剪叉式果园作业平台倾翻因素分析与安全装置设计

摘要

剪叉式果园作业平台主要应用于现代果园采收和树体管理，辅助果农蹬高作业。本文针对果园坡地行驶作业环境，研究剪叉式果园作业平台的倾翻稳定性，设计防倾翻安全装置，并进行仿真分析和样机试验，以期提高平台抗倾翻能力。以采用履带行走机构的剪叉式果园作业平台为研究对象，展开的研究及设计工作包括:
　　(1)根据对新型果园坡地作业环境、平台作业特点和典型作业工况的调研结果，确定了果园作业平台倾翻稳定性的评价指标，分别采用力矩平衡法和标准化能量稳定裕度法对果园作业平台进行了静态和动态倾翻稳定性的理论分析，确定了果园作业平台倾翻稳定性的影响因素;结合平台典型作业工况针对倾翻稳定性影响因素进行了仿真试验设计与分析，采用Inventor软件建立了剪叉式果园作业平台数字样机，参考汽车静态台架试验方法国家标准，利用Adams软件建立了作业平台倾翻仿真试验模型，参考工程升降平台国家标准中规定的负载校核取点方法，创建了5种典型人员及物品载荷分布工况的仿真模块;借助仿真模型，对结构因素、载荷分布因素、人员作业因素对作业平台倾翻稳定性的作用规律进行了仿真分析，依次得到了4种举升高度下作业平台的最大倾翻稳定角值，5种典型载荷分布工况下地面不同倾斜角时平台的最大倾翻稳定角值，不同工况下作业平台工作台部分允许承受的最大侧向力值的数值变化情况。
　　(2)根据分析出的倾翻稳定性影响因素的作用规律，确定了一种基于载荷分布的移动式防倾翻安全装置的总体设计方案及执行策略，设计并建立了装配调平机构的果园作业平台数字样机，利用Adams软件对调平过程进行动力学仿真分析，获得了调平前后整机倾翻稳定性评价指标的数值变化情况、多组液压缸组合动作时影响搭载人员感受的运动参数的数值变化情况以及满足调平速度要求的调平液压缸的动作速度曲线和负载力曲线，通过仿真分析得到了调平液压缸的安装尺寸和工作行程，检验了调平机构对机身倾翻稳定性的提升效果，校核了调平角速度和液压缸动作速度取值的合理性，同时为后面电液控制系统设计中液压缸、液压泵性能参数计算和自动控制系统响应速度设计提供必要的参数依据。
　　(3)基于调平机构结构形式和果园作业平台作业需求，设计了液压调平系统原理图及其执行策略，对调平液压缸、液压泵的主要性能参数进行了计算及校核，确定了阀类元件及辅助元件的型号及规格;设计了自动调平控制方案，根据自动控制系统调平速度和精度要求，选用PID控制器，完成了调平控制系统的硬件及软件设计，基于系统各环节硬件的物理参数建立了自动调平控制系统的传递函数，利用Matlab/Simulink软件搭建了调平控制系统的仿真模型，通过试凑法确定了系统响应效果最好时，PID控制器的控制系数为Kp=3.5，Ki=0，Kd=0.2。
　　(4)通过对调平过程进行动力学仿真试验分析表明:防倾翻安全装置调平机构能够有效降低倾翻稳定性评价指标横向载荷转移率即LTR值，提高倾翻稳定性。利用基于Matlab/Simulink软件搭建自动调平控制系统仿真模型，仿真分析表明:倾角偏差为最大可调平角度10°时，系统的响应时间为2.5s，无超调，无振荡，自动调平控制系统具备所需的快速响应能力;结合样机试制及试验，结果表明:安全装置能够有效提升剪叉式果园作业平台在坡地环境中的倾翻稳定性。

目录

声明

摘要

1．1．1课题来源

1．1．2研究背景与意义

1．1．3研究目标

1．2国内外研究现状

1．2．1果园作业平台研究现状

1．2．2倾翻稳定性研究现状

1．2．3自动调平技术研究现状

1．3主要研究内容及研究方法

1．3．1研究内容

1．3．2研究方法

1．4本章小结

2果园作业平台倾翻稳定性分析

2．1果园作业平台倾翻稳定性理论研究

2．1．1园区坡地环境倾翻稳定性影响因素

2．1．2倾翻稳定性评价指标

2．1．3标准化能量稳定裕度

2．2倾翻稳定性分析

2．2．1静态倾翻稳定性分析

2．2．2动态倾翻稳定性分析

2．3倾翻仿真试验设计与模型的建立

2．3．1倾翻稳定性仿真试验设计

2．3．2倾翻稳定性仿真模型建立

2．4倾翻稳定性影响因素仿真分析

2．4．1结构因素

2．4．2搭载人员及物品的载荷分布因素

2．4．3人员作业活动因素

2．5本章小结

3安全装置调平机构设计与分析

3．1调平机构设计方案

3．2调平机构设计

3．3调平机构性能分析

3．3．1调平前后倾翻稳定性变化情况

3．3．2满足调平速度要求下的液压缸动作速度及负载力

3．3．3快速调节状态下平台搭载人员感受影响参数变化

3．4本章小结

4液压调平系统的设计与理论计算

4．1液压调平系统设计与研究

4．1．1液压调平系统初步设计与分析

4．1．2液压调平系统改进设计

4．2调平液压缸性能参数计算

4．3液压泵性能参数计算及选型

4．4阀类元件和辅助元件的选型

4．5本章小结

5自动调平控制系统的设计

5．1自动调平控制系统方案设计及数学模型的建立

5．1．1自动调平控制系统方案设计

5．1．2自动调平控制系统数学模型的建立

5．1．3 PID控制器系数设计

5．2自动调平控制系统硬件及软件设计

5．2．1控制系统硬件设计

5．2．2控制系统软件设计

5．2．3控制系统关键元器件的选型

5．3本章小结

6样机试制与自动控制系统仿真

6．1样机试制及试验

6．2自动调平控制系统的仿真

6．3本章小结

7．1结论

7．2展望

参考文献

作者简历

致谢