工程机械防倾翻控制方法、装置和工程机械与流程
本发明涉及工程机械，具体地涉及工程机械防倾翻控制方法、装置和工程机械。
背景技术：
许多工程机械需要采用支撑机构实现工作时的支撑，以避免作业时负荷过大而造成工程机械侧倾翻。支撑机构一般包括四个支腿装置，即两个前支腿装置和两个后支腿装置，每个支腿装置均具有收起和展开两种状态。当该工程机械需要移动时，可以收起各个支腿装置，以便于实现工程机械的转场；当工程机械处于施工状态时，则可以将支腿装置展开，以实现工程机械的支撑。
支腿式工程机械被广泛应用于各种施工现场，其在行走或施工的过程中，需要通过升降四条支腿来达到调整机身高度的目的。同时，需实时监控整车的作业姿态及受力状况，确保整车始终处于安全作业工况。
例如，轮胎式起重机主要在侧方工作，国家系列中又规定了幅度的最小值，故某一吨位起重机的支腿横向跨距不得超过某规定数值以满足有效幅度的要求。但跨距取大了，虽然在起重机工作时稳定性好，但过大的稳定也是不必要的，有时甚至是有害的；因为当超载时，过大的稳定使起重机司机不感到超载的危险，当无自动报警装置时，而有使吊臂损坏的可能。
当前工程车辆的防倾翻控制主要通过两种方式：
一种是基于力矩限制器的防倾翻控制系统，通过一系列的传感装置，结合整车结构模型和起重量表，控制工程机械设备始终工作在安全作业区域。这种系统算法复杂，对传感器可靠性和精度要求极高，当发生故障时，即失去对整车的安全防护。且将起重量表区域外的工况统一作为超载处理，控制方式过于粗放保守，保护区域狭窄，不能最大限度地发挥起重性能。
另一种是基于支腿反力检测与计算，通过各支腿实际受力与倾翻条件的判定，来实施防倾翻的报警与防护。此种方案的根本在于如何精准和真实检测各支腿反力，而现有方案采用的支腿压力检测方式是在支腿油缸无杆腔安装单一压力传感器，当有杆腔存在较大背压时，检测的压力与实际支腿反压偏差较大。另外当支腿全伸到位时，检测压力是系统溢流压力，并非此时支腿真实反压，存在更大的偏差。同时现有方案采用的控制策略中，没有考虑油缸摩擦力等因素产生的检测误差。且控制模式单一，不能适应工程机械设备的灵活作业需求。因此，现有技术方案存在安全防护精度差，控制策略单一，智能化程度低等问题。
技术实现要素：
本发明实施例的目的是提供一种工程机械防倾翻控制方法、装置和工程机械，该工程机械防倾翻控制方法、装置和工程机械可以精确地实现工程机械在任意姿态下的防倾翻安全防护。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种工程机械防倾翻控制方法，该工程机械包括四个支腿，该方法包括：检测所述工程机械的四个支腿的支腿反力；根据所述工程机械的安全裕度系数和所述四个支腿的最大设定支腿反力计算防倾翻阈值；以及根据所述四个支腿的支腿反力和所述防倾翻阈值控制所述工程机械的调整姿态的运行动作。
优选地，所述防倾翻阈值包括第一阈值、第二阈值和第三阈值，其中，所述第二阈值为所述第一阈值的第一设定百分比，所述第三阈值为所述第一阈值的第二设定百分比，所述根据所述四个支腿的支腿反力和所述防倾翻阈值控制所述工程机械的调整姿态的运行动作包括：在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和小于第一阈值且大于第二阈值时，进行防倾翻报警；在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和小于第二阈值且大于第三阈值时，进行防倾翻报警，并切断所述工程机械的调整姿态的运行动作；在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和小于第三阈值时，进行防倾翻报警，并禁止所述工程机械向所述四个支腿的支腿反力中最大的两个支腿反力的支腿方向调整姿态。
优选地，所述第一阈值通过以下公式计算：t＝f×n％，其中t为所述第一阈值，f为四个支腿的最大设定支腿反力中最小的最大设定支腿反力，n为所述工程机械的安全裕度系数。
优选地，该方法使用起重量表和力矩限制器，该方法还包括：判断所述工程机械的吊臂的幅度和臂长是否在所述起重量表的范围内；以及在所述工程机械的吊臂的幅度和臂长在所述起重量表的范围内时，通过所述力矩限制器控制所述工程机械的调整姿态的运行动作。
优选地，该方法还包括：在进行防倾翻报警时，根据设定的路径和速度控制所述工程机械向所述最小的两个支腿反力的支腿方向调整姿态。
优选地，所述工程机械的四个支腿中每个支腿的支腿反力通过所述支腿油缸的无杆腔和有杆腔的压力的差计算。
优选地，该方法还包括：检测所述支腿的油缸的活塞距离所述油缸的底部的距离；在所述支腿的油缸的活塞距离所述油缸的底部的距离为预设距离时，控制所述支腿停止进行伸动作。
本发明实施例还提供一种工程机械防倾翻控制装置，该工程机械包括四个支腿，该装置包括：反力检测单元，用于检测所述工程机械的四个支腿的支腿反力；控制单元，用于：根据所述工程机械的安全裕度系数和所述四个支腿的最大设定支腿反力计算防倾翻阈值；以及根据所述四个支腿的支腿反力和所述防倾翻阈值控制所述工程机械的调整姿态的运行动作。
优选地，所述防倾翻阈值包括第一阈值、第二阈值和第三阈值，其中，所述第二阈值为所述第一阈值的第一设定百分比，所述第三阈值为所述第一阈值的第二设定百分比，所述根据所述四个支腿的支腿反力和所述防倾翻阈值控制所述工程机械的调整姿态的运行动作包括：在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和小于第一阈值且大于第二阈值时，进行防倾翻报警；在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和小于第二阈值且大于第三阈值时，进行防倾翻报警，并切断所述工程机械的调整姿态的运行动作；在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和小于第三阈值时，进行防倾翻报警，并禁止所述工程机械向所述四个支腿的支腿反力中最大的两个支腿反力的支腿方向调整姿态。
优选地，所述第一阈值通过以下公式计算：t＝f×n％，其中t为所述第一阈值，f为四个支腿的最大设定支腿反力中最小的最大设定支腿反力，n为所述工程机械的安全裕度系数。
优选地，该装置包括起重量表和力矩限制器，该控制单元还用于判断所述工程机械的吊臂的幅度和臂长是否在所述起重量表的范围内；以及在所述工程机械的吊臂的幅度和臂长在所述起重量表的范围内时，通过所述力矩限制器控制所述工程机械的调整姿态的运行动作。
优选地，该控制单元还用于：在进行防倾翻报警时，根据设定的路径和速度控制所述工程机械向所述最小的两个支腿反力的支腿方向调整姿态。
优选地，所述反力检测单元还包括压力传感器，用于检测所述支腿油缸的无杆腔和有杆腔的压力，所述反力检测单元用于通过所述支腿油缸的无杆腔和有杆腔的压力的差计算所述工程机械的四个支腿中每个支腿的支腿反力。
优选地，该控制装置还包括行程检测单元，用于检测所述支腿的油缸的活塞距离所述油缸的底部的距离；所述控制单元用于在所述支腿的油缸的活塞距离所述油缸的底部的距离为预设距离时，控制所述支腿停止进行伸动作。
本发明实施例还提供一种工程机械，该工程机械包括上文所述的工程机械防倾翻控制装置。
通过上述技术方案，采用本发明提供的工程机械防倾翻控制方法、装置和工程机械，首先检测工程机械的四个支腿的支腿反力，然后确定防倾翻阈值，再根据四个支腿的支腿反力和防倾翻阈值控制工程机械的调整姿态的运行动作，本发明适用于工程机械的各种工况，且对影响倾翻的因素考虑周全，可以精确地实现工程机械在任意姿态下的防倾翻安全防护。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明一实施例提供的工程机械防倾翻控制方法的流程图；
图2是本发明另一实施例提供的工程机械防倾翻控制方法的流程图；
图3是本发明一实施例提供的安全阈值与最大设定支腿反力的关系示意图；
图4是本发明另一实施例提供的工程机械防倾翻控制方法的流程图；以及
图5是本发明一实施例提供的工程机械防倾翻控制装置的结构示意图。
附图标记说明
1反力检测单元2控制单元
3压力传感器4行程检测单元
5力矩限制器6执行机构
7人机界面
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
图1是本发明一实施例提供的工程机械防倾翻控制方法的流程图。如图1所示，该工程机械包括四个支腿，该方法包括：
步骤s11，检测所述工程机械的四个支腿的支腿反力；
步骤s12，根据所述工程机械的安全裕度系数和所述四个支腿的最大设定支腿反力计算防倾翻阈值；以及
步骤s13，根据所述四个支腿的支腿反力和所述防倾翻阈值控制所述工程机械的调整姿态的运行动作。
本发明采用改进型支腿压力检测方案，即一方面通过同时检测支腿油缸无杆腔、有杆腔的压力，采用压力差值参与支腿反力计算，消除系统背压造成的支腿反压计算失真。另一方面，通过检测所述支腿的油缸的活塞距离所述油缸的底部的距离，在所述支腿的油缸的活塞距离所述油缸的底部的距离为预设距离时，控制所述支腿停止进行伸动作或在油缸的活塞处于预设位置(未完全伸到位)时，输出检测信号，此时系统自动切断支腿油缸伸出动作，从而杜绝了因油缸全伸时摒压造成的支腿反压计算严重失真，实现整车支腿反力的精准计算，为整车防倾翻控制策略的实施提供重要依据。
在本发明实施例中，首先根据所述工程机械的安全裕度系数和四个支腿的最大设定支腿反力确定防倾翻阈值，然后根据四个支腿的支腿反力和防倾翻阈值控制工程机械的调整姿态的运行动作(例如起重机的吊臂的运行动作)。而且，在本发明中，防倾翻阈值可以进行分级，对于满足不同的防倾翻阈值，本发明采用不同的处理方式，详细如下：
图2是本发明另一实施例提供的工程机械防倾翻控制方法的流程图。如图2所示，所述防倾翻阈值包括第一阈值、第二阈值和第三阈值，其中，所述第二阈值为所述第一阈值的第一设定百分比，例如90％，但不限于此。所述第三阈值为所述第一阈值的第二设定百分比，例如80％，但不限于此。所述根据所述四个支腿的支腿反力和所述防倾翻阈值控制所述工程机械的调整姿态的运行动作包括：
步骤s21，判断所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和是否大于等于第一阈值；
步骤s22，在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和小于第一阈值时，判断所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和是否大于等于第二阈值；
步骤s23，在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和大于等于第二阈值时，进行防倾翻报警；
步骤s24，在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和小于第二阈值时，判断所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和是否大于等于第三阈值；
步骤s25，在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和大于等于第三阈值时，进行防倾翻报警，并切断所述工程机械的调整姿态的运行动作；
步骤s26，在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和小于第三阈值时，进行防倾翻报警，并禁止所述工程机械向所述四个支腿的支腿反力中最大的两个支腿反力的支腿方向调整姿态。
当最小的两个支腿反力的和大于等于第一阈值时，说明倾翻条件不成立，整机处于安全状态，此时作业允许。当系统检测到最小的两个支腿反力的和小于第一阈值，且大于第二阈值时，系统发出防倾翻预警，但不切断动作，仅提醒操作人员安全作业。当系统检测到最小的两个支腿反力的和小于第二阈值，且大于第三阈值时，系统发出防倾翻报警，同时切断危险方向动作，但允许操作人员进行强制作业，此时，对强制操作进行限速控制，确保操作安全。当系统检测到最小的两个支腿反力的和小于第三阈值时，系统发出防倾翻报警，同时切断危险方向动作，并禁止进行任何强制操作，此时，只能朝安全方向慢速进行姿态调整。
本发明实施例采用多级支腿反力防倾翻控制策略，实现防倾翻控制保护的预警、报警切断动作、以及完全禁止操作的三级安全防护机制。甚至可以根据实际工况需要，实现更多层级的防倾翻保护控制。既有效保护整机作业安全，又更大限度地发挥了起重性能和使用便利性。
另外，在本发明实施例中，可以设定安全自复位控制模式，并当选定该模式时，在进行防倾翻报警时，可以根据设定的路径和速度控制所述工程机械向所述最小的两个支腿反力的支腿方向(安全方向)调整姿态。进一步消除在防倾翻状态或临界点时，人工手动调整可能存在的误操作或操作不当导致的安全事故，使防倾翻保护具有更高的智能化、自动化。
图3是本发明一实施例提供的安全阈值与最大设定支腿反力的关系示意图。如图3所示，本发明实施例提出安全域d的概念，在不考虑检测误差的情况下，最小的两个支腿反力a和b的和需大于等于安全域d才能保证工程机械不倾翻。安全域d与最大设定支腿反力f成线性关系，其中tanα
d＝f×n％式(1)
其中f为四个支腿的最大设定支腿反力中最小的最大设定支腿反力，n为所述工程机械的安全裕度系数。
在不考虑误差情况下，表示是否具有倾翻危险的临界值，即上文所述的第一阈值t即等于d，那么，第一阈值可以通过以下公式计算：
t＝f×n％式(2)
其中f为四个支腿的最大设定支腿反力中最小的最大设定支腿反力，n为所述工程机械的安全裕度系数。
但是，利用支腿油缸活塞腔内的压力来间接测量支撑油缸的受力时，由于油缸摩擦力或系统背压等因素的影响，使压力检测值与实际值存在一定偏差，从而影响支腿反力的计算。因此可以设定一个合理检测误差修正值c，c值通过试验的方式确定，并存储于控制单元供系统调用。在考虑误差c的情况下，第一阈值t等于d与c的和，即第一阈值可以通过以下公式计算：
t＝f×n％+c式(3)
基于上文所述，在得到第一阈值之后，可以进一步计算第二阈值和第三阈值，可见，第一阈值、第二阈值以及第三阈值随工程机械的不同而不同。
图4是本发明另一实施例提供的工程机械防倾翻控制方法的流程图。如图4所示，该方法还包括：
步骤s41，判断所述工程机械的吊臂的幅度和臂长是否在所述起重量表的范围内；
步骤s42，在所述工程机械的吊臂的幅度和臂长在所述起重量表的范围内时，通过所述力矩限制器控制所述工程机械的调整姿态的运行动作；
步骤s43，在所述工程机械的吊臂的幅度或臂长不在所述起重量表的范围内时，判断所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和是否大于等于第一阈值；
步骤s44，在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和小于第一阈值时，判断所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和是否大于等于第二阈值；
步骤s45，在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和大于等于第二阈值时，进行防倾翻报警；
步骤s46，在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和小于第二阈值时，判断所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和是否大于等于第三阈值；
步骤s47，在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和大于等于第三阈值时，进行防倾翻报警，并切断所述工程机械的调整姿态的运行动作；
步骤s48，在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和小于第三阈值时，进行防倾翻报警，并禁止所述工程机械向所述四个支腿的支腿反力中最大的两个支腿反力的支腿方向调整姿态。
在本发明实施例中，当工程机械为起重机时，可以采用双重防倾翻控制策略，起重量表是吊臂幅度和吊臂臂长的表格，仅有了一定数据范围的吊臂幅度和吊臂臂长。在起重量表的区域内，可以采用力矩限制器进行防倾翻保护(在力矩超载时，判断有倾翻危险，可以报警并切断危险方向动作)。在起重量表区域外，或力矩限制失效时，采用上文所述的关于支腿反力的防倾翻保护，实现工程机械在任意姿态下的防倾翻安全防护。
图5是本发明一实施例提供的工程机械防倾翻控制装置的结构示意图。如图5所示，该工程机械包括四个支腿，该装置包括：反力检测单元1，用于检测所述工程机械的四个支腿的支腿反力；控制单元2，用于：根据所述工程机械的安全裕度系数和所述四个支腿的最大设定支腿反力计算防倾翻阈值；以及根据所述四个支腿的支腿反力和所述防倾翻阈值控制所述工程机械的调整姿态的运行动作。
优选地，所述防倾翻阈值包括第一阈值、第二阈值和第三阈值，其中，所述第二阈值为所述第一阈值的第一设定百分比，所述第三阈值为所述第一阈值的第二设定百分比，所述根据所述四个支腿的支腿反力和所述防倾翻阈值控制所述工程机械的调整姿态的运行动作包括：在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和小于第一阈值且大于第二阈值时，进行防倾翻报警；在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和小于第二阈值且大于第三阈值时，进行防倾翻报警，并切断所述工程机械的调整姿态的运行动作；在所述四个支腿的支腿反力中最小的两个支腿反力的和小于第三阈值时，进行防倾翻报警，并禁止所述工程机械向所述四个支腿的支腿反力中最大的两个支腿反力的支腿方向调整姿态。
优选地，所述第一阈值通过以下公式计算：t＝f×n％，其中t为所述第一阈值，f为四个支腿的最大设定支腿反力中最小的最大设定支腿反力，n为所述工程机械的安全裕度系数。
优选地，该装置包括起重量表和力矩限制器，该控制单元2还用于判断所述工程机械的吊臂的幅度和臂长是否在所述起重量表的范围内；以及在所述工程机械的吊臂的幅度和臂长在所述起重量表的范围内时，通过所述力矩限制器5控制所述工程机械的调整姿态的运行动作。
优选地，该控制单元还用于：在进行防倾翻报警时，根据设定的路径和速度控制所述工程机械向所述最小的两个支腿反力的支腿方向调整姿态。
优选地，所述反力检测单元1还包括压力传感器3，用于检测所述支腿油缸的无杆腔和有杆腔的压力，所述反力检测单元1用于通过所述支腿油缸的无杆腔和有杆腔的压力的差计算所述工程机械的四个支腿中每个支腿的支腿反力。
优选地，该控制装置还包括行程检测单元4，用于检测所述支腿的油缸的活塞距离所述油缸的底部的距离；所述控制单元2用于在所述支腿的油缸的活塞距离所述油缸的底部的距离为预设距离时，控制所述支腿停止进行伸动作。
本装置采用can总线拓扑结构，控制单元2对所有输入信号进行实时监控，并进行逻辑运算处理，对执行机构进行输出控制；压力传感器3分别安装在工程机械设备各升降支腿油缸的有杆腔和无杆腔。系统根据油压检测差值，结合油缸内腔面积等参数，计算支腿反力。行程检测单元4(例如高压接近开关)安装在升降支腿油缸上，用于检测油缸活塞杆的位置，设定油缸未完全伸到位时输出该检测信号，此时系统自动切断支腿油缸伸出动作，从而杜绝了因油缸全伸时摒压造成的支腿反力计算严重失真。执行机构6统指用于驱动支腿动作的各液压电磁阀，以及用于驱动上车回转、变幅、伸缩、卷扬等机构的电磁阀，在出现防倾翻切断报警时，系统将自动停止危险动作对应的电磁阀输出。人机界面7及力矩限制器5通过一系列的传感装置，结合整车结构模型和起重量表，控制工程机械设备工作在安全作业区域。人机界面是整车信息交互中心，可实时显示整车吊载重量、幅度、变幅角度、支腿反力等状态信息，并实施超载超限防倾翻等安全保护。
本发明实施例还提供一种工程机械，该工程机械包括上文所述的工程机械防倾翻控制装置。
上文所述的工程机械防倾翻控制装置的实施例与上文所述的工程机械防倾翻控制方法的实施例类似，在此不再赘述。
通过上述技术方案，采用本发明提供的工程机械防倾翻控制方法、装置和工程机械，首先检测工程机械的四个支腿的支腿反力，然后确定防倾翻阈值，再根据四个支腿的支腿反力和防倾翻阈值控制工程机械的调整姿态的运行动作，本发明适用于工程机械的各种工况，且对影响倾翻的因素考虑周全，可以精确地实现工程机械在任意姿态下的防倾翻安全防护。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。
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