具有自动调速功能的液力变矩叉车油门控制装置的研制

李叶妮，赵海兵，陈水宣，雷振辉

(厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门 361024)

具有自动调速功能的液力变矩叉车油门控制装置的研制

李叶妮，赵海兵，陈水宣，雷振辉

(厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门 361024)

通过研究液力变矩叉车传动特性，研制出一套可实现液力变矩叉车缓动功能的控制装置。该装置通过检测操纵手柄位置，采用台达PLC控制步进电机驱动丝杠运动，从而实现对发动机转速的控制，并可通过触摸屏修改控制参数以进行现场调试，使得液力变矩叉车在怠速作业时通过操纵手柄就可以顺利、稳定地进行平移、提升或倾斜作业，让叉车操作更加方便，且降低了操作人员的劳动强度。

叉车;液力变矩器;缓动功能;控制装置

叉车作为工程车辆的典型代表，在工程机械中占有重要地位［1］。工程机械传动系统主要有机械传动、液力机械传动、液压传动和电传动4种类型［2］。液力变矩叉车采用液力传动的方式，其传动系统主要由液力变矩器、动力换挡变速器、传动轴、前后驱动桥及轮边减速器等部件组成。液力传动能实现自动变速和无级调速等［3-4］，但在其工作时需要踩踏油门以提高发动机的转速，使得泵的转速提高，输出流量变大，从而使货叉能够提升、平移或者倾斜。发动机的突然提速容易使货物受到冲击，运动不稳定，而且叉车工况较多，频繁换挡易使工作人员产生疲劳，降低工作效率。

本文对液力传动系统控制算法进行了研究，在不改变现有叉车传动结构的基础上，设计了一种用于液力变矩叉车的缓动控制装置，实现了液力变矩叉车怠速作业的缓动功能，具有类似静压传动系统的作业效果。该控制装置已在叉车上安装使用，验证了控制算法的可靠性与优越性。

1 液力传动系统分析

液力传动系统主要依靠液力变矩器实现传动功能。液力变矩器具有自适应的特性，当负载变化时，液力变矩器将自动调节输出转矩，从而与负载相匹配。液力变矩器的结构特点使其非常适用于工程机械中负载变化频繁的环境［5］。但是由于液力变矩器只有在发动机满负载转速下才能吸收全部转矩达到匹配，此转速以下，其吸收能力急剧下降，发动机转速、输出转矩也变小，因此液力变矩型叉车在启动时，力矩不能被充分利用，启动力矩小，低速传动效率低。当负载较大时，发动机只有达到较高的转速、较大的功率，车辆才可能被启动。车辆启动时需要大的牵引力，而不要求大的功率，但是在液力传动的方式下，为达到大的牵引力必须输入大的功率，于是多余的功率以变矩器内部滑转的形式损耗了［6-7］。

与之相比，静压传动的方式更加先进。叉车的静压传动(又称容积式传动)系统主要由1个斜盘式变量柱塞泵、2个柱塞马达组成，从而获得优良的牵引特性。在静压传动系统中，其工作压力取决于外加负载，而输出速度取决于泵的输出流量。速度与负载之间没有直接的联系，即当外加负载变化时，车辆速度也基本保持不变，速度刚性也比较大。低速大牵引力工况与启动工况相同，静压传动可以在发动机较低转速和较小功率时工作，功率利用好，效率高。图1为2种传动方式的发动机转速与行驶速度的关系曲线。可以看到，在低速传动时，静压传动体现出较好的传动性能［8］。

图1 发动机转速与行驶速度关系曲线

目前主要对液力变矩器的结构形式和叶片参数进行改进，使得在工作转速下的功率传递满足作业的要求。但是该类方法不能很好地改善液力传动特性，不具有静压传动系统启动力矩大、功率质量比大、调速性能好等特性，且改进的成本和难度较大。本文研制一种通过控制操纵手柄对发动机转速进行实时调控的装置，简化了操作的过程，降低了驾驶员的劳动强度，达到了类似于静压传动叉车的效果。

2 整体机构设计

2.1 操纵手柄位置检测机构

采用在叉车多路阀控制手柄下安装拉线式传感器的方式，检测手柄根部相对原始状态的直线位移量。以电压信号传递给PLC控制器模拟量输入口，通过电压与数字量的比例关系，计算出实时的位移量，并判断此时步进电机的运动方向。通过PLC发送脉冲，实现对步进电机的正反转与速度的控制［4］，从而控制油门拨动及复位，达到实时控制发动机转速的目的［5-9］。

图2(a)为操纵手柄位置检测机构，拉线传感器用螺栓固定在固定座上，固定座再通过螺栓固定在操作手柄1的保护架上。传感器3的出线口在操作手柄根部的正下方，拉绳2末端连接一个拉线头。拉线头攻M10外螺纹，装配在手柄根部原有的螺纹孔内。由于拉线口竖直安装会干涉到操作手柄下方的油管，故整体传感器出线口皆采用横向安装。为避免拉线直接斜拉易磨损拉线，因此设计了安装支座4。安装支座在拉线传感器出线口处装有一铝合金材质导轮，拉线绕过导轮连接到操作手柄根部，可减小摩擦，延长拉线寿命。

2.2 油门控制机构

通过改变油门的大小实现发动机转速的控制。因此，该设计采用步进电机带动丝杠上的滑块左右移动，使得发动机转速增加或者降低。

如图2所示，油门拉线支撑杆上用螺栓固定执行机构的固定座，构件为铝合金型材，由4个M4螺钉固定在固定座上，作为执行机构的安装基座。2个支承块用螺钉固定在基座上，用于支承丝杠6及导轨。支撑块上各装配一个内径Ф8的滚珠轴承，过盈配合。步进电机10是执行机构的执行元件，通过弹性联轴器5与丝杠螺母副连接，带动丝杠转动，并在两端安装接近开关7起到限位的作用。丝杠螺母用螺钉固定在滑块8上，滑块下方用2个M4螺钉连接L型拨片，滑块的来回运动推动油门改变大小。为防止滑块绕丝杠转动，用两根Ф6的45#钢作为导轨。导轨与支承块为过盈配合。

3 PLC控制系统设计

3.1 系统控制方案

采用拉线传感器KS15M、步进电机、线性模组、台达DVP-20SX211T型晶体管PLC控制器以及DOP-B触摸屏进行控制。系统硬件接线如图3所示。

系统控制方案如图4所示。叉车的3个操作手柄分别为货叉上下、左右、前后倾操纵手柄，由3个拉线传感器检测手柄底部位移量，并转换为电信号，通过PLC模拟量输入模块检测，经计算处理后PLC将再输出脉冲信号给步进电机控制器，从而控制步进电机的脉冲方向与频率，使丝杠机构运动，实现对发动机转速与方向的控制。设置了左右限位开关，确保步进电机运动时不超限。可加入发动机转速检测模块，对发动机转速进行实时测速。当发动机转速达到所需转速时，反馈信号给控制单元，停止对发动机加速，以便减少能量损耗，同时使控制更精准［10］。

图4 系统控制方案

3.2 控制程序设计

控制系统的总体设计流程如图5所示。PLC上电瞬间，程序进入数据采集初始化模块，进行模拟量通道初始化设定，包括电压/电流模式的选择。模拟量转换为数字的时间设定5 ms。

通过算法实现拉线传感器与步进电机的联动控制。PLC程序由WPLSoft2.2软件进行编译下载［11］，使用台达DOP-B系列触摸屏编辑软件DOPSoft1.01.04编程［12］。

图5 控制系统总体流程

4 人机交互界面设计

本文为了便于现场调试，增加了触摸屏调试系统。通过触摸屏界面程序的设计，根据现场实际情况，设置拉线传感器的位置等数据，与PLC进行联动调试。

触摸屏上手动开关启动后，程序进入手动控制主控程序。当在触摸屏上按下复位键时，程序控制电机反转指令，从而使执行机构复位。当在触摸屏上按下推油门按键时，程序控制电机按原设定好的频率输出脉冲给电机，控制电机正转，从而使执行机构进行推油门动作。

图6中:区域1为时间、日期的显示与调整;区域2为手动、自动控制的界面选择菜单及报警菜单;区域3为手动的复位键和推油门键，用于手动控制执行机构的前进、后退复位;区域4为传感器参数设置菜单，用于设置拉线传感器的2个极限位置输入参数及比例;区域5为传感器输入参数及输出脉冲参数的历史数值数据表显示界面;区域6为传感器0位置设置菜单及传感器输入值表针菜单。

首先，在触摸屏系统初始化的页面设计有时间显示，各传感器输入初始值设置、比例设置、极限设置以及输出设置，方便操作人员进行系统初始化设置;其次，页面上设置有报警按钮，是为了提高操作的安全性，需要先设置好参数再进行动作以提高操作的正确性;再次，页面上设计有自动与手动的选择按钮以及输入、输出参数的显示界面，方便现场调试的灵活性，使操作更直观简便。

图6 触摸屏首页界面

5 结束语

液力变矩叉车存在以下问题:启动力矩小;低速传动效率低;发动机必须高转速、大功率工作，功率的损失非常严重;在失速工况下，液力传动的功率损失可达到95%以上;很难达到静压传动系统具有的优越性能。

本文在不改变叉车原有传动结构的基础上，实现了叉车的缓动功能。采用机电一体化设计技术，研制出一种用于叉车动力系统实时调速的装置。在原有的动力系统基础上，增加了位移检测机构、发动机速度调整机构和车速检测机构，并通过机电控制技术完成各部分的自动化控制，使得叉车工作平稳，具有较高的性价比。该系统目前在国内属于首次开发。该系统的使用使得发动机速度的调节不需要踩踏油门，简化了叉车的工作，并降低了驾驶员的劳动强度。这种人性化的控制装置使液力变矩型叉车更具有市场竞争力。

［1］闫清东，于涛，魏巍.液力变矩器闭锁解锁控制策略研究［J］.机械科学与技术，2013，32(2):160-163.

［2］陈雷.调速型液力耦合器智能化电业控制系统研究与开发［D］.上海:上海交通大学，2008:9-21.

［3］Chu S J.Analysis of lock nut loosening in a forklift drive axle［J］.Journal of Mechanical Science Technology，2013，27(2):375-380.

［4］Bhattacharya A，Sen A，Das S.An investigation on the anti-loosening characteristics of threaded fasteners under vibratory conditions［J］.Mechanism and Machine Theory，2010，45:1215-1225.

［5］Serrano F J，Rodriguez J F，Rodriguez-Aragon.Multi-A-gent Cooperation for Advanced Teleoperation of an Industrial Forklift in Real-Time Environment［J］.Advances in Intelligent and Soft Computing Volume，2011，88:57 -62.

［6］赵敬中，季明，刘宝金.平地机柴油发动机与液力变矩器的匹配研究［J］.工程机械，2012，43:28-32.

［7］何国旗，罗智勇，曹咏梅.轮式装载机静压传动与液力传动的性能分析与比较［J］.液压与气动，2006(12):2 -6.

［8］吴大勇，周平.林德叉车静压传动故障分析及排除［J］.铜业工程，2009(4):71-74.

［9］江小霞.基于神经元的电液伺服系统同步控制［J］.西南交通大学学报，2012，47(2):258-263.

［10］江小霞，李叶妮.PLC可编程控制器与PIC单片机的远程通信［J］.集美大学学报:自然科学版，2009，14 (4):424-428.

［11］中达电通股份有限公司.DVP-PLC系列应用技术手册(程序篇)［M］.上海:上海中达电通股份有限公司，2012.

［12］中达电通股份有限公司.DVP-B系列人机界面应用技术手册［M］.上海:上海中达电通股份有限公司，2012.

(责任编辑 刘舸)

Inching Function Research on Hydraulic Torque Forklift

LI Ye-ni，ZHAO Hai-bing，CHEN Shui-xuan，LEI Zhen-hui
(School of Mechanical and Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China)

By researching the characteristics of hydraulic torque forklifts，we developed a device which achieved inching function.It can detect position of the handle，using Delta PLC controlled stepper motor driven screw movement，to achieve the control of the engine speed，and modify the control parameters via touch-screen on-site commissioning，to achieve a truck at idle operation，through the manipulation of the handle can smooth and stable pan，lift or tilt operation，making operation of forklift more convenient and reduce the operator’s labor intensity，having a high value market applications.

forklift;hydraulic torque;inching function;control device

TH132

A

1674-8425(2014)08-0022-04

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.005

2014-03-28

国家自然科学基金资助项目(51205336);福建省教育科技项目B类(JB12181);校卓越计划教改项目(JGZY201245)

李叶妮(1982—)，女，实验师，主要从事机电一体化、机器视觉研究。

李叶妮，赵海兵，陈水宣，等.具有自动调速功能的液力变矩叉车油门控制装置的研制［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014(8):22-25.

format:LI Ye-ni，ZHAO Hai-bing，CHEN Shui-xuan，et al.Inching Function Research on Hydraulic Torque Forklift［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):22-25.