支撑装置的载荷检测方法、控制方法、装置及工程机械

技术领域

本发明涉及工程机械控制技术领域，具体涉及一种支撑装置的载荷检测方法、控制方法、装置及工程机械。

背景技术

随着经济的进步、社会的发展，预制型装配式建筑建设、铁路建设、高架桥架梁等对施工设备的要求也日渐提高。起重设备凭借其出色的垂直提升和水平搬运重物的能力成为大型施工场地必不可少的工程机械，其需要在承载能力有限的支撑装置上施工作业，为确保起重设备的施工安全，需要确保支撑装置的载荷不超安全施工要求范围，因而需要准确检测支撑装置的载荷。

目前，支撑装置作为起重设备悬挂总成的一部分，与悬挂总成中的摆动臂铰接，摆动臂分别与弯臂、液压油缸铰接。现有技术中，通常采用力传感器直接测量支撑装置的载荷，然而，当液压油缸完全伸出或完全缩回时，油缸无杆腔的压力值会陡然增加，此时力传感器无法再准确检测出支撑装置的载荷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何提高支撑装置载荷检测的准确性。

为解决上述技术问题，第一方面，提出一种支撑装置的载荷检测方法，包括：

检测油缸的伸长量；

根据所述油缸的伸长量，获得油缸推力对第一铰接点的力臂，其中，所述第一铰接点为弯臂与摆动臂的铰接点；

根据所述油缸的伸长量，获得支撑装置支撑力对所述第一铰接点的力臂；

获取油缸推力；

根据所述第一铰接点的力矩平衡，结合所述支撑装置支撑力对所述第一铰接点的力臂、所述油缸推力对第一铰接点的力臂以及所述油缸推力，获得所述支撑装置支撑力；

根据所述支撑装置支撑力生成所述支撑装置的载荷。

可选地，所述根据所述油缸的伸长量，获得油缸推力对第一铰接点的力臂包括如下第一公式：

L

其中，L

可选地，所述根据所述油缸的伸长量，获得支撑装置支撑力对所述第一铰接点的力臂包括如下第二公式：

其中，L指所述支撑装置支撑力对所述第一铰接点的力臂，a1为所述弯臂与所述油缸推力对所述第一铰接点的力臂方向的夹角，a2为所述摆动臂与所述油缸推力对所述第一铰接点的力臂方向的夹角，θ为所述弯臂与所述支撑装置支撑力对所述第一铰接点的力臂方向垂线的夹角。

可选地，所述根据所述第一铰接点的力矩平衡，结合所述支撑装置支撑力对所述第一铰接点的力臂、所述油缸推力对第一铰接点的力臂以及所述油缸推力，获得所述支撑装置支撑力包括如下第三公式：

其中，F指所述支撑装置支撑力，F

可选地，所述弯臂的长度和所述摆动臂的长度通过求解铰点位置优化选择模型获得，所述铰点位置优化选择模型包括：

目标函数为：

满足的约束条件为：

h

L1≤L

模型解的取值范围为：

其中，L

为解决上述技术问题，第二方面，还提出一种控制方法，包括：

根据如上所述的载荷检测方法确定支撑装置的实时载荷；

获取设定载荷范围，比较所述实时载荷与所述设定载荷范围；

当所述实时载荷高于所述设定载荷范围时，控制均衡油缸回油直至所述支撑装置的实时载荷达到所述设定载荷范围。

可选地，还包括：

检测所述油缸的伸长量，根据所述油缸的伸长量判断油缸是否完全伸出或完全缩回；

若所述油缸未完全伸出也未完全缩回，则执行所述根据如上所述的载荷检测方法确定支撑装置的实时载荷的步骤；

若所述油缸完全伸出或完全缩回，则进入主动调节支撑载荷模式，以供人为调整支撑装置的载荷。

为解决上述技术问题，第三方面，还提出一种载荷检测控制装置，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上所述的支撑装置的载荷检测方法或者如上所述的控制方法。

可选地，所述载荷检测控制装置还包括拉杆式直线位移传感器。

为解决上述技术问题，第四方面，还提出一种工程机械，包括如上所述的载荷检测控制装置。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：

通过检测油缸的伸长量，基于油缸的伸长量获得油缸推力对第一铰接点的力臂以及支撑装置支撑力对第一铰接点的力臂，再基于第一铰接点的力矩平衡，获得支撑装置载荷，可实现基于实际测得的油缸的伸长量，获得支撑装置的实时载荷，无需采用力传感器检测支撑机构的载荷，保证支撑装置载荷检测的准确性，以便后续对支撑装置载荷的控制，保证支撑结构的载荷不超安全施工要求范围。

上述技术方案中的其他技术方案的有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为悬挂总成的结构及简化节点模型示意图；

图2为本发明实施例支撑装置的载荷检测方法流程一示意图；

图3为本发明实施例悬挂总成几何与力学模型示意图；

图4为本发明实施例悬挂总成几何模型示意图；

图5为本发明实施例控制方法流程一示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

为便于理解本发明的实施例，现结合图1对本发明实施例适用的悬挂总成结构进行简要描述。图1为悬挂总成的结构及简化节点模型示意图。该悬挂总成结构图示出了弯臂、摆动臂、油缸之间的三个铰接点以及支撑装置与摆动臂的铰接点，具体地，O点为弯臂与摆动臂的铰接点，A点为油缸上部耳环与弯臂的铰接点，B点为油缸下部耳环与摆动臂的铰接点，C点为支撑装置与摆动臂的铰接点。

图2为本发明支撑装置的载荷检测方法一实施例示意图。如图2，所述支撑装置的载荷检测方法包括：

步骤S100，检测油缸的伸长量。

可通过在油缸上设置位移传感器检测油缸的伸长量。

步骤S200，根据所述油缸的伸长量，获得油缸推力对第一铰接点的力臂，其中，所述第一铰接点为弯臂与摆动臂的铰接点。

图3为悬挂总成几何与力学模型示意图。第一铰接点即图1和图3中的O点。

可选地，如图3，所述根据所述油缸的伸长量，获得油缸推力对第一铰接点的力臂包括如下第一公式：

L

其中，L

步骤S300，根据所述油缸的伸长量，获得支撑装置支撑力对所述第一铰接点的力臂。

具体地，获取摆动臂的长度以及，摆动臂与支撑装置支撑力对第一铰接点的力臂方向形成的夹角，其中，该夹角基于所述油缸的伸长量计算而得；根据余弦定理，结合摆动臂的长度和夹角，生成支撑装置支撑力对第一铰接点的力臂。其计算公式表示如下：第二公式：

其中，如图3和4，L指所述支撑装置支撑力对所述第一铰接点的力臂，a1为所述弯臂与所述油缸推力对所述第一铰接点的力臂方向的夹角，a2为所述摆动臂与所述油缸推力对所述第一铰接点的力臂方向的夹角，θ为所述弯臂与所述支撑装置支撑力对所述第一铰接点的力臂方向垂线的夹角。如图3，β＝|α1+α2-90°+θ|。

步骤S400，获取油缸推力。

获取油缸有杆腔的压力、油缸无杆腔的压力、油缸油径及油缸杆径，采用如下公式计算生成油缸推力：

其中，F

步骤S500，根据所述第一铰接点的力矩平衡，结合所述支撑装置支撑力对所述第一铰接点的力臂、所述油缸推力对第一铰接点的力臂以及所述油缸推力，获得所述支撑装置支撑力。

其中，根据第一铰接点的力矩平衡，可得：支撑装置支撑力对所述第一铰接点的力臂×支撑装置支撑力＝油缸推力对第一铰接点的力臂×油缸推力。

进一步地，所述根据所述第一铰接点的力矩平衡，结合所述支撑装置支撑力对所述第一铰接点的力臂、所述油缸推力对第一铰接点的力臂以及所述油缸推力，获得所述支撑装置支撑力包括如下第三公式：

其中，F指所述支撑装置支撑力，F

步骤S600，根据所述支撑装置支撑力生成所述支撑装置的载荷。

通过质量单位(例如吨)衡量支撑装置承受的压力，即支撑装置的载荷，因支撑装置支撑力等于重力G，G＝mg，可得m＝G/g，其中，g为重力常数，m为质量，单位为kg，可知支撑装置的载荷为：

此为一个均衡油缸对应的压力值，在一些实施方式中，一个均衡油缸对应两个支腿/轮胎，即单个支撑装置对应两个支腿/轮胎，单个支腿/轮胎的压力值为：

通过检测油缸的伸长量，基于油缸的伸长量获得油缸推力对第一铰接点的力臂以及支撑装置支撑力对第一铰接点的力臂，再基于第一铰接点的力矩平衡，获得支撑装置载荷，可实现基于实际测得的油缸的伸长量，获得支撑装置的实时载荷，无需采用力传感器检测支撑机构的载荷，保证支撑装置载荷检测的准确性，以便后续对支撑装置载荷的控制，保证支撑结构的载荷不超安全施工要求范围。

可选地，所述弯臂的长度和所述摆动臂的长度通过求解铰点位置优化选择模型获得，所述铰点位置优化选择模型包括：

目标函数为：

满足的约束条件为：

h

L1≤L

模型解的取值范围为：

/>

其中，L

可选地，H1＝1305；H2＝970；L1为油缸未伸出时的长度，L2为油缸的预估最大长度；L3＝1200；L4＝950；L5＝470；μ1＝65°；μ2＝-45°；I＝30、J＝30、K＝30、M＝20、N＝75。

其中，参照图3和图4，根据摆动臂的受力情况，对O点求力矩平衡有：

∑M＝FL-F

其中，F

L＝L

可得，

基于上述分析，建立的悬挂总成铰点位置优化选择问题可以描述为：

minF

式中；L

为了方便模型的求解，对L

存在着铰点位置选择方案集(即上文中的模型解的取值范围)X＝[L

求最优解X

结合VB可视化语言编程对悬挂总成三铰点位置优化设计模型进行求解，得到弯臂的长度，摆动臂的长度以及支撑装置与摆动臂的铰接点到第一铰接点的长度，按照该长度设计出相应的悬挂总成，并对该悬挂总成采用本发明一实施例所述的支撑装置的载荷检测方法进行载荷检测。其中，在实际施工过程中，α、α随着油缸的伸长量变化而变化，因而需结合油缸的伸长量变化。通过根据支撑装置许用承载能力的实际需求，以悬挂总成中悬挂液压缸受力最小为目标，空间尺寸为约束，建立数学模型求解，得到弯臂、摆动臂、油缸三者之间的三个铰点以及摆动臂和支撑装置(如车桥)连接铰点的最优相对位置，形成系统化的计算方案，在实现悬挂总成优化设计的同时，为后续支撑装置载荷计算进行数据准备及数据支撑，从而形成系统化解决方案，提高可靠性。

本发明一实施例中，控制方法包括：

根据如上所述的载荷检测方法确定支撑装置的实时载荷；获取设定载荷范围，比较实时载荷与设定载荷范围；当实时载荷高于设定载荷范围时，控制均衡油缸回油直至支撑装置的实时载荷达到设定载荷范围，此处，比例放大器可直接控制均衡油缸回油，实现泄压；当实时载荷低于设定载荷范围时，控制均衡油缸进油，使均衡油缸载荷增加到设定载荷范围，具体地，控制器控制比例放大器输出适当大小的电流，控制均衡油缸进油，使均衡油缸载荷增加到设定载荷范围，同时适当设置比例放大器输出电流，使均衡油缸的进油和回油达到动态平衡，使设备支撑载荷调整幅度更小。重复上述控制方式，直至支腿的支撑载荷均处于设定载荷范围内，以此实现对支腿载荷的控制。

通过基于本发明实施例公开的支撑装置的载荷检测方法，确定支撑装置的实时载荷，并将其与设定载荷范围进行比较，在实时载荷高于设定载荷范围时，控制均衡油缸回油直至支撑装置的实时载荷达到设定载荷范围，从而实现自动调整支撑装置的载荷，使其时时处于安全承载范围内，解决支撑结构在施工过程中因承载能力有限存在的安全隐患，能够有效快速响应支撑载荷的变化，确保施工的安全性和提高施工效率。

在一可选实施方式中，如图5，所述控制方法还包括：

检测所述油缸的伸长量，根据所述油缸的伸长量判断油缸是否完全伸出或完全缩回。其中，可将检测到的油缸的伸长量与油缸的最大伸长量进行大小比较，若前者等于后者，则判定油缸完全伸出，若前者小于后者，则判定油缸未完全伸出。

若所述油缸未完全伸出也未完全缩回，则进入自适应压力均衡载荷分配模式，具体执行所述根据如上所述的载荷检测方法确定支撑装置的实时载荷的步骤。其中，在油缸未完全伸出，执行所述根据如上所述的载荷检测方法确定支撑装置的实时载荷的步骤及其之后的步骤，进行自适应调整支撑装置的载荷。

若所述油缸完全伸出或完全缩回，则进入主动调节支撑载荷模式，以供人为控制均衡油缸伸缩，调整支撑装置的载荷。在主动调节支撑载荷模式下，由操作人员手动选择对应支撑装置控制均衡油缸的伸缩以调节支撑载荷。

通过设置自适应压力均衡载荷分配模式和主动调节支撑载荷模式，根据油缸伸出状态自动确定合适的控制模式，使用可靠性高。

一实施方式中，所述控制方法还包括：

检测到模式选择指令后，获取选定的控制模式，以选定的控制模式进行支撑载荷控制。其中，控制模式为自适应压力均衡载荷分配模式和主动调节支撑载荷模式中的一种。

通过设置两种控制模式，在主动调节支撑载荷模式可以在自适应压力均衡载荷分配模式无法发挥作用的情况下对设备进行支撑载荷调节，在一种控制模式出现故障时，可采用另一种控制模式进行控制，保证设备安全与正常运行。

本发明一实施例中，支撑装置的载荷检测装置包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上所述的支撑装置的载荷检测方法或者如上所述的控制方法。本发明支撑装置的载荷检测装置相对于现有技术所具有的有益效果与上述支撑装置的载荷检测方法或所述控制方法一致，此处不赘述。

可选地，所述载荷检测控制装置还包括拉杆式直线位移传感器。

具体地，拉杆式直线位移传感器固定端安装在油缸缸筒，传感器拉杆端安装在活塞杆尾端(附图1中的B点)，传感器安装方向为AB方向，与液压油缸伸出方向水平安装，油缸伸缩时会带动传感器拉杆运动，从而实时测量油缸的伸缩量。

通过设置拉杆式直线位移传感，硬性拉杆结构防止因误触和碰撞导致的数据不准确，油缸长度检测可靠、方便、稳定，设备适用工作范围大。

可选地，所述载荷检测控制装置还包括比例放大器。该比例放大器与液压比例控制阀相适应，用于精确控制均衡油缸的进油与回油。

本发明一实施例中，工程机械包括如上所述的载荷检测控制装置。其相对于现有技术所具有的有益效果与上述支撑装置的载荷检测装置一致，此处不赘述。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。