平衡重式叉車防側(cè)翻分層控制分析

葉劍剛 王玉龍 趙明 毛小玲 尹凌鵬 徐峰

摘要：本研究基于側(cè)翻機理以及叉車結(jié)構(gòu)分析的前提下，設(shè)計以防側(cè)傾液壓油缸為控制執(zhí)行元件，進而為系統(tǒng)提供側(cè)向支撐力，并且進一步提出基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡理論的防側(cè)翻分層控制方法，通過分層實現(xiàn)叉車防側(cè)翻控制，其上層利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡理論來判斷叉車的運行情況，可作為下層控制的重要參考中層控制。則結(jié)合叉車運行狀態(tài)劃分選擇有效策略，下層作為執(zhí)行層，能夠通過不同策略執(zhí)行動作與輸出控制模型。通過實車實驗結(jié)果和仿真分析結(jié)果表明，在本研究中對于叉車處于特殊工況所提出的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)安全域劃分，其對于叉車運行安全來說具有重要意義。

關(guān)鍵詞：平衡重式叉車;防側(cè)翻;分層控制;分析

中圖分類號：U294.27+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0055-02

0? 引言

近年來隨叉車的應用其安全性受到了車輛行業(yè)的高度重視，結(jié)合OSHA研究表明，美國每年出現(xiàn)事故的數(shù)量占總叉車10%，從一定程度上會給其帶來較大的經(jīng)濟損失，同時也會威脅駕駛?cè)藛T的生命健康。而在叉車事故中42%是由于叉車側(cè)放的導致的，因此需高度重視叉車防側(cè)翻安全控制。整體來看，叉車的車身穩(wěn)定區(qū)域是地面與前橋左右輪胎接觸中心點以及車架鉸接點和后橋構(gòu)成的三角區(qū)域，在叉車處于緊急轉(zhuǎn)向時，由于重心偏移會導致叉車出現(xiàn)側(cè)翻。國內(nèi)外對于叉車防側(cè)翻控制研究包括利用保護預測方式，預測叉車行駛在叉車運行過程中判斷其俯仰角和傾斜角是否會側(cè)翻，以確保叉車時間穩(wěn)定運行。根據(jù)叉車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性，結(jié)合車速和手柄轉(zhuǎn)速設(shè)定轉(zhuǎn)向比，在行駛叉車時增加轉(zhuǎn)向阻尼力，以提高動態(tài)特性。本研究通過分析叉車的結(jié)構(gòu)構(gòu)成以及基于橫向失穩(wěn)機理為前提，在車身和叉車轉(zhuǎn)向橋兩者之間增加油缸，實現(xiàn)防側(cè)翻控制，可提高叉車支撐面積，提出基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡理論的分層控制法，能夠?qū)⑵浞譃樯蠈印⒅袑雍拖聦?，其分別對應辨識層、控制層以及執(zhí)行層。在叉車處于緊急供貨條件下，能夠提高其運行安全性。

1? 叉車轉(zhuǎn)向

從理論上來看應當確保轉(zhuǎn)向車輪能夠進行純滾動且不會出現(xiàn)滑動，進而減少磨損，降低阻力。為此在叉車轉(zhuǎn)向時要求兩個轉(zhuǎn)向車輪直線速度垂線能夠相交于一點，即瞬時轉(zhuǎn)彎中心。針對平衡叉車轉(zhuǎn)彎中心為前橋中心線和兩轉(zhuǎn)向輪各自中心線延長焦點。

在叉車轉(zhuǎn)向過程中內(nèi)輪偏轉(zhuǎn)角應當高于外轉(zhuǎn)向輪，其滿足下列公式：

由于轉(zhuǎn)向機構(gòu)對于叉車整車中心是保持對稱結(jié)構(gòu)的，因此可構(gòu)建單側(cè)轉(zhuǎn)向輪的空間運動。

轉(zhuǎn)向橋兩轉(zhuǎn)向主銷距離為M，轉(zhuǎn)向輪的外輪偏轉(zhuǎn)角以及內(nèi)輪偏轉(zhuǎn)角分別為α、β，轉(zhuǎn)向橋在運動過程中上下偏轉(zhuǎn)角為r，轉(zhuǎn)向輪的斷面寬外直徑分別為W、R，銷軸和輪胎的外側(cè)距離為L。根據(jù)運動軌跡，同時結(jié)合叉車轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向橋相關(guān)參數(shù)，即能夠獲得叉車的轉(zhuǎn)向輪包絡圖。

2? 叉車側(cè)翻理論分析

叉車采用前驅(qū)動后轉(zhuǎn)向的方式進行底盤布置，在處于正常行駛狀態(tài)下，叉車的車身會沿著橫向傾斜角，其范圍為2～3度，一旦出現(xiàn)橫向失穩(wěn)會使沿前驅(qū)動輪外側(cè)連接地面中心點以及轉(zhuǎn)向橋鉸接軸中心點兩者之間的連線出現(xiàn)傾斜，這種情況下會減小叉車轉(zhuǎn)向內(nèi)輪的接地壓力，進而使中心出現(xiàn)外移，叉車的4輪在未離地的基礎(chǔ)上，如果沒有采取有效的防側(cè)翻控制策略，會導致叉車的內(nèi)側(cè)車輪接地壓力減小，甚至會出現(xiàn)車輪離地的問題，進一步會沿著外側(cè)車輪連接地面中心連線，出現(xiàn)叉車側(cè)翻現(xiàn)象。車輛重心是車輛穩(wěn)定性的重要因素，如圖1所示，車輛穩(wěn)定區(qū)為ABC三角形區(qū)。

在搬運貨物的過程中，平衡重式叉車重心會隨貨物高度發(fā)生變化，根據(jù)圖1可以發(fā)現(xiàn)，一旦叉車的重心向外部轉(zhuǎn)移到達AE連接線，這種情況下會降低叉車的運行穩(wěn)定性和安全性。為確保叉車能夠?qū)崿F(xiàn)橫向穩(wěn)定，可采取有效措施確保叉車的重心能夠處于三角形區(qū)，在處于叉車危險運行情況下，能夠鎖定后橋與車身，進而使叉車穩(wěn)定區(qū)域，由三角形區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)锳VDC區(qū)，進而提升其安全運行。

3? 設(shè)計防側(cè)傾液壓油缸

根據(jù)上述原理可以發(fā)現(xiàn)，進一步增加叉車的穩(wěn)定區(qū)域面積，改變重心位置能夠在剎車處于緊急運行情況下，提高叉車防側(cè)翻能力，確保駕駛?cè)藛T安全駕駛。綜合國內(nèi)外研究本研究提出雙向防側(cè)翻液壓油缸，能夠為叉車提供抗拉伸力以及支撐力，在車身和后橋位置進行單側(cè)安裝。

在叉車出現(xiàn)傾斜時，利用液壓油缸能夠為叉車提供側(cè)向支撐力，進而使三角形穩(wěn)定區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪涡螤睢?/p>

在具體設(shè)計過程中控制防噪油缸電磁閥為常閉閥，在啟動叉車后打開電磁閥，運行頻率為750赫茲，采用脈沖寬度調(diào)制信號及pwm的占空比進行電磁閥調(diào)節(jié)，以改變防側(cè)翻液壓油缸的運行模式。一般來說有三種方式：第一，電磁閥輸出信號為70%Pwm信號，這種情況下為最大電磁閥開度，能夠自由移動液壓油缸的活塞并且能夠使液壓缸左右腔連通，進而通過電磁閥節(jié)流孔確保左右腔連通，由于受到節(jié)流因素的影響，導致油缸活塞運行速度逐漸變慢，緩沖閥會吸收壓力，在不平整路面行駛過程中叉車壓油缸能夠起到支撐作用，進而提升叉車在不平整路面行駛中橫向穩(wěn)定性。第二，電磁閥的控制信號為0%的pwm信號，這種情況下電磁閥彈簧作用力其能夠?qū)㈨斸樛嘶卦形恢茫藭r電磁閥權(quán)并可以鎖定液壓油缸，在車身和后調(diào)位置形成剛性連接，車身能夠受到4個車輪支撐，進而提高車輛的橫向穩(wěn)定性。第三，電磁閥控制信號為0～70%的pwm信號，這種情況下電磁閥處于開閉中間狀態(tài)，液壓油缸活塞能夠?qū)崿F(xiàn)良好運動，但具有較大阻力。

4? 模型構(gòu)建

門架模型構(gòu)建。對于叉車來說，其門架包含鏈條、鏈輪、起升油缸、內(nèi)外門架、貨叉、安裝架以及傾斜油缸。在構(gòu)建叉車門架時僅需考慮不同元部件的運動副屬關(guān)系。本研究在模型構(gòu)件中可簡化門架的結(jié)構(gòu)模型，去除鏈輪、鏈條，對部分物件約束關(guān)系進行定義后，可獲得門架的完整虛擬模型。在該模型中能夠?qū)⒇洸嫔舷录s束關(guān)系設(shè)置為門架與貨叉的平行運動副，在門架兩側(cè)后部位置設(shè)置，能夠促使門架前后保持運動的傾斜油缸，其前傾角度為3～6度，后仰角度為10～13度。設(shè)置前后俯仰角度能夠確保叉車便于叉取和堆放貨物。

第一，構(gòu)建轉(zhuǎn)向機構(gòu)的模型。在初期構(gòu)建叉車轉(zhuǎn)向機構(gòu)模型其準確度是否與實際需求接近，需要通過模型驗證和參數(shù)優(yōu)化，根據(jù)叉車轉(zhuǎn)向機構(gòu)阿克曼理論，在叉車處于轉(zhuǎn)向過程中，為確保車輪保持純滾動運動，要求轉(zhuǎn)向機構(gòu)需滿足下列公式：

在上述公式中，外輪以及內(nèi)輪轉(zhuǎn)角分別用α、β進行表示，內(nèi)外輪和前后輪的間距為M和L，在參數(shù)優(yōu)化中要求叉車在處于兩種情況下，轉(zhuǎn)向輪外輪轉(zhuǎn)角差值絕對值較小，通過參數(shù)優(yōu)化，能夠利用仿真軟件進行程序仿真分析，獲得經(jīng)優(yōu)化之后的誤差數(shù)據(jù)。根據(jù)研究通過多次仿真優(yōu)化使優(yōu)化目標逐漸歸零。構(gòu)建整車模型。需結(jié)合合力叉車參數(shù)來構(gòu)建整車模型，在建模時需簡化叉車結(jié)構(gòu)，比如針對叉車機械結(jié)構(gòu)和簡化或者剔除，在門架建模過程中無需考慮發(fā)動機以及傳動系統(tǒng)等相關(guān)結(jié)構(gòu)。而對于叉車其實際采用前后輪的型號分別為6.5-10-10PR以及2yx91512PP，在整車模型構(gòu)件中可利用輪胎模型fiala。

第二，模型仿真分析。在構(gòu)建叉車整車虛擬模型后，在圓周工況條件下進行叉車模型仿真，可在計算機軟件Adams中進行仿真工況的設(shè)置，設(shè)置叉車轉(zhuǎn)向角能夠促使叉車開展圓周運動，改變車速之后獲得叉車與圓周運動軌跡。在具體仿真時，能夠獲得實際叉車在進行圓周工況時的車身側(cè)傾角以及仿真獲得的車身側(cè)傾角，將數(shù)值進行比較，根據(jù)該結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，利用軟件進行仿真分析，獲得的結(jié)果是與實際工況下叉車結(jié)果相吻合的，因此可將所構(gòu)建叉車整車模型為仿真控制對象。

5? 叉車的運行狀態(tài)分級

對于叉車在開展防側(cè)翻分層控制理論中，結(jié)合叉車的側(cè)向加速度、貨叉高度、載荷能夠?qū)⒉孳嚪譃橐患墶⒍壓腿墵顟B(tài)，分別對應絕對安全、安全邊界和危險狀態(tài)。一級狀態(tài)是指叉車實現(xiàn)穩(wěn)定運行且無側(cè)翻危險;二級狀態(tài)是指叉車面臨一定側(cè)翻危險，并逐漸向危險狀態(tài)轉(zhuǎn)變，要求采取合理控制措施，防止出現(xiàn)側(cè)翻;三級狀態(tài)是指叉車前輪出現(xiàn)一定程度側(cè)翻或者在較大的側(cè)翻概率，需采取有效措施。然而在叉車行駛狀態(tài)劃分過程中及界限模糊，并且叉車貨叉高度，載荷以及側(cè)向加速度等參數(shù)，對于側(cè)翻產(chǎn)生的風險是不確定的，但不同參數(shù)之間具有關(guān)聯(lián)性，如果叉車運行速度較快則側(cè)翻概率越大，側(cè)向加速度數(shù)值越高。如果X高度越高死時叉車所面臨的大的側(cè)翻風險在處于一定范圍內(nèi)。此時叉車運行越穩(wěn)定，當貨叉高度達到一定范圍時，在此時，叉車則面臨較大的側(cè)翻風險的研究利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡來識別叉車運行情況，輸入量為上述三種參數(shù)輸出則表示叉車運行狀態(tài)。

6? 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡是融合神經(jīng)系統(tǒng)以及某個系統(tǒng)考慮兩者互補性，結(jié)合模糊控制理論推理和神經(jīng)網(wǎng)絡學習機制，人類思維，能夠為傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡輸入量以及權(quán)重進行模糊化處理。利用該模型全局輸出最優(yōu)化數(shù)學公式。在多變量系統(tǒng)處理過程中能夠減少模糊變量，同時利用該方法能夠?qū)崿F(xiàn)模型自動更新，確保模糊子及隸屬度函數(shù)實現(xiàn)連續(xù)性變化。本研究主要針對叉車貨叉高度，載荷以及側(cè)向加速度三個參數(shù)進行模糊化處理，進而預測叉車的運行狀態(tài)。在具體開展中需通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡進行系統(tǒng)系數(shù)優(yōu)化，將實際值與期望輸出值比較，通過誤差實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化減小兩者誤差，進而使神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)實際值與輸出值更加接近。系統(tǒng)輸出結(jié)果準確度與樣本訓練次數(shù)，學習量是成正相關(guān)關(guān)系的，數(shù)據(jù)量越大，開展越多的訓練次數(shù)，其結(jié)果更加精確。為確保所構(gòu)建模型準確要求提供較多的樣本數(shù)量，需進行叉車連續(xù)性測試。每種樣品含40個樣本，不同樣本能夠表示不同操作下叉車高度、載荷和側(cè)向加速度的數(shù)值，選擇20個樣本為測試數(shù)據(jù)，通過測試檢測模糊神經(jīng)網(wǎng)絡準確度，對叉車運行情況進行準確識別預測。

7? 結(jié)語

總而言之，本研究針對叉車防側(cè)翻提出基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的分層控制法。利用我國神經(jīng)網(wǎng)絡來識別叉車的運行狀態(tài)。通過研究發(fā)現(xiàn)本研究所提出的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡叉車防側(cè)翻封層理論能夠準確識別叉車的運行情況，在極限工況條件下，能夠提升叉車的運行安全性，防止出現(xiàn)側(cè)翻。

參考文獻：

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