CN112811356B - 一种用于平衡重式叉车防侧翻的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于平衡重式叉车防侧翻的控制方法,是通过叉车车身姿态传感器采集的叉车动态运动数据,判断叉车此时的侧翻状态;在不同得侧翻状态下采用不同的能量分级指标,可实现对不同侧翻状态下的叉车防侧翻稳定性的精确识别,为防侧翻控制提供依据;本发明所涉及的平衡重式叉车防侧翻控制系统,根据判断的叉车不同侧翻状态,分别采用防侧翻支撑油缸与全液压主动转向,并根据实时侧倾能量识别的叉车防侧翻稳定性,进行精确、实时的防侧翻控制,提高叉车的防侧翻稳定性与主动安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种平衡重式叉车稳定性控制领域,具体地说是一种叉车防侧翻的控制方法。
背景技术
随着平衡重式叉车广泛应用于工厂、港口、车站、货仓等各大交通物流行业之中,其工作环境也越来越复杂。由于叉车属于重心较高的工程车辆,且其工作中若出现转向半径过小、车速过快的情况,会造成叉车车身侧倾严重。若不加以控制,则容易发生叉车侧翻事故。因此提高叉车在工作过程中的防侧翻稳定性,具有重要的意义。
平衡重式叉车前轮为驱动轮,后轮为转向轮。由于后转向桥与车身之间的铰接点,平衡重式叉车车身可相对于后转向桥进行左右摆动,从而提高叉车通过不平路面时的仿形性与平顺性。但是其后桥摆动的独特结构也是叉车在操纵中容易失稳的主要原因。叉车侧翻的过程中,由于激烈转向驾驶行为引起侧向加速度过大,叉车从内侧前驱动轮抬起,逐步恶化到前后单侧车轮离地,直至最后引起侧翻,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,提出一种用于平衡重式叉车防侧翻的控制方法,以期使叉车在作业过程中防止因侧倾角过大或者速度过快而发生侧翻,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:
本发明一种用于平衡重式叉车防侧翻的控制方法的特点是按如下步骤进行:
步骤1、在叉车质心位置处布置陀螺仪传感器,用于获取车身的运动参数,包括横摆角速度、侧倾角和侧向加速度;
在车身的后桥限位块处布置压力传感器,用于获取车身的侧倾状态,包括:侧倾状态Ⅰ和侧倾状态Ⅱ;
在车身的后轮处布置后轮转角传感器,用于获取后轮转向角度;
在叉车后桥转向油缸两侧的进出液压油路位置处布置主动转向电磁阀;
在车身与后桥之间布置防侧翻支撑油缸;
步骤2、根据所述车身的运动参数和侧倾状态,计算在不同状态下的叉车实时失稳能量ERi;
步骤3、根据所述叉车实时失稳能量ERi计算侧倾能量稳定性指标Ei;
步骤4、利用侧倾能量稳定性指标Ei确定侧倾能量阈值Eimin和Eimax,并用于划分不同的侧翻能量等级,从而判断叉车车身防侧翻稳定性状态;
步骤5、根据叉车车身防侧翻稳定性状态,利用所述主动转向电磁阀和所述防侧翻支撑油缸分别控制相应状态下叉车侧翻工况所需的主动转向角度以及侧向支撑力,以提高平衡重式叉车防侧翻稳定性。
本发明所述的一种用于平衡重式叉车防侧翻的控制方法的特点也在于,所述步骤1中是按如下方式判断车身的侧倾状态:
当压力传感器未检测到压力时,或防侧翻支撑油缸未处于锁止状态时,表示叉车处于侧倾状态Ⅰ;
当压力传感器检测到压力时,或防侧翻支撑油缸处于锁止状态时,表示叉车处于侧倾状态Ⅱ。
所述步骤2中是利用式(1)计算叉车实时失稳能量ERi:
式(2)和式(3)中,vy为叉车侧向速度,ms为叉车车身质量,I′x为叉车车身在侧倾状态Ⅰ时的转动惯量,为侧倾角速度,Δh′s为叉车在侧倾状态Ⅰ时的质心变化量,m为叉车整车联合质量,Ix为叉车整车在侧倾状态Ⅱ时的转动惯量,Δh为叉车在侧倾状态Ⅱ时的质心变化量;并有:
I′x=ms·r2 (4)
Ix=m·r′2 (6)
所述步骤3中是利用式(9)计算侧倾能量稳定性指标Ei:
ΔEp0=msgΔhs+mrgΔhu (10)
式(10)中,Δhs为叉车车身质心高度变化值;Δhu为后桥质量质心高度变化值,并有:
所述步骤4中不同的侧翻能量等级是按如下过程划分:
在侧倾状态Ⅰ中,即当i=1时,按照侧倾能量阈值E1min和E1max划分出三个能量等级:Ⅰ-Ⅰ级、Ⅰ-Ⅱ级和Ⅰ-Ⅲ级;
当E1<E1min时,定义侧倾能量为Ⅰ-Ⅰ级,表示叉车处于安全阶段;
当E1min<E1<E1max时,定义侧倾能量为Ⅰ-Ⅱ级,表示叉车处于失稳可控阶段;
当E1max<E1时,定义侧倾能量为Ⅰ-Ⅲ级,表示叉车处于严重失稳阶段;
在侧倾状态Ⅱ中,即当i=2时,按照侧倾能量阈值E2min和E2max划分出三个能量等级:Ⅱ-Ⅰ级、Ⅱ-Ⅱ级和Ⅱ-Ⅲ级;
当E2<E2min时,定义侧倾能量为Ⅱ-Ⅰ级,表示叉车处于安全阶段;
当E2min<E2<E2max时,定义侧倾能量为Ⅱ-Ⅱ级,表示叉车处于危险可控制阶段;
当E2max<E2时,定义侧倾能量为Ⅱ-Ⅲ级,表示叉车处于临近侧翻阶段。
所述步骤5中是按如下方式控制主动转向角度以及侧向支撑力:
当叉车处于Ⅰ-Ⅰ级时,不进行控制;
当叉车处于Ⅰ-Ⅱ级时,控制防侧翻支撑油缸输出侧向支撑力ΔF;
当叉车处于Ⅰ-Ⅲ级时,控制防侧翻支撑油缸输出最大侧向支撑力Fmax;
当叉车处于Ⅱ-Ⅰ级时,控制防侧翻支撑油缸输出最大侧向支撑力Fmax,且主动转向电磁阀不进行转向控制;
当叉车处于Ⅱ-Ⅱ级时,控制防侧翻支撑油缸输出最大侧向支撑力Fmax,且主动转向电磁阀输出后轮主动转向角度δΔ;
当叉车处于Ⅱ-Ⅲ级时,控制防侧翻支撑油缸输出最大侧向支撑力Fmax,且主动转向电磁阀输出后轮最大主动转向角度δΔmax。
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以及判断车身侧倾状态的压力传感器信息,区分叉车两阶段的侧倾状态,在此基础上建立响应的动力学模型,使其可以更准确、更深入的探索叉车的防侧翻稳定性。
2、本发明提出的基于侧翻能量的叉车实时失稳能量ERi,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,可准确且实时判断叉车的姿态。
3、本发明提出的包含实时失稳能量ERi与静态侧翻能量ΔEP0的平衡重式叉车侧倾能量稳定性指标Ei,且综合考虑了叉车车速与后轮转角,使其可以适应叉车复杂的工作环境以及运行工况。
4、本发明基于提出的平衡重视叉车侧倾能量稳定性指标,在叉车侧倾状态Ⅰ和侧倾状态Ⅱ中分别采取不同的控制方法,采用不同的提高叉车防侧翻稳定性的执行机构进行分级控制,这种控制方法能最大程度减小叉车在侧倾过程中的侧倾角和横摆角速度,可将叉车的侧翻危险降到最低,大大提高叉车的防侧翻稳定性和主动安全性。
附图说明
图1为本发明的叉车后视图;
图2为本发明全液压主动转向示意图;
图3为本发明叉车侧倾状态Ⅰ(限位块未接触);
图4为本发明叉车侧倾状态Ⅱ(限位块接触);
图5为本发明叉车静态侧翻示意图;
图6为本发明叉车控制策略框架图;
图中标号:1车身;2叉车车身与后桥铰接点;3叉车后桥;4压力传感器安装位置;5后桥限位块;6防侧翻支撑油缸;7中央控制单元;8主动转向电磁阀;9转向油缸;10液压油箱;11液压油泵。
具体实施方式
本实施例中,一种用于平衡重式叉车防侧翻的控制方法,是应用于设置有执行机构的叉车上,该执行机构,包括:防侧翻支撑油缸6、全液压主动转向执行机构;如图2所示,该全液压主动转向执行机构包括:主动转向电磁阀8、转向油缸9;防侧翻支撑油缸6的两端分别与叉车的车身以及转向桥相连接;
如图6所示,该控制方法是按如下步骤进行:
在车身1的后桥限位块5处布置压力传感器,用于获取车身1的侧倾状态,包括:侧倾状态Ⅰ和侧倾状态Ⅱ;
在车身1的后轮处布置后轮转角传感器,用于获取后轮转向角度;
在叉车后桥转向油缸两侧的进出液压油路位置处布置主动转向电磁阀;
在车身1与后桥之间布置防侧翻支撑油缸6;
中央控制单元检测叉车限位块与车身后桥连接处的压力传感器信息,以及防侧翻支撑油缸电流采集信息,进行叉车侧翻状态识别。当压力传感器未检测到压力时,或中央控制单元检测到防侧翻支撑油缸未处于锁止状态时,叉车处于侧倾状态Ⅰ(如图3所示);当压力传感器未检测到压力时,或中央控制单元检测到防侧翻支撑油缸未处于锁止状态时,叉车处于侧倾状态Ⅱ(如图4所示);
步骤2、根据步骤1识别出的侧倾状态,以及叉车运动参数,分别计算在侧倾状态Ⅰ下的叉车实时失稳能量ER1和在侧倾状态Ⅱ下的叉车实时失稳能量ER2。
侧倾状态Ⅰ下的叉车实时失稳能量ER1计算公式如下:
式(1)-式(3)中,表示侧倾状态Ⅰ下的叉车侧向动能,表示侧倾状态Ⅰ下的叉车势能,vy为叉车侧向速度,ms为叉车车身质量,Ix′为叉车车身在侧倾状态Ⅰ时的转动惯量,r为叉车在侧倾状态Ⅰ时的侧倾转动半径,为侧倾角度,为侧倾角速度,Δh′s为叉车在侧倾状态Ⅰ时的质心变化量,hs为叉车质量中心高度,huo为叉车后桥质量中心高度。
侧倾状态Ⅱ下的叉车实时失稳能量ER2计算公式如下:
式(4)-式(6)中,m为叉车整车质量,Ix为叉车整车在侧倾状态Ⅱ时的转动惯量,r′为叉车在侧倾状态Ⅱ时的侧倾转动半径,Δh为叉车在侧倾状态Ⅱ时的质心变化量。
步骤3、根据叉车的实时失稳能量代入计算得到不同侧倾状态下的侧倾能量稳定性指标Ei,侧倾能量稳定性指标Ei计算公式如下:
式(7)中,i=1、2,当i=1时,表示叉车处于侧倾状态Ⅰ;当i=2时,表示叉车处于处于侧倾状态Ⅱ。ΔEP0为叉车平台静态侧翻能量(图5所示),|δ|为后轮转向角,u为叉车车速,λc为防侧翻油缸阻尼修正系数,且λθ为转向-车速耦合系数,且λθ=-e-|uδ|,并有:
ΔEp0=msgΔhs+mrgΔhu (8)
式(8)中,Δhs为叉车车身质心高度变化值;Δhu为后桥质量质心高度变化值,并有:
步骤4、利用侧倾能量稳定性指标Ei确定侧倾能量阈值Eimin和Eimax,并用于划分不同的侧翻能量等级,从而判断叉车车身防侧翻稳定性状态。
在侧倾状态Ⅰ中,按照侧倾能量阈值E1min和E1max划分出三个能量等级:Ⅰ-Ⅰ级、Ⅰ-Ⅱ级和Ⅰ-Ⅲ级。
当实时计算而来的E1<E1min时,定义侧倾能量为一级(Ⅰ-Ⅰ),叉车处于安全阶段,此时叉车由于转向或者经过不平路面产生的微小侧倾运动可以通过车身的重力产生的力矩平衡;
当实时计算而来的E1min<E1<E1max时,定义侧倾能量为二级(Ⅰ-Ⅱ),叉车处于失稳可控阶段,此时叉车由于转向或者经过不平路面产生的侧倾运动无法通过车身的重力产生的力矩减小,并且有继续扩大的趋势。如果不加以控制,车身侧倾角度进一步扩大使车身与限位块接触,进一步恶化甚至导致车辆侧翻;
当实时计算而来的E1max<E1时,定义侧倾能量为三级(Ⅰ-Ⅲ),叉车处于严重失稳阶段,此时叉车由于高速转向,纵向动能通过后轮转向角度的作用,转化为车辆横向失稳动能。叉车车身将会在极短的时间内撞击限位块,并且有侧倾状态进一步恶化为侧翻的风险。
在侧倾状态Ⅱ中,按照侧倾能量阈值E2min和E2max划分出三个能量等级:Ⅱ-Ⅰ级、Ⅱ-Ⅱ级和Ⅱ-Ⅲ级。
当实时计算而来的E2<E2min时,定义侧倾能量为一级(Ⅱ-Ⅰ),叉车处于安全阶段,此时叉车由于转向或者经过不平路面产生的微小侧倾运动可以通过叉车整车重力产生的力矩平衡;
当实时计算而来的E2min<E2<E2max时,定义侧倾能量为二级(Ⅱ-Ⅱ),叉车处于危险可控制阶段,此时叉车车身姿态为内侧车轮略微离地或者即将离地状态,如果不加以控制,叉车将在短时间内发生侧翻;
当实时计算而来的E2max<E2时,定义侧倾能量为三级(Ⅱ-Ⅲ),叉车处于临近侧翻阶段,叉车侧倾运动已经导致转弯内侧两车轮完全离地,此时叉车即将发生侧翻。
步骤5、利用步骤4中划分的叉车车身防侧翻稳定性状态,采用不同的执行机构进行控制:
1)Ⅰ-Ⅰ级时,系统不进行控制,中央控制单元输出100%占空比的PWM控制信号给防侧翻支撑油缸电磁阀,此时液压支撑油缸为自由状态,不提供支撑力;
2)Ⅰ-Ⅱ级时,控制防侧翻支撑油缸输出支撑力ΔF,中央控制单元输出0%~70%占空比的PWM控制信号给防侧翻支撑油缸电磁阀,此时液压支撑油缸为半锁状态,提供支撑力ΔF;
3)Ⅰ-Ⅲ级时,控制防侧翻支撑油输出最大支撑力Fmax,中央控制单元输出0%占空比的PWM控制信号给防侧翻支撑油缸电磁阀,此时液压支撑油缸为全锁状态,提供最大支撑力Fmax;
4)Ⅱ-Ⅰ级时,控制防侧翻支撑油缸输出最大支撑力Fmax,全液压主动转向不进行转向控制,中央控制单元输出100%占空比的PWM控制信号给防侧翻支撑油缸电磁阀,输出0%占空比的PWM控制信号给全液压主动转向电磁阀;
5)Ⅱ-Ⅱ级时,控制防侧翻支撑油缸输出最大支撑力Fmax,全液压主动转向机构输出后轮主动转向角度δΔ=Δδ,中央控制单元输出100%占空比的PWM控制信号给防侧翻支撑油缸电磁阀,输出0%~70%占空比的PWM控制信号给全液压主动转向电磁阀,此时输出主动转向角度Δδ;
6)Ⅱ-Ⅲ级时,控制防侧翻支撑油缸输出最大支撑力Fmax,全液压主动转向机构输出后轮最大主动转向角度δΔmax,中央控制单元输出100%占空比的PWM控制信号给防侧翻支撑油缸电磁阀,输出100%占空比的PWM控制信号给全液压主动转向电磁阀,此时输出主动转向角度δΔmax;
实施例:将本发明的叉车防侧翻的控制方法应用于某型3吨平衡重式叉车上,该平衡重式叉车整车质量m=4639kg,车身质量ms=4300kg,整车绕Z轴转动惯量Iz=6129kg·m2,车架绕X轴转动惯量Ix=3100kg·m2,车身质心高度hs=0.75m,后桥质心高度等于后桥铰接点高度hr=hu0=0.265m,前轴与质心的距离a=1m,后轴与质心的距离b=0.7m,轮距B=1m,车身相对于后桥最大摆角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,叉车限位块处压力传感器的压力输出信号;
步骤2、通过识别压力传感器压力输出信号,判定叉车处于侧倾状态Ⅱ,按照式(1)计算叉车实时失稳能量ER2=13MJ;
步骤3、按照公式(6)计算得到此时的叉车侧倾能量稳定性指标E2=0.76,且E2min<E2<E2max,此时叉车防侧翻稳定性状态处于Ⅱ-Ⅱ级。
步骤4、中央控制单元输出100%占空比的PWM控制信号给防侧翻支撑油缸电磁阀,液压支撑油缸为锁止状态,输出55%占空比的PWM控制信号给全液压主动转向电磁阀,此时输出主动转向角度δΔ=7°;
综上所述,采用本发明的叉车防侧翻的控制方法和系统,可有效识别叉车稳定性状态并进行稳定控制,提升了叉车横向稳定性和主动安全。
Claims (3)
1.一种用于平衡重式叉车防侧翻的控制方法,其特征是按如下步骤进行:
步骤1、在叉车质心位置处布置陀螺仪传感器,用于获取车身(1)的运动参数,包括横摆角速度、侧倾角和侧向加速度;
在车身(1)的后桥限位块(5)处布置压力传感器,用于获取车身(1)的侧倾状态,包括:侧倾状态Ⅰ和侧倾状态Ⅱ;
当压力传感器未检测到压力时,或防侧翻支撑油缸(6)未处于锁止状态时,表示叉车处于侧倾状态Ⅰ;
当压力传感器检测到压力时,或防侧翻支撑油缸(6)处于锁止状态时,表示叉车处于侧倾状态Ⅱ;
在车身(1)的后轮处布置后轮转角传感器,用于获取后轮转向角度;
在叉车后桥转向油缸两侧的进出液压油路位置处布置主动转向电磁阀(8);
在车身(1)与后桥之间布置防侧翻支撑油缸(6);
步骤2、根据所述车身(1)的运动参数和侧倾状态,利用式(1)计算在不同状态下的叉车实时失稳能量ERi;
式(2)和式(3)中,vy为叉车侧向速度,ms为叉车车身质量,I′x为叉车车身在侧倾状态Ⅰ时的转动惯量,为侧倾角速度,Δh′s为叉车在侧倾状态Ⅰ时的质心变化量,m为叉车整车联合质量,Ix为叉车整车在侧倾状态Ⅱ时的转动惯量,Δh为叉车在侧倾状态Ⅱ时的质心变化量;并有:
I′x=ms·r2 (4)
Ix=m·r′2 (6)
步骤3、根据所述叉车实时失稳能量ERi,利用式(9)计算侧倾能量稳定性指标Ei;
ΔEp0=msgΔhs+mrgΔhu (10)
式(10)中,Δhs为叉车车身质心高度变化值;Δhu为后桥质量质心高度变化值,并有:
步骤4、利用侧倾能量稳定性指标Ei确定侧倾能量阈值Eimin和Eimax,并用于划分不同的侧翻能量等级,从而判断叉车车身防侧翻稳定性状态;
步骤5、根据叉车车身防侧翻稳定性状态,利用所述主动转向电磁阀和所述防侧翻支撑油缸(6)分别控制相应状态下叉车侧翻工况所需的主动转向角度以及侧向支撑力,以提高平衡重式叉车防侧翻稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种用于平衡重式叉车防侧翻的控制方法,其特征是,所述步骤4中不同的侧翻能量等级是按如下过程划分:
在侧倾状态Ⅰ中,即当i=1时,按照侧倾能量阈值E1min和E1max划分出三个能量等级:Ⅰ-Ⅰ级、Ⅰ-Ⅱ级和Ⅰ-Ⅲ级;
当E1<E1min时,定义侧倾能量为Ⅰ-Ⅰ级,表示叉车处于安全阶段;
当E1min<E1<E1max时,定义侧倾能量为Ⅰ-Ⅱ级,表示叉车处于失稳可控阶段;
当E1max<E1时,定义侧倾能量为Ⅰ-Ⅲ级,表示叉车处于严重失稳阶段;
在侧倾状态Ⅱ中,即当i=2时,按照侧倾能量阈值E2min和E2max划分出三个能量等级:Ⅱ-Ⅰ级、Ⅱ-Ⅱ级和Ⅱ-Ⅲ级;
当E2<E2min时,定义侧倾能量为Ⅱ-Ⅰ级,表示叉车处于安全阶段;
当E2min<E2<E2max时,定义侧倾能量为Ⅱ-Ⅱ级,表示叉车处于危险可控制阶段;
当E2max<E2时,定义侧倾能量为Ⅱ-Ⅲ级,表示叉车处于临近侧翻阶段。
3.根据权利要求1所述的一种用于平衡重式叉车防侧翻的控制方法,其特征是,所述步骤5中是按如下方式控制主动转向角度以及侧向支撑力:
当叉车处于Ⅰ-Ⅰ级时,不进行控制;
当叉车处于Ⅰ-Ⅱ级时,控制防侧翻支撑油缸(6)输出侧向支撑力ΔF;
当叉车处于Ⅰ-Ⅲ级时,控制防侧翻支撑油缸(6)输出最大侧向支撑力Fmax;
当叉车处于Ⅱ-Ⅰ级时,控制防侧翻支撑油缸(6)输出最大侧向支撑力Fmax,且主动转向电磁阀不进行转向控制;
当叉车处于Ⅱ-Ⅱ级时,控制防侧翻支撑油缸(6)输出最大侧向支撑力Fmax,且主动转向电磁阀输出后轮主动转向角度δΔ;
当叉车处于Ⅱ-Ⅲ级时,控制防侧翻支撑油缸(6)输出最大侧向支撑力Fmax,且主动转向电磁阀输出后轮最大主动转向角度δΔmax。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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