一种叉车过载保护装置及方法与流程

本发明涉及一种动态检测叉车重心位置的技术和叉车过载保护装置，属于叉车过载保护技术领域。

背景技术：

叉车在出厂时往往设有额定的起重质量，来保证叉车的稳定运行，其目的是保证叉车的合成重心在一定范围之内。但是用户在实际操作时，由于不规范的操作、或者其他一些因素导致叉车侧翻或者货物坠落的事故还时有发生。其主要原因还是对工作时工况信息了解较少，不了解货物的实际重量或重量分布不均导致叉车的合成重心超出预定范围。

由于叉车有可活动的部件，如门架、属具等，因此，它的各重心位置是变化的。当门架向前或向后倾斜时，叉车的重心也向前或向后移动；当门架向上或向下移动时,叉车的重心也随之向上或向下移动。所以能够实时检测各项动态数据，进行叉车重心的实时计算，意义重大。

现在的叉车过载方案多数是在叉车的液压系统中加入溢流阀进行过载保护。当叉车超重时，溢流阀打开，使系统压力不在增加，实现过载保护。这种过载保护装置一方面过于简单，缺少对实时工况信息的检测，不能对工作结果作出很好的预判；另一方面溢流阀在卸荷时叉车的功率并未减小，会造成能源的浪费，不符合现在所提倡的节能环保绿色设计理念。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种叉车过载保护装置及方法，通过检测装载货物的质量，提升高度，以及运行过程中前叉的角度等参数，结合叉车的自身的参数可以计算出叉车是否超载，能否安全运行，以及超载时的解决方法

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种叉车过载保护装置，包括货物检测单元、控制系统、过载保护执行机构、服务化数据管理系统、可视化操作界面，其中：

货物检测单元包括压力传感、角度传感器、位移传感器，

压力传感器：用来测量货物的重量，作为计算货物重心的输入量；

角度传感器：用来检测门架的倾角，安装在控制门架倾斜的液压系统附近，并具有自动平衡功能，能够调节矫正其自身是否水平；

位移传感器：用于检测货叉的起升高度，协助处理器进行精确的计算，其安装位置安装在提升液压系统支架上；

控制系统：接收处理传感器输入的数据，包括数据信号的处理装置；其作用首先计算货物的重心位置，然后根据叉车重心位置计算合成重心位置；计算结果输出到显示器，并控制执行机构进行调节，并将传感器数据发送给服务管理系统；

过载保护执行机构：当货物过载时根据检测结果进行智能调控，包括两个方面，一方面控制前叉的液压系统停止工作，使其保证在稳定范围内，另一方面，通过调节叉车自身的重心位置，通过调节配重位置，大小来调节，保证其合成重心在合适范围内，进而继续进行货物搬运；

服务数据管理系统：一方面储存检测装置检测到的数据，另一方面储存控制器处理数据后得到的结果，并将这些储存的数据输入到显示器上；

可视化操作界面：使用车载显示器，显示叉车三个重心的实时位置以及基本信息；当过载时显示器会弹出对话框进行人机交互；显示服务管理系统传来的数据。

优选的：压力传感器一共有四个，分别对称安装在货叉的四个角，用来分别检测货物底部四个位置的重量，通过每个位置受力的大小，计算货物质量和重心。

优选的：叉车门架做成两级以上的，根据叉车门架的级别，安装位移传感器个数。

一种叉车过载保护装置的过载保护方法，包括以下步骤：

步骤1，计算货物重心位置，首先在前叉所在平面建立平面坐标系，货物质量为m，货物重心在平面内的坐标为(xm，ym)，重力传感器的坐标为(xi，yi),各重力传感器测得的数据为fi，根据力矩平衡原理，货物重心在x,y方向上的力矩分别和各传感器在x,y方向上力矩之和大小相等，方向相反，计算出物体在水平面内的重心坐标：

货物总重力

其中，g表示重力加速度；

步骤2，进行叉车自身重心的计算；叉车出厂后，其各零部件确定后就可以确切对重心位置进行确定：

式中g1-gn——各部件或总成重力；

n——被划分成的部件或总成数量

重心水平位置即距前轴距：

式中，是各部件或总成距前轴距离；

重心高度位置即离地距离：

式中hi是各部件或总成距前轴距离；

步骤3，叉车合成重心位置计算：以叉车的前轴为x坐标轴，叉车的中心线为y坐标轴，垂直于前轴并交于前轴中点的竖直方向为z轴，通过计算得到的货物重心(xm’,ym’h)和叉车重心可以得到叉车的合成重心位置(x,y,z)：

式中：gm——货物重力；g——叉车自重；h——货物重心高度；xm’,ym’——货物重心坐标；——叉车重心y轴坐标；h0——叉车重心高度

因此可以得到叉车合成重心与各动态参数的计算公式：

其中f1,f2,f2,f2-货物压力传感器参数；xm，ym-货叉坐标系重心坐标；θ-门架倾角；h1-门架提升高度；g——叉车自重；——叉车重心y轴坐标；h0——叉车重心高度

步骤4，得到合成重心位置之后，根据合成重心位置是否在稳定区域内判别是否超载，当出现过载时，通过执行机构调节叉车的自身重心，来改变合成重心位置，使其叉车合成重心位置在稳定区域。

优选的：当提升的货物重量普遍较大时，更换叉车的配重，然后通过改变配重的位置来改变叉车的重心；当货物质量比较均衡且较小时，使用质量较小的配重，然后通过改变配重的位置来动态调节叉车的重心。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明通过检测装载货物的质量，提升高度，以及运行过程中前叉的角度等参数，结合叉车的自身的参数可以计算出叉车是否超载，能否安全运行，以及超载时的解决方法。同时解决了传统过载保护装置中缺少对实时工况信息的检测，不能对工作结果作出很好的预判等问题。本发明可以通过实时动态检测叉车的合成重心位置，判断货物是否超载，以及通过执行机构调节叉车重心位置，使叉车的起重范围可调，提高工作效率并增加叉车稳定性，运行更加安全。

附图说明

图1叉车合成重心理论安全区域分布图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种叉车过载保护装置，如图1所示，包括货物检测单元、控制系统、过载保护执行机构、服务化数据管理系统、可视化操作界面；

货物检测单元：由压力传感，角度传感器，位移传感器组成。

压力传感器：用来测量货物的重量，作为计算货物重心的输入量。压力传感器一共有四个，分别对称安装在货叉的四个角，用来分别检测货物底部四个位置的重量，通过每个位置受力的大小，计算货物质量和重心；

角度传感器：用来检测门架的倾角；门架倾角是指无载的叉车在平坦坚实的地面上，门架相对其垂直位置向前或向后的最大倾角。前倾角的作用是为了便于叉取和卸放货物；后倾角的作用是当叉车带货运行时，预防货物从货叉上滑落。一般叉车前倾角为3°～6°，后倾角为10°～12°。其安装在控制门架倾斜的液压系统附近，并具有自动平衡功能，可以调节矫正其自身是否水平。

位移传感器：用于检测货叉的起升高度，协助处理器进行精确的计算。其安装位置安装在提升液压系统支架上，由于叉车门架可以做成两级或多级，可以根据叉车门架的级别，安装位移传感器个数。

控制系统：接收处理传感器输入的数据，包括数据信号的处理装置。其作用首先计算货物的重心位置，然后根据叉车重心位置计算合成重心位置。计算结果输出到显示器，并控制执行机构进行调节。并将传感器数据发送给服务管理系统。

过载保护执行机构：当货物过载时根据检测结果进行智能调控，具体包括两个方面，一方面控制前叉的液压系统停止工作，使其保证在稳定范围内，另一方面，通过调节叉车自身的重心位置，例如配重位置，大小来调节，保证其合成重心在合适范围内，进而继续进行货物搬运。

服务数据管理系统：一方面储存检测装置检测到的数据，如货物重力、门架的倾斜角度、货物提升的高度等，另一方面储存控制器处理数据后得到的结果，如叉车重心的位置，调节装置自动调节的方法等。并将这些储存的数据输入到显示器上，操作管理人员可以随时查看；生产厂家也可以进行产品使用调查，收集叉车工作时的大数据，方便产品升级，维护。

可视化操作界面：使用车载显示器，显示叉车三个重心的实时位置，以及叉车的速度、功率等基本信息；当过载时显示器会弹出对话框进行人机交互；显示服务管理系统传来的数据。

一种叉车过载保护装置的过载保护方法，首先计算货物的重心位置，然后计算叉车的重心位置，然后计算叉车合成重心位置，若合成重心超出安全范围，则进行叉车自身重心的调节计算，根据计算结果，通过执行机构调节叉车的自身重心，来改变合成重心位置，进而使叉车继续安全稳定工作。过载保护方法分为两个部分：(1)更换配重是为了不同的工作条件，可以调节自身配重大小，叉车能用不同的功率工作，达到节能。(2)门架提升的液压系统中，液压马达的功率也是可以调节的。也能达到节能的目的。下面具体介绍每一步的计算方法。

首先计算货物重心位置，首先在前叉所在平面建立平面坐标系，假设货物质量为m，货物重心在平面内的坐标为(xm，ym)，重力传感器的坐标为(xi，yi),各重力传感器测得的数据为fi,根据力矩平衡原理，货物重心在x,y方向上的力矩分别和各传感器在x,y方向上力矩之和大小相等，方向相反。因此，可以计算出物体在水平面内的重心坐标。

货物总重力

计算出载荷重心在平面内的坐标后，根据载荷重心位置与门架的距离，货叉起升的高度，进行下一步的计算。

然后进行叉车自身重心位置的计算，叉车自身重心位置的确定方法：

叉车出厂后，其各零部件确定后就可以确切对重心位置进行确定：

式中g1-gn——各部件或总成重力，gi表示第i个部件的重力；

n——被划分成的部件或总成数量；

重心水平位置即距前轴距：

式中是各部件或总成距前轴距离。

重心高度位置即离地距离：

式中hi是各部件或总成距前轴距离。

通过前面的计算已经获得叉车的载荷重心和叉车的自身重心，因此我们可以模拟计算出叉车的合成重心的位置,叉车合成重心的计算：

计算方法可以以叉车的前轴为x坐标轴，叉车的中心线为y坐标轴。垂直于前轴并交于前轴中点的竖直方向为z轴。通过计算得到的货物重心(xm’,ym’h)和叉车重心可以得到叉车的合成重心位置(x,y,z)：

式中：gm——货物重力；g——叉车自重；h——货物重心高度；xm’,ym’——货物重心坐标；——叉车重心y轴坐标；h0——叉车重心高度

因此可以得到叉车合成重心与各动态参数的计算公式：

其中f1,f2,f2,f2-货物压力传感器参数；xm，ym-货叉坐标系重心坐标；θ-门架倾角；h1-门架提升高度；g——叉车自重；——叉车重心y轴坐标；h0——叉车重心高度

得到叉车的合成重心位置之后，可以根据重心位置是否在稳定区域内判别是否超载。当出现过载时，通过调节使其合成重心在稳定区域。

本发明提出了一种叉车重心位置动态检测技术及其过载保护装置，该装置通过检测装载货物的质量，提升高度，以及运行过程中前叉的角度等参数，结合叉车的自身的参数可以计算出叉车是否超载，能否安全运行，以及超载时的解决方法。

可视化操作界面，让叉车操作人员对叉车的工作状况有了更直观的了解；另外将货物的质量、搬运数据以及叉车稳定性计算的数据存入服务管理系统，为货物的管理，叉车的制造设计提供大数据。

下面讲解各个模块安装位置的选取和各模块的功能。

分别使用g1,g2,g3,g4四个压力传感器。压力传感器均匀安装在货叉的两个插齿上，g1,g2,g3,g4四个压力传感器分别测得货物的压力值f1,f2,f3,f4，然后根据传感器上的载荷分布计算出货物的重力和载荷重心的位置；其中压力传感器可以选择压电式传感器和应变式传感器。

倾角传感器g5安装在控制门架倾斜的液压机构旁边。用来测量叉车运动过程中货叉的角度θ大小，通过倾角大小计算叉车在运行过程中货物重心的变化。该传感器具有水平矫正装置，确保传感器相对地面能够保持水平角度。

位移传感器g6安装在门架的提升机构上，通过测量液压缸的提升高度，测量出货物上升的高度h；由于叉车门架可以做成两级或多级，可以根据叉车门架的级别，安装位移传感器个数。

主控制器用来处理传感器发来的数据，然后将处理结果输出，具体的处理方法将在后面具体描述；控制器可以选用行车电脑，又叫ecu。它由微机和外围电路组成。ecu将输入信号转化为数字形式，根据存储的参考数据进行对比加工，计算出输出值，输出信号再经功率放大去控制若干个调节伺服元件，并且可以用can数据总线与叉车多个ecu之间形成网络系统。控制器的安装不做限定，根据设计要求选择合适的位置即可。

所示超载执行机构包括两个部分，g6所示位置为控制货叉升降的液压系统，g7所示位置为叉车重心调节机构，这里主要通过改变配重来调节叉车自身的重心。当控制器发出超载信号后，液压提升系统停止运行并保压，然后重心调节机构开始调节重心，使叉车能够继续安全工作。当货物重量超出调节极限时不能调节，系统将会报警，货叉会向下运动，并在显示器输出结果，提示操作人员换用其他型号叉车，避免发生事故。

服务数据管理系统主要作用是一方面存储叉车运行过程中的原始数据，例如货物的重量，提升高度，倾斜的角度等，另一方面存储主控制器处理后的数据，载荷重心的位置，叉车重心位置，合成重心的位置，执行机构执行的方法等数据，并将这些数据在显示器上显示。一方面这些数据可以方便仓库管理人员了解货物的质量情况，便于管理。另一方面，便于叉车生产厂家，收集叉车工作时的大数据，方便产品升级，维护。该系统可以内置在ecu中，也可以使用一个单独的处理器进行专门的数据收集。

服务管理系统虽然对于过载保护没有直接作用，但是它使整个装置产生的数据资源得到了充分的利用，它记录的数据对于检测方法的优化，过载保护装置的维护和再设计都有重要意义。

可视化界面是操作者了解叉车运行状态的重要设备。显示器常态下显示叉车整个车体的三维模型，然后通过不同的颜色或者用圆点分别代表叉车的载荷重心、叉车自身重心和合成重心。叉车工作时，这些重心的位置能够动态的变化。界面下方还可以实时显示货物的质量，提升高度，门架的倾斜情况等基本参数。当需要查阅其它数据资料时，可以通过触摸按键调出二级菜单，查阅各个参数。也可以通过显示器界面，向ecu输入数据，对叉车进行手动控制，完善工况信息。

接下来对一种叉车重心位置动态检测技术及其过载保护装置工作的流程以及检测方法作一个详细说明。

叉车启动时，过载检测装置开始运行，显示器界面会显示“进行初始化操作”，隔几秒钟之后，显示器显示叉车各个参数，以及运行状态。一方面检测装置m1开始检测货物的基本参数，测得载荷重心；另一方面根据叉车的自身参数，测得叉车的重心。

当货叉托起货物时，重力传感器m2分别测得货物在货叉四个角的重力分布分别为f1,f2,f3,f4，倾角传感器m3测得门架相对于地面的倾角为θ，位移传感器m4测得货叉的提升高度为h。

步骤m5为叉车的载荷重心计算，该计算由控制系统ecu完成。依货叉的中心为原点，建立二维坐标系xy。重力传感器均匀分布在货叉的四个角，其坐标分别为(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)(x4，y4)；对应的所分得货物的力分别为f1,f2,f3,f4；根据力矩平衡原理，货物重心在x,y方向上的力矩分别和各传感器在x,y方向上力矩之和大小相等，方向相反。因此，可以计算出物体在水平面内的重心坐标。

gm＝f1+f2+f3+f4

xm——载荷重心横向坐标

ym——载荷重心纵向坐标

gm——货物重力

由上面的公式可以计算出货物的重心在二维平面坐标系xy中的坐标(xm，ym)。可以获得货物的载荷重心距离货叉前臂的距离ym，通过叉车的载荷中心曲线图可以大致判断出可以提升的货物重量，货物重心到货叉前臂的距离越小，可提升的质量就越大。

当货物提升的时候，其载荷重心的位置随之发生动态变化，可以根据位移传感器测得的提升距离h1和门架的倾角θ,然后通过几何关系的运算，将其重心位置相对于货叉的坐标(xm,ym,h1)转换为相对于水平位置的坐标(xm’,ym’h)，并将计算结果储存。其计算方法如下：

货叉提升过程相当于坐标系的平移，提升高度为h1，这时其重心高度增加h1，在x,y坐标平面内位移不变此时坐标为(xm，ym，h1)。提升之后，当门架倾斜时，其相当于绕x轴做一个旋转，旋转角度为θ，其坐标变换关系为：

ym’＝ymcosθ-h1sinθ

h＝ymsinθ+h1cosθ

xm’＝xm

即坐标变换公式为：

式中(xm，ym，h1)为门架旋转后重心位置相对于货叉与门架的坐标系坐标；(xm’,ym’h)为旋转后相对于原坐标系的坐标。

当ecu通过检测装置测得的数据计算货物载荷重心的同时，ecu同时根据叉车的自身参数，进行叉车自身重心位置的计算。叉车自身重心的位置取决于其各零部件的重心位置，以及叉车的运行状态。叉车在出厂时其各零部件的重心，安装位置已经确定，因此可以根据各零部件的重心，计算出叉车的重心位置其计算过程如下：

式中g1-gn——各部件或总成重力；

n——被划分成的部件或总成数量；

重心水平位置即距前轴距：

式中是各部件或总成距前轴距离。

重心高度位置即离地距离：

式中hi是各部件或总成距前轴距离。

叉车的重心的主要参数是距离前轴的距离和距离地面的高度。当叉车装载时，叉车距离前轴的距离会缩小，当缩小到一定距离后，叉车就会前倾；重心离地面越低，叉车越稳定。这种计算方法还有一个优势是可以对叉车进行适当的改装，一般来说叉车出厂时，其各项参数都时最优的。但是实际在叉车投入使用时存在私自改装的问题。这种方法在添加一些模块时可以通过界面输入添加配件的质量和重心位置等参数，使叉车重心位置处于最优位置，防止因为改装问题导致叉车稳定性下降。

步骤m7通过计算获得载荷重心和叉车的重心，然后根据这两个重心的位置，计算出叉车的合成重心。计算方法可以以叉车的前轴为x坐标轴，叉车的中心线为y坐标轴。垂直于前轴并交于前轴中点的竖直方向为z轴。通过计算得到的货物重心(xm’,ym’h)和叉车重心可以得到叉车的合成重心位置(x,y,z)：

式中：gm——货物重力；g——叉车自重；h——货物重心高度；xm’,ym’——货物重心坐标；——叉车重心y轴坐标；h0——叉车重心高度

因此可以得到叉车合成重心与各动态参数的计算公式：

其中f1,f2,f2,f2—货物压力传感器参数；xm，ym—货叉坐标系重心坐标；θ—门架倾角；h1—门架提升高度；g——叉车自重；——叉车重心y轴坐标；h0——叉车重心高度

得到叉车的合成重心位置之后，可以根据重心位置是否在稳定区域s内判别是否超载。当出现过载时，通过调节使其合成重心在稳定区域。

几乎所有的平衡重叉车都是一个三点悬架系统,也就是说车辆是由三点支撑的。无论叉车是否有四个车轮,叉车转向轴都是通过轴中心的一个支点a连接在车体上的。叉车驱动轴上两车轮中,合标记为b和c点,当把这三点用假想直线连起来,就形成一个三角形,三角形被称为“稳定三角形”。当合成重心在此三角形区域时，叉车保持稳定。

当合成重心在稳定区域s时，叉车正常运行，返回到开始，进行新一轮的检测，这个刷新频率取决于行车ecu的处理速度。当叉车超载时，重心超出稳定区域s时，叉车的过载保护装置m8开始工作。

叉车过载保护装置的执行机构m8分为两个部分，第一个部分为叉车门架的液压控制系统m9；第二部分为重心调节机构m11。

前叉液压控制系统m9其主要任务是：当接收到超载信息后，叉车ecu向电磁液压控制阀发送信号，使其立即停止提升，并且切换到保压回路，悬停于当前位置。并且控制器ecu对其电动油泵的功率进行调节,避免了功率的浪费。

其具体控制方法：当叉车超载后，叉车的ecu首先发出控制信号，控制h5三位五通电磁阀调整到中间位置，然后双作用油缸h7保持静止，停留在当前工作位置。然后可以通过控制h9倾斜油缸的电磁阀，调节倾斜角度，保持叉车的稳定。同时，叉车ecu可以通过电机驱动器调节h1电动油泵的转速，减小叉车的输出功率。

重心调节机构的作用是用来调节叉车的重心，达到调节合成重心的目的。当前叉液压控制系统m9完成工作之后，重心调节装置m10首先会进行判断，根据超载的程度判断重心是否可调。如果超载过多，调节机构无法调节，则触发报警装置m12，显示器也会输出提示叉车操作人员更换提升设备，或者重新选择提升方法,叉车的前叉液压控制系统会自动将货叉降下，然后本次检测结束，卸载货物后进行新的检测。如果重心可以调节，则进入步骤m11。

步骤m11是叉车重心调节机构，其调节原理是：叉车是基于一支点两侧相对重量平衡的原理工作的,即货叉上的负载必须被叉车的重量所平衡,这样叉车才能工作。因此可以通过调节其配重的大小和位置来调节叉车重心，当提升的货物重量普遍较大时，可以手动更换叉车的配重，然后通过改变配重的位置来改变叉车的重心；当货物质量比较均衡且较小时，可以使用质量较小的配重，然后通过改变配重的位置来动态调节叉车的重心。这种调节方法不仅使叉车的提升范围更加宽泛，而且也能保证提升的重量与叉车的功率相匹配，避免“大车干小活”造成功率上的浪费这种现象。

当m11执行完毕后，重新执行步骤m6，叉车的重心会重新计算，然后再次计算叉车的合成重心，确保调节的准确性。

本发明提出了一种叉车重心位置动态检测技术及其过载保护装置，该装置通过检测装载货物的质量，提升高度，以及运行过程中前叉的角度等参数，结合叉车的自身的参数可以计算出叉车是否超载，能否安全运行，以及超载时的解决方法，现在的叉车的起升重量都有一个额定载荷，当超载后无法工作，而本发明的方法能够当超载后，通过调节叉车的参数，能够使其继续安全工作。该装置能够实时监测叉车工作时的各项参数，具有实时性，解决了传统过载保护装置中缺少对实时工况信息的检测，不能对工作结果作出很好预判等问题，保证叉车操作人员的安全。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。