纯电动剪叉式高空作业平台转向系统改造

纯电动剪叉式高空作业平台有较高的稳定性, 宽大的作业平台和较高的承载能力, 使高空作业范围更大、并适合多人同时作业。它使高空作业效率更高, 安全更保障。随着现在社会科学技术的发展, 剪叉式高空作业平台已经普及到社会生活的各个角落, 运用越来越广泛, 不管是建筑, 市政、厂区及人们的日常生活都离不开剪叉式高空作业平台。

1 原有转向系统结构简介

原有转向系统结构主要由转向轮, 连杆机构、驱动机构等部件组成。两个转向轮分别安装在车辆大梁的转向轴套内, 两个转向轮之间由横杆连接, 使转向同步协调, 转向液压缸一端安装在大梁上, 另一端安装在横杆上。如图1所示。

图1 转向系统结构图

1、转向轮2、连杆机构3、驱动机构

原有转向系统原理:

原有转向系统主要有液压动力单元、转向液压缸、三位四通电磁阀、流量优先阀、溢流阀等主要部件组成。如图2所示。其工作原理为:作业人员在高空作业车的工作平台上打开主电源后, 操作转向按钮后, 行车控制器 (Electronic Control Unit简称ECU) 通过CAN总线接收到转向信号后, 同时输出泵电机控制信号和转向信号, 泵电机控制器接收到泵电机控制信号, 控制复励电机转动。输出的转向信号直接使三位四通电磁阀某端线圈得电, 转向系统开始正常工作。

图2 转向系统液压原理图

以上转向系统主要存在以下不足:

1) 由于高空作业平台一般使用同一液压动力单元为工作平台升降和行走转向提供动力, 然而工作平台升降时需要的系统流量往往是行走转向所需流量的3到4倍, 泵的输出流量又等于泵的排量、电机转速和效率的乘积。由于该转向系统采用的是复励电机, 电机的转速不宜调整如图4所示, 为了使转向系统获得较小的流量, 就需要在转向系统中增加流量优先阀, 而流量优先阀的价格一般在600~1000元之间, 这样使转向系统的成本偏高。

2) 由于该转向系统的转向采用开关信号, 属于开环控制。作业人员初次使用时, 需要低头确认转向轮的位置, 如需将转向轮转正, 需要作业人员在操作转向按钮的同时观察转向轮的位置。

3) 由于转向系统属于开环控制, 在控制车辆前进过程中车辆容易发生侧偏, 需要作业人员不断进行调整, 转向轮是否转正往往只能凭感觉, 所以在行走过程需要多次修正, 这样就会消耗较多的电量。

4) 该转向系统属开环控制, 转向轮的位置与行车速度没有直接联系, 如果转向轮处在转向最大位置时高速行走, 由于较大的惯性作用, 使作业人员不宜站稳而发生危险。

2 转向系统改进

2.1 将复励电机改为串励电机

直流串励电机的结构如图3所示, 电磁转矩的大小与磁极磁通、电枢电机成正比, 即:T=CTΦIa............1)

式中:

T为转矩;

CT为电机常数;

Φ为每极磁通;

Ia为电枢电流。

图3 串励电机

串励电机的励磁绕组和电枢绕组串联, 所以I=Ia=If是同一电流, 当磁路未饱和时, 可以认为磁通Φ与电枢电流Ia成正比即:Φ=KIa............2)

式中:k比例常数。

把式2) 代入1) , 可得到串励电机的电磁转矩为:T=CTΦIa=CT*K*Ia*Ia

式中:k比例常数。

把式2) 代入1) , 可得到串励电机的电磁转矩为:

式3) 表明电磁转矩与电枢电流Ia的平方成正比。

串励电机的转速为:

式中:

U为电机两端的电压,

CE为电机的常数,

Ra为电枢绕组的电阻,

Rf为电磁绕组的电阻,

上式说明在转矩T一定的情况下, 串励电机的转速与其两端的电压成正比, 如图4所示, 由于转向需要的流量为升降所需流量的1/4, 因此只需将电机两端的电压将为正常电压的1/4, 就能满足转向所需的流量, 这对于泵电机控制是很容易实现的, 这样省掉了原转向系统的流量优先阀, 节约了成本。

图4 直流电机的机械特性图

2.2 将转向系统的开关信号输出改为能输出模拟信号带复位功能的转向轮, 同时在转向系统中加入角度传感器

其结构如图5所示, 其控制原理如图6所示。

图5 结构示意图

图6 控制原理图

ECU首先检测是否有转向信号:

1) 若未检测到转向信号, ECU检测是否有角度信号, 若如没有角度信号则保持不动。若检测到有角度信号, ECU会同时输出泵电机信号和转向信号, 泵电机控制器用接收到的信号来控制电机, 转向信号控制电磁阀得电, 最终控制转向液压缸向减小角度的方向运动, 直至减小到零后停止运动。

2) 若检测到有转向信号, ECU直接根据转向信号的大小转换成转动的角度, 然后再和角度传感器的角度进行比较, 随后经ECU计算后输出泵电机信号和转向信号, 直至两个角度的差在允许的范围内停止运动。因此改进后的转向系统能够使转向轮跟随转向手轮转动而转动, 同时只要在转向手轮上标注转向轮的角度, 当转向手轮转到该位置后, 转向轮就会停在相应的位置上, 同时该转向轮带有自复位功能, 但松掉转向手轮后, 转向轮就会自动转正。由于改进后的转向系统增加了角度传感器, 就可以对车的运动速度和转向轮的位置进行优化, 当转向角度在某一特定的角度范围内, 允许以最大的速度前进或后退, 但当转向角度超过这一特定的角度后, 其运动速度就会相应的减小, 因此能有效减少惯性的冲击。

3 系统测试

1) 流量测试:用电脑对ECU的程序作相应的调整, 使泵电机控制器输出的电压为正常电压的1/4, 经测试满足流量要求。

2) 转向性能测试:上电后转向轮自动回正, 当转动手轮时转向轮跟随转动, 在某一位置停止时, 转向轮保持在某一转向角不动, 当转向手轮复位后, 转向轮自动复位, 其复位精度通过直线行走来确认, 当转向轮回正后, 使其直线行走10m, 行走过程中不修正方向, 其偏差小于0.5m, 因此其回转精度达到95%以上。

4 结论

1) 串励电机取代复励电机取消了液压系统中的流量优先阀, 节约了可观的成本。

2) 用带复位电位器的手轮取代转向开关, 并增加角度传感器, 使操作更加简单, 同时经测试转向回正精度达95%以上, 消耗更少的电量, 进一步提高了效率。因此该转向系统的改进具有很强的实用功能和经济价值。