y|≥l₂时，叉车处于失稳状态。

步骤3中所述叉车处于基本稳定状态时，令所述动平衡块的移动距离与所述动态稳定点沿叉车横向分量y绝对值成正比。

步骤3中所述液压支撑油缸的工作过程为：

当所述液压支撑油缸处于自由状态时，所述第一电磁阀控制所述液压支撑油缸使之上下油腔完全接通，所述油缸处于自由运动状态，所述液压支撑油缸使得转向桥与车身自由连接；

当所述液压支撑油缸处于半自由状态时，所述第一电磁阀控制所述液压支撑油缸使之上下油腔节流接通，所述油缸处于阻尼运动状态，所述液压支撑油缸使得转向桥与车身阻尼连接；

当所述液压支撑油缸的锁止状态时，所述第一电磁阀控制所述液压支撑油缸使之上下油腔断开连通，所述油缸使得转向桥与车身固连。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过采集叉车车身的运动学参数计算叉车动态稳定点并与叉车支撑平面比较进行叉车姿态判断，与目前通过观察轮胎是否离地以及侧向加速度等叉车姿态判断方式相比，具有较高的精度，可准确及时判断叉车的姿态，为提高叉车转向稳定性提供了控制依据。

2、本发明通过叉车动态稳定点与叉车支撑平面的关系进行叉车转向状态的判断，并考虑叉车转向过程中支撑平面的变化，将叉车状态分为稳定、基本稳定、失稳三个阶段，并根据不同的阶段采用不同的转向稳定性控制策略，当叉车处于稳定状态时，将动平衡块锁定在初始位置，液压支撑油缸处于自由状态，可有效发挥叉车车架与车架饺接结构对路面的仿行功能；当叉车处于基本稳定状态时，将动平衡块沿固定轨道向方向盘转动方向移动，液压支撑油缸处于半自由状态，可有效调整叉车车身姿态；当叉车处于失稳状态时，将动平衡块沿固定轨道向向方向盘转动方向移动到极限位置，液压支撑油缸处于锁止状态，提高了叉车转向稳定性。

3、本发明通过液压支撑油缸和动平衡块同时工作，并在不同的转向阶段使平衡重式叉车保持稳定的行驶状态。在失稳状态下液压支撑油缸可通过锁止车架与后桥扩大平衡重式叉车的稳定性区域，同时动平衡块能够通过沿固定轨道移动到极限位置最大限度改变了平衡重式叉车质心位置，提高了叉车转向稳定性。

附图说明

图1为本发明的叉车后视图；

图2为本发明的质心位置示意图；

图3为本发明叉车支撑平面示意图；

图中标号：1液压支撑油缸；2静平衡块；3车架与转向桥的铰接点；4动平衡块；5车架；6转向桥。

具体实施方式

本实施例中，一种用于提高平衡重式叉车转向稳定性的控制方法，是应用于设置有执行机构的叉车上，执行机构，包括：液压支撑油缸、动平衡块和动平衡块执行机构；液压支撑油缸包括：第一电磁阀与油缸；动平衡块执行机构包括：第二电磁阀、移动油缸与固定轨道；

第一电磁阀与油缸的进油口相连接，油缸的两端分别与叉车的车身以及转向桥相连接；移动油缸固定在静平衡块上，动平衡块与移动油缸连接，且动平衡块通过滑轮安装在固定轨道上，从而使得动平衡块在移动油缸的作用下，能沿着固定轨道左右移动；

以叉车底盘质心为原点O，以叉车底质心为原点O，以叉车前进方向为X轴，Y轴与X轴垂直且位于过原点O的水平面内，Z轴垂直于X轴、Y轴构成的平面XOY，从而建立三维坐标系O-XYZ；该控制方法是按如下步骤进行：

步骤1、将陀螺仪传感器固定于叉车质心位置，在叉车运动过程中采集叉车陀螺仪的输出信号；如图1所示，在叉车车架5与转向桥6之间竖直安装液压支撑油缸1；该液压支撑油缸1包括：第一电磁阀与油缸；第一电磁阀与油缸的进油口相连接，油缸的两端分别与叉车的车架5以及转向桥6相连接；利用陀螺仪传感器采集车身侧倾角、侧向加速度和侧倾角加速度信号，从而利用式(1)计算得到叉车动态稳定点沿叉车横向方向分量y；

式(1)中，m、

分别为叉车整车质量、车身质量和叉车底盘质量；h_s为车身质心到叉车后桥铰接点沿Z轴方向距离；φ为车身侧倾角；a_y为叉车侧向加速度；I_x为整车绕X轴的转动惯量；y为叉车动态稳定点沿叉车横向方向的坐标；

如图2所示中，点P所示，动态稳定点是指在叉车支撑平面内使得叉车车身和底盘合力矩沿叉车横向方向分量为0的点；

步骤2、根据叉车动态稳定点沿叉车横向方向分量y与叉车支撑平面，判断叉车的运动状态；如图3所示，当液压支撑油缸处于自由状态时，叉车支撑平面为面ABE，此时叉车车身质心到等腰三角支撑平面腰的距离为l₁；当液压支撑油缸为车身提供支撑力时，叉车支撑平面为面ABGF，此时叉车车身质心到等腰梯形支撑平面腰的距离为l₂；

若|y|≤l₁，则表示叉车处于稳定状态；

若l₁＜|y|＜l₂，则表示叉车处于基本稳定状态；

若l₁+l₂＜|y|，则表示叉车处于基本稳定状态；

步骤3、当叉车处于稳定状态时，通过动平衡块执行机构将动平衡块锁定在初始位置，并控制所述第一电磁阀使得液压支撑油缸处于自由状态；其中，动平衡块锁定在初始位置是指动平衡块位于X轴延长线上，液压支撑油缸自由状态是指自由状态是指第一电磁阀控制信号为100％占空比的PWM信号，第一电磁阀控制液压支撑油缸使之上下油腔完全接通，液压支撑油缸使得转向桥与车身自由连接。

当叉车处于基本稳定状态时，根据不同转向工况，通过动平衡块执行机构将动平衡块沿固定轨道向方向盘转动方向移动不同距离，并控制所述第一电磁阀使得液压支撑油缸处于半自由状态；其中，动平衡块移动的距离s与叉车动态稳定点沿Y轴分量y绝对值成正比，比例系数为k，即s＝k|y|，其中，

l为平衡重式叉车动平衡块由中间位置移动到极限位置距离，β为失稳状态时动态稳定点沿Y轴分量y绝对值；液压支撑油缸半自由状态是指油缸电磁阀控制信号为0％～70％的PWM占空比信号，第一电磁阀控制液压支撑油缸使之上下油腔节流接通，油缸处于阻尼运动状态，液压支撑油缸使得转向桥与车身阻尼连接。

当叉车处于失稳状态时，通过动平衡块执行机构将动平衡块沿固定轨道向方向盘转动方向移动到极限位置，并控制所述第一电磁阀使得液压支撑油缸处于锁止状态。其中，液压支撑油缸锁止状态是指油缸电磁阀控制信号为0％的PWM占空比信号，第一电磁阀控制液压支撑油缸使之上下油腔节流接通，液压支撑油缸使得转向桥与车身阻尼连接；

实施例：将本发明的提高叉车转向稳定性的方法应用于某型3吨平衡重式叉车上，该平衡重式叉车整车绕X轴的转动惯量为18432kg/m²，整车质量m＝4639kg，车身质量

底盘部分质量

车身质心到叉车后桥铰接点沿Z轴方向距离h_s＝0.58m，动平衡块动平衡块由中间位置移动到极限位置距离为l＝40cm，失稳状态时动态稳定点沿Y轴分量y绝对值为1，因此k＝40；叉车车身质心到等腰三角支撑平面腰的距离l₁＝0.25m，叉车车身质心到等腰梯形支撑平面腰的距离l₂＝0.38m。该液压支撑油缸锁止状态是指油缸电磁阀控制信号为0％的PWM占空比信号，半自由状态是指油缸电磁阀控制信号为0％～70％的PWM占空比信号，自由状态是指油缸电磁阀控制信号为70％～100％占空比的PWM信号。

提高叉车转向转向稳定性的过程如下：

步骤1、采集叉车陀螺仪的输出信号；

步骤2、按照式(1)计算动态稳定点沿Y轴分量y＝0.31m；

步骤3、根据动态稳定点沿Y轴分量y判断叉车运动状态。由于l₁＜y＜l₂,因此叉车处于基本稳定状态；

步骤4、叉车处于基本稳定状态，通过动平衡块执行机构将动平衡块沿固定轨道向方向盘转动方向移动12.4cm，液压支撑油缸电磁阀控制信号为45％的PWM信号，液压支撑油缸处于半自由状态。

综上所述，采用本发明的提高叉车转向稳定性方法，可有效识别叉车稳定性状态并进行稳定控制，防止了叉车在转向过程中侧翻，提升了叉车横向稳定性和主动安全。

Claims (8)

1.一种用于提高平衡重式叉车转向稳定性的控制方法，是应用于设置有执行机构的叉车上，所述执行机构，包括：液压支撑油缸、动平衡块和动平衡块执行机构；所述液压支撑油缸包括：第一电磁阀与油缸；所述动平衡块执行机构包括：第二电磁阀、移动油缸与固定轨道；

所述第一电磁阀与油缸的进油口相连接，所述油缸的两端分别与叉车的车身以及转向桥相连接；所述移动油缸固定在静平衡块上，所述动平衡块与移动油缸连接，且所述动平衡块通过滑轮安装在所述固定轨道上，从而使得所述动平衡块在所述移动油缸的作用下，能沿着所述固定轨道左右移动；

在叉车的质心位置上还设置一陀螺仪传感器；

以叉车底盘质心为原点O，以叉车底质心为原点O，以叉车前进方向为X轴，Y轴与X轴垂直且位于过原点O的水平面内，Z轴垂直于所述X轴、Y轴构成的平面XOY，从而建立三维坐标系O-XYZ；其特征是：所述控制方法是按如下步骤进行：

步骤1、利用所述陀螺仪传感器采集车身侧倾角、侧向加速度和侧倾角加速度信号，从而计算得到叉车动态稳定点沿叉车横向方向分量y；所述动态稳定点是指在叉车支撑平面内使得叉车车身和底盘合力矩沿叉车横向方向分量为0的点；

步骤2、根据所述叉车动态稳定点沿叉车横向方向分量y与叉车支撑平面，判断叉车的运动状态；

步骤3、当叉车处于稳定状态时，通过动平衡块执行机构将动平衡块锁定在初始位置，并控制所述第一电磁阀使得液压支撑油缸处于自由状态；

当叉车处于基本稳定状态时，根据不同转向工况，通过动平衡块执行机构将动平衡块沿固定轨道向方向盘转动方向移动不同距离，并控制所述第一电磁阀使得液压支撑油缸处于半自由状态；

当叉车处于失稳状态时，通过动平衡块执行机构将动平衡块沿固定轨道向方向盘转动方向移动到极限位置，并控制所述第一电磁阀使得液压支撑油缸处于锁止状态。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：步骤1中的叉车动态稳定点沿叉车横向方向分量y是利用式(1)计算得到：

式(1)中，m、

分别为叉车整车质量、车身质量和叉车底盘质量；h_s为车身质心到叉车后桥铰接点沿Z轴方向距离；φ为车身侧倾角；a_y为叉车侧向加速度；I_x为整车绕X轴的转动惯量；y为叉车动态稳定点沿叉车横向方向的坐标。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：步骤2中是按如下步骤进行判断：

当所述动态稳定点存在于叉车支撑平面以内时，叉车处于稳定状态；

当所述动态稳定点存在于叉车支撑平面以外时，叉车处于危险状态；

所述危险状态包括基本稳定状态和失稳状态。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述叉车支撑平面是按如下方法确定：

当液压支撑油缸不提供侧向支撑力时，车身处于自由状态，所述叉车支撑平面为车身和前桥的左右连接点与后桥铰接点形成的等腰三角形支撑平面；

当液压支撑油缸为车身提供侧向支撑力时，所述叉车支撑平面为车身与前桥左右连接点、所述液压支撑油缸与后桥连接点以及油缸相对X轴在后桥的对称点所构成的等腰梯形支撑平面。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述动态稳定点是否存在于所述叉车支撑平面内是按照如下方法进行判断：

当|y|≤l₁，则表示叉车支撑平面内存在所述动态稳定点；其中，l₁表示叉车车身质心到所述等腰三角支撑平面腰的距离；

当|y|＞l₁+l₂，则叉车支撑平面内不存在所述动态稳定点；其中，l₂表示叉车车身质心到所述等腰梯形支撑平面腰的距离。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述危险状态是按照以下方法进行细分：

当动态稳定点沿叉车横向方向分量y满足l₁＜|y|≤l₂时，叉车处于基本稳定状态；

当动态稳定点沿叉车横向方向分量y满足|y|≥l₂时，叉车处于失稳状态。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：步骤3中所述叉车处于基本稳定状态时，令所述动平衡块的移动距离与所述动态稳定点沿叉车横向分量y绝对值成正比。

8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：步骤3中所述液压支撑油缸的工作过程为：

当所述液压支撑油缸处于自由状态时，所述第一电磁阀控制所述液压支撑油缸使之上下油腔完全接通，所述油缸处于自由运动状态，所述液压支撑油缸使得转向桥与车身自由连接；

当所述液压支撑油缸处于半自由状态时，所述第一电磁阀控制所述液压支撑油缸使之上下油腔节流接通，所述油缸处于阻尼运动状态，所述液压支撑油缸使得转向桥与车身阻尼连接；

当所述液压支撑油缸的锁止状态时，所述第一电磁阀控制所述液压支撑油缸使之上下油腔断开连通，所述油缸使得转向桥与车身固连。

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