基于离散元法的自走式甘蔗转运车车厢稳定性研究

根据丘陵地区的地势地貌特点,针对传统式甘蔗转运车轮距大、提升重心高、整体稳定性差的问题,设计了一种基于剪叉式提升机构的自行式甘蔗转运车集蔗车厢。基于离散元仿真软件EDEM,从质心和卸料角两方面对传统式和剪叉式集蔗车厢的稳定性进行分析。虚拟仿真分析及试验研究结果表明,在满载卸料过程中,传统式集蔗车厢的质心横向偏移量为1 235. 56 mm,摆动量为1 770. 08 mm,质心相对高度变化最大值为1 589. 27 mm,卸料角为104. 93°;剪叉式集蔗车厢甘蔗质心横向偏移量和摆动量均为705. 49 mm,质心相对高度变化最大值为1 619. 82 mm,卸料角为29. 83°。与传统式集蔗车厢相比,剪叉式集蔗车厢的质心横向偏移量下降42. 9%、摆动量下降60. 1%、卸料角降低71. 6%,两种车厢的质心相对高度变化相对较小,说明集蔗车厢具有较好的稳定性。对离散元仿真时需定义的相关接触参数进行了研究,通过仿真分析和试验平台验证试验相结合的方法对所得数据进行了验证,结果较为吻合。     

甘蔗收获机割台随动控制系统设计与试验

针对国内现有甘蔗收获机无法对割台高度实施自动控制的问题,设计了一种割台随动控制系统。系统由自重摆动式仿形机构、STM32控制器、位移传感器、上位机模组、按键模块、电磁阀及驱动模组组成。自重摆动式仿形机构与地面直接接触并保持贴附,实时检测收获作业时的地面起伏变化,同时可以依靠仿形机构外廓曲面减小收获机倒退时地面对自身关键部件的冲击。建立割台高度控制参数模型,运用PID控制算法,有效地实现收获机割台高度的精确控制,进一步提升了甘蔗收获机自动化水平和工作性能。田间试验结果表明,收获机在安装割台随动控制系统后,割台随地形起伏变化而变化,使破头率降低,平均破头率为21%,通过与人工控制收获试验对比,平均破头率下降18.5个百分点。     

旋耕机自动调平系统设计与试验

由于农田田面坑洼不平,拖拉机在田间工作过程中左右轮不在同一水平面上行走,导致通过拖拉机三点悬挂机构挂接的旋耕机随着拖拉机的倾斜而倾斜。旋耕机倾斜作业不仅破坏农田硬底层,还影响旋耕机的耕后平整度和耕深等旋耕性能指标,导致旋耕作业效果差、作业效率低。设计了一种旋耕机自动调平系统,由旋耕机构、调平支撑架、液压系统和自动调平控制系统组成。调平支撑架前端与拖拉机三点悬挂机构连接;旋耕机构通过销轴悬挂于调平支撑架后下方;调平油缸一端与调平支撑架侧边铰接,另一端与旋耕机构铰接,通过调平油缸的伸缩实现旋耕机构相对于调平支撑架的左右上下摆动。自动调平控制系统根据拖拉机横滚角度控制电磁换向阀驱动调平油缸伸缩调节旋耕与调平支撑架的相对角度,即旋耕机构与拖拉机的相对角度,通过直线位移传感器测量调平油缸的伸长量,利用旋耕机与调平支撑架的几何关系实现旋耕机构的自动调平闭环控制,使旋耕机始终保持期望的角度进行旋耕作业。对自动调平旋耕机和无调平功能旋耕机在有垄菜田进行了试验,利用水准仪采集试验前后田块地表平整度数据,2台姿态传感器分别采集拖拉机倾角和旋耕机倾角信息,分析了2种旋耕机作业后的平整度和耕深两旋耕性能指标,以及旋耕机自动调平控制系统的性能,结果表明：自动调平旋耕机相对于无调平功能旋耕机耕后地表横向平整度显著提高,前者耕后垄面横向最大高差为1.9cm,后者达9.8cm;自动调平旋耕机横向耕深稳定,耕深横向最大高差为1.8cm,而无调平功能旋耕机耕深横向最大高差达9.7cm。     

马铃薯联合收获机车身调平系统设计与试验

针对马铃薯联合收获机作业时车身不能随地形起伏变化自适应平衡,导致作业安全性低、收获损伤大、收获品质差的问题,设计了一种马铃薯联合收获机车身调平系统,该系统采用融合一阶惯性滤波的倾角传感器监测车身横向倾斜角度,干扰和抖动被有效抑制;通过车身调平机构动力学分析,建立了系统的数学模型;采用基于一阶惯性滤波的模糊PID算法控制比例阀驱动升降液压缸运动,从而实现马铃薯联合收获机车身自动调平。对车身调平系统进行仿真分析,结果表明：与传统PID算法相比,模糊PID具有更好的控制性能,系统调节时间缩短51.77%,上升时间缩短53.57%,最大超调量减小6.25%;对整机控制系统进行静态和动态试验测试,结果表明：在坡度-10°~10°范围内,系统自动调平时间小于4s,最大调平误差小于1°;车身在倾斜角10°工况下,使用模糊PID控制算法自动调平时间缩短约50%,静态试验结果与仿真分析结果相符;在起伏变化较大的路面以速度3.6km/h行驶时,车身倾斜角误差控制在±3°以内,较好地实现了马铃薯联合收获机车身自动调平控制,满足实际作业需求。     

基于主动悬挂的车载稳定平台调平系统设计与试验

针对刚性支腿调平装置灵活性差、调平耗时长等问题,设计了一种基于主动悬挂的车载稳定平台调平系统,该系统主要包括三轴六轮车辆底盘、惯性测量单元、控制系统和液压系统。通过悬架互联方式将悬挂作动油缸对车载稳定平台的六点支撑结构等效转换为三点支撑结构,采用“中心不动”调平算法对三支撑点高度进行调节,从而实现对车载稳定平台的调平控制。为验证所设计调平系统的可行性,试制了车载稳定平台样机,并进行了驻车调平和行车调平试验。驻车调平试验包括基于本文设计的调平系统调平试验和基于样机自带的刚性支腿调平装置的调平试验,行车调平试验包括过单边桥调平试验和过双边桥调平试验。结果表明,在驻车调平试验中,采用本文设计的基于主动悬挂的调平系统进行调平,平台俯仰角由2.5°调至水平状态约需5.5s,调平精度为0.1°,相比刚性支腿调平装置,在调平速度和调平精度方面具有明显优势;在行车调平试验中,过单边桥调平时,平台侧倾角最大误差为0.58°,过双边桥调平时,平台俯仰角最大误差为0.55°,行车调平过程中平台倾角变化误差较小,可基本满足实际使用要求。所设计的基于主动悬挂的车载稳定平台调平系统不仅能保证车载稳定平台驻车调平时的调平速度和调平精度,而且能实现在行车过程中边行走、边调平的功能。     

高地隙施药机喷杆自动调平系统设计与试验

因田间地表起伏,高地隙施药机在作业过程中车体极易发生横滚方向的倾斜,同车体刚性连接的喷杆同时倾斜,甚至与作物、地面碰触,影响喷药均匀性和作业安全性.为此基于机电液一体化控制方法,设计了高地隙施药机喷杆自动调平系统.设计电控液压调平机构,使喷杆与车体柔性联接,实现在横滚方向上喷杆与车体的相对转动.采用姿态测量方法实时检测...     

水田自走式喷雾机喷杆自动调平系统设计与试验

为提高水田自走式喷雾机喷施作业均匀性,设计了喷杆自动调平系统,包括自动调平机械结构、喷雾机车身倾角传感器和控制器,以及车身倾角传感器和控制器的硬件系统和软件系统,并研究了对加速度计和陀螺仪数据进行融合的卡尔曼滤波算法和喷杆自动调平PID控制算法。以井关JKB18C型喷雾机为平台,采用叉车调节喷雾机车身倾斜角度,用2台MTI-300高精度惯性传感器分别测量喷雾机车身和喷杆倾角,并进行了测试试验。结果表明:随着车身倾角变化速率的增加,喷杆倾斜角度的平均绝对误差、均方根误差和最大误差增大,平均绝对误差最大为0. 90°,均方根误差最大为1. 39°,最大误差为1. 70°,车身倾角变化速率对喷杆控制精度影响较大。为检测喷杆自动调平控制系统的田间作业性能,采用双天线RTK-GNSS导航定位系统测量喷雾机作业过程中喷杆水平倾角,并进行了田间试验。试验结果表明:喷杆相对于水平面的平均绝对误差最大为0.79°,均方根误差最大为0. 85°,最大误差为1. 70°,喷杆自动调平控制系统可以有效地控制喷杆的水平姿态。     

整秆式甘蔗收获机输送调控系统设计与试验

针对甘蔗生长的随机性使收获机喂入量随时变化,易导致整秆式甘蔗收获机输送堵塞或工作效率低下的问题,设计了一种整秆式甘蔗收获机输送调控系统。该系统由动态扭矩传感器、PLC控制系统、液压系统、伺服电机系统组成,通过实时调节输送辊转速与喂入速度使得甘蔗收获机输送能力与喂入量相匹配,减少甘蔗堵塞情况。通过搭建甘蔗收获机试验平台,开展甘蔗输送调控试验。甘蔗输送调控试验结果表明,安装了输送调控系统后,各试验水平下的甘蔗平均输送速度为4.06、3.42、3.04、2.42m/s,相比无调控系统有了明显提升,并且收获机输送能力在喂入量峰值过后恢复到初始值,保证了工作效率;调控试验的平均堵塞率降低到5%,输送调控系统对缓解输送堵塞有显著作用。     

基于人机工效学的农机座椅自动调平系统设计与试验

针对拖拉机在高低垄犁地作业过程,驾驶舱倾斜导致驾驶员坐姿变化,影响驾驶员乘坐舒适性的问题,设计了结构紧凑的座椅椅面调平机械装置,并基于单片机开发了调平装置控制器,调平精度为0.67°。为了提高调平过程中驾驶员的乘坐舒适性,搭建了模拟拖拉机座椅倾斜状态试验台,研究了试验台中座椅倾斜不同角度情况下对驾驶员上躯干姿态的影响。试验结果表明人体胸椎和腰椎投影偏移随着座椅倾斜角度的增加而增大,但座椅倾斜3°时投影偏移远小于倾斜5°时投影偏移,由此确定座椅调平系统工作阈值为3°。通过主观评价试验,确定座椅调平的速度为6～8 mm/s时,驾驶员的舒适性较高。在东方红LX754型拖拉机上开展实车试验,结果表明,座椅调平后驾驶员的腰部受力更加均匀、调平系统对于驾驶员的操作性及适应性有促进作用,验证了该系统的实用性。     

丘陵地区双向仿形镇压装置设计与试验

针对镇压装置在丘陵地区作业时镇压不均匀、镇压强度不足等问题,借鉴丘陵山地农业机械结构特点,设计了一种能实现双向仿形和镇压强度可调的镇压装置。该装置主要由仿形调节机构、镇压强度调节机构和镇压轮组成。建立了丘陵地形下镇压轮与土壤相互作用模型,对镇压轮进行受力分析,确定镇压轮工作过程,同时对镇压装置进行受力分析,确定弹簧变形量(镇压强度)的合理范围。进行对比试验和田间性能试验,采用L9(34)正交试验,考察镇压轮类型、镇压强度、作业速度对镇压装置作业性能的影响,得到了各因素的主次顺序:镇压轮类型、弹簧变形量(镇压强度)、作业速度,最优组合:橡胶镇压轮、弹簧变形量20 mm、作业速度1 m/s,此时牵引阻力为22.3 N,根冠比为0.271。通过对比试验,证明仿形镇压装置更能保证镇压均匀性。     

丘陵山区农用自适应调平底盘设计与试验

丘陵山区地形复杂,地面凹凸不平,针对农用车辆行驶稳定性较差、车体倾斜等问题,提出一种自适应调平方法,并根据丘陵山区农用动力底盘作业要求,设计一种自适应调平悬架及应用该悬架的自适应调平底盘。建立虚拟样机三维模型,并导入动力学分析软件ADAMS中进行仿真分析,将底盘仿真过程中的侧倾角和俯仰角与四轮刚性底盘在同等条件下仿真得到的侧倾角和俯仰角对比,自适应调平底盘参考某种作业环境在幅值和波长特定的波形地面上行走作业时,侧倾角和俯仰角之和可降低60%左右。通过对样机土槽试验结果分析,证明自适应调平方法的可行性和仿真分析的正确性。     

丘陵山区农用预检测主动调平底盘设计与试验

针对目前丘陵山区农用底盘倾斜后调平精度低、滞后的问题,提出一种预检测主动调平方法,该方法提前检测行驶前方地面情况,判断如何实施调平动作,并在底盘倾斜同时进行主动调整,可主动预防、避免或减少在崎岖不平地面上行驶作业过程中的底盘倾斜。设计了一种采用Y型可调悬架作为调平机构的农用车辆预检测主动调平底盘,分析计算了底盘悬架调整与预检测调平参数、承载能力与调平速度及调平执行策略,分析计算表明,可通过Y型可调悬架的高度调节实现底盘调平。利用样机在室外试验田中进行崎岖不平地面的行走试验验证,试验结果表明,在预检测主动调平行走过程中,丘陵山地农用预检测主动调平底盘可在精度0. 5°范围内实现动态调平,验证了预检测主动调平方法以及丘陵山地农用预检测主动调平底盘设计方案的可行性。     

丘陵山区农用仿形行走动态调平底盘设计与试验

针对丘陵山区农业机械通过性差、车身难以保持水平、机械化薄弱的问题,设计了一种丘陵山区农用仿形行走动态调平底盘。底盘4组调平悬架的悬臂夹角可精确调节,不仅能在崎岖地面上实现全时多轮驱动、多自由度仿形行走,而且通过悬架悬臂夹角调节实现车体调平控制,同时解决丘陵山区农用动力底盘行走、作业的两大难题。底盘在仿形行走过程中,倾角传感器实时测量车身倾斜角度,并计算出各悬架悬臂夹角瞬时调节量,精确调整各悬架悬臂夹角实现底盘动态补偿调平。参照中小型东方红500型农用拖拉机设计底盘样机,建立虚拟样机三维模型,并导入动力学分析软件ADAMS中进行仿真分析,底盘在多自由度仿形行走过程中,可在0.5°精度范围内实现动态调平。研制小比例样车,通过土槽试验验证底盘在多自由度仿形行走过程中,可在1°精度范围内实现动态调平。仿真、土槽与自然地面试验验证了理论分析和计算结果,为丘陵山区农用仿形行走动态调平底盘应用提供参考。     

农用底盘主动平衡试验平台与控制系统设计与试验

常规的农用作业装备很难适应坡地作业环境,为了使作业车身在坡地作业时保持水平,以主动平衡系统作为研究对象,开发了主动平衡试验平台及控制系统。基于SimMechanics与SimHdraulics模块建立了机-电-液多物理域仿真模型;针对双作用非对称式液压油缸推程与回程运动的不同特性,采用双通道式PID控制策略进行控制,分别对液压油缸跟随响应、位移误差变化、速度阶跃响应与平台双轴倾角进行仿真分析。仿真表明,双通道PID控制下最大跟随误差为1.90mm,响应时间为0.228s,极限状态下平衡时间为2.98s。与单通道PID控制相比,其最大控制误差降低49.3%,响应速度提高了45.8%。在实验室模拟8种不同坡度,对主动平衡试验平台进行响应时间和平衡效果测试,系统响应时间为0.328s;随着坡度的增加,试验平台调平最大误差为1.14°,最大均方根误差为0.299°,主动平衡试验平台及控制系统达到了设计要求。     

基于QBP-PID的履带式作业机全向调平控制研究

针对丘陵山区农业机械作业时的机身倾角变化大、工作品质和作业安全性差等问题,以履带式作业机为研究对象,设计了一种基于“3层车架”的液压全向调平系统,并提出了复合Q学习-BP神经网络-PID(QBP-PID)的全向调平控制策略。首先,给出了全向调平整机结构方案和工作原理,在此基础上,建立了包含全向调平系统的履带式作业机整机动力学模型。然后,针对PID控制参数难以整定的问题,通过BP神经网络对PID控制参数进行实时更新,并引入Q学习算法对神经网络连接权值进行在线更新,建立了全向调平复合QBP-PID控制器。仿真结果表明,QBP-PID控制下,20°横向调平时间为2.8 s, 25°纵向调平时间为3.2 s,相较于PID与BP-PID控制,减小了调平时间,并且未出现超调量。最后,进行横坡路面和纵坡路面的整机试验,与仿真结果相比,横向和纵向调平时间误差为0.6 s和0.4 s,且平地路面机身倾角小于1.5°,满足丘陵山区农业机械调平性能需求。     

丘陵山地模块化甘蔗割铺机设计与试验

针对现有甘蔗割铺机只能单向收获作业、固定切割高度、无扶蔗机构、车架结构不合理、智能化程度低等问题,设计了一种丘陵山地模块化甘蔗割铺机。整机通过合理布局和侧挂式输送形式,并由可调铺放角度的铺放装置将甘蔗铺放至割铺机后方左右两侧,实现了双向式收获作业并改善输送通道易堵塞的问题。结合甘蔗在扶蔗运动过程中的受力分析,提出了不等螺距螺旋滚筒设计,通过空间坐标变化得到螺旋线方程以及螺旋滚筒直径与安装角度;通过甘蔗输送运动分析确定了输送铺放机构作业速度、甘蔗铺放角;通过甘蔗切割机理分析得到了砍蔗机构切割形式、切割刀盘直径与转速等关键参数。整机作业幅宽设计为1100mm,工作速度为1.8km/h,生产效率为0.176hm2/h。样机田间试验结果表明,当前进速度452.28mm/s、砍蔗机构转速562.12r/min、刀盘倾角12.27°时,甘蔗割铺机破头率最低,为8.398%,工作总损失率为1.71%,整机试验过程中工作状态良好,达到整机的设计要求。     

丘陵果园除草机器人底盘系统设计与试验

针对丘陵果园环境非结构化且复杂多变,常规的除草方式效率低等问题,设计了一种果园除草机器人底盘系统。根据果园丘陵地形地貌环境,确定车体控制方式和除草机器人底盘的总体结构方案,主要包括液压传动系统、电气控制系统等。设计配套的除草车电气控制系统和遥控接收、车载主控和导航功能的CAN通信协议。以运动控制为核心,采用角度传感器、电机驱动、车载主控、导航模块,构成闭环控制。使用自抗扰控制算法,以油阀控制电机为对象应用Simulink仿真,仿真结果显示自抗扰控制相比PID控制调节时间减少0.42s,超调幅度减小11.5%,稳定时间缩短0.14s。田间试验表明,运用自抗扰控制、结合导航功能的除草机器人行走速度均值为6.2km/h,均方差0.037km/h,作业效率0.51hm2/h,有效除草率均值97.46%,可在25°斜面上正常行走,对导航路径的跟踪误差标准差为4.732cm,运动控制响应及时,能够提高除草作业安全性和准确性。