一种行走机构速度强制控制方法及系统与流程

本发明涉及行走机构，尤其涉及一种行走机构速度强制控制方法及系统。

背景技术：

1、电铲、桥式起重机等设备的行走机构，主要由传动轴和齿轮组成，其传动依赖于变速箱、离合器及其他轴齿类零部件之间的接触与啮合。在设备行走操作中，尤其是面对复杂工况或基础路面、固定轨道存在不平、不正明显缺陷时，操作人员需精准、缓慢地操控，以减小机械冲击，防止因冲击载荷引发过载跳电、打齿、断轴、烧接触器等设备故障，避免由此带来的损失。

2、如附图1所示，操纵手柄处于左右两侧极限位置时，对应行走控制器中电刷与电控板接触面的“前进”与“后退”最大行程，同时也是前进和后退最大速度时的手柄位置。

3、在这类设备的设计中，操作手柄的左右或前后摆动，会机械联动行走控制器内的电刷，手柄位移即电刷位移。手柄偏离中位越远，电刷移动距离越大，而电刷位置决定了电路的导通状态：手柄居中时，电路完全断开，行走电机断电，设备静止；手柄偏离越远，电刷与电控板的有效接触面积越大，导通程度越高，电流随之增大，行走电机输出的驱动力越强，车速也相应提高。

4、为保证设备平稳启动，减少启动瞬间的过载冲击，启动速度通常不应超过全速的20%~25%（以下取20%）；载重行走时，最大速度宜控制在全速的50%~70%以内（以下按60%）。然而，操纵杆并未设置具体的限位装置，操作人员在实际操作中难以随时低头观察手柄位置或其它仪表显示的负荷电流等运行参数数据，多依赖经验手感进行控制，幅度把控难度较大。且操作人员即使能随时看到负荷电流等运行参数数据，也很难做到精准不超速、超载，即便设备配有警示装置，这些也属于操作后的报警方式，依然无法有效规避因操作不当而引发的风险。一旦起步过猛、给速过快，仍较易造成行走机构折轴、断齿等事故。

5、当前，国内电铲、桥式起重机等设备的行走机构控制普遍面临上述问题，尚未形成系统有效的解决方案。因此，如何实现对行走速度的强制性、精准控制，对于保障设备连续稳定运行、减少过载故障，具有重要的现实意义。

6、一、现有技术方案

7、经检索，与本发明技术方案相关的现有技术主要包括以下：

8、（一）电控气动控制系统

9、如中国专利cn203162127u公开了一种“新型电控气动控制系统”，该方案通过操纵手柄将动作转化为电信号，经控制器处理后控制电磁阀动作，从而驱动气缸活塞杆往复运动，实现变速箱的换挡控制。该方案的核心在于利用电控气动技术替代传统的机械拉杆换挡方式，以提高换挡操作的轻便性和可靠性。然而，该方案的应用场景为变速箱换挡控制，其活塞杆的伸出终点对应的是不同档位（如前进挡、倒挡、空挡）的切换位置，而非对操作手柄行程的限位约束；其所解决的问题是换挡操作的轻便性，而非行走速度的强制控制。

10、（二）挖掘机超速控制装置

11、如中国专利cn201811214295公开了一种挖掘机行走超速控制装置，该方案在车轮超速时通过气动机构卡定操控室，实现对挖掘机行走速度的限制。该方案属于速度检测触发式控制——即设备实际行走速度达到或超过设定阈值后，系统检测到超速状态才触发制动或限速动作，其本质是一种事后干预机制。该方案需依赖速度传感器实时检测行走速度，在速度未达到超速阈值前，操作手柄仍可自由推至最大行程位置，无法从操作源头防止超速行为的发生。此外，该方案的速度阈值在设备出厂时即已设定完成，操作人员在现场无法根据不同工况（启动、载重等）灵活调节限速值。

12、（三）变频调速限位方法

13、某些电铲设备采用变频调速系统，通过软件方式设置速度限位点。当操作手柄输出信号对应的设定速度超过限位值时，变频器将输出频率钳制在限位值对应的频率，使电机转速不再随手柄位移增加而增加。该方案虽能实现速度限制，但其本质仍是软件层面的信号处理——即在手柄信号进入控制器后、输出至变频器之前进行限幅处理，并未对操作手柄本身进行物理约束。操作人员推动手柄时，手柄仍可越过限速对应的行程位置，只是设备速度不再增加，操作人员无法通过手柄的触觉反馈感知速度极限，仍存在因误判而持续加大手柄行程导致电气系统过载的风险。此外，该方案需依赖设备原有的控制系统软件，对于不具备软件限速功能的旧设备改造难度大、成本高，通用性受限。

14、（四）其他相关技术

15、此外，现有技术中还存在一些涉及气动控制、手柄操作的技术方案，如cn99103587.9涉及一种两腿步行机的气动驱动控制系统，其通过气动系统驱动足部运动、智能控制系统实现速度调节，但其技术领域与本发明相差甚远（仿生机器人vs.工程机械），未涉及操作手柄行程的物理限位。另有部分涉及工程机械安全防护的技术方案，如通过安装防护栏、警示灯、蜂鸣器等装置来提醒操作人员注意安全，但这些均属于被动警示或外围防护手段，未从操作控制本身解决速度精准控制的问题。

16、二、现有技术的不足

17、综合上述现有技术，目前电铲、桥式起重机等设备的行走机构速度控制主要存在以下技术缺陷：

18、（一）缺乏操作前端的物理限位手段

19、现有技术中，速度控制主要依赖于软件限幅（变频调速限位）或事后检测触发（超速检测制动），前者为信号处理层面的限幅、后者为速度超差后的干预，均未在操作输入端对操作手柄设置物理限位结构。操作人员仍可将手柄推至最大行程位置，无法从操作源头杜绝超速行为。

20、（二）无可视化的行程反馈

21、现有设备中，操作手柄与控制器之间为机械联动或电信号传递，手柄行程与速度输出之间的对应关系完全依赖操作人员的经验手感进行判断。操作人员在操作过程中无法直观感知当前手柄位置对应的速度百分比，存在“看不见、摸不准”的操作盲区，尤其在工作注意力分散或紧急操作场景下，极易发生操作过猛。

22、（三）无限速阈值的现场可调功能

23、现有技术中，如变频调速限位方案，其限速值需由专业人员在设备参数设置界面中修改，操作人员无法根据现场工况变化（如启动工况需20%、载重工况需60%）灵活调节限速阈值。又如超速检测制动方案，其速度阈值在设备出厂时已设定，不具备现场调节能力。这严重制约了技术方案对不同工况的适应性。

24、（四）通用性不足，改造成本高

25、变频调速限位方案依赖设备原有的变频控制系统，仅适用于已配备先进电控系统的设备，对于大量在役的旧式电铲、桥式起重机等设备，其控制系统不具备软件限幅功能，改造难度大、周期长、成本高，难以推广应用。

26、（五）无法克服寒冷工况下的操作难题

27、在寒冷地区冬季作业时，操作人员戴厚重手套，操作灵活性和手感判断能力显著下降，传统依赖手感经验的操控方式事故风险急剧上升。而现有技术方案均未针对这一特殊工况提供有效的速度强制控制手段。

28、三、本发明要解决的技术问题

29、针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种行走机构速度强制控制方法及系统，旨在解决以下技术问题：

30、1、如何从操作输入端对操作手柄的行程进行物理强制限位，使任何超速操作在物理上无法实现，而非依赖操作人员的经验判断或事后报警干预；

31、2、如何通过可视化、可量化的手段，使操作人员能够直观感知手柄行程极限位置，消除操作盲区；

32、3、如何实现限速阈值的现场可调，使操作人员能够根据不同工况（启动、载重、空载等）灵活设定速度限制值；

33、4、如何提供一套不依赖原设备控制系统的独立技术方案，能够适用于各类在役设备的低成本改造；

34、5、如何克服寒冷等恶劣工况下操作难度增加的问题，保障设备在全工况条件下的安全运行。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种行走机构速度强制控制方法及系统，解决行走速度控制依赖操作人员经验手感、缺乏操作前端物理限位手段的技术问题；通过设置于操作手柄两侧的可调式限速气缸，对操作手柄进行物理限位，使操作人员无法超速操控行走机构，从源头杜绝因起步过猛、给速过快引发的折轴、断齿等设备故障，降低行走机构故障率，减少备品备件损耗，保障设备安全稳定运行。本发明结构简单、独立成套、通用性强，适用于电铲、桥式起重机等各类设备的改造与配套。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种行走机构速度强制控制方法，包括：

4、s1、预设限速阀值：

5、根据行走机构工况需求，调节柱形压板在滑道内的位置，使前进限速气缸、后退限速气缸的活塞杆伸出极限位置分别对应操作手柄行程的目标刻度；

6、s2、构建气动控制回路：

7、通过电气控制回路同步控制充气常闭电磁阀和排气常开电磁阀的通断，用于气路切换；

8、s3、限速启用：

9、响应限速启动指令，控制充气常闭电磁阀得电开启、排气常开电磁阀得电闭合，气源向限速气缸充气，活塞杆克服内部复位弹簧力伸出，将操作手柄物理限位于两活塞杆之间，强制约束操作手柄的最大行程不超过预设限速阈值对应的刻度范围；

10、s4、限速解除：

11、响应限速解除指令，控制充气常闭电磁阀失电关闭、排气常开电磁阀失电开启，限速气缸内压缩空气经排气常开电磁阀排出，活塞在复位弹簧作用下带动活塞杆回缩，解除对手柄的行程限制。

12、s1中，目标刻度为对应行走机构全速的百分比。

13、s3中，限速启用的电气控制包括：

14、闭合总断路器、气泵电源断路器及对应方向的限速断路器；

15、按下限速启动按钮，对应中间继电器得电吸合，中间继电器的常开触点闭合形成自锁回路，维持充气常闭电磁阀和排气常开电磁阀的得电状态，直至接收到限速解除指令。

16、s3中，预设限速阈值的设定包括：

17、启动工况下，设定目标刻度为行走机构全速的15%~25%，将操作手柄活动范围限制在中心两侧15%~25%区间内；

18、载重行走工况下，设定目标刻度为行走机构全速的50%~70%，将操作手柄活动范围限制在中心两侧50%~70%区间内。

19、s4中，限速解除的电气控制包括：

20、按下限速停止按钮，对应中间继电器失电，自锁回路断开；

21、充气常闭电磁阀失电切断气源，排气常开电磁阀失电连通大气；

22、气缸内气体快速排出，活塞杆在复位弹簧作用下完全回缩至脱离操作手柄活动范围。

23、一种行走机构速度强制控制系统，包括限速气缸系统总成，限速气缸系统总成包括前进限速气缸（2-1）、后退限速气缸（2-2）、充气常闭电磁阀（1-1-3）、排气常开电磁阀（1-1-1）、气缸限位滑道（2-5）、柱形压板（2-4）、柱形压板滑道（2-10）及调整螺栓（2-3），柱形压板（2-4）仅沿柱形压板滑道（2-10）直线移动，通过调节调整螺栓（2-3）改变柱形压板（2-4）位置，以设定前进限速气缸和后退限速气缸或者其活塞杆（2-8）的位置，以调节操作手柄行程的目标刻度范围，以执行限速阈值的预设；

24、气缸限位滑道（2-5）固定安装于箱体上，用于对气缸沿操作手柄行程方向进行导向和限位；

25、充气常闭电磁阀（1-1-3）和排气常开电磁阀（1-1-1）分别连接于前进限速气缸和后退限速气缸的气路上，且受电气控制回路同步控制，以执行气路切换；

26、标尺及刻度（3-7）刻设于箱体或控制台箱体表面，并与操作手柄行程一一对应，用于标定活塞杆伸出极限所对应的限速阈值，使得操作手柄的最大行程不超过预设限速阈值对应的刻度范围；

27、活塞杆（2-8）伸出时，将操作手柄位于前进限速气缸的活塞杆与后退限速气缸的活塞杆之间，活塞杆用于限制操作手柄的形成。

28、前进限速气缸、后退限速气缸均包括活塞、复位弹簧、密封件、缸体和活塞杆，复位弹簧设于活塞一侧，活塞另一侧的无弹簧端设置气源接口，通过气管接头分别与进气常闭电磁阀和排气常开电磁阀连接。

29、还包括电气控制回路，电气控制回路包括与电源输出端并联连接的气泵（m）控制回路、电磁阀回路，

30、电磁阀回路包括并联连接的充气常闭电磁阀回路，排气常开电磁阀回路。

31、气泵m控制回路包括串联连接的气泵启动按钮sb1、气泵停止按钮sb2、气泵中间继电器ka1的线圈，气泵启动按钮sb1、气泵停止按钮sb的连接处与自锁回路一的一端连接，自锁回路一的另一端与气泵中间继电器ka1的线圈的另一端连接。

32、自锁回路一包括串联连接的气泵中间继电器ka1的常开触点和气泵m。

33、充气常闭电磁阀回路，排气常开电磁阀回路的结构相同，均包括串联连接的启动按钮sb11、停止按钮sb12、中间继电器ka11的线圈，

34、启动按钮sb11、停止按钮sb12的连接处与自锁回路二的一端连接，自锁回路二的另一端与中间继电器ka11的线圈的另一端连接；

35、自锁回路二包括串联连接的中间继电器ka11的常开触点和相应的电磁阀连接。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

37、1、通过设置于操作手柄两侧的前进限速气缸和后退限速气缸，限速启用时两根活塞杆及延长连杆同时伸出，将操作手柄夹持限位于两活塞杆或延长连杆之间，强制约束操作手柄的最大行程不超过预设限速阈值对应的刻度范围，与传统依赖软件限幅（信号处理后限幅，手柄仍可推至最大行程）或速度检测触发式控制（超速后干预，属于事后报警）相比，本发明实现了操作输入端的物理限位——任何超速操作在物理上无法实现，操作人员即便有意超速，也会被活塞杆稳固阻挡，无法通过缓慢施力、快速冲击等方式越过限位，这一从“事后干预”到“事前预防”的设计思路转变，从根本上杜绝了因操作过猛、过快引发的冲击载荷，有效防止行走机构折轴、断齿等设备故障；

38、2、在系统箱体或控制台箱体表面刻设有标尺及刻度，标尺及刻度与操作手柄行程一一对应，用于标定活塞杆伸出极限所对应的限速阈值，操作人员通过观察标尺及刻度即可直观、精确地将柱形压板调节至目标刻度位置，使操作手柄的最大行程不超过预设限速阈值对应的刻度范围，在行走操作过程中，操作人员仅凭手柄触碰活塞杆的阻挡感即可直观感知已到达限速极限位置，无需低头观察仪表，也无需依赖经验手感判断，这一可视化、可量化的行程反馈设计，取代了传统完全依赖操作人员手感经验的粗放控制模式，使每一次操作参数具有一致性与可重复性，推动操作流程向标准化、精细化升级；

39、3、柱形压板仅可沿柱形压板滑道直线移动、不可翻转，通过旋转调整螺栓即可改变柱形压板位置，从而设定气缸位置也就是气缸活塞杆或其延长连杆的位置，操作人员可根据具体设备特性及工况需求，随时通过观察标尺刻度，将限速阈值调节至目标百分比位置，例如，启动工况下可设定为全速的15%~25%，将操作手柄活动范围限制在中心两侧15%~25%区间内；载重行走工况下可设定为全速的50%~70%，将操作手柄活动范围限制在中心两侧50%~70%区间内；空载快速行走工况下可设定为全速的80%~100%，前进方向和后退方向的限速阈值可独立设定、独立启用或解除，满足坡道起步、狭窄通道行走等不对称工况的实际需求，现有技术中，变频调速限位方案需专业人员修改软件参数、超速检测方案出厂阈值固定不可调，均不具备现场灵活调节能力，本发明通过纯机械式调节结构实现了限速阈值的现场快速可调，且调节方式直观、精确，具备较强的现场适应性和个性化调节空间，可在不依赖专业人员的前提下由操作人员自主完成；

40、4、独立成套装置，由操作台、气源控制部分、限速气缸系统总成及电气控制部分四大模块构成，不依赖设备原有的控制系统（如plc、变频器等），采用独立的安全电压电源供电、独立的气泵提供气动动力、独立的电气控制回路实现逻辑控制，安装时仅需将限速气缸系统总成固定安装于控制台箱体一侧、将气泵和操作箱安装于合适位置、完成气路和电气线路连接即可，无需对设备原有控制系统和电路进行任何改动，技术原理简单、结构简洁、组件可靠、取材便利、安装便捷，具有良好的兼容性与适应性，适用于绝大多数在役设备的低成本改造，突破了变频调速限位方案“仅适用于已配备先进电控系统的新设备、老旧设备改造困难”的局限性；

41、5、通过精准调控有效缓冲刚性传动系统的冲击负荷，大幅降低行走机构故障概率，该技术不依赖操作人员手感判断，在寒冷冬季操作人员戴厚重手套、手感判断能力显著下降的工况下，操作人员仅凭手柄触碰活塞杆的阻挡感即可明确感知速度极限，无需依赖手指的精细触觉，有效克服了寒冷等恶劣工况下操作难度增加、风险上升的弊端，经实际验证，在-10℃至-25℃低温环境下，系统累计行走作业约1200小时、限速气缸动作约6000次，未发生因低温导致的活塞卡滞、密封失效或电磁阀动作失灵等故障，工作可靠率达100%，可全面提升设备在全工况条件下的安全运行能力；

42、6、通过强制限制操作手柄行程，从操作源头控制了行走机构的启动速度和载重行走速度，有效减小了传动系统的冲击载荷与负载波动，启动速度限制在全速20%以内，避免了启动瞬间的过载冲击；载重行走速度限制在全速60%以内，减小了齿轮、传动轴等关键部件在重载工况下的冲击载荷超限和疲劳累积，经实际应用验证，采用本发明技术方案改造后，因速度控制不佳导致的行走机构折轴故障下降100%、断齿故障下降85.7%、总故障停机时间下降86.8%、备件更换费用下降82.6%，相较于现有技术，本发明可显著延长行走机构核心零件使用寿命，降低维护成本与停机损失，保障生产连续性与设备出勤率，为企业创造显著的经济效益；

43、7、全系统采用安全电压供电，适配设备低压供电环境，避免高压风险，采用常闭电磁阀作为充气阀（失电自动关闭切断气源）、常开电磁阀作为排气阀（失电自动开启排气），确保在意外断电等异常情况下，充气常闭电磁阀自动关闭切断气源、排气常开电磁阀自动开启排气，气缸内气压泄放后，活塞在复位弹簧作用下带动活塞杆及延长连杆自动回缩复位，解除限速，避免设备因限速装置故障而无法正常操作，具有本质安全特性。