運載平臺典型工況運動穩定性分析

汪逸飛

摘? 要：溫室運載平臺自重小，重心高，受到溫室內部道路不平的影響，工作人員在作業過程中易發生側翻。文章針對兩種典型工況下，分析了輔助輪的數量、是否有工作人員作業對運動穩定性的影響。通過構建數學模型，推導得到轉彎不側翻的臨界車速以及上下坡不側翻的臨界坡面角度。為運載平臺的安全穩定運動提供了理論依據。

關鍵詞：溫室運載平臺;傾翻;穩定性

中圖分類號：TH21? ? ? ? ?文獻標志碼：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的成熟，溫室農業機器人由于其在降低勞動強度、提高作業效率上的出色表現，也在逐漸地普及。作為溫室機器人里比較重要的分支，溫室運載平臺的設計研究在我國內較少，主要集中在鄭州大學[1]和上海交通大學[2]。而在國外，技術發展較為成熟，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的溫室機器人。

溫室運載平臺作為一款小型農用車輛，受到溫室內部道路不平及本身重心較高的影響，工作人員在作業過程中最容易發生危險狀況就是側翻。目前國內研究側翻穩定性，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，穩定力矩研究法[5]。一種是以乘用車系列為代表的，準靜態研究方法[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用機器人的側翻穩定性研究較少，有較大研究價值。

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

2 溫室運載平臺側翻穩定性模型

如圖1所示，溫室運載平臺主要承擔在溫室內部物料運載的任務，同時可搭載不同的作業部件，以實現一機多能的效果。溫室運載平臺的側翻穩定性，是指在不同工況條件下，抵抗自重或慣性力引起的側翻的能力。

2.1 輪距計算

為了提升溫室運載平臺的整體側翻穩定性，運載平臺底盤前后各有一個輔助輪的安裝接口，在作業過程中，在作業空間允許的情況下，工作人員可進行選裝。根據輔助輪的數量，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 側翻穩定性的測評方法

目前側翻穩定性的分析計算方法主要有三種，分別為力矩不等式法、穩定性安全系數法和按臨界傾覆載荷標定額定起重量法[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用。力矩法的原理較為簡單，其核心就是求得運載平臺的側翻力矩與穩定力矩，運載平臺的側翻穩定條件為：

根據不同的工況，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翻穩定性的研究：

（1）準靜態轉彎工況：研究運載平臺在轉彎或調頭時，升降臺高度與轉彎速度對側翻穩定性的影響。

（2）上下坡工況：研究運載平臺在上下坡時，最大的坡道角。

3 溫室運載平臺側翻穩定性分析計算

3.1 準靜態轉彎工況

準靜態轉彎指的就是運載平臺穩態轉向時的工況。當運載平臺準靜態轉彎時，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心位置，r為轉彎半徑。為取極限值，現取轉彎半徑r為最小轉彎半徑rmin。

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

由仿真結果也可看出，溫室運載平臺在轉彎或調頭過程中，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），在不發生特殊事件的情況下，均能保證運載平臺的順利轉彎和調頭。

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心位置，Hg為溫室運載平臺高度方向等效質心位置。

將側翻臨界條件帶入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 結論

（1）本文結合起重機及普通乘用車側翻穩定性研究的方法，提出了一種針對溫室運載平臺這種有獨特結構和使用環境的農用機器人的側翻穩定性研究思路。

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

參考文獻：

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