伸縮臂叉車安全控制系統(tǒng)設(shè)計

劉新基，何 箐，安喜平，張 輝，閆洪峰，陳文科

（中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083）

0 引言

伸縮臂叉裝車也稱伸縮臂叉車，是一種新型多功能物料搬運設(shè)備，它將汽車起重機(jī)的伸縮臂式結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)叉車的裝卸功能有機(jī)地結(jié)合到一起，配合應(yīng)用各種作業(yè)屬具，可以完成叉車、起重機(jī)、裝載機(jī)、高空作業(yè)車等多種模式的功能［1］。TH4013SL型伸縮臂叉車采用兩節(jié)伸縮臂同步伸縮，最大舉升高度13m，最大叉裝負(fù)載4t，配備有高空作業(yè)載人平臺。設(shè)計時充分考慮了橫、縱向穩(wěn)定要求，開發(fā)了安全控制系統(tǒng)。投入運行后，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，運行可靠。

1 縱向穩(wěn)定性指示和防傾翻保護(hù)系統(tǒng)

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1459：1998標(biāo)準(zhǔn)和澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 2550.5：2002中規(guī)定：裝載能力大于3t的伸縮臂叉裝車，必須有力矩顯示裝置和力矩限制裝置。

TH4013SL型伸縮臂叉裝車采用重心法，選用3B6控制器、DLE顯示器、FESD－2傳感器組成縱向穩(wěn)定性指示和防傾翻保護(hù)系統(tǒng)，保證在任何時候均能安全作業(yè)，其工作原理如圖1所示。通過安裝在叉車后橋的傳感器檢測應(yīng)力應(yīng)變，將檢測的數(shù)據(jù)與當(dāng)前工作姿態(tài)下預(yù)存的最大傾翻力矩值進(jìn)行比較，計算得到叉車的穩(wěn)定程度。對于傾翻力矩極限值的設(shè)定不能太高或太低，設(shè)定值高，安全系數(shù)較小，在工作中傾翻的概率增大；設(shè)定值低，會使叉車的性能得不到充分發(fā)揮。參考國外伸縮臂叉裝車的設(shè)定值，將傾翻力矩極限設(shè)定值設(shè)為最大傾翻力矩值的75%。

縱向穩(wěn)定性指示和防傾翻保護(hù)系統(tǒng)的難點在于作業(yè)載荷圖表的確定。作業(yè)載荷圖表是根據(jù)重物產(chǎn)生的力矩與車體力矩計算出來的，是縱向穩(wěn)定性指示和防傾翻保護(hù)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。當(dāng)車的合并重心位置前移到前軸或前支腳時車輛將發(fā)生前傾翻危險。重心前移的過程中后橋承受的重力逐漸減小，相應(yīng)的后橋形變也會減小?？v向穩(wěn)定性指示就是通過橋式傳感器感知載荷，與載荷譜圖相比較，得到某一作業(yè)幅度下載荷相應(yīng)的穩(wěn)定程度百分比，DLE顯示器則通過指示燈數(shù)量、顏色的變化以及報警蜂鳴的形式向操作人員提示叉車穩(wěn)定的狀態(tài)，并且當(dāng)傾翻力矩達(dá)到預(yù)先設(shè)定的極限值時，程序自動關(guān)閉防止整車?yán)^續(xù)惡化的操作，即伸縮臂伸出或下降。計算得到的本車的力矩限制結(jié)構(gòu)圖和載荷譜圖如圖2所示。

圖1 縱向穩(wěn)定性指示和防傾翻保護(hù)系統(tǒng)工作原理

2 橫向水平保護(hù)系統(tǒng)

TH4013SL型伸縮臂叉裝車屬越野式叉車，適合復(fù)雜路面作業(yè)［2］。位于叉車前方的支腿調(diào)平系統(tǒng)用于使重心后移，增加叉車的縱向穩(wěn)定性，同時支腿可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的橫向水平，提高叉車的橫向穩(wěn)定性，如圖3所示。本文中采用3B6雙軸傳感器ASA－CB進(jìn)行車身橫、縱向角度指示，該新型傳感器由內(nèi)置微處理器驅(qū)動，可以在360°范圍內(nèi)進(jìn)行角度測量，通過CAN總線輸出［3］。人工調(diào)節(jié)兩個支腳，當(dāng)傾角傳感器輸出在允許的范圍內(nèi)時，控制器使能可操作輸出，叉裝臂才可以進(jìn)行動作。操作過程中如果出現(xiàn)車輛橫、縱向角度異常，則警燈和喇叭每隔10s自動報警，此時禁止向危險方向動作。

圖2 力矩限制結(jié)構(gòu)圖和載荷譜圖

圖3 支腿調(diào)平系統(tǒng)

3 安全保護(hù)開關(guān)邏輯互鎖功能

圖4為傳感器安裝位置示意圖。TH4013SL型伸縮臂叉裝車具有平臺和貨叉兩種操作模式，平臺操作模式又可以分別在駕駛室中和平臺上操作［4］。遠(yuǎn)距離操作時，可以通過支腿增加安全工作區(qū)間，尤其在載人平臺模式下，不使用支腿時，通過圖4中的5、7來限制大臂的高度和長度，保證平臺操作的安全性。

圖4 傳感器安裝位置示意圖

滿足安全操作的條件如下：①將操作方式選擇開關(guān)選擇到平臺操作模式；②支腿支撐達(dá)到相應(yīng)壓力；③手剎拉起；④車輛橫向角度不超過1°，縱向角度不超過10°；⑤車輛本身均無任何報警；⑥在平臺門限位限重開關(guān)正常。如有不安全因素，高空作業(yè)的各動作均無法進(jìn)行。

高空作業(yè)車輛，其緊急停止電路是不可或缺的，在各種應(yīng)急狀態(tài)下，均應(yīng)保證緊急停止電路的功能，并應(yīng)在駕駛室和高空平臺發(fā)出聲光信號。重新恢復(fù)后，叉車只能進(jìn)行安全方向的動作。

4 PLC配置及軟件設(shè)計

叉裝臂的伸縮、升降動作分別由3B6控制器的兩對（4路）PWM輸出控制。通過3B6特有的對PWM輸出特性的配置可以實現(xiàn)不同情況下的變速伸縮，并防止啟動或停止時的沖擊。

載人平臺遠(yuǎn)程線控盒和底車控制器采用CAN總線通訊，實現(xiàn)平臺的高空作業(yè)。整車控制系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)流程圖

5 結(jié)束語

TH4013SL型伸縮臂叉裝車投入運行期間，所有功能測試未發(fā)現(xiàn)故障，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，運行可靠。經(jīng)過工業(yè)現(xiàn)場一段時間的運行情況表明，整個系統(tǒng)的狀態(tài)良好，并可推廣到其他橋式起重高空作業(yè)類工程機(jī)械上使用。

［1］王志.伸縮臂叉裝車的現(xiàn)狀［J］.建筑機(jī)械，2008（8）：65－68.

［2］陳文科，武鐵軍，田賀紅，等.TH4013SL型伸縮臂叉裝車電控系統(tǒng)設(shè)計［J］.起重運輸機(jī)械，2010（10）：54－56.

［3］歐德翔，汪至中.基于CAN總線分布式控制系統(tǒng)智能節(jié)點的設(shè)計［J］.工業(yè)控制計算機(jī)，2002（12）：46－48.

［4］王志，閆洪峰，陳文科.伸縮臂叉裝車設(shè)計思想淺析［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009（4）：5－10.