越野輪胎起重機帶載行駛下安全控制技術的研究

康禹樂 李朝弟 陸陽陳

1中聯重科股份有限公司工程起重機分公司 長沙 410100

2長沙中聯恒通機械有限公司 長沙 410100

0 引言

越野輪胎起重機是輪式起重機中特點十分鮮明的類型，發源于20世紀70年代的歐美，集汽車起重機的機動靈活與履帶起重機的帶載行駛等優點于一體［1］。與普通汽車起重機相比，其優點有：底盤懸掛方式為油氣懸掛，爬坡能力強，具有更優越的越野性能；具有良好的帶載行駛性能，在狹窄場地無法完全打開支腿的情況下可輕松利用輪胎起重工況作業，在需要短距離轉移重物的情況下具備超強的吊載行駛能力；外形尺寸小，全輪轉向，轉彎半徑小，適用范圍更廣；支腿跨距大，作業穩定性好，360°全方位作業；駕駛與操作司機室一體化等。這些優點使越野輪胎起重機在工程施工過程中具有其他起重機無法比擬的優越性，國內對越野輪胎起重機的研發力度越來越大，對關鍵技術的研究越來越深［2］。

帶載行駛工況是越野輪胎起重機重要工況之一，與靜載工況相比，帶載行駛時由加減速產生的慣性力會引起吊重擺振和臂架振動，從而產生附加沖擊載荷［3］，故對輪胎起重機的安全穩定性帶來了極大的挑戰。本文介紹了越野輪胎起重機帶載行駛下安全控制技術總體框架，并對該框架下的人機交互設計、安全控制要求、動態安全監控控制策略進行了詳細分析設計，旨在對進入帶載行駛工況的條件進行主動限制，同時對帶載行駛過程存在的動態風險進行實時監控，從而提高輪胎起重機帶載行駛安全等級，降低事故概率，為輪胎起重機帶載行駛模式下的安全控制提供重要的理論設計依據。

1 帶載行駛下安全控制技術總體框架

根據越野輪胎起重機帶載行駛實際使用情況，按照模塊化的設計思想，將帶載行駛下的安全控制技術分為人機交互設計、安全控制要求、動態風險監控等3部分，系統的總體框架如圖1所示。

圖1 帶載行駛下安全控制技術總體框架

越野輪胎起重機在進入帶載行駛模式前，通過力矩限制器顯示屏的人機交互設計界面，讓用戶選擇對應的工況，確保在該工況下才能進入帶載行駛模式。同時，為保證帶載行駛工況實際使用的安全，起重機在該工況下要滿足對應的安全控制要求和條件，通過PLC控制器收集帶載行駛模式下影響安全的信息源，進行智能處理與判斷，對帶載行駛模式進行動態安全實時監控、主動報警。

2 帶載行駛模式人機交互設計

在越野輪胎起重機正常工作前，應設置力矩限制器顯示屏進入正確工況。力矩限制器顯示屏每次點亮屏幕時，首先進入工況選擇界面，圖2為某型越野輪胎起重機力矩限制器顯示屏工況選擇界面，只有在主臂工況和臂端滑輪工況下才能進入輪胎行駛即帶載行駛模式，在副臂工況下沒有輪胎行駛的選項；在主臂工況和臂端滑輪工況下，除輪胎行駛模式外，還有支腿全伸吊載、支腿半伸吊載、支腿全縮吊載、輪胎支撐側方吊載及輪胎支撐前方吊載等模式。在不同模式下，允許的額定載荷不同。因此，只有選擇正確的模式，力矩限制器才能正常的通過力矩百分比保護車輛的抗傾覆穩定性。

圖2 工況選擇界面

為確保模式選擇正確，在工況選擇完成后，會彈出警示界面，提醒機手當前選擇的工況信息是否和實際工況一致；同時，控制器實時監控車速，在除帶載行駛模式外的其他工況模式下，若發現車速大于0，則力矩限制器顯示屏立即進行模式選擇錯誤聲光報警。

3 帶載行駛模式安全控制要求

根據越野輪胎起重機帶載行駛實際使用情況，為保證帶載行駛工況實際使用的安全，由上述力矩限制器工況選擇界面可知，只有在主臂工況和臂端滑輪工況下才能通過顯示屏正常進入帶載行駛模式，而在帶載行駛模式下起重機需要滿足以下安全控制要求：

1）吊臂位于起重機的正前方、轉臺處于鎖定狀態。通過控制吊臂回轉到起重機的正前方，并在滿足預設的回轉角度限制條件時鎖定轉臺；

2）車輛處于柔性懸掛狀態。將滿足柔性懸掛條件的油氣懸掛系統切換為柔性懸掛模式狀態，避免起重機在帶載行駛過程中超速；

3）為滿足整車抗傾覆穩定性，根據GB/T 6068－2008《汽車起重機和輪胎起重機試驗規范》［4］中的規定，對于作整機帶載運行，但不作起升、變幅、伸縮臂架和回轉等動作的起重機，車輛最大行駛速度不大于0.4 m/s，即1.44 km/h；實際載荷的力矩不能大于額定載荷力矩；作業環境風速不大于8.3 m/s。

4）為滿足輪胎承載能力的要求，各輪胎胎壓不小于輪胎廠家推薦的氣壓值，表1為某輪胎廠家推薦的特定承載能力下要求的氣壓值。

表1 特定承載能力下的氣壓值

4 帶載行駛模式動態安全監控控制策略

為滿足整車抗傾覆穩定性，在進入帶載行駛模式后需實時進行動態風險監控，以確保帶載行駛過程中的安全，主要包括吊臂是否位于起重機正前方、轉臺是否處于鎖定狀態、車輛是否處于柔性懸掛狀態、車速是否不大于1.44 km/h、力矩百分比是否不大于100%、作業環境風速是否不大于8.3 m/s以及各輪胎胎壓是否不小于廠家推薦的氣壓值等的安全監控?？刂撇呗匀鐖D3所示。

圖3 帶載行駛模式動態安全監控電氣控制策略

4.1 帶載行駛模式下影響安全的信息源

以某型越野輪胎起重機為例，吊臂是否位于起重機的正前方通過轉臺的回轉角度信息來反饋，回轉角度信息一般由安裝于起重機中央集電環位置處的回轉電位計采集并檢測吊臂的回轉角度值；轉臺回轉鎖定和解鎖、車架懸掛狀態通過其電磁閥的電磁線圈得失電采集信號；車速通過變速箱上的渦輪速度傳感器采集信息；力矩百分比通過力矩限制器采集；作業環境風速則吊臂頭部的風速儀采集數據；胎壓由輪胎里的壓力傳感器采集信息。

4.2 帶載行駛模式下安全信息的處理方式

轉臺回轉角度、車輛車速、作業環境風速和輪胎胎壓均可通過控制器將角度傳感器、速度傳感器、風速傳感器和壓力傳感器采集到的模擬量信息處理為實際的角度值、車速值、風速值和壓力值，并實時傳遞給力矩限制器。

力矩限制器對起重機工作時的力矩百分比進行計算判斷，它通過采集起重機上的吊臂長度傳感器、吊臂角度傳感器和變幅液壓缸上下腔壓力傳感器的數據，利用系統軟件中的算法模型計算力矩和吊重載荷，從而進行安全報警和保護。變幅液壓缸取力方式下的力矩平衡理論計算公式為

式中：MF為變幅液壓缸的力矩，MZ為臂架自重力矩，MG為吊重力矩，P2、P1為變幅液壓缸上下腔壓力，D、d為變幅液壓缸的缸徑和桿徑，Lb為變幅液壓缸力臂，l1為主臂后絞點到變幅缸下絞點距離，l2為變幅液壓缸長度，α為主臂與水平面夾角即仰角，β為主臂后鉸點和變幅液壓缸后鉸點連線與水平面的夾角，G為重物質量，R為工作幅度，Lc為回轉中心到后鉸點的距離［5］。

由上述可知，通過式（1）～式（4）即可求得吊重力矩MG和重物質量G，從而判斷起重力矩百分比是否不大于100%。

轉臺回轉鎖定解鎖及車架懸掛方式的安全信息處理則和其液壓控制原理有關，通過控制器可采集到其控制動作的電磁閥電磁線圈的得失電情況。圖4為回轉鎖定解鎖液壓控制原理圖，回轉鎖定系統主要由回轉鎖定閥和回轉鎖定液壓缸組成，當Y3電磁線圈得電，液壓油驅動回轉鎖定液壓缸活塞桿伸出，鎖定回轉機構，上車不能回轉。當Y4電磁線圈得電，液壓油驅動回轉鎖定液壓缸活塞桿回縮，回轉機構解鎖，上車可以回轉?；剞D鎖定解鎖開關信號進入控制器，并根據實際需要通過控制器控制Y3和Y4電磁線圈得失電反饋回轉鎖定信息。

圖4 回轉鎖定解鎖液壓控制原理

圖5為懸掛系統壓控制原理圖，其中4個電磁閥Y5、Y6、Y7、Y8在不得電的情況下，左后懸掛液壓缸和右后懸掛液壓缸的無桿腔和活塞桿腔均處于鎖止狀態，后橋剛性懸掛，懸架不能擺動。當Y5、Y6、Y7、Y8得電時，左后懸掛液壓缸和右后懸掛液壓缸的無桿腔和活塞桿腔與回油相通，兩個液壓缸處于浮動狀態，后橋柔性懸掛，懸架可以擺動。剛柔性切換開關信號進入控制器，并根據實際需要通過控制器控制Y5、Y6、Y7、Y8電磁線圈得失電反饋懸掛狀態信息。

圖5 懸掛液壓控制原理

4.3 顯示屏根據控制器處理結果實時報警

帶載行駛模式下，控制器對采集到的安全信息實時進行處理，判斷是否滿足報警條件，若滿足則通過CAN總線將報警信息發送給顯示屏顯示屏，并在顯示屏上彈出對應的報警界面及文字警示和聲音警示。當報警條件解除時，顯示屏上的報警同時解除。具體的報警條件有：回轉角度在357°～3°范圍內；回轉解鎖電磁閥線圈Y4得電；懸掛柔性電磁閥Y5、Y6、Y7、Y8不得電；車速大于1.44 km/h；力矩百分比大于100%；風速大于8.3 m/s；胎壓小于廠家推薦的氣壓值（某輪胎廠家推薦的氣壓值具體見表1）。

5 結論

本文搭建了野輪胎起重機帶載行駛下安全控制技術總體框架，并對人機交互設計和安全控制要求進行了闡述，進一步對控制要求下各信息源的獲取和安全信息的處理方式及控制策略進行了詳細分析，通過力矩限制器實時動態監控車輛的實際狀態，對帶載行駛安全條件進行主動監控、主動報警，提前規避風險，減少甚至避免了帶載行駛模式下機手的危險操作，為起重機安全作業提供了強有力的保障。