基于主動懸掛的移動式作業平臺設計與研究

嚴雙橋，董奇峰，2，程茂林，3，楊秀禮，4，孟林園

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北武漢 430040；3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北武漢 430040；4.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，湖北武漢 430040；5.燕山大學機械工程學院，河北秦皇島 066004)

0 前言

移動式工程裝備具有移動靈活、通用性強、不受場地局限等優點，因此廣泛應用于農業生產、工程建設、礦山開采、光伏清潔等領域[1-4]。然而，隨著各行業機械化發展的需要，移動式工程裝備所面臨的作業場景越來越多，對裝備本身的移動適應性和穩定性也提出了較高要求。其中，定點作業場景對裝備在靜態姿態調整的快速性方面要求較高，如救援類工程車、火箭炮運彈車等[5]；相對地，移動作業場景則對裝備在動態過程中的姿態適應性調整要求較高，如車載焊接機器人、光伏清潔機器人等[6]。

液壓式主動懸掛系統綜合機械、液壓、電子、控制等多學科先進技術，具有響應速度快、操縱穩定性強等優點[7]。作為承載部件，主動懸掛系統一方面能夠實現對車體支撐力的控制，另一方面能夠通過液壓作動器的輸出控制實時調整車輛的姿態，因此被引入移動式工程裝備中。施新[8]針對山地農田地形復雜等問題，引入主動懸掛系統對4YZ-2自走式玉米收獲機進行改造，采用先橫向、后縱向的調平策略，通過對液壓懸掛作動器的位置閉環控制，實現了玉米收獲機在移動作業中自動調平的功能；郭慶賀、趙丁選[9]針對剛性支腿調平裝置靈活性差等問題，設計了基于主動懸掛系統的車載穩定平臺，采用“中心不動”調平策略，通過控制液壓懸掛作動器的位移完成對車身姿態的調整，實現了車身在靜態和動態作業中的自動調平功能；彭賀等人[10]針對丘陵山地作業工況復雜等問題，研制了基于主動懸掛系統的新型丘陵山地拖拉機，采用模糊PID控制算法對車身姿態進行實時計算和控制，實現了拖拉機在行進過程中的自動調平功能；紀曉宇[11]針對光伏電站復雜的地形條件，研發了基于主動懸掛系統的新型光伏清潔機器人，采用左右聯動、前后獨立的調平策略，通過模糊PID控制器對液壓作動懸掛器進行位置控制，實現了機器人在清掃作業過程中的實時調平功能。

上述研究者根據各自裝備所處作業環境的特點和需求引入了主動懸掛技術，均取得了較好的應用效果。近年來，隨著施工環境的多樣化、地形條件的復雜化，工程項目對裝備的地形適應能力、越障能力、動態調整能力提出了更高的要求。因此，設計一款具有高強適應性的多功能移動作業平臺具有重要的工程意義。

1 結構設計與分析

1.1 結構設計

工程施工常面臨多種作業環境，所用作業平臺需滿足從松軟路面到堅硬路面等各種路況的行進作業。同時，由于施工作業的特點，作業平臺需具備定點快速調平和移動實時調平的能力。結合上述需求，充分考慮作業平臺的移動能力、跨越能力和姿態調整能力，設計了基于主動懸掛的移動式作業平臺。其結構如圖1所示，為液壓驅動型履帶式行走平臺，主要由履帶行走機構、液壓作動支腿、作業平臺和液壓泵站等組成。其中，整個作業平臺主要由型鋼和液壓作動支腿栓接而成，上置液壓泵站與其他作業區域；履帶行走機構與液壓作動支腿鉸接，采用兩自由度鉸接軸結構，使作業平臺能夠自動適應橫、縱兩個方向10 °以內的坡度。

圖1 移動式作業平臺結構

液壓作動支腿結構如圖2所示，主要由外部套筒、液壓缸和內部套筒組成。其中，液壓缸缸筒鉸接外部套筒，活塞桿鉸接內部套筒，可控制支腿的伸縮，構成了作業平臺的主動懸掛部件。同時，由于外部套筒固接平臺，內部套筒鉸接履帶行走機構，因此通過液壓缸的伸縮可以調整整個作業平臺的姿態。

圖2 液壓作動支腿結構

1.2 關鍵部件結構靜力學分析

履帶行走機構為車載裝備常見移動部件，技術相對成熟，僅需要根據負載及速度等技術指標進行選型設計即可，因此不對其進行靜力學分析。液壓作動支腿是作業平臺整體機械結構的重要組成部分，同時兼具姿態調整的作用，因此其結構設計的合理性極其重要。為確保移動式作業平臺結構的安全性和可靠性，基于有限元法對液壓作動支腿進行靜力學分析。當液壓作動支腿伸至最長狀態同時作業平臺在最大速度移動中急停時，支腿所受外力最大。對該極限受力工況下的液壓作動支腿進行分析。

在SolidWorks環境中建立移動式作業平臺實體模型，并依據模型簡化原則對其進行適當的簡化處理[12]。然后，根據實際情況為各零件添加配合和材料屬性，其中液壓作動支腿主體結構和作業平臺型鋼均設為Q235鋼。獨立出液壓作動支腿實體模型，使用Simulation中靜力學分析模塊對其進行有限元結構靜力學分析，分析過程和結果如圖3所示。

(1)施加約束。在與履帶行走機構配合接觸位置施加固定約束；

(2)添加外負載。在與作業平臺型鋼固接位置施加外負載，其中F1為支腿所承載的作業平臺重力，賦值44 000 N；F2為上側型鋼作用力，賦值27 000 N；F3為下側型鋼作用力，賦值26 000 N；G為液壓作動支腿重力；重力加速度方向豎直向下，賦值9.8 m/s2；

(3)劃分網格。采用自動網格劃分模式，選取標準網格，劃分結果為節點總數99 781個，單元總數59 967個；

(4)進行解算。

由圖3可知：液壓作動支腿在極限工況下最大應力值為128.823 MPa，集中于約束位置，小于Q235鋼的屈服極限，安全系數大于1.5，滿足支腿結構的強度設計要求；最大位移量為4.216 mm，位于結構最上端，小于液壓作動支腿最大長度的1/500，滿足支腿結構的剛度設計要求。

圖3 靜力學分析

1.3 作業平臺模態分析

模態分析是檢驗機械結構動態特性的一種有效方法，通過獲取結構的振型和固有頻率，計算容易引發結構振動的頻率范圍，進而對結構進行優化或對使用的邊界條件進行規定。因此，有必要對移動式作業平臺進行模態分析，以計算其共振頻率段。不考慮履帶行走機構，去掉護欄、液壓泵站等附屬結構，在ANSYS Workbench中頻率分析模塊對作業平臺進行有限元結構動力學分析。在作業平臺與履帶行走機構配合接觸位置施加固定約束，忽略載荷，分析結果如圖4和表1所示。

表1 前6階模態固有頻率 單位：Hz

由分析結果可知：作業平臺上平板結構跳動較大，需要在局部位置進行結構加強；主體結構固有頻率主要集中在40.981～69.751 Hz之間，需要避開具有相近頻率的激勵源。根據振動理論可知，激勵源振動頻率與機械結構的固有頻率之比應小于0.75或大于1.414[13]，即作業平臺共振頻率段為30.735～98.628 Hz。因此，在移動式作業平臺動力系統選型和實際作業環境中，應盡量避開該頻段。

2 自動調平系統設計

移動式作業平臺在行進作業或駐點作業時經常需要保持作業面的水平，以保證施工的安全、質量和精度控制。因此，針對移動式作業平臺結構特點，對其進行自動調平系統的設計。

2.1 調平策略

根據直接控制對象的不同，作業平臺調平方法通常可分為角度誤差控制調平法和位置誤差控制調平法。其中，角度誤差控制調平法通過檢測平臺傾角，經過邏輯判斷控制各支腿的升降進行平臺的角度調整，直至檢測到平臺傾角運動至所需范圍，因此對各支腿不做位移控制，為單閉環控制系統。而位置誤差控制調平法在檢測到平臺傾角后，通過調平算法將傾角轉換為各支腿的位移量，而后對各支腿的位移量進行閉環控制，進而間接控制平臺角度，為雙閉環控制系統。盡管位置誤差控制調平法存在著控制系統相對復雜、系統成本較高等缺點，但相較于角度誤差控制調平法響應速度更快、調整精度更高。因此，移動式作業平臺采用位置誤差控制調平法。

常見的位置誤差控制調平算法主要包括“設定點不動”調平法、“追逐式”調平法、“最高點不動”調平法、“中心點”不動調平法和“最低點不動”調平法等，其中“中心點”不動調平法各支腿調整長度較短，因此調平速度較快，如圖5所示。從調平控制快速性角度出發，移動式作業平臺采用“中心點”不動調平算法。

圖5 “中心點不動”調平示意

2.2 調平模型

根據“中心點不動”調平算法建立移動式作業平臺調平模型，求解平臺傾角與各支腿位移量之間的轉換關系。建立平臺姿態坐標系如圖6所示，坐標系原點O位于平面幾何中心點，坐標系O-X0Y0Z0為平面初始水平位置坐標系，坐標系O-XYZ為平面傾斜位置坐標系，α為面XOY繞Y0軸旋轉角度，β為面XOY繞X0軸旋轉角度，A、B、C、D分別為各支腿支撐點位，a、b分別為平面兩個邊長。

圖6 姿態坐標

設X0OY0面上任意一點在坐標系O-X0Y0Z0的坐標為[x0，y0，z0]，傾斜后坐標為[x，y，z]，通過坐標變換可得

(1)

式中：cα=cosα，sα=sinα，cβ=cosβ，sβ=sinβ。

由于平臺允許傾斜角度α和β很小，有cosα≈1，cosβ≈1，sinα≈α，sinβ≈β。因此可將式(1)簡化為

(2)

在坐標系O-X0Y0Z0中，點A、B、C、D坐標分別為(a/2，-b/2，0)、(a/2，b/2，0)、(-a/2，b/2，0)、(-a/2，-b/2，0)，轉化為矩陣形式為

(3)

將式(2)代入式(1)，最終可得A、B、C、D各點偏離水平位置的位移差[14]

(4)

則式(4)為作業平臺傾角與各支腿位移量之間的數學模型。

2.3 電液控制系統設計

由上述數學模型可知，作業平臺傾角調整最終分解為各作動支腿的獨立位移控制，因此作動支腿的電液控制系統設計至關重要。

作動支腿液壓系統如圖7所示，主要包含油箱、液壓泵、電動機、比例閥、溢流閥、蓄能器、液壓缸等。其中，各作動支腿液壓支路均配置壓力傳感器，通過系統壓力判斷相關支腿是否對作業平臺進行支撐，避免“虛腿”的產生。

圖7 液壓系統原理

液壓作動支腿控制系統為閥控缸系統，由于其控制對象為油缸伸縮位移，控制閥為電液比例閥，因此可歸為電液比例位置控制系統。結合調平策略，其控制系統結構如圖8所示。其中，傾角傳感器(雙軸)測得作業平臺姿態α和β，通過調平數學模型計算出各作動支腿的伸縮位移ΔA、ΔB、ΔC和ΔD，然后伸縮位移與位移傳感器測量值進行比較，所得偏差經控制器、比例放大器向電液比例閥輸出控制量信號，最后電液比例閥控制各液壓缸輸出相應位移，進而實現作業平臺的調平作業。

圖8 電液比例位置控制系統結構

在液壓控制系統中，選取合適的控制器對系統的控制效果有著重要影響。文中選取工程中常用的PID控制器，該控制算法結構簡單、穩定可靠、魯棒性好，對常規機電控制系統有著良好的校正作用[15]。由于各液壓支腿參數相同，因此在AMESim環境下建立單個作動支腿的電液比例位置控制仿真模型，如圖9所示，仿真參數見表2。采用Ziegler-Nichols法進行PID控制器的參數整定，整定結果為Kp=9.98，Ki=0.01，Kd=0，作動支腿電液控制系統階躍響應校正前、后仿真結果如圖10所示。

由仿真結果可知：控制系統未校正前，階躍響應時間為6.15 s，響應曲線未超調；控制系統經PID控制器校正后，階躍響應時間縮短至0.57 s(相比未校正前提升90.7%)，響應曲線未超調。因此，PID控制器極大地提升了液壓作動支腿的響應速度。

圖9 仿真模型

表2 仿真參數

圖10 階躍響應

3 試驗分析

為驗證設計的移動式作業平臺的可行性，研制了試驗樣機，如圖11所示。試驗內容主要包括平臺機械結構的可靠性、對各類路面的適應性以及行走過程中的調平穩定性。

圖11 移動式作業平臺樣機

對作業平臺進行路面適應性測試，如圖12所示。驅動作業平臺從土石路面行走至泥水路面，觀察平臺行走過程是否發生打滑、輪帶下陷等情況。經試驗，作業平臺在行走測試中表現良好，在測試條件下的各種路況中均能穩定行走，具有良好的路面適應性。

對作業平臺自動調平系統進行測試，如圖13所示。啟動作業平臺自動調平程序，驅動其單側履帶輪跨越30 cm高度的石塊，記錄傾角傳感器數據變化情況，如圖14所示。經試驗，作業平臺在越障過程中俯仰角變化范圍在-0.57°～0.76°之間，橫滾角變換范圍在-0.85°～0.47°之間，均在1°以內，滿足設計要求。

圖12 行走測試

移動式作業平臺試驗結果表明，設計的基于主動懸掛的移動式作業平臺不僅具有較強的地面適應能力，還具有良好的自動調平能力。另外，經過反復試驗，作業平臺各處機械結構未出現明顯形變、破損等情況，也未發生共振現象，因此其機械結構可靠性較高、滿足工程需要。

4 結論

面向工程需求，設計一款具有自動調平系統的履帶式移動作業平臺，通過理論計算、仿真分析以及試驗驗證對其進行研究。

(1)基于SolidWorks/Simulation對移動作業平臺液壓作動支腿進行有限元結構靜力學分析，分析結果表明：極限工況下作動支腿最大應力值為128.823 MPa，結構強度滿足設計要求；最大變形量為4.216 mm，結構剛度滿足設計要求。基于ANSYS Workbench對作業平臺整體進行有限元結構動力學分析，分析結果表明：作業平臺應避免在30.735～98.628 Hz激振源下工作。

(2)根據作業平臺特點選用“中心點不動”的位置誤差控制調平算法，通過理論計算建立作業平臺的自動調平模型，將平臺傾角控制轉換為各作動支腿的位移控制。

(3)基于AMESim對作業平臺液壓作動支腿電液控制系統進行設計和仿真分析，分析結果表明：經PID控制器校正后，支腿控制系統響應速度提升了90.7%，證明了PID控制器的有效性。

(4)對作業平臺進行試驗分析，試驗結果表明：移動式作業平臺機械結構可靠、地面適應能力較強、自動調平能力滿足工程要求，證明了作業平臺設計的可行性。