溫室運(yùn)載平臺(tái)斜坡作業(yè)側(cè)翻穩(wěn)定性研究

汪逸飛

摘 ?要：為了研究溫室運(yùn)載平臺(tái)的側(cè)翻穩(wěn)定性，該文結(jié)合側(cè)翻領(lǐng)域不同的研究方法，提出了針對(duì)溫室運(yùn)載平臺(tái)的研究新思路，為溫室運(yùn)載平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供一定的理論支持。根據(jù)輔助輪數(shù)量和是否有工作人員作業(yè)等情況，對(duì)斜坡工況繼續(xù)進(jìn)行細(xì)分，構(gòu)建溫室運(yùn)載平臺(tái)的分析模型，并通過Matlab分析，得到不同工況下的臨界側(cè)翻條件。結(jié)果表明，在斜坡作業(yè)工況下，當(dāng)工作人員作業(yè)方向與斜坡方向相同時(shí)，溫室運(yùn)載平臺(tái)最容易有側(cè)翻的危險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：溫室運(yùn)載平臺(tái) ?傾翻 ?穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：S625 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2019）06（c）-0061-04

Abstract： In order to study the rollover stability of greenhouse carrier platform， this paper proposes a new research method based on different research methods in the rollover field， which provides some theoretical support for the design of greenhouse carrier platform. According to the number of training wheels and whether there are any staff working， the slope working conditions are further subdivided， and the analysis model of greenhouse carrying platform is constructed. Through Matlab analysis， the critical rollover conditions under different working conditions are obtained. The results show that under the slope working condition， when the working direction of the staff is the same as the slope direction， the greenhouse carrying platform is most prone to rollover.

Key Words： Greenhouse carrier platform; Tilt over; Stability

隨著近年來機(jī)器人技術(shù)的成熟，溫室農(nóng)業(yè)機(jī)器人由于其在降低勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)器人里比較重要的分支，溫室運(yùn)載平臺(tái)的設(shè)計(jì)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，該技術(shù)發(fā)展較為成熟，包括日本的Torri[3]團(tuán)隊(duì)、西班牙的Sánchezhermosilla[4]團(tuán)隊(duì)等均研制出了較高水準(zhǔn)的溫室機(jī)器人。

溫室運(yùn)載平臺(tái)主要承擔(dān)在溫室內(nèi)部物料運(yùn)載的任務(wù)，同時(shí)可搭載不同的作業(yè)部件，以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能的效果。溫室運(yùn)載平臺(tái)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(xiǎn)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(jī)系列為代表的，穩(wěn)定力矩研究法[5];另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(yùn)載平臺(tái)的特殊性，其兼具了普通乘用車速度較快和起重機(jī)重心較高的特點(diǎn)，因此對(duì)于溫室運(yùn)載平臺(tái)這類農(nóng)用機(jī)器人的側(cè)翻穩(wěn)定性研究較少，有較大研究?jī)r(jià)值。

該文根據(jù)溫室運(yùn)載平臺(tái)的特點(diǎn)，結(jié)合了起重機(jī)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(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行研究，以期能對(duì)溫室運(yùn)載平臺(tái)的建設(shè)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 ?溫室運(yùn)載平臺(tái)側(cè)翻穩(wěn)定性模型

針對(duì)圖1所示的溫室運(yùn)載平臺(tái)，其側(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。該節(jié)將對(duì)穩(wěn)定性研究過程中重要的參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。

1.1 輪距計(jì)算

為了提升溫室運(yùn)載平臺(tái)的整體側(cè)翻穩(wěn)定性，運(yùn)載平臺(tái)底盤前后各有一個(gè)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(jìn)行選裝。根據(jù)輔助輪的數(shù)量，該文的研究分為了無輔助輪、二輪輔助和四輪輔助3種不同的工作情況。由于輔助輪的加入，使得溫室運(yùn)載平臺(tái)的輪距會(huì)隨著工作人員的調(diào)整而發(fā)生改變。因此該文引入等效輪距概念[7]，對(duì)各種情況下輪距進(jìn)行計(jì)算，以達(dá)到更好的研究效果。

（1）無輔助輪。

1.2 傾覆邊確定

危險(xiǎn)傾覆邊是由運(yùn)載平臺(tái)的車輪的輪距與軸距等尺寸確定的。由于有輔助輪的參與，危險(xiǎn)傾覆邊的尺寸也有了相應(yīng)的變化。在驗(yàn)證運(yùn)載平臺(tái)側(cè)翻穩(wěn)定性時(shí)，一般以最危險(xiǎn)的極限情況進(jìn)行校核[8]。

溫室運(yùn)載平臺(tái)根據(jù)傾覆的方向，分為縱向傾覆邊與側(cè)向傾覆邊兩種。如圖3所示，側(cè)向傾覆邊為運(yùn)載平臺(tái)側(cè)向輪距，縱向傾覆邊為前后輪距，根據(jù)安裝輔助輪的個(gè)數(shù)會(huì)有較大幅度的改變，由于車身較長(zhǎng)，所以輔助輪對(duì)側(cè)向傾覆邊的影響要比縱向傾覆邊大很多。

1.3 側(cè)翻穩(wěn)定性的測(cè)評(píng)方法

目前側(cè)翻穩(wěn)定性的分析計(jì)算方法主要有3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]。該文采用目前主流的力矩不等式法，該方法也被GB/T 3811-2008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(jiǎn)單，其核心就是求得運(yùn)載平臺(tái)的側(cè)翻力矩與穩(wěn)定力矩，運(yùn)載平臺(tái)的側(cè)翻穩(wěn)定條件為：

M穩(wěn)定≥M側(cè)翻 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

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，即可很容易求得運(yùn)載平臺(tái)側(cè)翻的臨界條件。

2 ?溫室運(yùn)載平臺(tái)側(cè)翻穩(wěn)定性分析計(jì)算

該節(jié)斜坡作業(yè)工況，研究工作人員在斜坡上作業(yè)時(shí)，升降平臺(tái)高度與斜坡角對(duì)側(cè)翻穩(wěn)定性的影響，通過判斷是否有工作人員以及是否有安裝輔助輪，配合升降臺(tái)高度的變化，即可得到側(cè)翻臨界條件。

溫室運(yùn)載平臺(tái)斜坡作業(yè)工況，由于有作業(yè)人員的全程參與，故不考慮運(yùn)載平臺(tái)上無人時(shí)的狀態(tài)。斜坡作業(yè)工況主要研究工作人員的工作幅度與升降臺(tái)高度對(duì)斜坡最大臨界角的影響。當(dāng)工作人員作業(yè)時(shí)，由于體態(tài)的變化，質(zhì)心的位置也在發(fā)生著變化。圖4代表著工作人員在升降平臺(tái)上作業(yè)幅度逐漸加大的過程。為了研究運(yùn)載平臺(tái)的極限狀態(tài)，該文取工作人員在工作幅度最大時(shí)作為研究對(duì)象。為了簡(jiǎn)化研究過程，該文將人的質(zhì)心分為上下兩部分，下半身重力提供穩(wěn)定力矩，作用點(diǎn)在傾覆線內(nèi)部，上半身重力作為傾覆力矩，作用點(diǎn)在傾覆線外部。按照斜坡方向與工作人員作業(yè)方向的不同，斜坡作業(yè)工況側(cè)翻穩(wěn)定性分析如下。

2.1 工作人員作業(yè)方向與斜坡方向相同

（1）側(cè)翻臨界條件。

（2）計(jì)算結(jié)果。

將側(cè)翻臨界條件帶入Matlab中仿真，我們可以得到不同工作狀態(tài)下斜坡側(cè)翻臨界角隨著升降臺(tái)高度的變化曲線。需要注意的是，公式中的輪距B為等效輪距，需要根據(jù)安裝輔助輪的個(gè)數(shù)來進(jìn)行修改數(shù)值。

由表1可看出，當(dāng)工作人員的作業(yè)方向與斜坡方向相同時(shí)，在沒有輔助輪的情況下，臨界的坡道角僅為3°～5°，遠(yuǎn)不能滿足日常作業(yè)的需求。雖然工作人員的質(zhì)心位置參數(shù)確定為理想中的極限狀態(tài)，在普通作業(yè)過程中坡道角可能會(huì)提升較多，但安裝了輔助輪之后效果提升更明顯，所以建議工作人員在空間允許條件下安裝輔助輪。

2.2 工作人員工作方向與斜坡方向相反

（1）側(cè)翻臨界條件。

（2）計(jì)算結(jié)果。

將側(cè)翻臨界條件帶入Matlab中仿真，我們可以得到不同工作狀態(tài)下斜坡側(cè)翻臨界角隨著升降臺(tái)高度的變化曲線。

仿真結(jié)果如表2所示，當(dāng)工作人員的作業(yè)方向與斜坡方向相反時(shí)，由于此時(shí)人的重力提供了穩(wěn)定力矩，使得側(cè)翻臨界坡道角有很大的改善。對(duì)比表1而言，無輔助輪情況下效果非常顯著，二輪輔助和四輪輔助情況均有著1～2倍的增長(zhǎng)。

3 ?結(jié)論

（1）該文結(jié)合起重機(jī)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(duì)溫室運(yùn)載平臺(tái)這種有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境的農(nóng)用機(jī)器人的側(cè)翻穩(wěn)定性研究思路。

（2）斜坡作業(yè)工況容易造成側(cè)翻，安裝輔助輪后，最大能提升300%的臨界側(cè)翻坡道角，效果明顯。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬世榜.關(guān)于農(nóng)業(yè)溫室自動(dòng)化作業(yè)平臺(tái)的研究——行走機(jī)構(gòu)及導(dǎo)引控制方式[D].鄭州大學(xué)，2009.

[2] 陳小波.自走式溫室噴霧機(jī)承載平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究[D].上海交通大學(xué)，2011.

[3] Torii T.Research in autonomous agriculture vehicles in Japan[J].Computers & Electronics in Agricultu-re，2000，25（1-2）：133-153.

[4] Sánchezhermosilla J， González R， Rodríguez F， et al. Mechatronic description of a laser autoguided vehicle for greenhouse operations[J].Sensors，2013，13（1）：769-784.

[5] 周奇才，周在磊，李文軍，等.2500t環(huán)軌式起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2012（4）：108-112.

[6] 汪一立.車輛貨物約束系統(tǒng)側(cè)翻力學(xué)特性的研究[D].武漢理工大學(xué)，2010.

[7] 趙亮，張正龍，韋宏法，等.重型車側(cè)翻特性理論分析及防側(cè)翻支架設(shè)計(jì)[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2014（1）：75-79.

[8] 張肇偉.YTQU160履帶式起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

[9] 石磊.起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性分析探究[J].中國機(jī)械，2015（3）：89-90.

[10] 何鋒，楊利勇.非滿載罐式汽車準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻閾值的計(jì)算與分析[J].貴州師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，22（2）：73-76.

[11] 吳偉斌，馮運(yùn)琳，羅闊，等.可調(diào)地隙采摘式菠蘿運(yùn)輸車底盤的設(shè)計(jì)與研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016，38（5）：132-137.

[12] 吳心平，汪元波，楊宗田.剛性汽車的縱向極限穩(wěn)定性分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2011（9）：51-53.