TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3416 ~ 34 2 2   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.4914          3416     Re cei v ed O c t ober 2 4 , 201 3; Revi se d Decem b e r  5, 2013; Accepte d  De cem ber  24, 2013   Dynamic Characteristics for Leveling System o f  Mobile  Elevatin g Work Platforms      Xue-pe ng Ca o* 1,2  , Sheng-jie Jiao 1 , Lei  Cheng 2 , Jun Zhang 1 , Jin-ping Li 1   1 High w a y  Mai n tenanc e Equ i p m ent Natio nal  Engi neer in g La borator y, Ch an g’a n  Univ ersit y     2 Construction  Machi ner y Co.,  Ltd. of XCM G, Middl e of Nan e r Hua n , Xi ’an,  Shann xi   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : tiepen g2 001 @ chd.ed u.cn       A b st r a ct  Focused on revealing variations  of dynam ic char acteristics of an auto-l eveling system used in  mo bil e  el evati n g w o rk platfor m s (MEW P ) at large  hei ght, a unifi ed  mat h ematica l  mod e l  co mpos ited o f  a  series of sub- m o dels was built for  the leveling system s. A n  effect on dy namic char acter i stics including  the  fast respons e  and rel a tive  stability fro m   varyin g-par a m eters w a s investigate d . Res u lts disp laye d  the  displ a ce ment-a ngl e factor cha ngi ng w i th w o rk-cond itions  te nde d to caus e fluctuatio ns  of the stabi lity, w h il e   enl argi ng the a m p lifier g a in w oul d accel e rate  system  respo n se. Increasi n g  the area ratio  w a s conduciv e  to  level i n g  stabil i ty to be reinfor c ed, but lea d  a diffe rent res pons e spe ed for forw ard pro c ess or revers e   level i n g , w h ich  w a s har mful  to over all  stab il ity. T he  find in g s  w ould  provi d e esse ntia l the o ry gu id ance  for   the desi gn a n d  man u facture  o f  the leveli ng s ystem d e vices  of high a l titud e  platfor m   Ke y w ords :     autom atic lev e ling system , unified model,  varying-par ameters anal y s is, characteristics   variati ons     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Having go od  environme n t al adaptabili ties and hig h  operating efficien cie s , mobile   elevating work platform s (MEWP)  with large  height a nd big  workin g spa c are  obtaine d sp e c ia l   value by markets a nd re se arche r s. The l e veling sy ste m  of platform is one of key  technolo g ie s of  aerial  work  machi n e r ie s, whi c h di re ctl y  affects  the   perfo rman ce s, su ch a s   saf e ty of operating  person a ls, o peratin g flexibility and ad aptability to  environ ment  [1-4]. The el ectro - hyd r auli c   controlled lev e ling sy stem  with many strong poi nt s, such a s  runnin g  contin uou sl y and smo o th ly,  high control a c cura cy and f a st re spo n se spe ed,  is ad a p ted to a variety of MEWP  [5].  The typical compo s ition of  electro - hyd r aulic le velin g system is  sho w n in Figu re 1, which   is a co nsta nt-value po sitio n  control syst em. Prev ious studie s  focu s on the mod e ling of ele c trical   and  hydra u lic syste m s with out con s ide r i ng im pa ct of link me ch ani sm s for p e rfo r man c e  an alysi s   [6], while a unity model of entire hydro m ech a tro n ics system is propo sed in thi s  pap er, and  we   analyze p a ra meters-va r yin g  imp a ct s o n  dynami c   performan ce of leveling  sy stem, which  wi ll  provide a u s e f ul guidan ce f o r actu al leve ling system d e sig n s.       2. Lev e ling  Mecha n ism and Modelin 2.1. Sy stem  Composi t ion  and Lev e lin g Mechanis The leveling  system of M E WP is con s tituted of  elect r o-hydra u lic  prop ortio nal  valves 1,  balan ce valv es  2, asym metric hydra u lic  cylinde rs 4, four-lin k tran smi ssi o n  me cha n isms 5,  workin g pl atform s 6, i n cli nation  se nso r 7 a nd  am plifiers 8.sho w as Figu re  1. The  level i ng  mech ani sm i s  expressed  as: wh en out side inte rf ere n ce s exe r ted  on the platform from b o o ms  luffing and  bendi ng  cause a  certain inclini ng ang le, the incli nation  sensor feedbacks a  corre s p ondin g  an gle  sig n a l, whi c h  is  comp ared  wi th a  referent  input, a nd  differential  si gnal  magnified  by  amplifier dri v es the  pro p o rtional  valve to p r odu ce a  ce rtain  displ a cement . It  controls p r e s sure  oil into   the cylin der  so th at the  cylinder  ro d h a a tele sco p ic  amou nt,  and  impels lin kag e  me ch anism  swingi ng to   prod uce a  di spla cem ent o u tput op po site to th e o r igi nal   inclin ation, which in du ce s the platform to  resto r e a ho rizontal  state.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Dynam ic Ch a r acte ri stics for Leveling S y stem   of Mobile Elevating  Wo rk… (Xue -peng  Cao )   3417     Figure 1. Co mpositio ns of  Hydr om echa tronics Leveli ng System       2.2. Lev e ling Sy stem Unified Modeling   Based o n  the  leveling syst em and auto m atic levelin g comp ositio n as Figu re  1 sho w n,   the leveling control blo c k diagram  is constructe d a s  Figu re 2. In the next, e a ch  sub - mod e l is  built firstly, and then the uni fi ed modelin g  will be integrated.      A m p life r E l e c t r o - hydr aul i c Prop or t i o n a l  V a l v e C y l i nde r L i nka ge M e c han i s m Wo r k P l a t fo rm Ti l t  S e n s o r i ¦È r + - ¦È i ¦È i e x v x p ¦È 3 T h e  l u f f i ng  and B e ndi ng o f  B o o m s     Figure 2. Block  Diag ram o f  Auto-l evelin g Control System of MEWP      1 )  T ilt s e ns or  The tilt sensor wo rks a s  a prop ortion a l   part, who s e  conversio n  relation shi p  can be   expre s sed a s   a iK                                                                                                    (1)         Whe r e i , , a K  resp ectively deno te feedba ck  sign al, tilt angle of platform, and pro p o rtional  c oeffic i ent.  2) Comparison amplifier  T i me   c o ns ta nt is  ver y  sma l l ( t τ <1 m s ), th e am plifier  can b e   con s id ered  a s   a diff eren ce   with proportional fac t or [7].     () ref e iK i i                                                                                            (2)        Whe r e e K  is pro portion al fact or of amplifier.  Combi n ing a bove equ atio ns, the feed back-   com p a r ed can be e x presse d as  Lapla c e   function.     () () () I ae Is Ws K K s                                                                                     (3)        3) Elect r o-hydrauli c  p r opo rtional valve  From the  ref e ren c e [5], th e relatio n ship  betwee n  sp ool-di s pl ace m ent output  and inp u curre n t of the propo rtion a l valve is conv eyed as:    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3416 – 34 22   3418 2 2 () () 2 () 1 Vv V v v v Xs K Ws Is s s                                                                       (4)        Whe r e v , v are th e hyd r auli c   n a tural  freq ue ncy a n d  hydraulic dam pin g  ratio of  the  valve, and v K is valve gain.   4) Asymmet r i c al hydrauli c  cylinde rs   cont rolled by fou r -way valves    From literatu r es [8] an d Figure 3, the tran sfer fu nction  com p rised of a s ymmetrical   hydrauli c  cyli nder a nd fou r -way valve ca n be den oted  as:     2 22 32 22 2 2 2 2 1 1 (1 ) ( ) 1 () ( 1 ) q ce t VL s pe c e p p pt p c e tt t c e t c e ep p e p p ep p K KV Xs F A P AT K AC X BV B K m V m K KV KK ss s TA C A C T A C A C TA A C                                             (5)         There i s  no   elasti c loa d mean while  th e viscou s d a mping  co efficient is ve ry  small. So   output of pist on displa cem ent and inp u t of spool movi ng are give n as:     2 2 () / () 2 () (1 ) pq p h h V h h Xs K A Ws Xs s ss                                                                                 (6)        Whe r e   p A are  area ratio a nd equivale nt area,  12 =/ A A , 12 =( ) / 2 p AA A ; q K , ce K are f l ow rat e   gain an d  total flow rate -p ressu r coeffi cient of the v a lve,  ce c t p KK C  ; T , are  effective  mo dulu s   varying  co efficient  re sulte d  from  symm e t ry cylin d e rs and equival e nt  area  va rying coeffici ent   of    load flo w  rat e 2 2( 1 ) / T  22 2( 1 ) / ( 1 ) C   e , t V are th e effective b u lk mo dulu s   an d   total volume  of the cylinder. h , h are hyd r aul ic natu r al fre quen cy  an hydrauli c  d a m ping  ratio,  2 =/ he p t t TA C m V    // 2 hc e e t t p K Tm V C A          Figure 3. The  Schemati c  Diagra m  of  Asymmetri c al  Hydrauli c  Cy linders Controlled  by Four-way  Valves   Figure 4. The  Vector Chart  of Leveling  Mech ani sm                        5 ) Driving mechanism s     Driving m e ch anism can  be expresse d by tw o cl o s ed  polygon s (Figu r e 4 ) , usin g the   vector eq uati on and Eule r' s formul a, wh ich can be d e s cribe d  as:     11 0 0 11 0 0 cos c os ( ) cos sin s i n ( ) si n p p ll L x ll L x                                                                         (7)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Dynam ic Ch a r acte ri stics for Leveling S y stem   of Mobile Elevating  Wo rk… (Xue -peng  Cao )   3419      11 2 2 4 3 3 11 2 2 3 3 co s c os c o s sin s in sin ll l l ll l                                                                          (8)         Whe r L 0 l 1 l 2 l 3 l 4 l rep r e s ent length of  cylinde r, ra ck 0, p endul um rod 1, li nk 2,  rocke r  3, fixed hinge p o int s  of the boo m 4, respe c tively.  , i  ( i = 0 ,1, ...,4) are angle between  each com pon ent and X-axi s  po sitive.  Solving abov e equ ation,  we  coul d a c quire  expression s am ong  output di spl a cem ent,  rocke r  di spla ceme nt and i nput straight-l ine displa cem ent.    22 2 2 2 2 1 22 22 2 3 () ( ) arcs i n 2t a n bc b c a b c a ab AA B C ar c BC                                                             (9)       Whe r e  2 22 01 0 0 1 0 0 1 2c o s , 2 s i n , p al l b l l c L X l l   , 13 1 3 1 1 4 2s i n , 2 ( c o s ) , A ll B l l l  22 2 21 4 1 4 1 2c o s Cl l l l l  Since  0  relie s on given lo cation of hi n ge point s an d kee p a consta nt. Therefore,  movement  regula r ities e x presse d by  (9) bet wee n   3 and   p x  are  indicated  a s  a  co mple trigono metri c  relatio n ship.  In othe wo rds,  strong   nonlin earitie s are  di splay ed b e twe en  the   output an d the input. To  facilitate the  modelin an alysis, releva nt para m eters are sub s tituted   into (9), an d the both movi ng relatio n shi p  is sh own Table 1.       Table 1. The  Moving Rel a tionship bet we en Cylind e r P i ston an d Wo rk Platform   Variable Value  Piston displacem ent  p x /mm   66.6  128.2  197.5  280  372.  6   464.5   Platform displacement  3   30  60 90 120  150  180      Usi ng third - o r der polyn omi a l fitting method to analyze  above data, we can obtai n:    32 30 0 0 0 pp p ax b x c x d                                                                              (10)        Whe r 74 00 0 0 1 1 0 , 3 1 0 , 0 . 5 126 , 0 . 9 606 ab c d   Due to the value of  0 a and 0 b is far less than  0 c , which illustrates t he higher order part are m u ch smaller  com p ared  with t he first o r d e r for im pa ct on di spla ceme nt tran sfer  perfo rman ce,  so linea r fitting method  ca n be used.     3 lp K xm                                                                                                      (11)       Doin g Lapla c e transf o rm,  a transmitting  functi on for d r iving me cha n ism s  is give n as:     3 () () () ll p s Ws K Xs                                                                                              (12)        From (3), (4),   (6) and (12 ) ,   the  unified  o pen-l oop t r an sfer fun c tion  of leveling sy stem i s   built as:     3 22 22 () () 22 () (1 ) ( 1 ) vh vh vh s K Ws ss s ss s                                                  (13)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3416 – 34 22   3420 Whe r e K is o pen-l oop g a in / ae l v q p KK K K K K A   The co rrespo nding  clo s ed -loop tran sfe r  functio n  ca n b e  written a s :     22 22 () () 22 1( ) (1 ) ( 1 ) vh vh vh Ws K Gs Ws ss s ss K                                                 (14)         3. D y namic  Char acteristi cs Analy s is  More  attentio n is fo cu se d t o  investig ate  par a m eters  a ffecting o n  dy namic characteristics  of leveling   system,  su ch  a s  fou r-li n kag e  me ch ani sm s,  a s ymmetri c al cylind e rs and amplifie rs.  Based  on th e  open -lo op transfe r fun c tio n  and  cl as si c co ntrol th eory, these va rying-p a ramete rs  are analyzed as foll ow.  The am plifier gai value depends  on sy stem  stabilities,  other  para m eters a r e sh own as  Table 2.        Table 2. Basi c Para meters of Leveling System   Components  Parameters   S y mbols V alues  Unit  Tilt sensor  Sensor coef.   a K   -3 0. 8 1 0   [A/°]  A mplifie r  Prop.  coef.   e K   283 -  Proportional   valve   Valve gain  v K   4 51 0    [ m/ s A Natural fre quenc v   69 [rad/s]  Damping ratio   v   0.7 -  Flow rate g a in  q K   2.4 [m 2 /s]  Fl ow rate -pres s u re c oef.   c K   12 4. 0 1 0 [ 5 m/ N s Four - w a y   valve  and c y linder   Total equivalent mass  m t   800 [Kg]  Effective bulk mo dulus  e   9 1.0 1 0   [Pa]  Big chamber are a   A  1   3 5.0 1 0 [m 2 Small chamber area   A   2   3 2. 7 1 0 [m 2]   Internal leak-coef C ip   13 5.0 1 0 [ 5 m/ N s External leak-co e f.  C ep   [ 5 m/ N s T o tal volume  V t   3 2. 3 1 0 [m 3 Four -link mechanism Displacement-angle coeff. l K   2 3.9 1 0   [°/m]       1) The di spl a ceme nt-a ngle  coefficie n t of four-lin k me chani sm varie s   Keeping th gain  K e  un ch ange d an d changi ng the  displ a cement -angl coefficient  K l   from 1 00 to   390, dyn a mic re spo n se  cu rves are  sh o w as Figu re  5. When  it b e com e s g r ea ter,   system re spo n se gets  fast er,  but  ove r shoot is in cre a s ing.  Due  to  K l   varies with  wo rk  co nditi ons,  whe n  empl o y ing a con s tant amplifie r gai n,  whi c h ea sily ca use s  dyn a mi c pe rforman c e s   fluctuating. A l though  usin g four-ba r  lin kag e co uld  expand  angu lar di spla cem ent for leveli ng   output, variation ran g e s  of this coeffici ent shoul d b e  con s trai ne d within pe rmissi ble area  to   ensure system  stability.  2)   The a r ea  ratio of asym metric  cylinde r varie s   Keeping  big  cham be r a r e a  A  1  un ch an ged, the  are a  ratio  coeffi ci ent   is taken  as  1,  1.85,3,  and  d y namic re spo n se cu rves a r sho w a s   Figure 6. La rger a r e a  rati o co uld ind u c smalle r overshoot and bett e r stability.  Consi deri ng a c tual states, t he large r  inevitably leads to  a   thicker  cylin der rod, whi c h can  stre ngthen  rod  stability and  make the f o rce tran smi tting   smoothly, bu t will brin about the  ro d with  q u ite  different sp eed b e twe e n  outstret c and  retra c ting,  wh ich  woul d cre a te the platfo rm havin g a  distin ct re spo n se  sp eed  at forwa r d l e veling   or reve rse proce s s and n o t allow for overall sta b ili ty of le veling system. The r efore, sele ct ing  area  ratio  ne eds to  con s id er the  both i m pact s  to  get  better  perfo rmances un de r the  entire  work  p r oc es s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Dynam ic Ch a r acte ri stics for Leveling S y stem   of Mobile Elevating  Wo rk… (Xue -peng  Cao )   3421          3) Amplifier gain varies  Whe n  the  ga in  K e  se parately is 1 00,28 3 and  40 0, d y namic ch ara c t e ri st ic s cu r v es  a r e   sho w n a s  Fig u re 7. Th e more am plifier  gain in cr e a se s, the faster l e veling sy ste m  respon ds,  but  the oversho o t  gets la rge r   and a r ou se greate r  o s c ill ation. At the expre ssi on of  open -loo p g a in  / ae l v q p K KK K K K A ,sen sor coeffi cient  K and valve coefficie n K v  are not  cha ngin g  with  working   conditions, while flow gain coeffici ent  K q  and displa cement-angl e coeffici ent  K l  are varyin g with  spo o l ope nin g  and o u tput  angula r  di sp lacem ent, re spectively. In orde r to mai n tain the con t rol  cha r a c teri stics invaria b le, the gain  K e   sho u ld vary synchro nou sl with the both param ete r s.  Considering t he feasibility and e ffectiv eness of act ual operat ions,  sectional gain adjustm ent  coul d be ad opted with  condition s cha nging, wh ich  has adva n tage s for better pe rform a n c e s   within varying-parameters         Figure 7. The  Curve s  und e r  Differe nt Amplifier Gai n     4. Conclusio n   A unified mo del was  built  for the hyd r omec hatroni cs levelin g sy stem of ME WP, and  sev e r a l v a riat ions  of  dy n a m ic  cha r a c t e r i st ic wa revealed  a s  follo ws,  whi c h  will  provid e a  u s eful  guida nce for actual levelin g system d e si gns.   (1) T he di spl a cem ent-angl e co efficient  of f our-lin k m e ch ani sm be come s g r eate r , syste m   respon se  get s faste r , but  overshoot  wo uld be m o re  obviou s . For the leveling  system  with  a  con s tant amp lifier gain, the  coefficie n t easily ca us es  dynamic p e rf orma nces flu c tuating, so this  cha nge  sho u l d  be co nstrai ned withi n  pe rmissibl e ran ges.   (2) An in crem ent of the are a  ratio of asy mmetric  cylin der a r ea ratio  can indu ce  smaller   overshoot an d better sta b ility, but  overlarge valu will make th e platform h a ve a com p l e tel y   different  re sp onse  spe ed  at forward le veling o r   rev e rse p r o c e ss, whi c h i s   n o t co ndu cive  to   overall leveling stability.  Relative amplitude  Ti me/s   Figure 6. The  Curve s  und e r  Differe nt Area  Ratio Coeffici ents of Asym metric  Cylind e Relative amplitude  Ti me/s Figure 5. The  Curve s  und e r  Differe nt  Displa ceme nt-angl e Co efficient s of Four-links  Ti me/s   Relative amplitude   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3416 – 34 22   3422 (3) In crea sin g  the am plifier g a in m a ke s sy stem  re spond fa ste r , but incli n e s  t o  ca use   system o scill ation. It is suitable to ado pt a  section a l  gain adju s tment with co ndition s cha n g ing   for paramete r -varying leveli ng co urse.       Ackn o w l e dg ements   The Spe c ial  Fund fo Basic S c ie ntific Re se arch of Ce ntral  Colle ges,  Cha ng’an   University (Grant No.CHD2 011T D01 7 CHD2 011Z D016)       Referen ces   [1]  Schima neckf,  Merrifiel d D.  A e rial   w o rk p l at forms: safet y liab ilit & th rental  cent er.  Professio nal   Safety . 1998; 7 3 (1): 25-2 8 [2]  Smith A.  T h ing s  looki ng  up for aerial  w o rk platforms.  Diesel Progress . 20 05 ; 71(1): 12-14.   [3]  Xi a Xiu-fe ng. Devel opm ent o f  China' s aer ial  platform vehic l e.  C o n s tru c tion  Me ch an i z ation . 2010; (9):   33-3 5 [4]  Cao  Xu e-p eng,  Chen g Le i, Ji ao Sh eng- jie,  et al. T e chnica l Status and tr ends of Aer i al  w o rk pl atform.  World Sci-Tec h  R&D . 201 2; 34(1 0 ): 801- 80 4.  [5] Bora  Ery ilmaz Bruee H. W ilson. Unifi ed m ode lin g an al ysi s  of a proporti ona l valve.  Jo urna l of the   Franklin Institut e . 2006: 4 8 -68.   [6]  W ang  xi n, Son g   Xia o -gu a n g , T eng Ru-min,  et al. Simu latio n  an d Res earc h  in A e ria l  W o rk Platfor m   Electro-h y d r au l i c Prop ortion al  leve lin g s y ste m  base d  o n   matlab.  Mac h i ne too l  a nd hy drau lic . 20 08;   36(4): 16 2-1 6 4 .   [7]  Z hang  Li-p in g. Desig n  ma nua l  of h y dra u lic  a nd p neum atic  s y stem. Bei j i n g :  Machin er y In dustr y  Pr ess.  199 7: 453- 454.    [8]  Meng Z h eng-z hen g. Anal ys is  and  es tabl ish m ent of the transfer func ti on  for as y m m e tri c  h y dra u li c   c y l i nd ers co ntrolle d b y  f our- w a y  valv es.  Jou r nal  of Hefe i U n iversity  (N atu r al Sci ences).  200 6; 16( 2) :   23-2 7 .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.