CN203461708U - 履带式起重机执行动作的安全控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种履带式起重机执行动作的安全控制系统，控制装置分别与操作手柄装置和液压泵电连接；控制装置接收通过操作手柄的开度输出设定的电流值，并控制输入液压泵的电流值，使得履带式起重机执行动作的加速度不大于设定的最大允许值，动作包括：起升、变幅、回转、行走。本实用新型的系统针对履带式起重机的起升、变幅、回转和行走动作，均进行了加速度控制，对加速度最大允许值时的动作进行了限定，实现以上动作的平稳变化，全面提高了整车运行时的安全等级和控制效果。

Description

履带式起重机执行动作的安全控制系统

技术领域

本实用新型涉及工程机械技术领域，尤其涉及履带式起重机执行动作的安全控制系统。

背景技术

目前，国内中吨位以上的履带式起重机的执行动作一般采用电气控制方式，即通过控制器对液压泵、液压阀以及电磁阀等进行控制。考虑到履带式起重机的工作环境，操纵者的操作习惯，以及各种突发状况（如误操作、意外断电等），因此电气控制担负着更多的责任，直接决定了整车工作的稳定性、安全性和操纵性。

针对以上控制目标，国内履带式起重机一般采取功率极限控制、微动控制、恒功率控制等，其控制思想是动作的需求功率小于发动机能够提供的功率，从而避免因发动机掉速引起的熄火、震荡等。但是几乎没有考虑需求功率满足时的产生的冲击、抖动等问题，而这种情况反而占据了起重机的大部分工作时间，一般依靠操纵者的经验来避免冲击和抖动。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型要解决的一个技术问题是提供一种履带式起重机执行动作的安全控制系统，针对履带式起重机的动作进行了加速度控制，进行了报警指示，避免履带式起重机变速运动时的冲击现象。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种履带式起重机执行动作的安全控制系统，包括：控制装置、操作手柄装置和与发动机联动的液压泵;所述控制装置分别与所述操作手柄装置和所述液压泵电连接；其中，所述操作手柄装置输出的电流值根据所述操作手柄装置的开度确定；所述控制装置接收通过所述操作手柄装置输入的电流值，并控制输入所述液压泵的电流值，使得履带式起重机执行动作的加速度不大于设定的最大允许值，所述动作包括：起升、变幅、回转、行走。

根据本实用新型的一个实施例，进一步的，还包括：检测液压马达回转角度和加速度的编码器和设置在液压泵中的压力传感器；所述控制装置分别与所述编码器和所述压力传感器电连接。

根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述控制装置引入设置在液压马达处的编码器的信号、设置在液压泵处的压力传感器的信号作为反馈信号，结合发动机的功率曲线，对发动机功率、履带式起重机执行动作的加速度采用闭环控制结构进行实时控制。

根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述控制装置包括：加速度控制装置、恒功率控制装置和PID控制装置；其中，所述加速度控制装置用于限制每个程序循环中动作改变的幅度；所述恒功率控制能够抑制执行动作的功率超过发动机功率，避免发动机熄火；所述PID控制装置能够使执行动作的变化稳定可靠。

根据本实用新型的一个实施例，进一步的，还包括显示器；所述显示器与所述控制装置电连接；其中，所述显示器接收并实时显示所述控制装置控制输入所述液压泵的电流值、所述编码器测量的加速度值、所述压力传感器测量的压力值；所述显示器实时显示发动机输出功率百分比、履带式起重机执行动作的加速度百分比，并且，当发动机输出功率百分比、履带式起重机执行动作的加速度百分比超过设定的阈值时，进行提示或报警。

本实用新型的特点：

1、本实用新型提供了一种履带式起重机执行动作的安全控制系统，包括：控制器、操作手柄、显示器、压力传感器、回转编码器和发动机;所述控制装置通过电缆或者总线进行通信；其中控制器负责接收其他控制装置的数据，并将处理结果输出给液压泵、显示器等进行安全控制。安全控制功能包括：加速度控制、恒功率控制和PID控制。加速度控制用来限制每个程序循环中动作改变的幅度；恒功率控制能够抑制执行动作的功率超过发动机功率，避免发动机熄火；PID控制则可以使执行动作的变化更加稳定可靠。

2、采用闭环控制结构，引入液压马达处的编码器、液压泵处的压力传感器信号作为安全系统的反馈信号，结合发动机的功率曲线，对系统的功率、加速度进行实时控制，有效抑制系统的输出偏差，提高控制效果。

3、系统根据执行动作的所处状态进行智能判断执行动作的加速度大小，动载系数区分起为起动制动和变速运动两种情况，有效提高操作安全。

4、显示器接收并实时显示控制器的输出结果和其他控制装置的数据，包括当前动作某一转速下的输出功率百分比、加速度百分比，并对百分比较高的数据进行提示与报警。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本实用新型的履带式起重机执行动作的安全控制系统的一个实施例的示意图

图2为根据本实用新型的履带式起重机执行动作的安全控制系统进行控制的一个实施例的示意图；

图3为根据本实用新型的履带式起重机执行动作的安全控制系统进行控制的另一个实施例的示意图；

图4为履带式起重机执行动作的安全控制方法的回转、变幅、行走时钢丝绳的偏摆角的示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本实用新型进行更全面的描述，其中说明本实用新型的示例性实施例。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，履带式起重机执行动作的安全控制系统包括：控制装置51、操作手柄装置52和与发动机50联动的液压泵53。

控制装置51分别与操作手柄装置52和液压泵53电连接。控制装置52接收通过操作手柄的开度输出设定的电流值，并控制输入液压泵53的电流值，使得履带式起重机执行动作的加速度不大于设定的最大允许值，动作包括：起升、变幅、回转、行走。

根据本实用新型的一个实施例，检测液压马达55回转角度的编码器57和设置在液压泵53中的压力传感器。控制装置51分别与编码器57和压力传感器56电连接。显示器58与控制装置51电连接。显示器58的显示屏为触摸屏。

液压控制系统一般为发动机50联动液压泵53，液压泵53驱动液压马达55，液压马达55再带动传动机构（如卷扬、回转支撑等），最终完成控制动作，包括：起升、变幅、回转、行走等。

根据本实用新型的一个实施例，控制装置引入设置在液压马达处的编码器的信号、设置在液压泵处的压力传感器的信号作为反馈信号，结合发动机的功率曲线，对发动机功率、履带式起重机执行动作的加速度采用闭环控制结构进行实时控制。

根据本实用新型的一个实施例，控制装置包括：加速度控制装置、恒功率控制装置和PID控制装置；加速度控制装置用于限制每个程序循环中动作改变的幅度；恒功率控制能够抑制执行动作的功率超过发动机功率，避免发动机熄火；PID控制装置能够使执行动作的变化稳定可靠。

显示器58用于设置工况信息、整车参数显示，同时接近危险情况时进行及时的报警提示，操作手柄装置52和各种传感器将其对应数据传输给控制装置51，然后控制装置51处理整车数据，包括各种控制算法与逻辑，完成对输入液压泵53的电流值进行控制，各个部件之间的通讯方式采用电缆或总线方式。

根据本实用新型的一个实施例，显示器与控制装置电连接；显示器接收并实时显示控制装置控制输入液压泵的电流值、编码器测量的加速度值、压力传感器测量的压力值。

显示器实时显示发动机输出功率百分比、履带式起重机执行动作的加速度百分比，并且，当发动机输出功率百分比、履带式起重机执行动作的加速度百分比超过设定的阈值时，进行提示或报警。

发动机输出功率百分比为在某一转速时的发送机输出功率与此转速下所能输出的额定功率的比值。

履带式起重机执行动作的加速度百分比为履带式起重机执行动作的加速度与执行此动作所允许的最大加速度的比值。

控制装置51可以采用多种方式控制输入液压泵53的电流值，使得履带式起重机执行动作的加速度不大于设定的最大允许值。例如，如图2所示：

步骤101，确定履带式起重机执行动作的加速度的最大允许值，动作包括：起升、变幅、回转、行走。

步骤102，根据加速度的最大允许值，控制执行动作时单次控制程序循环周期输出的最大电流改变值，使动作的加速度不大于最大允许值。

单次控制程序是指在操作中，对执行一次动作所需的电流的控制过程。由于加速度确定电流改变的坡度，所以在进行操作中需要使单次循环的电流坡度不要超过范围，否则会引起冲击或抖动。

根据本实用新型的一个实施例，回转工程机械，尤其是具有较长臂架的起重机，其回转控制的加速度数值肯定要小于极限值，否则可能会造成侧翻或臂架损坏等事故。

根据本实用新型的一个实施例，接收通过操作手柄的开度输出设定的电流值。通过恒功率匹配限制电流上限，采用PWM方式控制电流输出，并引入实际输出的电流值作为负反馈，使执行动作的加速度不大于最大允许值。

根据本实用新型的一个实施例，针对确定的加速度值，引入加速度反馈值构成闭环，使用PID算法计算电流改变值，根据输入时间和初始电流值得到驱动系统的控制电流，并由驱动机构推动执行机构执行动作。

根据本实用新型的一个实施例，执行机构包括起升机构。起升机构在执行起升操作时，最大允许值为悬吊重物最大加速度λ_I为起动、制动时的动载系数，λ_II为变速运动时动载系数，g为重力加速度。

根据本实用新型的一个实施例，执行机构包括：回转机构、变幅机构、行走机构。回转机构、变幅机构或行走机构在执行回转、变幅或行走操作时，最大允许值为悬吊重物的水平最大加速度

其中，θ_I为钢丝绳正常偏摆角、λ_II为动载系数，g为重力加速度。

根据本实用新型的一个实施例，驱动机构为与发动机联动的液压泵，液压泵驱动液压马达，液压马达带动传动机构执行动作。液压马达流量改变值ΔQ为V₁·(ΔV·η₁·η₂)。其中，V₁为液压马达排量，ΔV为速度变化值，η₁为最终速度的转速比、η₂为传动效率。液压泵的泵功率改变值ΔP为p·(V₂·N₂）。其中，p为液压泵的压力，稳定值受相应动作的阻力决定，V₂为液压泵的排量，受手柄的电流控制，N₂为液压泵转速。

本实用新型的履带式起重机执行动作的安全控制方法，控制履带式起重机的起升、变幅、回转和行走动作，使其更加平稳、安全，避免因操纵失误或鲁莽而造成起重机工作时出现的冲击、振荡等现象。

根据本实用新型的一个实施例，首先确定执行动作的加速度。

对于变速运动引起的载荷，分为驱动机构变速和惯性力两个方面，一般采用将总起升质量视为固定在臂架端部的方式进行计算。驱动机构变速产生的弹性效应包括承受部件的动载荷和起升质量上的惯性力，通过动载系数（大于1）乘以驱动力的变化值进行计算。由于起重机执行机构的静摩擦力要大于动摩擦力，而起动、制动时系统需要更稳定，因此起动、制动时的动载系数要小于工作运行时的动载系数。

对于起升机构：相关研究表明，变速升降重物时，重物离地起升比下降制动对结构产生的动力效应更大，因此主要考虑起升情况。根据国家标准GB/T3811-2008，当重物离开地面或加速起升时，重物的惯性力会使起升载荷出现动载增大的情况，此起升动力效应通过一个大于1的起升动载系数乘以额定起升载荷进行考虑。

对于从地面起升动作平稳的系统，额定载荷时起升动载系数选择为λ_I。由于重物仅受重力和拉力作用，可以只考虑加速度，因此有

其中为拉力加速度，g为重力加速度，a为重物加速度。并有

由此可以得到重物起升的加速度为a≤(λ₁-1)·g。

机构工作运行时，考虑到变速前重物匀速运动，则有拉力加速度和重力加速度相等。为了反映变速造成的弹性效应，将驱动机构加减速的动载系数l_II乘以驱动力的变化值，再加上之前的驱动力力，其值要小于额定载荷情况下的惯性力，因此有

即

由此可以得到重物升降变速运动的加速度为

对于回转、变幅、行走机构：臂架式起重机回转、变幅和行走机构起动、制动时的总起升质量的水平力，可以根据钢丝绳相对于铅垂线的偏摆角引起的水平分力F来计算，如图4所示。

一般用钢丝绳最大偏摆角θ_ii（对于起重机为3到6度）计算结构及其强度和整机抗倾覆稳定性，而用钢丝绳正常偏摆角θ_I（为最大偏摆角的0.3至0.4倍）计算电动机功率、疲劳强度及磨损。因此有a≤tanθ_I·g。其中a为重物的水平加速度，g为重力加速度。

而工作运行时的动载系数为λ_II，同理可得λ_II·a≤tanθ_I·g；

即 $a\≤\frac{\tan {\mathrm{\θ}}_I\·g}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{II}}}.$

然后，由加速度推导出控制电流改变值的计算方式。

根据加速度a和加速时间t，我们就可以得出速度变化值ΔV=a·t。算流程后，根据控制程序的循环运行时间周期性的对输出电流值进行改变。那么由此可以确定，程序循环时间即为加速时间t，其数值受程序设计合理与否和控制器性能优劣而定。

因此根据以上分析，可以确定ΔV的大小。这里需要指出，对于变幅动作，ΔV的大小为水平方向上的分解。

众所周知，液压控制系统一般为发动机联动液压泵，液压泵驱动液压马达，液压马达再带动传动机构（如卷扬、回转支撑等），最终完成控制动作。考虑到从驱动机构到最终速度的转速比η₁和传动效率η₂，根据液压流量计算公式，有ΔQ=V₁·ΔN₁=V₁·(ΔV·η₁·η₂)。

其中ΔQ为液压马达流量改变值。V₁为液压马达排量。ΔN₁为液压马达转速改变值。液压马达的流量由液压泵供给，再结合液压功率计算公式ΔP=p·ΔQ=p·(V₂·N₂)。

式中DP为泵功率改变值。p为液压泵的压力，其稳定值受相应动作的阻力决定，实时大小由压力传感器获得。V₂为液压泵的排量，受手柄的电流控制。N₂为液压泵转速，与发动机转速成正比，比例系数为发动机与液压泵的传动系数。由此可以得出V₂=V₁·η₁·η₂·a·t/N₂，即控制手柄电流值的变化即可控制相应动作的切向加速度a。

考虑到系统驱动功率要小于发动机输出功率，根据发动机转速-功率曲线，可以得到实时转速下的发动机最大功率，再根据上述液压泵的功率公式，即得到该转速时驱动机构所允许的最大输出排量。从而对手柄电流有了最大值的限定，即实现功率匹配控制。由于PID控制具有良好的闭环调节性能，同时针对液压系统具有滞后的特点，因此使用PID算法对切向加速度进行控制。

结合以上分析，可以确定控制方法如图3所示：

步骤201，按照手柄的开度确定输出电流的设定值。

步骤202，同时通过功率匹配控制限制其电流上限。

步骤203，引入实际输出电流值作为负反馈，对加速度数值进行确定。

步骤204，限定其值不超过根据实时工况信息所确定加速度最大值。

步骤205，针对确定的加速度值，引入加速度反馈值构成闭环，使用PID算法计算电流改变值。

步骤206，根据输入时间和初始电流值得到驱动系统的控制电流。

步骤207，由驱动机构推动执行机构，完成相关动作。

根据本实用新型的一个实施例，手柄开口角度确定电流最大设定值，然后由极限功率功能进行限制，得到实际的电流设定值I，再与控制器实际输出值（I₀+I'·t）进行行比较，得到ΔI，确定允许的加速度最大值a。

加速度a与液压马达处测量的实际加速度值进行比较，通过PID控制得到加速度差，进而确定电流变化值I'，并与初始电流值I₀和循环周期t结合得到实际电流输出值，对液压泵进行控制。

本实用新型的履带式起重机执行动作的安全控制系统，确定工作状态时执行动作的加速度最大允许值，即根据国家标准中对起重机工作时的安全限制（额定起升载荷和重物偏移角），从驱动机构变速和惯性力两个方面进行分析，得出对应动作的加速度最大值。从正常工作状态的控制要求进行考虑，体现了确定执行动作加速度最大值的充分性，也更具合理性和安全性。

本实用新型的履带式起重机执行动作的安全控制系统，针对履带式起重机的起升、变幅、回转和行走动作，均进行了加速度控制。不仅对加速度最大允许值时的动作进行了限定，对小于最大值的加速度同样进行了有效控制，实现以上动作的平稳变化，全面提高了整车运行时的安全等级和控制效果。

可能以许多方式来实现本实用新型的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本实用新型的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本实用新型的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本实用新型实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本实用新型的方法的机器可读指令。因而，本实用新型还覆盖存储用于执行根据本实用新型的方法的程序的记录介质。

本实用新型的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (5)

1.一种履带式起重机执行动作的安全控制系统，其特征在于，包括：

控制装置、操作手柄装置和与发动机联动的液压泵;

所述控制装置分别与所述操作手柄装置和所述液压泵电连接；

其中，所述操作手柄装置输出的电流值根据所述操作手柄装置的开度确定；所述控制装置接收通过所述操作手柄装置输入的电流值，并控制输入所述液压泵的电流值，使得履带式起重机执行动作的加速度不大于设定的最大允许值，所述动作包括：起升、变幅、回转、行走。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

还包括：检测液压马达回转角度和加速度的编码器和设置在液压泵中的压力传感器；

所述控制装置分别与所述编码器和所述压力传感器电连接。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：

所述控制装置引入设置在液压马达处的编码器的信号、设置在液压泵处的压力传感器的信号作为反馈信号，结合发动机的功率曲线，对发动机功率、履带式起重机执行动作的加速度采用闭环控制结构进行实时控制。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于：

所述控制装置包括：加速度控制装置、恒功率控制装置和PID控制装置；

其中，所述加速度控制装置用于限制每个程序循环中动作改变的幅度；所述恒功率控制能够抑制执行动作的功率超过发动机功率，避免发动机熄火；所述PID控制装置能够使执行动作的变化稳定可靠。

5.如权利要求2所述的系统，其特征在于：

还包括显示器；所述显示器与所述控制装置电连接；

其中，所述显示器接收并实时显示所述控制装置控制输入所述液压泵的电流值、所述编码器测量的加速度值、所述压力传感器测量的压力值；所述显示器实时显示发动机输出功率百分比、履带式起重机执行动作的加速度百分比，并且，当发动机输出功率百分比、履带式起重机执行动作的加速度百分比超过设定的阈值时，进行提示或报警。

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