果园单人操控与自动防翻型升降管理机研发

摘要

我国果园规格多样，种植规模偏小，以分户种植为主，空中作业劳动量大，传统空中作业形式效率低、安全性差。现有空中作业辅助装备，体积偏大、成本高，且在丘陵果园的适用性较差，因此进行适用于丘陵果园的升降管理机的研发具有很大的意义。本文针对果园升降管理机装备的不足，设计了电动扩展工作台式升降管理机和主要针对丘陵果园的小型自动防翻式移动升降管理机，为各类果园的空中作业提供了装备支撑。 主要研究工作包括以下几个方面： （1）对多类果园规格参数调研的基础上，设计了电动扩展工作台式升降管理机，通过双侧两次扩展，工作台面积最大可达1.7m2，增大空中作业范围，实现在果园行间双侧作业而不需要频繁移动。针对行间郁闭的丘陵果园，主要设计了小型自动防翻式升降管理机，进行了基于人机工程学的升降机构参数计算和小型化底盘参数设计，对升降管理机各模块进行设计和优化，设计了便捷上下通道解决人员和物料上下不便的问题，并设计丁字活撑脚结构大大减小侧板释放时与地面形成的坡度，使人员和物料上下工作台更加便捷。 （2）设计了果园升降管理机单人便捷的工作台上集成操控系统，使单人能够便捷完成上下工作台、侧板收放、驾驶行进、升降作业等操作。进行了针对误操作的自动安全保护电路设计，有效避免误操作/误碰引起的危险。分析了丘陵果园在有坡度情况下，行进、空中作业、点动作业等工况可能出现的侧翻危险，设计了动态多工况自动防翻系统，保障工作人员和作业机械的安全。 （3）根据升降管理机力传感器检测信号与现有汽车侧翻预警所检测信号的区别，定义非标准载荷转移率LTR′，通过静动态多种因素分别设置试验，得到不同因素影响下力传感器信号变化规律，建立LTR′与地面坡度、升降高度、工作位、行进速度等影响因素的关系模型，并提出了基于PLC控制器的多工况分级自动控制流程。 （4）对样机的性能进行了试验验证，试验表明：单人操控系统能满足单人作业需求，误操作自动安全保护电路有效，自动防翻系统性能良好，能够满足升降管理机安全保护需求。水平地面、上坡和下坡最大行进速度分别为0.83m/s、0.69m/s和0.92m/s，升降机构的上升和下降速度分别为55.74mm/s和119.21mm/s，侧板释放和收起速度分别为8.28rad/s和6.99rad/s，满足设计要求。升降管理机在最小树冠间距为2m的果园行间的通过性良好，升降范围能够满足果树株高为 3m~4m 的空中作业需求，自动收放侧板能够实现人员不借助辅助工具便捷上下工作台。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 果园升降平台研究现状

1.2.2 丘陵果园机械作业的安全保护研究现状

1.2.3 动态防侧翻技术研究现状

1.2.4 小结

1.3研究内容与技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

第二章 面向不同果园的多规格升降管理机设计

2.1 果园参数测量

2.1.1果园参数统计

2.1.2 果园种植模式分析

2.2 电动扩展工作台式升降管理机设计

2.2.1 整体方案

2.2.2 电动扩展式升降管理机关键部件方案设计

2.3 小型自动防翻式升降管理机整体方案

2.3.1 设计要求

2.3.2 设计方案

2.4 小型自动防翻式升降管理机理论参数设计

2.4.1 基于人机工程学的果园作业升降范围分析

2.4.2防侧翻的底盘小型化关键参数设计

2.4.3便捷上下通道关键参数设计

2.5 小型自动防翻式升降管理机各部件方案设计与优化

2.5.1 行走底盘方案设计

2.5.2 升降机构方案设计

2.5.3 便捷上下通道方案设计与优化

2.6 样机加工

2.7 本章小结

第三章 集成操控与自动安全防护系统设计

3.1 单人集成操控系统设计

3.1.1 集成操控实现方法

3.1.2 单人集成操控关键器件选型

3.1.3 单人操控电路设计

3.1.4 误操作自动安全保护

3.2 动态多工况的自动防翻保护系统

3.2.1 动态多工况自动防翻保护方法的提出

3.2.2 基于多点力反馈的动态多工况自动防翻系统设计

3.2.3 自动防翻系统元器件选型

3.2.4 自动防翻系统控制电路设计

3.3 本章小结

第四章 防翻控制评价指标的数学关系模型分析

4.1 载荷转移率分析

4.2底盘静止力传感器信号变化规律试验

4.2.1试验对象与材料

4.2.2力传感器标定与信号读取方法

4.2.3 坡度与力传感器信号变化规律试验

4.2.4 人在工作台活动与力传感器信号变化规律试验

4.2.5升降高度与力传感器信号变化规律试验

4.2.6人在不同升降高度工作台活动与力传感器信号变化规律试验

4.3底盘运动力传感器信号变化规律试验

4.3.1不同地面行进与力传感器信号变化规律试验

4.3.2 速度与力传感器信号变化规律试验

4.4 非标准载荷转移率影响因素分析

4.4.1 底盘静止时非标准载荷转移率影响因素分析

4.4.2 底盘运动时非标准载荷转移率影响因素分析

4.5 自动防翻控制流程设计

4.5.1 阈值设定

4.5.2 防翻控制流程

4.6 本章小结

第五章 样机性能试验

5.1 样机行驶与作业性能试验

5.1.1 最大行进速度

5.1.2 升降与侧板收放速度

5.2 自动安全防护性能试验

5.2.1 误操作自动安全防护性能验证

5.2.2 坡度变化自动防翻性能验证

5.2.3 坡度一定升降高度变化自动防翻性能验证

5.3 果园作业性能试验

5.3.1 试验目的

5.3.2 试验结果与分析

5.3.3 试验发现的问题

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的科研成果