越野轮胎起重机带载行驶下安全控制技术的研究

康禹乐 李朝弟 陆阳陈

1中联重科股份有限公司工程起重机分公司 长沙 410100

2长沙中联恒通机械有限公司 长沙 410100

0 引言

越野轮胎起重机是轮式起重机中特点十分鲜明的类型，发源于20世纪70年代的欧美，集汽车起重机的机动灵活与履带起重机的带载行驶等优点于一体［1］。与普通汽车起重机相比，其优点有：底盘悬挂方式为油气悬挂，爬坡能力强，具有更优越的越野性能；具有良好的带载行驶性能，在狭窄场地无法完全打开支腿的情况下可轻松利用轮胎起重工况作业，在需要短距离转移重物的情况下具备超强的吊载行驶能力；外形尺寸小，全轮转向，转弯半径小，适用范围更广；支腿跨距大，作业稳定性好，360°全方位作业；驾驶与操作司机室一体化等。这些优点使越野轮胎起重机在工程施工过程中具有其他起重机无法比拟的优越性，国内对越野轮胎起重机的研发力度越来越大，对关键技术的研究越来越深［2］。

带载行驶工况是越野轮胎起重机重要工况之一，与静载工况相比，带载行驶时由加减速产生的惯性力会引起吊重摆振和臂架振动，从而产生附加冲击载荷［3］，故对轮胎起重机的安全稳定性带来了极大的挑战。本文介绍了越野轮胎起重机带载行驶下安全控制技术总体框架，并对该框架下的人机交互设计、安全控制要求、动态安全监控控制策略进行了详细分析设计，旨在对进入带载行驶工况的条件进行主动限制，同时对带载行驶过程存在的动态风险进行实时监控，从而提高轮胎起重机带载行驶安全等级，降低事故概率，为轮胎起重机带载行驶模式下的安全控制提供重要的理论设计依据。

1 带载行驶下安全控制技术总体框架

根据越野轮胎起重机带载行驶实际使用情况，按照模块化的设计思想，将带载行驶下的安全控制技术分为人机交互设计、安全控制要求、动态风险监控等3部分，系统的总体框架如图1所示。

图1 带载行驶下安全控制技术总体框架

越野轮胎起重机在进入带载行驶模式前，通过力矩限制器显示屏的人机交互设计界面，让用户选择对应的工况，确保在该工况下才能进入带载行驶模式。同时，为保证带载行驶工况实际使用的安全，起重机在该工况下要满足对应的安全控制要求和条件，通过PLC控制器收集带载行驶模式下影响安全的信息源，进行智能处理与判断，对带载行驶模式进行动态安全实时监控、主动报警。

2 带载行驶模式人机交互设计

在越野轮胎起重机正常工作前，应设置力矩限制器显示屏进入正确工况。力矩限制器显示屏每次点亮屏幕时，首先进入工况选择界面，图2为某型越野轮胎起重机力矩限制器显示屏工况选择界面，只有在主臂工况和臂端滑轮工况下才能进入轮胎行驶即带载行驶模式，在副臂工况下没有轮胎行驶的选项；在主臂工况和臂端滑轮工况下，除轮胎行驶模式外，还有支腿全伸吊载、支腿半伸吊载、支腿全缩吊载、轮胎支撑侧方吊载及轮胎支撑前方吊载等模式。在不同模式下，允许的额定载荷不同。因此，只有选择正确的模式，力矩限制器才能正常的通过力矩百分比保护车辆的抗倾覆稳定性。

图2 工况选择界面

为确保模式选择正确，在工况选择完成后，会弹出警示界面，提醒机手当前选择的工况信息是否和实际工况一致；同时，控制器实时监控车速，在除带载行驶模式外的其他工况模式下，若发现车速大于0，则力矩限制器显示屏立即进行模式选择错误声光报警。

3 带载行驶模式安全控制要求

根据越野轮胎起重机带载行驶实际使用情况，为保证带载行驶工况实际使用的安全，由上述力矩限制器工况选择界面可知，只有在主臂工况和臂端滑轮工况下才能通过显示屏正常进入带载行驶模式，而在带载行驶模式下起重机需要满足以下安全控制要求：

1）吊臂位于起重机的正前方、转台处于锁定状态。通过控制吊臂回转到起重机的正前方，并在满足预设的回转角度限制条件时锁定转台；

2）车辆处于柔性悬挂状态。将满足柔性悬挂条件的油气悬挂系统切换为柔性悬挂模式状态，避免起重机在带载行驶过程中超速；

3）为满足整车抗倾覆稳定性，根据GB/T 6068－2008《汽车起重机和轮胎起重机试验规范》［4］中的规定，对于作整机带载运行，但不作起升、变幅、伸缩臂架和回转等动作的起重机，车辆最大行驶速度不大于0.4 m/s，即1.44 km/h；实际载荷的力矩不能大于额定载荷力矩；作业环境风速不大于8.3 m/s。

4）为满足轮胎承载能力的要求，各轮胎胎压不小于轮胎厂家推荐的气压值，表1为某轮胎厂家推荐的特定承载能力下要求的气压值。

表1 特定承载能力下的气压值

4 带载行驶模式动态安全监控控制策略

为满足整车抗倾覆稳定性，在进入带载行驶模式后需实时进行动态风险监控，以确保带载行驶过程中的安全，主要包括吊臂是否位于起重机正前方、转台是否处于锁定状态、车辆是否处于柔性悬挂状态、车速是否不大于1.44 km/h、力矩百分比是否不大于100%、作业环境风速是否不大于8.3 m/s以及各轮胎胎压是否不小于厂家推荐的气压值等的安全监控。控制策略如图3所示。

图3 带载行驶模式动态安全监控电气控制策略

4.1 带载行驶模式下影响安全的信息源

以某型越野轮胎起重机为例，吊臂是否位于起重机的正前方通过转台的回转角度信息来反馈，回转角度信息一般由安装于起重机中央集电环位置处的回转电位计采集并检测吊臂的回转角度值；转台回转锁定和解锁、车架悬挂状态通过其电磁阀的电磁线圈得失电采集信号；车速通过变速箱上的涡轮速度传感器采集信息；力矩百分比通过力矩限制器采集；作业环境风速则吊臂头部的风速仪采集数据；胎压由轮胎里的压力传感器采集信息。

4.2 带载行驶模式下安全信息的处理方式

转台回转角度、车辆车速、作业环境风速和轮胎胎压均可通过控制器将角度传感器、速度传感器、风速传感器和压力传感器采集到的模拟量信息处理为实际的角度值、车速值、风速值和压力值，并实时传递给力矩限制器。

力矩限制器对起重机工作时的力矩百分比进行计算判断，它通过采集起重机上的吊臂长度传感器、吊臂角度传感器和变幅液压缸上下腔压力传感器的数据，利用系统软件中的算法模型计算力矩和吊重载荷，从而进行安全报警和保护。变幅液压缸取力方式下的力矩平衡理论计算公式为

式中：MF为变幅液压缸的力矩，MZ为臂架自重力矩，MG为吊重力矩，P2、P1为变幅液压缸上下腔压力，D、d为变幅液压缸的缸径和杆径，Lb为变幅液压缸力臂，l1为主臂后绞点到变幅缸下绞点距离，l2为变幅液压缸长度，α为主臂与水平面夹角即仰角，β为主臂后铰点和变幅液压缸后铰点连线与水平面的夹角，G为重物质量，R为工作幅度，Lc为回转中心到后铰点的距离［5］。

由上述可知，通过式（1）～式（4）即可求得吊重力矩MG和重物质量G，从而判断起重力矩百分比是否不大于100%。

转台回转锁定解锁及车架悬挂方式的安全信息处理则和其液压控制原理有关，通过控制器可采集到其控制动作的电磁阀电磁线圈的得失电情况。图4为回转锁定解锁液压控制原理图，回转锁定系统主要由回转锁定阀和回转锁定液压缸组成，当Y3电磁线圈得电，液压油驱动回转锁定液压缸活塞杆伸出，锁定回转机构，上车不能回转。当Y4电磁线圈得电，液压油驱动回转锁定液压缸活塞杆回缩，回转机构解锁，上车可以回转。回转锁定解锁开关信号进入控制器，并根据实际需要通过控制器控制Y3和Y4电磁线圈得失电反馈回转锁定信息。

图4 回转锁定解锁液压控制原理

图5为悬挂系统压控制原理图，其中4个电磁阀Y5、Y6、Y7、Y8在不得电的情况下，左后悬挂液压缸和右后悬挂液压缸的无杆腔和活塞杆腔均处于锁止状态，后桥刚性悬挂，悬架不能摆动。当Y5、Y6、Y7、Y8得电时，左后悬挂液压缸和右后悬挂液压缸的无杆腔和活塞杆腔与回油相通，两个液压缸处于浮动状态，后桥柔性悬挂，悬架可以摆动。刚柔性切换开关信号进入控制器，并根据实际需要通过控制器控制Y5、Y6、Y7、Y8电磁线圈得失电反馈悬挂状态信息。

图5 悬挂液压控制原理

4.3 显示屏根据控制器处理结果实时报警

带载行驶模式下，控制器对采集到的安全信息实时进行处理，判断是否满足报警条件，若满足则通过CAN总线将报警信息发送给显示屏显示屏，并在显示屏上弹出对应的报警界面及文字警示和声音警示。当报警条件解除时，显示屏上的报警同时解除。具体的报警条件有：回转角度在357°～3°范围内；回转解锁电磁阀线圈Y4得电；悬挂柔性电磁阀Y5、Y6、Y7、Y8不得电；车速大于1.44 km/h；力矩百分比大于100%；风速大于8.3 m/s；胎压小于厂家推荐的气压值（某轮胎厂家推荐的气压值具体见表1）。

5 结论

本文搭建了野轮胎起重机带载行驶下安全控制技术总体框架，并对人机交互设计和安全控制要求进行了阐述，进一步对控制要求下各信息源的获取和安全信息的处理方式及控制策略进行了详细分析，通过力矩限制器实时动态监控车辆的实际状态，对带载行驶安全条件进行主动监控、主动报警，提前规避风险，减少甚至避免了带载行驶模式下机手的危险操作，为起重机安全作业提供了强有力的保障。