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农机驾驶座椅水平调节系统设计

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农机驾驶座椅水平调节系统设计

农机驾驶座椅水平调节系统设计唐瑜1,朱瑞祥21.贵州航天天马机电科技有限公司,贵州遵义5630032.西北农林科技大学,陕西杨凌712100摘要针对地表不平时驾驶座椅倾斜,影响作业安全、危害驾驶人员身体健康等问题,采用机电一体化技术,设计了一种依据农机作业时横向倾斜程度自动调节驾驶座椅的水平调节系统,该系统采用两个倾角传感器分别用以采集座椅和机身的倾角信息,作为调平和报警的依据。试验表明该系统能够依据农机座椅的横向倾斜度,在2°~13°范围内横向自动调节,使驾驶座椅保持水平。关键词农机驾驶座椅水平调节中图分类号S219.032.9文献标识码A文章编号1003-188X201207-0139-040引言我国是一个农业大国,耕地面积为1.22108hm2,但我国耕地主要分布在高原、山地和丘陵地区,平原和盆地地区的耕地仅占总耕地的30.73[1],缓坡耕地6°~15°的面积占29.64。农机的工作环境要比汽车复杂,驾驶员劳动强度大,精神高度集中的长时间作业很容易引起颈椎病、腰肌劳损和腰椎间盘突出等疾病,坡地扭腰作业更增加了驾驶员的劳动强度,对驾驶员的身心造成更大的伤害,且影响工作效率。同时,当坡度过大时,农机就有翻倾的危险。随着我国经济的发展和人们生活水平的提高,驾驶员对农机的舒适性要求也越来越高,如何通过对驾驶室、驾驶座、方向动力控制、空调装置等的优化设计来减轻驾驶员的劳动强度,增加操作的舒适性,已成为生产商考虑的重要因素之一[2-5]。座椅的舒适性设计通常包括对靠背、座垫、头枕、减震机构和调节机构等几个方面的设计,在汽车上座椅的调节机构具有8个方向的调节功能,分别是高度调节、纵向位移调节、靠背坐垫夹角调节和坐垫前倾角调节。在发达国家,一些拖拉机厂商已经将汽车座椅的八方向调整应用到拖拉机上,以提高拖拉机的舒适性,增强其在农机市场的竞争力。为提高农机作业的安全性与舒适性,提高我国农机产品的竞争力,本文设计了一种驾驶座椅水平调节收稿日期2011-08-21基金项目国家十一五科技支撑计划重大项目2006BAD09B04作者简介唐瑜1984-,男,郑州人,硕士研究生,E-mail7025060163.com。通讯作者朱瑞祥1956-,男,陕西三原人,教授,硕士生导师。系统,该系统应用机电一体化技术,能够根据机身的横向倾斜程度对驾驶座椅进行横向水平调节,并在危险作业时实现报警功能。1设计思路本设计是针对农机在坡地倾斜作业时驾驶员的扭腰作业问题进行的研究,解决的方法就是在农机倾斜作业时,对驾驶座椅进行横向水平调节,使其保持横向水平,同时,还要保证驾驶座椅的舒适性。常用的调平方式有机电式和电液式两种[6-7],鉴于液压调平系统成本高、冲击大,且存在泄漏问题,本文选择成本低、传动平稳的机电式调平方式。本研究的设计思路如图1所示。1.座椅2.推杆3.螺母4.螺杆图1调平示意图Fig.1Levelingschematic保留驾驶座椅的原有减震和调节系统,将座椅左右两侧的其中一侧与座椅固定座铰链,另外一侧底部安装滑动导轨,通过销子与推杆相连接。当农机横向倾斜时,控制系统采集座椅的倾角信息,通过驱动电机旋转,使螺杆作左右旋转运动,进而使螺母带动推9312012年7月农机化研究第7期杆沿其导轨方向做直线运动,以改变座椅该侧的高度,使其恢复到水平状态,当推杆上升或下降时,销子在其导轨中滑动,从而保证推杆的直线运动不受座椅倾角的影响。2传动机构设计传动机构如图2所示。其主要包括电动机、蜗轮蜗杆减速器和螺杆传动3部分,电动机的输出扭矩经蜗轮蜗杆减速器减速增扭后传递给螺杆。图2机构原理图Fig.2StructureSchematic2.1螺杆传动机构设计1螺杆中径计算[8]。螺纹副材料选择钢与青铜,则螺杆中径为d32≥0.8FψP槡p式中d2螺杆中径F轴向载荷根据座椅的支撑方式,取正常人体重的0.5倍,考虑到田间作业冲击载荷的作用,应取正常人体重的1.5倍Pp螺纹副许用压强,取11~18MPaψ由螺母形式确定的系数,其中整体式螺母取1.2~2.5。2螺旋升角、当量摩擦角计算及自锁性验证。由螺杆中径计算取d210mm,螺距P2mm,可得螺旋升角为αarctanPπd23.64°由钢与青铜的当量摩擦因数为0.08~0.10,可得当量摩擦角为φarctanμvarctan0.08~0.104.57°~5.71°式中μv当量摩擦因数。由计算可知,α<φ,故螺旋副能自锁。3螺杆驱动扭矩计算,有TFd2tanaφ/21.14Nm式中T螺杆驱动扭矩α螺旋升角φ当量摩擦角。由上述计算可知,本文设计的传动机构具备自锁功能,这就可以保证驾驶座椅稳定的处在被调整到的位置。2.2减速电机选用60JB30G10/60105-2430型直流减速电机,其减速机为蜗轮蜗杆减速器,主要技术参数如下工作电压/V24额定转速/rmin-1100输出扭矩/Nm5由技术参数可知,该减速电机能够满足系统工作的需要,且低电压需求使其可以在农机上得到方便的应用。3控制系统3.1系统结构本文设计的驾驶座椅水平调节系统如图3所示。系统以AT89C52单片机为核心处理器,主要完成对电动机的驱动,以及在农机危险作业时控制报警器发出的报警信号两个倾角传感器分别用以采集座椅和机身的倾角信息,作为调平和报警的依据AD转换器将采集到的两路倾角信息转换为数字量,并且发送给单片机。图3驾驶座椅自动调平系统结构图Fig.3Structureofautomaticlevelingsystemofdriver'sseat3.2系统设计3.2.1数据采集模块该模块包括倾角传感器和AD转换器,用于测量机身和驾驶座椅的横向水平信息,并且将其发送给单片机。1倾角传感器的选择。倾角传感器选用上海郎0412012年7月农机化研究第7期尚科贸有限公司的AT-201-SC型倾角传感器[9-10],该倾角传感器的输出电压范围为-5~5V,如图4所示。在±30°范围内角度与输出电压成线性关系,关系式为b30Vout-2.5式中b倾角大小Vout输出电压值。图4角度与电压输出关系表±90°量程中的±30°部分Fig.4Relationshipbetweenangleandvoltage±30°2AD转换器的选择。AD转换器选择ADC0809,ADC0809为8通道8位AD转换器,工作工作温度范围为-40°~85°,可以满足接收两路倾角传感器信号以及在不同季节工作的需要。3.2.2控制模块1设定调平极限角度。调平的极限角度是由农机不发生翻倾和滑移的最大翻倾角和最大滑移角确定的,农机的极限翻倾角为40°,极限滑移角为17°[11]。当农机倾斜角度大于最大滑移角时,虽然农机没有翻倾的危险,但已无法正常作业,因此最大调平角度必须小于最大滑移角。考虑农田作业环境的复杂性,为保证农机安全正常作业,将最大调平角度设定为13°。同时,为减少对元器件的损耗,避免系统频繁工作,将最小调平角度设定为2°,故调平角度设定为2°~13°。2控制系统原理。本文的控制系统是通过将机身和驾驶座椅的倾角与调平角度进行比较,进而给执行原件发送指令的,控制流程如图5所示。图5中,θ1为机身的倾斜角度,θ2为驾驶座椅的倾斜角度,θmax为最大调平角度,θmin为最小调平角度。程序开始运行以后,首先采集机身的倾角θ1和座椅的倾角θ2,然后将θ1与θmax进行比较,如果θ1>θmax,则说明机身的倾角已经影响到工作的稳定性,甚至于有翻倾的危险,系统发出报警信号如果θ1<θmax,则说明机身虽然倾斜,但依然可以稳定工作。此时将判断θ2与θmin的大小,如果θ2<θmin,则表明座椅水平倾角很小,不需要调平如果θ2>θmin,则表明驾驶座椅进入调平范围,系统执行调平工作。同时,在系统中增设手动调节开关,调节开关直接控制驱动电机的启闭,这样驾驶员就能够根据不同的工作环境选择自动调平或者手动调平,增强了系统的实用性,而且驾驶员还可以根据自己的需要,将座椅调整到自己想要的状态,座椅的舒适性也得到了提高。图5控制程序流程图Fig.5Theflowchartofcontrollingprogram4控制系统实验控制系统实验是为了验证控制系统能否按预设的要求工作,由于倾角传感器的输出量为模拟电压信号,所以只要在其输出电压范围内提供可变的电压信号,即可替代倾角传感器工作。本文用电位器作为信号的输入端,将作用于其上的电压值发送给单片机,通过调整电位器的电阻值,即可给单片机提供变化的电压信号在系统的输出端,用蜂鸣器作为报警装置,用2个发光二极管D1,D2表征电机相反旋向控制电路的启闭。试验数据如表1所示。由表1可以看出,当机身倾角超出13°范围时蜂鸣器报警,二极管不发光当机身倾角小于13°,且座椅倾角大于2°时,有二极管发光,蜂鸣器不报警当机身倾角小于13°,座椅倾角在0°~2°范围内时,二极管和蜂鸣器都不工作。说明控制系统能够按预设的要求,在农机危险作业时发出报警信号,在农机安全作业且座椅处于调平角度内时执1412012年7月农机化研究第7期行调平工作。表1控制系统实验数据Tab.1Experimentaldataofcontrolsystem机身倾角/°座椅倾角/°蜂鸣器D1D213.26.1响灭灭13.2-6.1响灭灭13.2-3.2响灭灭13.23.2响灭灭12.0-1.4不响灭灭12.01.4不响灭灭12.0-4.4不响亮灭12.0-11.8不响亮灭12.04.4不响灭亮12.011.8不响灭亮5结论由于我国存在大量缓坡耕地,造成众多地区农机驾驶员要经常从事扭腰作业,鉴于其对驾驶员身体造成的严重损害,以及坡地作业中出现的农机翻倾事故本文设计了农机驾驶座椅水平调节系统。实验证明,该系统具备在农机倾斜时将座椅自动调平以及在农机危险作业时自动报警的功能,可以大大提高农机作业的舒适性和安全性,减少对驾驶员身体的伤害,进而提高生产效率。本文针对的主要是农机坡地作业中的横向倾斜问题,仍有不足之处,在以后的研究中,将努力实现对农机驾驶座椅多个方位的调节,全面提高农机作业的舒适性。参考文献[1]崔丽,许月卿.河北省农用地利用集约度时空变异分析[J].地理科学进展,2007,262116-125.[2]王光南.现代汽车座椅舒适性研究[D].上海上海交通大学,2005.[3]孙丹丹.座椅被动安全性仿真分析与结构参数化设计[D].长春吉林大学,2003.[4]许英,朱序璋,杨宏刚,等.汽车驾驶座椅的人机工程学设计[J].机电产品开发与创新,2008,21128-30.[5]赵德敏.车辆座椅动态舒适性及窄带随机动力系统研究[D].天津天津大学,2007.[6]李旻.车载雷达机电式自动调平系统的方案[J].电子产品世界,20091164-65.[7]胡均平,陆晓兵.静力压桩机电液自动调平系统研究[J].建筑机械,2008372-74.[8]成大先.机械设计手册[M].北京化学工业出版,2008.[9]张文昭.基于压差法的水银式倾角传感器[J].湖南科技学院学报,2008828-30.[10]李庆.采用倾角传感器的水田激光平地机设计[J].农业工程学报,2007,23488-93.[11]高连兴,史岩,师帅兵.拖拉机与汽车[M].北京中国农业出版社,2000211.DesignonSelf-levelingSystemofFarmMachineryDriversSeatTangYu1,ZhuRuixiang21.GuizhouAerospaceTianmaMechelectronicalT&SCOLTD,Zunyi563003,China2.NahuwestAgriculturalandForestryUniversity,Yangling712100,ChinaAbstractAlevelingsystemoffarmmachinerydriversseatwasdevelopedbasedonMechatronics,fortheproblemsofthesafetyofdriving,harmtodrivershealthandsoon,whicharecausedbythetiltofthesurface.Thesystemusestwoanglesensorstocollectinformationontheinclinationoftheseatandthefuselage,aslevelingandalarmbasis.Experimentsprovesthatthesystemcanautomaticallyadjustdriverssaetandkeepitlavelingin2to13angelsbasedonthelateraltilt.Keywordsagriculturalmachinerydriversseatself-leveling2412012年7月农机化研究第7期

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