純電動剪叉式高空作業平臺轉向系統改造

純電動剪叉式高空作業平臺有較高的穩定性, 寬大的作業平臺和較高的承載能力, 使高空作業范圍更大、并適合多人同時作業。它使高空作業效率更高, 安全更保障。隨著現在社會科學技術的發展, 剪叉式高空作業平臺已經普及到社會生活的各個角落, 運用越來越廣泛, 不管是建筑, 市政、廠區及人們的日常生活都離不開剪叉式高空作業平臺。

1 原有轉向系統結構簡介

原有轉向系統結構主要由轉向輪, 連桿機構、驅動機構等部件組成。兩個轉向輪分別安裝在車輛大梁的轉向軸套內, 兩個轉向輪之間由橫桿連接, 使轉向同步協調, 轉向液壓缸一端安裝在大梁上, 另一端安裝在橫桿上。如圖1所示。

圖1 轉向系統結構圖

1、轉向輪2、連桿機構3、驅動機構

原有轉向系統原理:

原有轉向系統主要有液壓動力單元、轉向液壓缸、三位四通電磁閥、流量優先閥、溢流閥等主要部件組成。如圖2所示。其工作原理為:作業人員在高空作業車的工作平臺上打開主電源后, 操作轉向按鈕后, 行車控制器 (Electronic Control Unit簡稱ECU) 通過CAN總線接收到轉向信號后, 同時輸出泵電機控制信號和轉向信號, 泵電機控制器接收到泵電機控制信號, 控制復勵電機轉動。輸出的轉向信號直接使三位四通電磁閥某端線圈得電, 轉向系統開始正常工作。

圖2 轉向系統液壓原理圖

以上轉向系統主要存在以下不足:

1) 由于高空作業平臺一般使用同一液壓動力單元為工作平臺升降和行走轉向提供動力, 然而工作平臺升降時需要的系統流量往往是行走轉向所需流量的3到4倍, 泵的輸出流量又等于泵的排量、電機轉速和效率的乘積。由于該轉向系統采用的是復勵電機, 電機的轉速不宜調整如圖4所示, 為了使轉向系統獲得較小的流量, 就需要在轉向系統中增加流量優先閥, 而流量優先閥的價格一般在600~1000元之間, 這樣使轉向系統的成本偏高。

2) 由于該轉向系統的轉向采用開關信號, 屬于開環控制。作業人員初次使用時, 需要低頭確認轉向輪的位置, 如需將轉向輪轉正, 需要作業人員在操作轉向按鈕的同時觀察轉向輪的位置。

3) 由于轉向系統屬于開環控制, 在控制車輛前進過程中車輛容易發生側偏, 需要作業人員不斷進行調整, 轉向輪是否轉正往往只能憑感覺, 所以在行走過程需要多次修正, 這樣就會消耗較多的電量。

4) 該轉向系統屬開環控制, 轉向輪的位置與行車速度沒有直接聯系, 如果轉向輪處在轉向最大位置時高速行走, 由于較大的慣性作用, 使作業人員不宜站穩而發生危險。

2 轉向系統改進

2.1 將復勵電機改為串勵電機

直流串勵電機的結構如圖3所示, 電磁轉矩的大小與磁極磁通、電樞電機成正比, 即:T=CTΦIa............1)

式中:

T為轉矩;

CT為電機常數;

Φ為每極磁通;

Ia為電樞電流。

圖3 串勵電機

串勵電機的勵磁繞組和電樞繞組串聯, 所以I=Ia=If是同一電流, 當磁路未飽和時, 可以認為磁通Φ與電樞電流Ia成正比即:Φ=KIa............2)

式中:k比例常數。

把式2) 代入1) , 可得到串勵電機的電磁轉矩為:T=CTΦIa=CT*K*Ia*Ia

式中:k比例常數。

把式2) 代入1) , 可得到串勵電機的電磁轉矩為:

式3) 表明電磁轉矩與電樞電流Ia的平方成正比。

串勵電機的轉速為:

式中:

U為電機兩端的電壓,

CE為電機的常數,

Ra為電樞繞組的電阻,

Rf為電磁繞組的電阻,

上式說明在轉矩T一定的情況下, 串勵電機的轉速與其兩端的電壓成正比, 如圖4所示, 由于轉向需要的流量為升降所需流量的1/4, 因此只需將電機兩端的電壓將為正常電壓的1/4, 就能滿足轉向所需的流量, 這對于泵電機控制是很容易實現的, 這樣省掉了原轉向系統的流量優先閥, 節約了成本。

圖4 直流電機的機械特性圖

2.2 將轉向系統的開關信號輸出改為能輸出模擬信號帶復位功能的轉向輪, 同時在轉向系統中加入角度傳感器

其結構如圖5所示, 其控制原理如圖6所示。

圖5 結構示意圖

圖6 控制原理圖

ECU首先檢測是否有轉向信號:

1) 若未檢測到轉向信號, ECU檢測是否有角度信號, 若如沒有角度信號則保持不動。若檢測到有角度信號, ECU會同時輸出泵電機信號和轉向信號, 泵電機控制器用接收到的信號來控制電機, 轉向信號控制電磁閥得電, 最終控制轉向液壓缸向減小角度的方向運動, 直至減小到零后停止運動。

2) 若檢測到有轉向信號, ECU直接根據轉向信號的大小轉換成轉動的角度, 然后再和角度傳感器的角度進行比較, 隨后經ECU計算后輸出泵電機信號和轉向信號, 直至兩個角度的差在允許的范圍內停止運動。因此改進后的轉向系統能夠使轉向輪跟隨轉向手輪轉動而轉動, 同時只要在轉向手輪上標注轉向輪的角度, 當轉向手輪轉到該位置后, 轉向輪就會停在相應的位置上, 同時該轉向輪帶有自復位功能, 但松掉轉向手輪后, 轉向輪就會自動轉正。由于改進后的轉向系統增加了角度傳感器, 就可以對車的運動速度和轉向輪的位置進行優化, 當轉向角度在某一特定的角度范圍內, 允許以最大的速度前進或后退, 但當轉向角度超過這一特定的角度后, 其運動速度就會相應的減小, 因此能有效減少慣性的沖擊。

3 系統測試

1) 流量測試:用電腦對ECU的程序作相應的調整, 使泵電機控制器輸出的電壓為正常電壓的1/4, 經測試滿足流量要求。

2) 轉向性能測試:上電后轉向輪自動回正, 當轉動手輪時轉向輪跟隨轉動, 在某一位置停止時, 轉向輪保持在某一轉向角不動, 當轉向手輪復位后, 轉向輪自動復位, 其復位精度通過直線行走來確認, 當轉向輪回正后, 使其直線行走10m, 行走過程中不修正方向, 其偏差小于0.5m, 因此其回轉精度達到95%以上。

4 結論

1) 串勵電機取代復勵電機取消了液壓系統中的流量優先閥, 節約了可觀的成本。

2) 用帶復位電位器的手輪取代轉向開關, 并增加角度傳感器, 使操作更加簡單, 同時經測試轉向回正精度達95%以上, 消耗更少的電量, 進一步提高了效率。因此該轉向系統的改進具有很強的實用功能和經濟價值。