純電動自走式高空作業平臺轉向系統改造

潘國軍，陳珊珊

PAN Guo-jun1, CHEN Shan-shan2

（1.浙江廣播電視大學，杭州 310030；2.浙江海洋學院，舟山 316000）

0 引言

自走式高空作業平臺如圖1所示是指動力來源為電瓶，可以在工作平臺上控制升降、行走及轉向，是目前世界最先進的高空作業設備之一。它同時配備了坑洼保護系統、傾斜報警系統，極大地提高了自走式高空作業平臺的安全性。由于其能在最高高度時自行行走，使得室內操作變的更加方便快捷，同時由于純電動高空作業平臺使用清潔能源,現已廣泛應用于對排放要求較高的重要場合,例如機場、車站候車大廳,商品展示和銷售大廳以及大型車間廠房等,尤其適用于博物館、世博會展館等要求低噪音零排放的環境。

圖1 高空作業平臺

1 工作原理

1.1 轉向系統分析

自走式高空作業平臺一般有液壓馬達或電機驅動行走，轉向系統往往和驅動系統設置在一起，如圖2所示。

轉向系統由電機、齒輪泵、控制器、三位四通電磁閥、轉向油缸等主要部件組成。兩個轉向輪通過轉向橫拉桿相連接，使兩個轉向輪動作協調一致。轉向油缸的一端連接在主梁上，另一端連接在轉向橫拉桿上如圖1所示。其轉向控制原理為當操作人員按下轉向按鈕后，行車控制系統簡稱ECU接收到轉向信號，一方面使轉向電磁閥通電，另一方通過can總線把轉向信號傳送給電機控制器，電機控制器控制電機啟動。當電磁閥通電和電機啟動后，齒輪泵開始把液壓油送到油缸的某一腔，推動活塞運動，由于活塞桿和轉向橫拉桿相連，活塞桿運動帶動轉向橫拉桿一起運動，轉向橫拉桿再帶動兩個轉向輪一起轉動。當松開轉向按鈕后，轉向輪將立即停止轉向。該轉向系統的主要不足有：

1）由于操作人員是在高空作業平臺上操作行走和轉向，他們很難看清轉向輪的位置，往往只能憑感覺或用眼睛去觀察轉向輪的位置，這樣轉向系統就存在了安全隱患，特別是對于不熟練的操作人員；

2）由于轉向按鈕是開關信號，很難精確控制轉向輪的位置，因此當通過較窄的地方時需要不斷調整轉向輪；

3）如果想要讓高空作業車長距離運動時保持直線，需要不斷修正轉向輪的位置，不僅消耗了電能，而且減低了高空作業平臺的使用效率。

圖2 液壓轉向原理

1.2 轉向系統改進

為了克服原有轉向系統的不足，將原來轉向按鈕改為帶自復位功能的、能按比例輸出的轉向手輪，在原有轉向系統基礎上增加角度傳感器，同時對ECU中的程序做相應的改進，其轉向結構和原理如圖3、4所示。

圖3 帶復位的轉向原理

圖4 帶復位轉向工作流程圖

當上部操作通電后，ECU首先檢測轉向手輪的信號，當轉向手輪有信號輸出時，ECU接收轉向信號經過相應的計算后，然后將比例信號通過can總線輸出給電機控制器，電機控制器控制電機轉動，同時ECU控制轉向電磁閥通電，控制轉向輪轉向。ECU會根據轉向手輪旋轉的速度和角度，把比例信號傳遞給電機控制器，電機控制器控制電機轉動，從而控制轉向輪轉向時的速度和角度。當轉向手輪旋轉到某一角度時，轉向輪能轉到對應的角度并保持這個角度。當轉向手輪沒有轉向信號時，ECU將檢測角度傳感器的信號，當角度傳感器輸出的角度為零度時，ECU沒有信號輸出給電機控制器，轉向輪沒有任何動作，當檢測到角度傳感器的角度不為零度時，ECU將根據角度的大小計算，并把計算后的結果傳給電機控制器和電磁轉向閥驅動轉向，使轉向輪自動復位到中位。

為了進一步分析轉角與電機轉速之間的關系，如圖5所示。

圖5 轉向機構圖

現在做如下假設：

轉向輪的半徑為R，中位時油缸的長度為S，兩者相互垂直，轉向輪旋轉中心和油缸的旋轉中心的距離為L，R和L之間的夾角為θ。

當油缸長度伸長為S'，轉向輪將轉過θ'，R和L之間的夾角變為θ+θ'。

油缸的行程與轉角的關系為：

因此有流量關系得：

式中：D指活塞的直徑；

d指活塞桿直徑；

V指齒輪泵的排量；

n指電機轉過的圈數。

其各參數如下表：

對應的轉角和圈數如圖6所示，所以我們在設計程序時只要把旋轉手輪旋轉的速度和角度與電機轉過的速度和圈數先對應起來，使兩者按對應關系比例輸出。

圖6 轉角與圈數圖

對應的轉向系統電路原理如圖7所示，程序部分我在這里不在論述。

在安裝和選用角度傳感器時，應注意以下問題：為了便于計算角度，應把角度傳感器安裝在兩轉向輪旋轉中心支點的中點，這樣就可以使檢測出來的角度與實際轉向輪的角度一致，便于在沒有轉向信號時自動復位。選用角度傳感器時應使測量的角度范圍大于轉角角度的最大值。

圖7 控制原理圖

2 性能測試

下面我們對該改進后的轉向系統做相關測試，測試前先把調試電腦與ECU相連接，通過測試軟件手動調整轉向輪復位時的位置，并將此時傳感器角度定為零度。轉向系統測試分兩部分：第一為直線運動，高空作業平臺在沒有旋轉信號輸入時通過10m的距離，來回分別行走3趟，記錄最終位置相對于初始位置的偏差，測試結果表明其偏差均在0.5m以內，說明其轉向復位精度可達95%以上。第二測試轉向輪重復位置精度，把轉向手輪旋轉到同一位置三次，分別記錄轉向輪轉向后的角度，結果顯示其重復精度也可達95%以上。由于該車運動速度較慢見圖1，而作業點兩者之間的距離往往很近，因此95%的精度已能很好滿足工作要求。

3 結論

通過對原有轉向系統的改造，使轉向輪能夠按比例輸出，雖然成本有所增加，但大大提過了高空作業車在使用過程中的安全性，同時也大大提高了使用的效率。目前該轉向系統已經在某中外合資大型高空作業車企業生產與應用，取得了良好的效果，現已在世界范圍內銷售。

[1]朱博.北方交通推出兩種高空作業車[J].筑路機械與施工機械化,2009,09.

[2]韋家義,呂超.自行式高空作業平臺建的轉向系統設計[J].筑機械化2010,2.

[3]關多.叉車液壓轉向系統的改造[J].叉車技術.2004,03.

[4]舒進.比例控制四輪轉向車輛運動特性分析[J].專用汽車 2002,03.

[5]JGT5100-1998剪叉式高空作業平臺.