伸缩臂叉车防倾翻保护系统设计简析

伸缩臂叉车防倾翻保护系统设计简析

刘德昆

浙江省特种设备科学研究院 浙江省杭州 310020

摘要：为解决伸缩臂叉车在行驶和作业过程中，遇到斜坡或当伸缩臂吊物升高伸展时，整车纵向前倾而发生倾翻的危险，设计了防倾翻保护系统。文中主要介绍伸缩臂叉车防倾翻保护系统的设计原理，并通过场地试验和客户使用，检验了伸缩臂叉车防倾翻保护系统的准确性和可靠性，为完善和推广防倾翻保护系统提供了参考。

关键词：伸缩臂叉车；防倾翻保护系统

1引言

伸缩臂叉车在行驶和作业中，当遇到斜坡或伸缩臂吊物升高伸展时，整车存在纵向前倾导致发生倾翻的危险。而目前防止整车发生倾翻主要通过驾驶员合理控制车速、避免斜坡行驶或作业、避免伸缩臂吊装物品过远伸展等方法。针对整车行驶和作业过程中存在的安全隐患，仅依靠驾驶员合理操作保证安全性远远不够，需要设计一套防倾翻系统以增加伸缩臂叉车的纵向稳定性，进一步提高伸缩臂叉车的使用安全性^[1] 。为保证伸缩臂叉车行驶和作业的安全，需要设计一套防侧翻系统，在调研国内外相关技术的基础上，提出如下解决方案：

(1）根据整车载荷分布的平衡方程，理论分析作业载荷的安全运动轨迹；

(2）根据安全作业的要求，确定载荷控制的阈值；

(3）力矩传感器装置选型；

(4）安全控制电路设计；

(5）试验及客户使用验证。

2应用现状

伸缩臂叉车作为一种新型高效的工程机械，广泛应用于矿山、建筑、港口、工厂、部队等，具有全地形越野功能，满足多种环境下的作业要求。伸缩臂叉车在国外起步较早，欧美很多著名的工程制造商，如美国GENIE、英国JCB、法国MANITOU、德国CLAAS等都生产伸缩臂叉车，关键技术也比较成熟；相比较而言，国内对于伸缩臂叉车的研制和生产起步较晚，相关技术还不够成熟。在伸缩臂叉车的各项关键技术中，如何保证行驶和作业安全性尤其重要。由于伸缩臂叉车工作环境的特殊性，当其承载后遇到斜坡或伸缩臂吊物升高伸展时，整车存在纵向前倾导致发生倾翻的危险。为保证驾驶员能准确了解工作环境，及时调整车的工作状态，确保操作安全，需要为驾驶员提供危险状态预警信息，以及当处于危险状态时的自保护功能。为防止伸缩臂叉车行驶和作业时发生倾翻，国外许多产品都采用了预警保护系统，即当处于危险状态前发出警告以便驾驶员调整工作状态；若已处于危险状态，启动自保护功能，限制某些操作功能，防止驾驶员误操作引起事故。对于国内的相关产品，未强制采用预警保护系统，即使个别采用了预警保护系统，产品目前也多处于研发试验阶段^[2]。

3载荷分析

3.1平衡方程

伸缩臂叉车载荷分布关系如图１所示，整车的载荷平衡方程（当后桥车轮离地瞬间对前桥支点建立的平衡方程）如下

AG₁+BG₂-CG₃-DG₄-EG₅=0

式中：G₁为底盘质心，G₂为基本臂质心，G₃为伸缩臂质心，G₄为工作属具质心，G₅为货物质心，A为底盘质心与前桥中心间距，B为基本臂质心与前桥中心间距，C为伸缩臂质心与前桥中心间距，D为工作属具质心与前桥中心间距，E为货物质心与前桥中心间距。

图1 载荷分布关系

3.2确定载荷阈值

根据伸缩臂叉车的承载能力，结合实际使用经验，对额定承载载荷提出了阈值控制要求，见表１。

表1 载荷阈值控制要求

4控制解决方案

4.1力矩传感器装置

为防止伸缩臂叉车承载行走和作业时发生倾翻危险，实时监测后桥载荷的变化至关重要。目前，测量驱动桥承载载荷变化的方法主要有应变测量法、气压测量法、角度测量法等，其中应变测量法准确度高，抗干扰能力强，安装方便，但力矩传感装置价格相对偏高。通过对国内外伸缩臂叉车使用情况的调研分析，用应变测量法通过原装进口的高性能力矩传感装置，监测后桥承载后的载荷变化。该力矩传感器装置主要包括称重感应器和力矩显示器，称重感应器可直接安装在驱动桥上表面，根据承载载荷的不同监测应变的变化，力矩显示器处理应变信号，显示不同的承载状态。

4.2安全控制电路

根据力矩传感装置的监测信息和载荷阈值的控制要求，并结合实际使用工况，设计了一种安全控制电路，用于预警危险状态，并控制危险状态下作业手柄的某些操作功能。安全控制电路作为整车防倾翻保护系统的控 制核心，其控制原理如图2所示。

图2 安全控制电路原理

5试验及使用测试

为检验载荷分析的正确性和防倾翻保护系统的功能，参照起重机和平衡重式叉车的试验方法，进行了平地作业过载试验和承载爬坡试验^[3],试验测试结果如下：

（1）验证了整车载荷分析的正确性，理论分析结果和实际测量的平均误差在10%以内，且平测试值均略大于理论分析值，相关统计结果见表2；

表2 试验结果统计分析

（2）检验了伸缩臂叉车防倾翻传感系统的准确性和高效性；

（3）根据试验测试数据，修正了理论分析的承载运动轨迹，结合安全操作的要求，绘制了整车作业载荷表。如图3所示。

图3 作业载荷表

安装防倾翻保护系统的伸缩臂叉车交付客户使用后，防倾翻系统性能稳定可靠，未出现任何故障，在满足客户使用要求的同时，有效地保证了整车的作业安全。

6结语

为保证伸缩臂叉车行驶和作业安全，在理论分析整车载荷分布特点的基础上，设计了防倾翻保护系统，并通过试验和实物配套应用，验证其功能满足实际使用要求。经进一步分析总结，得出如下结论：

（1）对于伸缩臂叉车这种臂架类产品，合理简化理论模型，根据分析结果指导试验，并通过试验结果修正理论分析，可以较准确地确定整车的承载性能；

（2）防倾翻保护系统的控制原理和结构相对简单，但采用的力矩传感器装置价格偏高，如果批量化应用，应考虑开发价格较低的综合控制电路进行替代；

（3）对于伸缩臂叉车防倾翻传感系统的稳定性和可靠性，还需通过实际使用进行考核，结合使用过程中反馈的问题，进一步完善其性能；

（4）防倾翻保护系统安装方便、维修性好，适合在臂架类工程机械产品上使用和推广。

参考文献：

[1]刘新基,何箐,安喜平,张辉,闫洪峰,陈文科.伸缩臂叉车安全控制系统设计[J].机械工程与自动化,2013(01):163-164+167.

[2]贾吉鹏,郝敬显,王爱华,魏勋利,刘嘉浚.浅谈伸缩臂叉装机现状及未来发展趋势[J].工程机械与维修,2018(03):68-70.

[3]GB/T 6068-2021, 汽车起重机和轮胎起重机试验规范[S].