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1、果园升降平台调平机构建模与仿真 杨径 陆华忠 李君 曾细强 华南农业大学工程学院 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室 摘 要： 为实现对果园升降平台的自动调平控制, 设计了一种基于平面连杆双向主动调节的液压调平机构, 提出了平台角度调平的控制策略, 构建了液压调平机构运行控制的数学模型, 并采用虚拟样机技术建立了联合仿真控制模型。调平试验结果表明:模型在平台角度、供油压力、液压缸位移和速度的响应基本一致, 说明构建的数学模型能够准确描述调平机构的参数变化;机构调平控制过程中, 角度跟踪误差小于 0.5, 能够满足坡度角在 2 0以内的作业稳定性要求。关键词： 调平; 虚拟样
2、机; 液压系统; 数学模型; 果园; 作者简介：杨径 (1990-) , 男, 广东湛江人, 硕士研究生, (E-mail) 。作者简介：李君 (1978-) , 男, 湖南祁阳人, 教授, (E-mail) autojun-。收稿日期：2017-03-01基金：广东省岭南水果产业技术体系创新团队建设项目 (2016LM1107) Modeling and Simulation of Orchard Self-leveling MechanismYang Jing Lu Huazhong Li Jun Zeng Xiqiang College of Engineering, South Chi
3、na Agricultural University; Abstract： To realize the automatic leveling control for orchard lifting platform, a hydraulic leveling mechanism based on planar linkage with two-way active regulation function was developed. The leveling control strategy of platform angle and mathematical control model o
4、f hydraulic leveling mechanism were proposed. The virtual prototype technology was used to obtain the co-simulation control model. The leveling test results showed that the dynamic responses of platform angle, oil pressure, displacement and velocity of hydraulic cylinder of the mathematical control
5、model are coincident well with the co-simulation control model. It is proved that the mathematical control model can accurately describe the variation of working parameters of the leveling mechanism. During the leveling control process, the tracking errors of angle were less than 0. 5, which confirm
6、ed that the proposed leveling mechanism can meet requirements of operation stability under the condition of slope angle within 20.Keyword： leveling; virtual prototype; hydraulic system; mathematical model; orchard; Received： 2017-03-010 引言果园升降平台主要用于水果生产过程中的多功能管理作业。南方丘陵山区果园坡度较大, 升降平台在坡地作业易失稳, 存在安全隐患。
7、英国 N.P.SEY-MOUR 公司的 Windegger Picking Platforms 和美国 UpRight 公司的 SL26SL 采用折叠臂结构升降机, 在底部转台处使用两个液压缸对空作业平台进行角度调平1。刘凯等人2设计了一种两缸四向的小型农业作业车辆驾驶室调平机构, 通过虚拟样机试验, 验证了机构可在纵向坡度 20的条件下工作。刘大为、王小龙等人3采用“回转+升降”的方法对工作平台进行俯仰和侧倾方向调平, 作业平台使用能够在坡度 15范围内工作, 角度调平误差可控制在 1范围内。为减少果园升降平台调平过程中质心高度的变化, 本文设计了一种基于平面连杆双向主动调节的液压调平机构,
8、 通过建立该机构的运动学模型, 获得作业平台倾斜角度和液压缸活塞位移的数学关系。同时, 使用虚拟样机技术对调平机构进行联合仿真试验, 并分析调平机构的控制响应以及稳定性, 以期为果园升降平台调平机构的设计与控制提供参考。1 调平机构设计使用支腿调平在起伏不平的果园地面易产生静不定问题, 进而增加平台作业控制难度, 因此本文采用平台调平的方法设计调平机构。基于自主开发的果园电动履带底盘进行调平机构设计, 调平机构安装在履带底盘上方, 升降平台安装在调平机构上方, 如图 1 所示。履带底盘尺寸 1 300mm1 000mm600mm, 额定载荷为 780kg, 剪叉升降平台最大升降高度为 1 80
9、0mm, 额定载荷为 300kg。考虑到升降平台的自重与额定载荷, 调平机构最大载荷可达到 500kg, 因此调平机构采用对称支撑的结构以保证底盘受力均衡和升降平台平稳作业。图 1 电动履带式果园升降平台结构图 Fig.1Diagram of orchard electric lifting platform 下载原图1.履带底盘 2.电机 3.调平机构 4.剪叉升降平台 5.液压站 6.电池如图 2 所示, 基于平面连杆双向主动调节的液压调平机构由底座、底部连杆、液压缸和机构主体等组成。基于调平机构强抗倾翻能力的设计要求, 在侧倾方向上采用双液压缸对称支撑方式, 当侧倾角不为零时, 通过比例
10、阀控制两个液压缸的流量, 使两个液压缸活塞运动方向相反, 实现平台侧倾方向的角度调平。运动过程中, 为了避免两侧液压缸相互干涉, 因此机构一侧连杆的底端铰链具有平移功能。纵倾方向上采用单液压缸进行角度调整, 当纵倾角不为零时, 调整液压缸长度, 实现平台的纵倾调平。图 2 调平机构结构图 Fig.2Structure of leveling mechanism 下载原图1.下平面 2.#2 液压缸 3.机构主体 4.上平面 5.#3 液压缸 6.#1 液压缸 7.连杆南方丘陵山区果园的坡度角一般为 520, 履带底盘极限行驶的坡度角大于轮式底盘6, 园间道路宽度为 24m7。结合平台动态调平的
11、稳定性要求, 本文设计的电动履带式果园升降平台最大工作坡度角取 20。基于电动履带底盘的轨距 900mm, 确定调平机构底座尺寸为 1 000mm900mm。整机进行最大举升高度作业时, 根据静力学的侧向力矩平衡原理, 得到地面对履带的作用力 T9为其中, B 为履带规矩, 取 900mm;b 为履带板宽, 取 200mm;e 为质心到纵向对称平面的偏移距离 (mm) ; 为坡度角 () 。整机不倾翻条件为 T0, 即整机质心允许最大离地高度为整机质心离地高度越大, 越容易发生倾翻。由式 (2) 可知, 果园升降作业平台侧向稳定性主要和坡度角、质心位置、履带轨距和履带板宽有关, 计算得到最大坡
12、度角 20时整机质心的允许最大离地高度为 1 703mm。由于电动履带底盘的额定载荷 780kg, 升降机与货物质量 500kg, 因此调平机构最大质量不超过 280kg。升降平台进行最大举升高度作业时, 允许最大离地高度的整机质心空间位置坐标表示为10其中, m 1、m 2、m 3、m 4分别为履带底盘、调平机构、升降平台和载荷的质量 (kg) ;x1, y1, z1、x 2, y2, z2、x 3, y3, z3、x 4, y4, z4分别为履带底盘、调平机构、升降平台和货物的质心位置坐标;m 为整机总质量 (kg) 。定义调平机构的设计高度为 H, 其质心位置处于中心, 将调平机构质心位
13、置作为变量代入式 (3) , 得到 H=400mm。图 3 调平原理示意图 Fig.3 Diagram of leveling principle 下载原图图 3 (a) 为调平机构侧倾方向调平原理示意图。机构调平作业前, L 为两侧液压缸初始长度;l OB、l CE为连杆 OB 与 CE 的长度;l A B、l D C为摇臂 AB 与 DC 的长度; 1、 2为连杆与底座夹角; 1、 2为液压缸与底座夹角; x1、 x2为两侧液压杆的传动角, 即OAB、CDE;h 1为上平面至铰链点 Q 的距离, h 2为铰链点 Q 至 BC 距离, h 3为 BC 与底座距离。由于调平机构侧倾方向采用对称
14、式结构, 调平过程中两侧构件运动规律一致, 故只取其中一侧极限位置进行分析。以机构逆时针方向调平 20为例, 在调平过程中, #1 液压杆回缩, #2 液压杆外伸, 两个液压缸速度相等, 此时机构主体围绕 BC 杆的中点旋转。为避免升降机底部与机构在极限位置产生干涉, 应满足根据式 (4) 可计算出:d=325mm, l BC=lCE=186mm, 1=9.3, h2=148mm, h3=31.8mm。由极限位置时机构内各杆件的几何关系可知其中, 1、 2为极限位置时连杆 OB 与底座的夹角 () ; 1、 2为极限位置时两侧液压杆的传动角 () ; min为最小传动角 () , min401
15、1。由式 (5) 可得 =110, l AB=157mm, L=335mm。图 3 (b) 中, 纵向采用单个连动杆结构进行调平, y为传动角。取逆时针方向调平 20极限位置进行分析, 此时传动角最小, 得其中, l QM为 QM 两点的距离, 取 607mm; 为 MN 两点的最大距离 (mm) ;lQN为 QN 两点的距离 (mm) , 取 367。由上述关系可得 lM N=480mm, min=53。液压缸的受力情况为其中, F 1、 F2、 F3分别表示#1、#2、#3 液压缸的受力 (N) ;G 为满载荷升降机的质量 (N) 。根据式 (7) , 计算得到调平前的#1 液压缸、#2
16、液压缸受力为 13 000N, #3 液压缸受力为 9 600N。根据农业机械常用设计压力12, 预选液压缸设计压力, 液压缸机械效率 , 液压缸无杆腔的有效面积 A1为取无杆腔有效面积 A1等于有杆腔有效面积 A2的两倍, 由 A2=0.5A1算得活塞杆直径 d 为 33.1mm。按照标准 GB/T2348-1993, 将计算 D 和 d 值分别圆整到近似标准直径, 取缸径 D=40mm、杆径 d=30mm。2 调平控制2.1 控制策略本文选取角度误差控制调平法7作为机构的调平策略, 通过双轴倾角传感器检测工作平台纵倾角和侧倾角, 计算各方向液压缸的行程调节目标值, 调节液压缸使平台角度趋于水平。调平前对平台纵倾角 和侧倾角
