運載平臺典型工況運動穩(wěn)定性分析

汪逸飛

摘? 要：溫室運載平臺自重小，重心高，受到溫室內(nèi)部道路不平的影響，工作人員在作業(yè)過程中易發(fā)生側(cè)翻。文章針對兩種典型工況下，分析了輔助輪的數(shù)量、是否有工作人員作業(yè)對運動穩(wěn)定性的影響。通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)得到轉(zhuǎn)彎不側(cè)翻的臨界車速以及上下坡不側(cè)翻的臨界坡面角度。為運載平臺的安全穩(wěn)定運動提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：溫室運載平臺;傾翻;穩(wěn)定性

中圖分類號：TH21? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）17-0009-03

Abstract： The greenhouse carrier platform has small self-weight and high center of gravity， which is affected by the uneven road inside the greenhouse， and the staff are prone to rollover in the course of operation. In view of two typical working conditions， this paper analyzes the influence of the number of auxiliary wheels and whether there are workers on the stability of motion. By constructing the mathematical model， the critical speed of turning without rollover and the critical slope angle of uphill and downhill without rollover are deduced. It provides a theoretical basis for the safe and stable movement of the carrier platform.

Keywords： greenhouse carrier platform; rollover; stability

1 概述

隨著近年來機器人技術(shù)的成熟，溫室農(nóng)業(yè)機器人由于其在降低勞動強度、提高作業(yè)效率上的出色表現(xiàn)，也在逐漸地普及。作為溫室機器人里比較重要的分支，溫室運載平臺的設(shè)計研究在我國內(nèi)較少，主要集中在鄭州大學(xué)[1]和上海交通大學(xué)[2]。而在國外，技術(shù)發(fā)展較為成熟，包括日本的Torri[3]團隊、西班牙的Sánchezhermosilla[4]團隊等均研制出較高水準(zhǔn)的溫室機器人。

溫室運載平臺作為一款小型農(nóng)用車輛，受到溫室內(nèi)部道路不平及本身重心較高的影響，工作人員在作業(yè)過程中最容易發(fā)生危險狀況就是側(cè)翻。目前國內(nèi)研究側(cè)翻穩(wěn)定性，一般按照車輛的不同有兩種研究方法。一種是以起重機系列為代表的，穩(wěn)定力矩研究法[5]。一種是以乘用車系列為代表的，準(zhǔn)靜態(tài)研究方法[6]。但是由于溫室運載平臺的特殊性，其兼具了普通乘用車速度較快和起重機重心較高的特點，因此對于溫室運載平臺這類農(nóng)用機器人的側(cè)翻穩(wěn)定性研究較少，有較大研究價值。

本文根據(jù)溫室運載平臺的特點，結(jié)合了起重機和乘用車在側(cè)翻穩(wěn)定性研究方面的主要方法，分工況更加全面地對這個其穩(wěn)定性進行研究，以期能對溫室運載平臺提供一定理論基礎(chǔ)。

2 溫室運載平臺側(cè)翻穩(wěn)定性模型

如圖1所示，溫室運載平臺主要承擔(dān)在溫室內(nèi)部物料運載的任務(wù)，同時可搭載不同的作業(yè)部件，以實現(xiàn)一機多能的效果。溫室運載平臺的側(cè)翻穩(wěn)定性，是指在不同工況條件下，抵抗自重或慣性力引起的側(cè)翻的能力。

2.1 輪距計算

為了提升溫室運載平臺的整體側(cè)翻穩(wěn)定性，運載平臺底盤前后各有一個輔助輪的安裝接口，在作業(yè)過程中，在作業(yè)空間允許的情況下，工作人員可進行選裝。根據(jù)輔助輪的數(shù)量，本文的研究分為了無輔助輪、二輪輔助和四輪輔助三種不同的工作情況。

2.2 側(cè)翻穩(wěn)定性的測評方法

目前側(cè)翻穩(wěn)定性的分析計算方法主要有三種，分別為力矩不等式法、穩(wěn)定性安全系數(shù)法和按臨界傾覆載荷標(biāo)定額定起重量法[9]。本文采用目前主流的力矩不等式法，該方法也被GB/T3811-2008所采用，而且在歐美國家也有很廣泛的應(yīng)用。力矩法的原理較為簡單，其核心就是求得運載平臺的側(cè)翻力矩與穩(wěn)定力矩，運載平臺的側(cè)翻穩(wěn)定條件為：

根據(jù)不同的工況，可得出不同的力矩不等式，通過這些不等式，即可求得運載平臺的側(cè)翻的臨界條件。

2.3 工況分析

為了簡化分析與計算過程，本文選取了兩種具有針對性的工況來進行側(cè)翻穩(wěn)定性的研究：

（1）準(zhǔn)靜態(tài)轉(zhuǎn)彎工況：研究運載平臺在轉(zhuǎn)彎或調(diào)頭時，升降臺高度與轉(zhuǎn)彎速度對側(cè)翻穩(wěn)定性的影響。

（2）上下坡工況：研究運載平臺在上下坡時，最大的坡道角。

3 溫室運載平臺側(cè)翻穩(wěn)定性分析計算

3.1 準(zhǔn)靜態(tài)轉(zhuǎn)彎工況

準(zhǔn)靜態(tài)轉(zhuǎn)彎指的就是運載平臺穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時的工況。當(dāng)運載平臺準(zhǔn)靜態(tài)轉(zhuǎn)彎時，受力分析如圖2所示：

式中，B為等效輪距，Hg為溫室運載平臺高度方向等效質(zhì)心位置，r為轉(zhuǎn)彎半徑。為取極限值，現(xiàn)取轉(zhuǎn)彎半徑r為最小轉(zhuǎn)彎半徑rmin。

聯(lián)立上面各式，并將得到的側(cè)翻臨界條件帶入Matlab中仿真，可得在不同工作狀態(tài)下（輔助輪數(shù)量、有無工作人員）運載平臺臨界轉(zhuǎn)彎速度的明細表，如表1所示。

由仿真結(jié)果也可看出，溫室運載平臺在轉(zhuǎn)彎或調(diào)頭過程中，載有工作人員與否影響很大，同時輔助輪也有著很出色的提高臨界車速的效果。但由于該款溫室運載平臺的車速較低（5-8km/h），在不發(fā)生特殊事件的情況下，均能保證運載平臺的順利轉(zhuǎn)彎和調(diào)頭。

3.2 上下坡工況

上下坡工況研究的是溫室運載平臺在上下坡時，在不同工況條件下，運載平臺的臨界坡道角。與前兩種工況不同的是，由于運載平臺車身較長，輔助輪的數(shù)量影響較小，因此此工況不考慮輔助輪安裝帶來的前后輪距的影響。當(dāng)運載平臺上下坡時，對其進行受力分析，如圖3所示：

式中，L為前后輪輪距，A為溫室運載平臺長度方向等效質(zhì)心位置，Hg為溫室運載平臺高度方向等效質(zhì)心位置。

將側(cè)翻臨界條件帶入Matlab計算，最大坡道角明細表如表2所示。

從表2可以看出，在相同情況下，上坡比下坡更容易引起溫室運載平臺的傾翻。在升降臺高度一致時，有人工況下坡道臨界角大概是無人工況下的一半，影響很明顯。同時，升降臺降至最低點時，也普遍會比升至最高點時高將近一倍，影響也同樣很明顯。

4 結(jié)論

（1）本文結(jié)合起重機及普通乘用車側(cè)翻穩(wěn)定性研究的方法，提出了一種針對溫室運載平臺這種有獨特結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境的農(nóng)用機器人的側(cè)翻穩(wěn)定性研究思路。

（2）針對溫室運載平臺不同的工作狀態(tài)，分兩種工況進行研究。同時根據(jù)安裝的輔助輪數(shù)量和是否有工作人員作業(yè)等情況，對兩種工況繼續(xù)進行細分，這使得最終的結(jié)果更具實用性。

參考文獻：

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