纯电动自走式高空作业平台转向系统改造

2012-10-12潘国军陈珊珊

制造业自动化 2012年5期

潘国军，陈珊珊

PAN Guo-jun1, CHEN Shan-shan2

（1.浙江广播电视大学，杭州 310030；2.浙江海洋学院，舟山 316000）

0 引言

自走式高空作业平台如图1所示是指动力来源为电瓶，可以在工作平台上控制升降、行走及转向，是目前世界最先进的高空作业设备之一。它同时配备了坑洼保护系统、倾斜报警系统，极大地提高了自走式高空作业平台的安全性。由于其能在最高高度时自行行走，使得室内操作变的更加方便快捷，同时由于纯电动高空作业平台使用清洁能源,现已广泛应用于对排放要求较高的重要场合,例如机场、车站候车大厅,商品展示和销售大厅以及大型车间厂房等,尤其适用于博物馆、世博会展馆等要求低噪音零排放的环境。

图1 高空作业平台

1 工作原理

1.1 转向系统分析

自走式高空作业平台一般有液压马达或电机驱动行走，转向系统往往和驱动系统设置在一起，如图2所示。

转向系统由电机、齿轮泵、控制器、三位四通电磁阀、转向油缸等主要部件组成。两个转向轮通过转向横拉杆相连接，使两个转向轮动作协调一致。转向油缸的一端连接在主梁上，另一端连接在转向横拉杆上如图1所示。其转向控制原理为当操作人员按下转向按钮后，行车控制系统简称ECU接收到转向信号，一方面使转向电磁阀通电，另一方通过can总线把转向信号传送给电机控制器，电机控制器控制电机启动。当电磁阀通电和电机启动后，齿轮泵开始把液压油送到油缸的某一腔，推动活塞运动，由于活塞杆和转向横拉杆相连，活塞杆运动带动转向横拉杆一起运动，转向横拉杆再带动两个转向轮一起转动。当松开转向按钮后，转向轮将立即停止转向。该转向系统的主要不足有：

1）由于操作人员是在高空作业平台上操作行走和转向，他们很难看清转向轮的位置，往往只能凭感觉或用眼睛去观察转向轮的位置，这样转向系统就存在了安全隐患，特别是对于不熟练的操作人员；

2）由于转向按钮是开关信号，很难精确控制转向轮的位置，因此当通过较窄的地方时需要不断调整转向轮；

3）如果想要让高空作业车长距离运动时保持直线，需要不断修正转向轮的位置，不仅消耗了电能，而且减低了高空作业平台的使用效率。

图2 液压转向原理

1.2 转向系统改进

为了克服原有转向系统的不足，将原来转向按钮改为带自复位功能的、能按比例输出的转向手轮，在原有转向系统基础上增加角度传感器，同时对ECU中的程序做相应的改进，其转向结构和原理如图3、4所示。

图3 带复位的转向原理

图4 带复位转向工作流程图

当上部操作通电后，ECU首先检测转向手轮的信号，当转向手轮有信号输出时，ECU接收转向信号经过相应的计算后，然后将比例信号通过can总线输出给电机控制器，电机控制器控制电机转动，同时ECU控制转向电磁阀通电，控制转向轮转向。ECU会根据转向手轮旋转的速度和角度，把比例信号传递给电机控制器，电机控制器控制电机转动，从而控制转向轮转向时的速度和角度。当转向手轮旋转到某一角度时，转向轮能转到对应的角度并保持这个角度。当转向手轮没有转向信号时，ECU将检测角度传感器的信号，当角度传感器输出的角度为零度时，ECU没有信号输出给电机控制器，转向轮没有任何动作，当检测到角度传感器的角度不为零度时，ECU将根据角度的大小计算，并把计算后的结果传给电机控制器和电磁转向阀驱动转向，使转向轮自动复位到中位。

为了进一步分析转角与电机转速之间的关系，如图5所示。

图5 转向机构图

现在做如下假设：

转向轮的半径为R，中位时油缸的长度为S，两者相互垂直，转向轮旋转中心和油缸的旋转中心的距离为L，R和L之间的夹角为θ。

当油缸长度伸长为S'，转向轮将转过θ'，R和L之间的夹角变为θ+θ'。

油缸的行程与转角的关系为：

因此有流量关系得：

式中：D指活塞的直径；

d指活塞杆直径；

V指齿轮泵的排量；

n指电机转过的圈数。

其各参数如下表：

对应的转角和圈数如图6所示，所以我们在设计程序时只要把旋转手轮旋转的速度和角度与电机转过的速度和圈数先对应起来，使两者按对应关系比例输出。

图6 转角与圈数图

对应的转向系统电路原理如图7所示，程序部分我在这里不在论述。

在安装和选用角度传感器时，应注意以下问题：为了便于计算角度，应把角度传感器安装在两转向轮旋转中心支点的中点，这样就可以使检测出来的角度与实际转向轮的角度一致，便于在没有转向信号时自动复位。选用角度传感器时应使测量的角度范围大于转角角度的最大值。

图7 控制原理图

2 性能测试

下面我们对该改进后的转向系统做相关测试，测试前先把调试电脑与ECU相连接，通过测试软件手动调整转向轮复位时的位置，并将此时传感器角度定为零度。转向系统测试分两部分：第一为直线运动，高空作业平台在没有旋转信号输入时通过10m的距离，来回分别行走3趟，记录最终位置相对于初始位置的偏差，测试结果表明其偏差均在0.5m以内，说明其转向复位精度可达95%以上。第二测试转向轮重复位置精度，把转向手轮旋转到同一位置三次，分别记录转向轮转向后的角度，结果显示其重复精度也可达95%以上。由于该车运动速度较慢见图1，而作业点两者之间的距离往往很近，因此95%的精度已能很好满足工作要求。