丘陵地區(qū)剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運車調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

李尚平 閆昱曉 徐 冰 李凱華 李 威 彭 卓

(1.廣西民族大學(xué)電子信息學(xué)院， 南寧 530006； 2.廣西大學(xué)機械工程學(xué)院， 南寧 530004)

0 引言

甘蔗作為我國重要的經(jīng)濟作物，90%的產(chǎn)地集中在廣西、云南等多丘陵地區(qū)，丘陵蔗田約占種植面積的60%以上[1]。種植方式存在小而分散，地形復(fù)雜，機耕道路差等問題，影響了甘蔗全程機械化推進，造成原料及砍運成本居高不下，嚴重制約了我國糖業(yè)發(fā)展和在國際上的競爭力[2-3]。目前，我國丘陵地區(qū)的甘蔗轉(zhuǎn)運車多采用半掛側(cè)翻式結(jié)構(gòu)或廂式轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)[4-5]，依靠操作員手動操作進行甘蔗轉(zhuǎn)運。車型輪距大、提升重心高，在田間進行甘蔗轉(zhuǎn)運時，由于地形復(fù)雜或操作員經(jīng)驗不足，容易發(fā)生側(cè)翻危險，造成較大的經(jīng)濟和安全損失。

國外甘蔗種植區(qū)主要集中在平原地區(qū)，因地貌環(huán)境和種植方式的差異，引進和仿制國外的甘蔗轉(zhuǎn)運車輪距過寬、安全性差，不適用于我國蔗田的地形地貌[6]。因此，需開發(fā)適用于丘陵地區(qū)的甘蔗轉(zhuǎn)運車，提高甘蔗機械化種植效率。本文基于課題組自主研發(fā)的剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運車機構(gòu)特點[7]，研究針對丘陵地區(qū)甘蔗轉(zhuǎn)運車卸蔗前車身的自動平衡，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)運車安全提升作業(yè)的有效控制。

國內(nèi)外學(xué)者對于農(nóng)機具的調(diào)平研究，多為采用底盤上的三點懸掛支撐方式調(diào)整機身[8-12]與耕整地類農(nóng)機的牽引器具調(diào)平[13-16]，鮮見對丘陵地區(qū)甘蔗轉(zhuǎn)運車等載重農(nóng)機的駐車調(diào)平控制系統(tǒng)研究[17-18]。丘陵地區(qū)甘蔗轉(zhuǎn)運車存在安全性不足，工作環(huán)境惡劣等隱患，現(xiàn)有控制方法和調(diào)平策略沒有解決甘蔗轉(zhuǎn)運車采用四點支撐結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)“虛腿”(三點支撐結(jié)構(gòu)用于支撐平臺，一個位于最低點的支撐結(jié)構(gòu)處于懸空或者不受力狀態(tài)，以下簡稱為“虛腿”)問題，在地況復(fù)雜的環(huán)境中難以穩(wěn)定作業(yè)，且甘蔗轉(zhuǎn)運車在卸蔗時，手動操作難度高、效率低等問題有待解決。本文基于剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運車，針對轉(zhuǎn)運車在卸蔗過程的穩(wěn)定性和工作效率問題，設(shè)計一種剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運車調(diào)平控制系統(tǒng)，以期提高丘陵地區(qū)剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運車的安全性和工作效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運車采用雙剪叉式提升機構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)運車負責(zé)甘蔗收獲機與大型集蔗車之間的轉(zhuǎn)運工作，由于集蔗車的車廂護欄高，該雙剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運車在丘陵地區(qū)田間駐車卸蔗前，需將車廂提升至3.8 m高度再進行車廂翻轉(zhuǎn)和側(cè)面卸載作業(yè)。但因地面不平，導(dǎo)致轉(zhuǎn)運車底盤和車身處于不平衡的狀態(tài)，整車重心極易發(fā)生較大程度偏移甚至側(cè)翻事故。因此，卸蔗前需要先調(diào)整車身平衡，再進行提升轉(zhuǎn)運作業(yè)。

1.2 工作原理

控制中心安裝于駕駛室內(nèi)，分別與三軸姿態(tài)傳感器和壓力變送器通信連接，用于實時接收轉(zhuǎn)運車狀態(tài)信號，并輸出使各液壓缸動作的控制信號；三軸姿態(tài)傳感器固定于車身底盤，用于測量轉(zhuǎn)運車與水平面的夾角α(車身左右方向偏移角度，簡稱側(cè)向角α)和β(車身前后方向偏移角度，簡稱縱向角β)；4個輔助支撐裝置安裝于底盤結(jié)構(gòu)支點處；壓力變送器安裝于各個輔助支撐裝置液壓缸進油口，用于實時監(jiān)測液壓缸內(nèi)的壓力變化情況。甘蔗轉(zhuǎn)運車調(diào)平控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示，控制中心接收來自各傳感器的信號，發(fā)出指令通過液壓系統(tǒng)控制各個液壓缸有序調(diào)平動作；經(jīng)過車身狀態(tài)安全檢測后，再進行卸蔗所需的車廂提升、車廂門開啟、車廂向側(cè)面傾倒、車廂收回下落和輔助支撐裝置收回等動作。

2 輔助支撐調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計

2.1 輔助支撐機構(gòu)

平臺輔助支撐結(jié)構(gòu)可分為三點支撐、四點支撐或多點支撐[19-20]。且支撐點數(shù)量越多，控制過程越冗雜，其中三點支撐實現(xiàn)較為簡單，但三點支撐易出現(xiàn)傾覆,不適于丘陵地區(qū)農(nóng)機調(diào)平。相比較三點支撐，四點等多點支撐的穩(wěn)定性較好但控制策略和系統(tǒng)設(shè)計難度較高，且易出現(xiàn)“虛腿”現(xiàn)象，不僅造成各支撐結(jié)構(gòu)受力嚴重不均、對整個底盤支撐平臺形成沖擊，同時影響轉(zhuǎn)運車在后續(xù)使用過程的穩(wěn)定性。由于轉(zhuǎn)運車自重和車廂裝載噸位較大，本設(shè)計將輔助支撐裝置液壓缸設(shè)計為可活動的輔助支撐腿。在各個支撐裝置液壓缸進油口安裝壓力變送器，對缸內(nèi)受壓情況進行實時監(jiān)測，采用閉環(huán)控制法有效解決四點支撐結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)的“虛腿”問題。因此，本文采用適用丘陵地區(qū)駐車作業(yè)的四點支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)計調(diào)平策略對轉(zhuǎn)運車調(diào)平進行控制。

2.1.1“虛腿”檢測

甘蔗轉(zhuǎn)運車調(diào)平控制方案在進入調(diào)平流程前，首先需解決“虛腿”問題?？刂浦行膶崟r檢測各個輔助支撐裝置液壓缸內(nèi)部壓力情況pi(i=1,2,3,4)，通過pi≤p′(p′為由轉(zhuǎn)運車自重計算出的各輔助支撐裝置承重值)判斷該輔助支撐裝置是否著地承重，且在車身調(diào)平后繼續(xù)檢測轉(zhuǎn)運過程中是否存在“虛腿”現(xiàn)象，以保證轉(zhuǎn)運過程穩(wěn)定安全性。輔助支撐“虛腿”檢測原理圖如圖3所示。

2.1.2調(diào)平控制策略設(shè)計

假設(shè)甘蔗轉(zhuǎn)運車傾斜狀態(tài)下車身底盤坐標系OXYZ與水平面坐標系OX1Y1Z1共用同一坐標原點O，坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示，則側(cè)向角α為底盤X軸方向與水平面坐標X1軸的傾角，縱向角β為底盤Y軸方向與水平面坐標Y1軸的傾角,4個頂點表示各輔助支撐裝置位置。

當(dāng)α、β都不等于0°，與X軸傾角為α的坐標轉(zhuǎn)換矩陣表示為

(1)

式中R1——三維空間變換矩陣

與Y軸傾角為β的坐標轉(zhuǎn)換矩陣表示為

(2)

式中R2——三維空間變換矩陣

得出變換矩陣

(3)

本文所設(shè)計的調(diào)平控制系統(tǒng)中，由于甘蔗轉(zhuǎn)運車工作狀態(tài)初始傾斜角度一般較小，轉(zhuǎn)運前當(dāng)α或β超過±8°，則系統(tǒng)自動報警，通知停止轉(zhuǎn)運作業(yè)。因此可以忽略高階項的影響，由極限定理近似認為:sinα≈α,sinβ≈β,cosα≈cosβ≈1。則R可化簡為

(4)

假設(shè)，在轉(zhuǎn)運車底盤坐標系OXYZ中，各輔助支撐裝置坐標Pi為

Pi=(Xi,Yi,Zi) (i=1,2,3,4)

(5)

(6)

目前，采用輔助支撐結(jié)構(gòu)進行調(diào)平的方法主要分為基于角度誤差調(diào)平和基于位置誤差調(diào)平。其中，基于位置誤差調(diào)平常用于工程機械或傳感器安裝環(huán)境干擾較少的車型[21-24]，需在支撐點處安裝位移傳感器測量裝置行程。由于甘蔗轉(zhuǎn)運車一般在田間進行甘蔗裝卸，甘蔗收獲季節(jié)又多為雨季，道路泥濘，轉(zhuǎn)運車工作環(huán)境惡劣，位移傳感器易受外界因素干擾，所以本設(shè)計采用數(shù)據(jù)獲取較為穩(wěn)定的角度誤差調(diào)平方法?；诮嵌日`差調(diào)平方法包括“追逐式”調(diào)平策略和“定點不動”調(diào)平策略[25]。在調(diào)平過程中，由于甘蔗轉(zhuǎn)運車負載噸位較大，液壓系統(tǒng)存在一定的滯后性，故不宜有液壓支撐裝置下降的動作, 所以采取“追逐式”策略中向最高點對齊的調(diào)平方法。以輔助支撐裝置的初始最高點為基準，其余輔助支撐裝置采用只伸長不收縮的方式追逐最高點，通過檢測搜索閉環(huán)控制，使各支撐點與初始最高點處于同一水平高度，以達到調(diào)平的目的。由式(6)可得各個支撐裝置在水平面坐標系OX1Y1Z1中Z1軸方向的坐標為

(7)

因各個輔助支撐裝置在車身底盤坐標系中Z軸的坐標值均為0，可判斷最高點支撐裝置為

(8)

“追逐式”調(diào)平策略過程如圖5所示。

假設(shè)，車身初始狀態(tài)如圖4所示，則由α、β角度信息可判斷輔助支撐裝置3為最高點，為保護車體設(shè)備以及輔助支撐裝置的剛性結(jié)構(gòu)，調(diào)平動作要求降低對結(jié)構(gòu)的破壞性影響，整個過程盡量平穩(wěn)。本文采用的“追逐式”調(diào)平策略在車身調(diào)平過程中低位支撐點需有序向最高點靠攏，調(diào)平過程示意圖如圖6所示。平面ABCD是4個支撐裝置所構(gòu)成平面，平面A′B′C′D′是地理系絕對水平面，經(jīng)過調(diào)整后平面ABCD與平面A′B′C′D′保持平行，且不改變點C初始位置。

首先，對危險性較大的車身低位側(cè)向邊進行調(diào)整，點A和點B同時上升至側(cè)向角-z≤α≤z(z為默認車身處于水平狀態(tài)的角度)，此時點B與點C等高，點A與點D等高；其次對車身低位縱向邊進行調(diào)整，點A和點D同時上升至縱向角-z≤β≤z，此時點A、B、C、D等高，則由支撐裝置所構(gòu)成平面ABCD與地理系水平面A′B′C′D′保持平行狀態(tài)。

兩點同時上升的“追逐式”調(diào)平策略可避免液壓四點支撐結(jié)構(gòu)在非水平狀態(tài)下著地調(diào)整時，因自身速度和位移的差距在調(diào)平過程出現(xiàn)“虛腿”的問題。增加車身穩(wěn)定性和抗顛覆能力，縮短了調(diào)平時間，對車身底盤和輔助支撐裝置液壓缸起到緩沖作用，且液壓系統(tǒng)電磁閥換向頻率低，對電磁閥磁芯損害較小。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)原理圖如圖7所示，系統(tǒng)組成包括液壓泵、溢流閥、三位四通電磁換向閥、二位二通常閉插裝閥、車廂舉升油缸、車廂門油缸、車廂翻轉(zhuǎn)油缸和輔助支撐裝置油缸等。

整機液壓系統(tǒng)動力來源為車載24 V蓄電池；采用YUKEN公司的DSG03型并聯(lián)組合多路三位四通電磁換向閥，配合同型號的直動插裝式溢流閥，防止系統(tǒng)過載；選用4個二位二通常閉插裝閥對輔助支撐油缸進行獨立控制，并加裝液壓鎖實現(xiàn)輔助支撐裝置保壓功能。換向閥通過接收控制中心指令，對油液流向進行換向，進而實現(xiàn)對輔助支撐支路、車廂舉升支路、車廂門支路和車廂翻轉(zhuǎn)支路液壓油缸的單獨控制。

2.3 調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計

甘蔗轉(zhuǎn)運車調(diào)平控制系統(tǒng)的控制原理圖如圖8所示，α0、β0和p′分別為車身側(cè)向角、縱向角和各輔助支撐裝置壓力信息的目標值，α、β和pi分別為實際測得的車身側(cè)向角、縱向角，以及壓力變送器測得的各輔助支撐裝置液壓缸實際壓力信息。

控制中心通過A/D模塊將壓力變送器獲取到的各輔助支撐裝置液壓缸壓電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息；利用姿態(tài)傳感器獲取車身α、β角度信息；車身狀態(tài)信息經(jīng)過程序濾波處理后用于系統(tǒng)控制?？刂浦行母鶕?jù)當(dāng)前車身狀態(tài)信息，輸出控制信號至液壓系統(tǒng)，進而控制輔助支撐裝置支路的三位四通電磁換向閥和二位二通常閉插裝閥，通過輔助支腿動作調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運車身恢復(fù)水平狀態(tài)并消除“虛腿”。車身狀態(tài)安全檢測通過后，控制中心輸出信號至液壓系統(tǒng)，控制負責(zé)車廂提升支路、車廂門支路和車廂翻轉(zhuǎn)支路的電磁換向閥，改變車廂狀態(tài)完成卸蔗動作，等待下一次轉(zhuǎn)運指令。

2.3.1硬件設(shè)計

作為剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運車調(diào)平控制系統(tǒng)的核心部件，控制中心需對獲取的各類信息進行高效實時處理。選用STM32F103ZET6芯片作為核心模塊，可搭配液晶屏編程實現(xiàn)可視化設(shè)計。姿態(tài)傳感器選用維特智能公司的WT901型高精度三軸姿態(tài)傳感器，測量精度0.05°。壓力變送器選用與系統(tǒng)電路設(shè)計兼容的PT210B型壓電式傳感器，信號輸出為0～3.3 V，量程0～8 MPa，精度等級±0.5%FS。系統(tǒng)電源由24 V蓄電池配合壓降模塊構(gòu)成。

2.3.2軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的核心部分是軟件，直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。本設(shè)計采用Keil μVision5軟件，使用C++語言進行控制程序的開發(fā)。

甘蔗轉(zhuǎn)運車調(diào)平控制系統(tǒng)軟件主循環(huán)程序由各傳感器的通信協(xié)議程序、可視化程序和車身狀態(tài)自動控制程序3部分組成。程序啟動后系統(tǒng)進行初始化，控制中心與姿態(tài)傳感器通過串口TTL方式通信，通過A/D模塊轉(zhuǎn)換方式采集壓力變送器信息。檢測各傳感器通信正常后，將獲取到的車身狀態(tài)信息存放至內(nèi)存緩沖區(qū)并實時更新，可視化程序和車身狀態(tài)自動控制程序?qū)彌_區(qū)內(nèi)信息進行讀?。晦D(zhuǎn)運指令發(fā)出后，車身狀態(tài)自動控制程序根據(jù)讀取到的數(shù)據(jù)進行判定，發(fā)送指令至液壓系統(tǒng)，完成甘蔗轉(zhuǎn)運所需動作；在卸蔗過程中控制系統(tǒng)對車身狀態(tài)不斷循環(huán)檢測，當(dāng)超出安全范圍時，系統(tǒng)立即停止所有動作并發(fā)出報警信號，等待操作員處理。主程序流程圖如圖9所示，程序運行過程中，通過中斷優(yōu)先級管理實現(xiàn)各部分程序運行互不影響。

2.3.3濾波設(shè)計

控制系統(tǒng)需實時獲取車身姿態(tài)信息，而工作中轉(zhuǎn)運車會不可避免地出現(xiàn)振動干擾，從而對控制的準確性產(chǎn)生一定影響。為增加信號曲線的平滑度，針對控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取頻率較高、采樣周期短的特點，在程序內(nèi)采用加權(quán)遞推平均濾波方法[26]對姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)進行處理，調(diào)整系統(tǒng)對當(dāng)前所受干擾的靈敏度。濾波后車身姿態(tài)角度對比效果如圖10所示，數(shù)據(jù)平滑度較好，可增加控制系統(tǒng)的魯棒性。

壓力變送器自身電荷漂移會產(chǎn)生測量誤差，針對含有噪聲的壓力信號，采用小波軟閾值去噪[27]的方法對壓力信號進行處理。為確定最佳小波基，本文在大量仿真計算的基礎(chǔ)上，進一步選取了去噪效果較好的dbN(N取4)、coifN(N取4)、symN(N取4，8)小波基進行去噪處理分析，在分解尺度為4時不同類型小波基去噪效果對比如表1所示。

表1 不同類型小波基的去噪效果Tab.1 Denoising effects of different types of wavelet bases

由表1可知，不同類型小波基的均值去噪后與原樣本差別不大，而標準差有顯著差異，采用sym8小波基去噪后標準差由去噪前的0.309 0 MPa減小到0.296 6 MPa，去噪效果最為顯著。所以本文采用sym8小波函數(shù)去噪的方法對壓力傳感器數(shù)據(jù)進行濾波處理，從而提高排除“虛腿”的控制精準性，濾波前后的轉(zhuǎn)運車輔助支撐裝置受力情況對比如圖11所示。結(jié)果表明:經(jīng)濾波處理后壓力數(shù)據(jù)清晰度明顯提高，有明顯的局部分辨特性，提高了實時控制的有效性和可靠性。

3 試驗

3.1 試驗設(shè)備與器材

剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運車樣機如圖12所示。

為驗證本文設(shè)計的甘蔗轉(zhuǎn)運車調(diào)平控制系統(tǒng)可靠性，根據(jù)相似性原理，在實驗室內(nèi)按照與樣機車廂4∶1的比例建立了試驗平臺，如圖13所示。平臺整體長度1 200 mm，寬度530 mm,高度1 000 mm(其中車廂高度為530 mm)；車廂滿載量為120 kg (相當(dāng)實際樣機滿載7.88 t計算，按照與樣機滿載量64∶1的比例縮小的裝載量)，車廂提升后的試驗平臺高度為1 650 mm。試驗所需器材物品還包括裝滿水的礦泉水瓶(礦泉水瓶的外形、質(zhì)量與甘蔗較為接近，存放時間久)，用來進行模擬負載甘蔗和轉(zhuǎn)運甘蔗過程的負荷試驗，每瓶水為0.55 kg，共218瓶水；采用角度墊塊模擬轉(zhuǎn)運車所處田間地面存在坡度和凹凸不平情況。

3.2 試驗與結(jié)果

試驗分為平臺穩(wěn)定性控制和模擬甘蔗轉(zhuǎn)運車自動轉(zhuǎn)運控制2組試驗。控制中心通過串口打印方式，在試驗過程中同步向計算機端發(fā)送車身狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率為50 Hz。

3.2.1試驗平臺穩(wěn)定性控制單因素試驗

甘蔗轉(zhuǎn)運車在卸蔗過程中會因為丘陵蔗地、道路不平等因素發(fā)生較大重心偏移甚至側(cè)翻事故。如圖14所示，利用試驗平臺進行單因素側(cè)翻臨界對比試驗，考察轉(zhuǎn)運車初始側(cè)向角和輔助支撐裝置側(cè)向跨距對車身重心偏移的影響。實驗室內(nèi)地面為基本水平的剛性地面，使用角度墊塊墊起輔助支撐裝置，模擬因田間道路不平車身發(fā)生傾斜的情況，并保持無“虛腿”狀態(tài)。設(shè)置平臺車廂負載質(zhì)量為120 kg，向傾卸甘蔗一側(cè)的方向墊起角度分別選取0°、2°、4°、6°、8°；輔助支撐裝置縱向跨距不變，單獨改變其側(cè)向跨距，跨距選取490(490 mm為等比例縮小后的輪胎跨距)、650、730 mm，進行單因素穩(wěn)定性臨界試驗。在試驗過程中關(guān)閉側(cè)面車門，以模擬極端側(cè)翻的工作狀況，試驗共15組，每組重復(fù)試驗3次，試驗全程對車身側(cè)向角變化進行實時監(jiān)測。模擬卸蔗過程的車身側(cè)向角相較于未卸蔗前車身初始側(cè)向角的平均絕對誤差和均方根誤差，如表2所示。

表2 不同狀態(tài)卸蔗過程試驗平臺角度穩(wěn)定性誤差Tab.2 Angular stability error of test platform in different states of sugarcane unloading process (°)

由表2可知，試驗平臺轉(zhuǎn)運過程角度平均絕對誤差和均方根誤差隨初始側(cè)向角的增大呈上升趨勢；隨輔助支撐裝置側(cè)向跨距的增加呈下降趨勢。不同初始狀態(tài)的甘蔗轉(zhuǎn)運過程試驗平臺重心最大偏移角對比如圖15所示。

由圖15可知,平臺卸蔗過程重心偏移角與初始側(cè)向角成正比。在支撐裝置側(cè)向跨距490 mm，初始側(cè)向角6°工況下，試驗平臺轉(zhuǎn)運過程重心最大偏移0.401°，處于危險臨界狀態(tài)并出現(xiàn)嚴重晃動；在支撐裝置側(cè)向跨距490 mm，初始側(cè)向角8°工況下，試驗平臺轉(zhuǎn)運過程重心最大偏移2.625°，已經(jīng)發(fā)生側(cè)傾事故。僅使用輪胎結(jié)構(gòu)作為支撐跨距，在大角度情況進行甘蔗轉(zhuǎn)運發(fā)生危險的可能性較大；當(dāng)增加輔助支撐裝置跨距后，試驗平臺隨跨距的增加趨于穩(wěn)定。采用輔助支撐裝置可有效減小甘蔗轉(zhuǎn)運過程的危險性。

側(cè)向跨距分別為650、730 mm，初始側(cè)向角分別為0°、2°、4°、6°、8°工況下，試驗平臺向重心偏移方向的輔助支撐裝置平均壓力如圖16所示。

由圖16可知，卸蔗過程中平臺重心偏移方向的支撐裝置所受壓力與初始側(cè)向角成正比，所以需要調(diào)整車身初始姿態(tài)角度，提高卸蔗過程車身穩(wěn)定性。輔助支撐裝置跨距730 mm相較于650 mm所受壓力較為均勻，且考慮剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運車在田間卸蔗時和大型集蔗車的并行間距問題，確定試驗平臺輔助支撐裝置側(cè)向伸展跨距730 mm為最佳跨距。

3.2.2調(diào)平控制系統(tǒng)試驗

在確保轉(zhuǎn)運過程平穩(wěn)性的前提下，綜合考慮控制精度和效率，設(shè)定試驗平臺的側(cè)向角和縱向角閾值均處在±0.6°范圍內(nèi)為默認水平狀態(tài)，即當(dāng)車身調(diào)平達到默認水平時，只需消除“虛腿”就可以進行卸蔗動作。設(shè)計3組不同傾斜狀態(tài)下的調(diào)平控制試驗進行可行性分析。

設(shè)置試驗平臺的初始側(cè)向角為-0.253°，縱向角為0.115°，則平臺處于默認水平狀態(tài)。使用甘蔗轉(zhuǎn)運車調(diào)平控制系統(tǒng)進行試驗，系統(tǒng)判斷車身狀態(tài)不需調(diào)平，消除“虛腿”過程結(jié)束后，平臺側(cè)向角為-0.170°，縱向角為0.110°。轉(zhuǎn)運過程中各車身狀態(tài)參數(shù)變化如圖17所示，可見調(diào)平后轉(zhuǎn)運過程中支撐裝置壓力穩(wěn)定，無“虛腿”出現(xiàn)，表明轉(zhuǎn)運狀態(tài)平穩(wěn)。

如圖18所示，在輔助支撐裝置3下方放入干擾物體，模擬田間道路凹凸不平的情況。

設(shè)置試驗平臺向車廂卸蔗側(cè)的初始側(cè)向角為-8.091°，縱向角為0.308°，則平臺處于側(cè)向角需要調(diào)平，縱向角默認水平狀態(tài)。經(jīng)控制系統(tǒng)判斷后，車身側(cè)向角方向需進行調(diào)平，縱向角方向默認水平。調(diào)平結(jié)束后車身側(cè)向角為0.170°，縱向角為0.346°，且消除了“虛腿”問題。轉(zhuǎn)運過程中平臺各狀態(tài)參數(shù)變化如圖19所示，可見車身調(diào)平后轉(zhuǎn)運過程平穩(wěn)。

設(shè)置試驗平臺向車廂卸蔗側(cè)的初始側(cè)向角為-3.961°，縱向角為2.818°，則平臺處于側(cè)向角和縱向角均需要調(diào)平狀態(tài)。經(jīng)控制系統(tǒng)判斷后，側(cè)向角和縱向角方向均需輔助調(diào)平，調(diào)平結(jié)束后車身側(cè)向角為-0.297°，縱向角為0.099°，且消除了“虛腿”問題。轉(zhuǎn)運過程平臺各狀態(tài)參數(shù)變化如圖20所示，可見車身調(diào)平后轉(zhuǎn)運過程較平穩(wěn)。

不同工況下的3組試驗結(jié)果參數(shù)對比如表3所示。

表3 不同工況下試驗結(jié)果參數(shù)對比Tab.3 Comparison of test results parameters under different working conditions

試驗表明，本文所設(shè)計的甘蔗轉(zhuǎn)運車調(diào)平控制系統(tǒng)可在20 s內(nèi)使試驗平臺在卸蔗前由傾斜狀態(tài)調(diào)整至基本水平狀態(tài)，調(diào)平精度在0.3°范圍內(nèi)；控制系統(tǒng)進行自動卸蔗，車廂舉升翻轉(zhuǎn)和動作回收在35 s內(nèi)完成；受地面干擾的情況下也可消除“虛腿”問題，并使試驗平臺在甘蔗轉(zhuǎn)運過程中保持穩(wěn)定。由文獻[8-12]可知，農(nóng)機具的調(diào)平精度要求一般在1°范圍以內(nèi)，本文設(shè)計的調(diào)平系統(tǒng)可維持車身在0.3°范圍內(nèi)，基本滿足農(nóng)機具設(shè)備的實際作業(yè)使用要求。

4 結(jié)論

(1)基于雙剪叉式提升機構(gòu)和四點輔助支撐裝置，設(shè)計了一種剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運車調(diào)平控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過液壓輔助支撐裝置，采用“追逐式”調(diào)平策略對四點支撐結(jié)構(gòu)進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)了對剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運車的調(diào)平控制，減少了甘蔗轉(zhuǎn)運過程中因外界環(huán)境造成的危險性；并通過液壓系統(tǒng)實現(xiàn)對車廂舉升、開門、翻轉(zhuǎn)等轉(zhuǎn)運動作的自動化控制，采用可視化車身狀態(tài)監(jiān)測和一鍵式控制，降低了人工勞動強度和操作難度。

(2)在試驗平臺穩(wěn)定性試驗中，處于危險臨界狀態(tài)的側(cè)向角為6°，側(cè)向跨距為490 mm；通過誤差分析，表明了采用輔助支撐裝置可減小試驗平臺在甘蔗轉(zhuǎn)運過程中的危險性,側(cè)向跨距730 mm為最佳輔助支撐裝置跨距。在調(diào)平控制系統(tǒng)試驗中，采用本文設(shè)計的調(diào)平控制系統(tǒng)，輔助支撐裝置可在28 s內(nèi)觸地并排除“虛腿”，在20 s內(nèi)完成車身調(diào)平，剪叉式轉(zhuǎn)運車由初始傾斜狀態(tài)至轉(zhuǎn)運完成總過程保持在80 s內(nèi)。其中，車廂舉升翻轉(zhuǎn)和動作回收在35 s內(nèi)完成，滿足60 s內(nèi)完成車廂舉升翻轉(zhuǎn)和下降動作的設(shè)計要求；試驗平臺調(diào)平精度在0.3°內(nèi)，轉(zhuǎn)運過程平穩(wěn)，基本滿足丘陵地區(qū)甘蔗轉(zhuǎn)運作業(yè)的實際使用要求。