小型果園升降作業平臺液壓系統的設計

劉大為 ，謝方平 ，2，盧 頌 ，李 旭

（1.湖南農業大學 工學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現代農業裝備工程技術研究中心，湖南 長沙 410128）

提高果園管理的機械化水平與自動化程度，走節本增效之路，是我國果園管理機械化的終極目標。升降平臺作為目前最適用于果園采摘的實用機具，載人作業時的安全、高效是其必備的性能指標。為實現平臺的升降以及載人工作臺的可調平，課題組設計的小型果園升降作業平臺由履帶行走裝置、動力裝置、調平裝置、升降裝置、載人工作臺等組成。工作時，通過動力裝置驅動履帶式行走機構進行行走，到達工作位置后，根據載人工作臺的平衡情況，由液壓系統驅動調平裝置對載人工作臺進行調平，而后工作人員進入載人平臺進行作業，并通過升降液壓缸調整工作臺高度，以適應果實不同的采摘高度。該機器可適應果園采摘、疏花過程中的需要頻繁移動位置的作業現狀，提高了整機的機動性和作業效率。

液壓系統是果園升降作業平臺最重要的控制單元，其工作性能的好壞直接決定了果園升降平臺的操作性能、工作效率及使用壽命。針對升降平臺的結構組成及功能要求，筆者對其液壓系統進行了設計，推導了執行元件負載變化的理論表達式，擬定了液壓系統原理圖，并對各回路和液壓元件進行了分析計算。

1 升降作業平臺及液壓系統設計要求

（1）平臺結構組成及功能需求。小型果園升降作業平臺由履帶行走裝置、動力裝置、調平裝置、升降裝置、載人工作臺、液壓系統和電控系統等組成。其中升降裝置由剪叉機構、底座及升降液壓缸組成；調平裝置由回轉支承、定軸輪系以及角度調整油缸、回轉液壓馬達等組成，如圖1所示。

圖1 小型果園升降作業平臺結構圖

果園升降作業平臺適用于南方丘陵果園，其種植模式和作業環境決定平臺必須結構緊湊、啟動方便、升降靈活、作業面大、控制簡便等性能。同時，控制系統應具有良好的“點動”性能，滿足實際操作需求，做到能最大限度地減輕工人的勞動強度，并保證載人升降作業的安全可靠性。

（2）升降調平裝置結構。升降裝置的舉升油缸采用斜拉剪叉梁式結構進行布置，沿舉升方向初置安裝角為10°。調平裝置底部角度調整液壓缸缸體與銷軸同端，沿剪叉機構橫向與銷軸成垂直角度布置，液壓油缸的另一端與剪叉機構底部相連，初置安裝角為5°，驅動角度調整液壓油缸可以使得剪叉機構繞銷軸進行轉動，整體結構如圖2所示。

圖2 可調平升降裝置結構圖

（3）升降平臺作業流程。當整機處于任意作業位置時，由于果園地面崎嶇不平以及采摘平臺負載的變化，載人工作臺可能處于非水平狀態，甚至會發生偏轉，極易造成作業人員的不安全。通過“二次調平”設計，對載人工作臺進行“方向”和“角度”調平，可以讓重心穩定在支承平面內保持不變，有效保證整機的穩定性能，同時減少了通過支腿支撐帶來的不便捷性，提高了平臺的移動效率。作業流程：果園采摘平臺處于非水平狀態時，由傳感器對上平臺傾斜狀態進行信號采集，控制系統對信號進行處理，變成輸出信號傳遞給執行部件。執行部件液壓缸和液壓馬達進行相應的動作，對載人平臺進行調平。之后，工作人員進入載人平臺進，并通過升降液壓缸調整工作臺高度，以適應果實不同的采摘高度。

（4）平臺主要技術參數。升降平臺主要技術參數如表1所示。

表1 果園升降作業平臺主要技術參數

（5）液壓系統設計要求。小型果園升降作業平臺的工作過程包括以下幾個非連續性運動：工作臺回轉、角度調整、剪叉升降、整機行走和其他輔助運動。通過液壓馬達、回轉支承、角度調節裝置、升降裝置的驅動可以實現平臺調平和升降。但由于采摘對象位置多變，平臺實現升降運動以及行走、載運過程中的阻力各不相同，為了滿足作業需要，提高作業效率，針對“定點”作業過程中必須保障整車的穩定性要求，需要液壓系統具有良好的控制特性和動作協調性。

2 液壓缸工作負載計算

2.1 升降液壓缸負載分析

依據瞬時功率相等原理，假設平臺負荷為W，剪叉機構自重為G，剪叉臂長度為L，剪叉臂與水平方向的夾角為α，液壓缸與水平面的夾角為β，把液壓缸簡化成滑塊導桿機構，各構件編號圖3所示。已知Led2=45cm，Lcd=20 cm，令m=Led2/L，n=Lcd/L，根據剪叉機構運動特點可知，點 a、a1、a2在升降過程中為同一垂直面移動，通過對升降臺進行模塊劃分并加以分析后，運用速度多邊形法來推導油缸推力F的計算公式。

圖3 剪叉機構運動及受力簡圖

F即為升降液壓缸的負載大小。在液壓缸驅動剪叉臂運動過程中，把液壓缸作用力的方向看作近似于平行于同向的剪叉臂。即有：β≈α+10°，由于剪叉臂之間的最大剪叉角度為60°，有α∈［0~30°］；由此可得，升降液壓缸的負載變化隨著剪叉角度的增大而減小，當平臺最大負載，即液壓缸處于起始位置時的驅動力最大。求得：Fmax=35.5kN。

2.2 調平液壓缸負載分析

根據前述操作流程，當調平液壓缸工作時，平臺未承受負載，只需承受自重。

因此，可知在安裝角位置時，調平油缸承受的力分解到垂直方向時所承受的負載最大。

由于升降作業平臺的最大爬坡角度為15°，有α'∈［5°~15°］，求得 Fmax=28.1kN。

由于在平臺升降過程中，實際操作多為點動（啟動或快退時間為 5 s，取平均速度為 0.04 m/s），由式（1）、式（2）可知，液壓缸負載的變化隨調平角度和平臺高度的增加而減小。考慮到剪叉機構升降過程中工件間的滾動摩擦可忽略不計；根據其升降速度≤0.2m/s的要求，可知在最大負載情況下，升降油缸快退過程中液壓缸所承受的負載最大。

3 液壓系統方案設計

3.1 液壓缸主要參數的確定

根據工作流程和兩液壓缸的負載計算情況，升降作業平臺液壓系統液壓缸的最大負載為35.5kN，假設液壓缸的機械效率ηm=0.9，根據負載選擇執行元件工作壓力參照表可知，宜取p1=4MPa。由于載人工作臺在上升和下落過程速度要求較慢，均近似看作等速運動。因此，液壓缸可選用單桿式，并在舉升時作差動連接，其中A1≈2A2（A1為無桿腔工作面積、A2為有桿腔工作面積）。即活塞桿直徑d與缸筒直徑D之間的關系為：d=0.707D。在載人工作臺下降操作中，液壓缸回油路上必須具有背壓p2，以防止重力過大時掉落。根據文獻推薦數值，取p2=0.5MPa。同時，雖然舉升時液壓缸做差動連接，但由于油管中有壓降△p存在，使得有桿腔的壓力大于無桿腔，取△p≈0.5MPa，可根據無桿腔工作面積計算公式：

求得

同樣求得活塞桿直徑d=0.707D=8.2cm

根據GB/T2348-2001將所計算的D和d值分別圓整成就近標準直徑，選取標準密封件。圓整后得：D=12.5cm，d=8cm。由此求得液壓缸兩腔的有效面積為：A1=πD2/4=122.7cm2，A2=π（D2-d2）=72.4 cm2。經檢驗，活塞桿的強度和穩定性均符合要求。同理，可求得調平液壓缸的相關參數如下：A1'=83.1cm2、D'=10.3cm、d'=7.3cm，圓整后取 D'=11cm、d'=8cm、A1'=95cm2、A2'=44.7cm2。

3.2 液壓缸工作壓力、流量和功率

根據前述各參數，當背壓按pb=0.5MPa計算時，算得升降液壓缸工作過程的壓力、流量和功率，代入，如下：

進油壓力：

求得p1=3.5MPa

單位時間輸入流量：

q=A1·V=49.1ml/s=2.94 L/min

輸入功率：

P=P1·q=0.17 kW

同理，可求得調平油缸相關參數如下：

P1'=3.5MPa、q'=2.28L/min、P'=0.08kW。

3.3 液壓回路的綜合

根據液壓系統工況，選用定量泵供油，泵的供油壓力由先導式溢流閥設定，二位二通電磁換向閥用于控制液壓泵的卸荷。因系統只有回轉、傾角調整、升降三種動作，且無特殊工作動作要求，因此選用單活塞桿液壓缸和雙作用定量液壓馬達。考慮到平臺工作位置多變，系統需要頻繁啟停，為防止在上升過程停留時平臺下落，同時在停留期間內保持平臺的高度不變，特在各支路上采用雙向液壓鎖，從而保證用以實現執行元件的靜態鎖止。對于液壓馬達的運動，無特殊要求。將上述所選定的液壓回路進行組合，液壓系統原理圖如圖4所示。

圖4 液壓系統原理圖

3.4 主要液壓元件的計算與選擇

（1）液壓泵的參數計算。已知p1=3.5 MPa，考慮到本液壓系統油路較為簡單，選取進油路總壓力損失，則液壓泵最高工作壓力為：

求得pp=3.9MPa

泵的額定壓力可取：Pr≥1.25Pp=4.9MPa

又液壓泵的最大供油量qp按液壓缸的最大輸入流量進行估算，取泄露系數K=1.3，則：

求得液壓泵的流量qp=6.8L/min。

根據以上計算結果，查閱《機械設計手冊》，選用規格相近的YB-A9B型葉片泵，其理論排量為9.1m l/r，額定壓力為7 MPa，額定轉速為1000r/min，輸出流量為6.9L/min，泵的總效率ηp取0.85，則求得液壓泵驅動電機所需的功率為:

求得P=1.3kW

選用電動機型號：Y90L-4型電機，其額定功率1.5kW，轉速為1400r/min。

（2）液壓馬達的選擇。為方便控制回轉支撐的左右轉動，提高回轉效率，回轉液壓馬達的選擇需采用雙向定量液壓馬達，同時，采用采用定軸輪系傳動，設定其傳動比5≤i≤10。

已知回轉支承上平臺質量及額定負載總量為450kg，平臺最大升降高度為1.2m，最大爬坡角度為15°，根據回轉支承計算結果，初選其產品型號為：回轉支承013.25.500.10 JB/T 2300，其中da=602mm。為計算液壓馬達的扭矩T（N·m），我們把回轉平臺看作一個質量為m=450kg，直徑為da的實心圓柱體，則有：

求得，液壓馬達所需的扭矩為67.6N.m

又知平臺允許的最大回轉速度為4.5r/min，根據擬定的回轉支承傳動比大小，可知液壓馬達理論上允許的最大轉速為45r/min。

顯然，理論算得的液壓馬達扭矩較小，轉速較低，現有產品的性能參數與之不能匹配，可增加一級蝸輪蝸桿減速器傳動，以滿足馬達轉速要求。由于負載的確定性，馬達所需的扭矩大小明確，根據馬達扭矩，擬定馬達轉速為120r/min，查詢《機械設計手冊》第五版第5卷表21-5-82中，可選YM-B102B葉片液壓馬達。

4 結語

（1）升降平臺的液壓系統中液壓缸設置了雙向鎖緊裝置,使調平和升降動作平穩,提高系統的安全性和可靠性。

（2）采用液壓馬達直接驅動回轉支承的方式，不能滿足平臺設計指標，需要增加一級傳動，方可滿足使用要求。

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