溫室多功能軌道作業車的研制

田素博，劉國均，邢大偉，孫周平

(1. 沈陽農業大學 a.工程學院;b.設施園藝省部共建教育部重點實驗室/園藝分院，沈陽 110866； 2.沈陽二四五廠，沈陽 110122)

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溫室多功能軌道作業車的研制

田素博1a，劉國均1a，邢大偉2，孫周平1b

(1. 沈陽農業大學 a.工程學院;b.設施園藝省部共建教育部重點實驗室/園藝分院，沈陽 110866； 2.沈陽二四五廠，沈陽 110122)

溫室的種植面積逐年擴大，溫室內工作人員勞動強度大、作業環境較為惡劣。針對這一特點并結合實際生產需求，為降低工作人員的勞動強度、改善工作人員的作業條件，設計了一種輔助人們在溫室內進行綁蔓、摘果作業且可升降的作業車。作業車以蓄電池作為電源，通過液壓系統推動剪叉升降平臺精確地實現升降功能，并通過小型電機驅動作業車的平穩前進與后退。在研制出作業車樣機的基礎上，對作業車進行了調試與試驗，確定作業車最大運行速度約為0.15m/s，工作平臺的正常上升速度為0.11m/s，正常下降速度為0.05m/s，并進行了載人作業平臺的振動試驗測試。試驗結果表明：作業車運行速度與工作平臺的升降速度滿足設計要求，達到了預期的設計目的，對提升溫室機械化作業水平具有重要意義。

日光溫室；作業車；剪叉機構；農業機械

0 引言

溫室是一種農業生產性建筑設施，可以改變植物生產環境、為植物生長創造最佳條件并避免外界四季變化和異常的惡劣環境的影響[1]。近些年，隨著生活水平的提高，促使溫室產業不斷完善并快速發展，使其成為最具活力的農業新產業之一和現代農業的亮點[2]。同時，隨著科學技術和高新技術的發展及社會的進步，現代溫室逐步向規模化、集約化和專業化的方向穩步、持續、快速的發展[3-4]。在溫室發展的過程中，國內外對溫室中作業的機具進行了研究、推廣與應用。日本、韓國、美國和意大利等國家溫室生產過程整地、播種、中耕和除草等作業均已實現機械化。我國溫室大棚面積雖然很大，但溫室內作業機具的配備水平并不高[5]。

國外設施農業發展迅速,以荷蘭為代表的歐美國家建設設施園藝規模逐漸變大、自動化程度高、生產效率高[6-7]。在育苗、施肥、收獲和運輸環節上，國外基本上實現了機械化，如日本、美國等國家都開發出了應用于溫室機械化育苗播種的成套設備和溫室用的小型蔬菜移栽機[8]。在果實收獲上，以日本為代表的發達國家做了大量的工作，試驗成功了多種具有人工智能的采摘機器人，如西紅柿采摘機器人、黃瓜采摘機器人和草莓采摘機器人等等[9-10]。

雖然我國是溫室栽培起源最早的國家，在初始階段我國溫室產業在小規模、低水平、速度緩慢中發展[11-12]。近些年，我國設施農業發展的步伐不斷加快，種植面積逐年擴大；但溫室生產水平較低，機械化程度不高[13-14]。根據文獻，國內也研制出一些溫室作業的機械，如溫室采摘機或采摘機器人、嫁接機及移栽機等[15-20]，但絕大多數都沒有投入使用，并且溫室內缺少輔助工作人員完成室內作業尤其是載人進行空中打蔓和摘果的機具。

為了提高溫室內工作人員的工作效率、降低勞動強度及改善工作條件，針對溫室大棚作業環境狹窄及立體栽培植株較高的特點，設計了一種可以輔助工作人員在大棚內完成空中打叉、綁蔓及摘果等溫室日常管理工作的溫室軌道作業車。

1 作業車總體結構及工作原理

1.1 設計要求

根據溫室中作物的種植特點及生產需求，滿足溫室高處各種作業，作業車設計要求如下：

1)作業車可以在溫室固定過道的軌道上連續平穩的前進或后退，行駛速度約為0.15m/s；

2)作業車載人工作臺升降高度1～1.5m，負載大于150kg；

3)溫室作業車在一個作業車軌道作業完成后，可以移動到另外1行平行軌道繼續作業；

4)工作人員可以站在作業平臺上通過控制平臺完成前進后退和上升下降等操作。

5)溫室作業車要求結構簡單可靠、價格低廉、操作方便。

1.2 總體結構及工作原理

1.2.1 總體結構

溫室作業車由行走系統、動力系統、升降系統、載人工作臺和控制系統等組成，如圖1所示。動力系統由電動機作為原動力，以鉛鋅蓄電池為能源；行走部分通過電機帶動鏈輪從而驅動行走輪前進或后退；升降系統由液壓站和剪叉機構組成，液壓站為液壓缸泵油，驅動剪叉升降機構實現工作臺的上升下降。

1.橫向行走裝置 2.載人作業平臺 3.控制裝置 4.升降裝置 5.動力裝置 6.縱向行走裝置

1.2.2 工作過程及原理

作業車作業時，工作人員在載人作業平臺上，通過控制裝置控制動力裝置進行工作，從而驅動橫向行走裝置在縱向過道的軌道上行駛，到達作業位置后停止，通過控制升降裝置完成不同高度的作業；完成一個過道作業，行駛到橫向過道，通過人力使用橫向行走裝置轉換到下一縱向過道繼續作業。作業車溫室內行走路線如圖2所示。

圖2 作業車行駛路線圖

1.2.3 主要設計參數

根據溫室種植模式與植物生長高度，對溫室過道、作業高度等進行調查與數據采集。根據調查收集與溫室生產需要溫室作業車主要設計參數如表1所示。

表1 溫室多功能軌道作業車尺寸設計參數表

2 關鍵部件設計

2.1 升降機構的設計

溫室作業車升降系統主要作用是將載人作業平臺升起到一定高度。根據設計要求，升降系統采用剪叉式升降機構[21]，液壓缸一端布置在剪叉機構銷軸的下端，另一端布置在銷軸的一側，液壓缸使剪叉機構繞繞軸轉動，這樣可以降低作業車的重心，如圖3所示。

1.工作平臺 2.上剪叉 3.下剪叉 4.液壓缸 5.底架

根據升降高度1～1.5m的設計要求，結合溫室內株高、路寬等數據及車架底盤的設計參數，由剪叉機構的幾何關系可得

H=2L臂·sinα

選取剪叉臂長為L臂為680mm，剪叉臂與水平最大角度α為55°，求得理論最大升降高度為1 114mm，符合設計要求。

2.2 剪叉機構的受力分析

剪叉升降機構在工作過程中，當承載載荷或工作臺所處高度不同時，所需液壓系統輸出的驅動力也不同。因此，需要對其在極限載荷作用下，載人工作臺處于最低位置時進行受力分析，此時，液壓系統輸出驅動力最大。剪叉升降機構在極限狀態下能正常工作，便可保證其他作業過程的穩定性。對此狀態下進行受力分析，T為油缸推力方向，設各個位置摩擦系數皆為f受力簡圖如圖4所示。

圖4 剪叉機構受力分析簡圖

當整個機構剛好啟動時，需要最大的驅動力，并且整個剪叉機構可以視為靜止對象。根據液壓缸推力T和負重極限載荷G為主動力，根據虛位移原理可知，所有作用在該質點系上的主動力在虛位移上所做的功為0，則

∑(Pxiδxi+Pyiδyi+Pziδzi)=0

(1)

其中，Pxi、Pyi、Pzi分別為作用在質點上的主動力Pi在直角坐標系中x、y、z軸上的分量；δxi、δyi、δzi分別為虛位移δi在3個坐標軸上的虛位移分量。由圖4可得

TxδxT+TyδyT-Gδyg=0

(2)

其中，Tx=Tcosα，Ty=Tsinα；xT=rcosα，yT=rsinα，yG=2lsinθ，l為剪叉臂長度。經變分運算后得：δxT=rδθsinθ，δyT=rδθcosθ，δyG=2lδθsinθ，代入式(2)，整理得G與T的關系表達式為

(3)

其中，α為液壓缸起始位置與水平方向的夾角，大小為25°；θ為剪叉臂起始位置時與水平方向的夾角，大小為10°；G為最大負重，計算理論液壓缸最大推力為T=4 200N。

2.3 行走裝置的設計

溫室內過道寬度窄，在溫室縱向過道內平鋪軌道，保證作業車行走的直線性。根據課題前期研究收集數據所記錄的行駛速度、外形尺寸及負載情況等設計參數，確定作業車動力底盤上驅動輪、驅動軸、蓄電池及液壓站等構件的設計參數。為了方便作業車從一條縱向過道行駛轉移到另一條，安裝了橫向行走輪。為方便作業車在溫室內軌道上行走，縱向行走輪采用仿形設計，且為了減少震動，采用仿尼龍材料。作業車底盤(見圖5)寬度為500mm，長度為910mm，主要尺寸參數如表2所示。

1.底架 2.液壓站 3.蓄電池 4.電動機 5.橫向行走輪 6.縱向行走輪

參數單位設計值車架長度mm910車架寬度mm500縱向行走輪間距mm400縱向行走輪直徑mm170縱向行走輪寬度mm40橫向行走輪直徑mm60

2.4 傳動系統與載人工作臺設計

傳動系統主要由電動機、鏈輪、鏈條及縱向行走機構的驅動輪等組成，如圖5所示。考慮到行走輪在固定平行的直線軌道上行駛，軌道存在某些的地方不平行的現象，會出現輪子被夾住的現象，所以驅動軸采用聯軸器連接如圖6所示。

1.鏈輪 2.電動機 3.減速器 4.鏈條 5.仿形輪

按照溫室作業車的行走方案，作業車負載靜止啟動時，作業車車輪摩擦主要有兩部分，包括車輪與軌道之間的摩擦及車輪與軸套之間的摩擦。

靜摩擦力阻力為

F=f·G

(4)

其中，f為靜摩擦因數；G為負載機械質量(N)。

車輪與軌道之間的摩擦系數為0.15，采摘車自重為200kg，假設最大重為150kg，機器的全部質量為350kg。負載機械的最大靜摩擦力為

F=f·G=514.5N

作業車在軌道上負重做直線運動，負載機械所需的功率計算式為

P=F·V/1000/η

(5)

式中 P—最大輸入功率(kW)；

V—作業車的線速度(m/s)；

F—作業車的最大靜摩擦力(N)；

η—機械的傳動效率。

溫室作業車采用鏈傳動，屬于齒形鏈傳動，查機械設計手冊得到機械效率為0.97。負載機械的線速度V=0.35m/s，所以機械的最大輸出功率為

P=0.08kW

根據已計算出來的數據，可以出來初步選定電動機的功率為0.1kW。

溫室作業車尺寸較為緊湊，所以要求各部分尺寸較小。當電動機容量(額定功率)一定時，轉速越低，電機的尺寸越大，價格越高。所以，選擇高速電機，添加減速機構，使輸出轉速達到要求。

3 液壓系統設計

作業車升降平臺采用液壓站驅動。液壓站體積小、質量輕；換向容易，可以在不改變電機轉向的情況下實現換向；操作簡單、自動化程度高，容易實現過載保護[22]，現廣泛應用于我國的汽車、工程機械、機床及農業機械等各個行業。因此，采用液壓站作為作業車舉升系統的動力裝置，液壓缸作為執行元件，用于直接推動剪叉機構，實現載人作業平臺的升降。

作業車升降機構的作業過程為：作業車工作平臺上升時，液壓站電動機帶動油泵轉動泵油，液壓油通過單向閥進入液壓缸，油缸推動工作平臺上升；當液壓平臺下降時，油缸中的液壓油在工作平臺自重的作用下，經過節流閥、電磁閥流回油箱，使工作臺平穩下落。工作人員在工作時，可以通過控制液壓站使工作平臺停止在行程內的任意高度。液壓系統的液壓缸被安裝在下剪叉臂與剪叉臂安裝架上，減少了液壓缸的行程，縮短了液壓缸的長度。另外，液壓缸下移安裝，在一定程度上降低了溫室作業車的重心，使作業車在工作時更加安全平穩。

4 控制系統設計

控制部分主要是工作人員通過工作臺上的控制臺完成控制，包括舉升系統和作業車行走系統的控制。控制臺上包含一個總開關，控制作業車的總電源，工作平臺的上升下降分別有相應的控制按鈕，作業車的前進、后退由一個三位開關控制，分別是前進、后退和停止位置。為了方便控制，工作臺上升、下降和作業車前進后退分別是3個獨立的控制電路。其控制流程如圖7所示。

圖7 控制流程圖

最后，試制出樣機，如圖8所示。

圖8 溫室作業車實物樣機圖

5 結果與試驗分析

為了驗證溫室作業車樣機的運行情況，在沈陽農業大學進行了負重軌道直線行駛及載人工作臺升降測試。試驗設備為秒表、米尺、作業車樣機1臺、筆記本電腦1臺、振動測試儀1臺，以及加速度傳感器等。

5.1 軌道行駛速度的測試

作業車軌道直線行駛測試主要是為了驗證作業車在軌道上行駛速度是否滿足設計需求。測定試驗參數如表3所示。

表3 作業車行駛參數

通過多次試驗測定,作業車的軌道運行速度的平均速度約為0.14m/s，滿足設計需求(0.15m/s)。

5.2 負重升降測試

作業車升降部分測試主要是通過測量作業平臺在升降過程中的加速度與平均速度，判斷作業車運行的穩定性。當作業車升降平均速度較小，溫室作業車升降較為穩定。經過測定，試驗數據如表4、表5所示。作業車空載時，上升的平均速度為0.12m/s，下降的平均速度為0.03m/s；作業車負重(75kg)時，上升的速度為0.11m/s；下降速度為0.05m/s。

表4 作業車空載升降測試參數

表5 作業車負載升降測試參數

為了測試作業車作業平臺升降過程中是否晃動，對載人平臺豎直方向和水平方向的穩定性進行測試，本試驗使用VB2008振動測試儀與加速度傳感器來測試機體的振動情況，進而評價其穩定性。試驗所用的傳感器安裝位置如圖9所示。其中，傳感器1的精度為 499.2mV/g，傳感器2的精度為500.8mV/g。作業平臺在負重情況下的振動情況如圖10、圖11所示。

圖9 傳感器安裝位置圖

圖10 作業平臺豎直方向振動加速度曲線

圖11 作業平臺水平方向振動加速度曲線

由圖10可以得出：作業車在垂直升降過程中，啟動后1s內作業車振動加速度較大，向下最大振動加速度為1.4m/s2，向上最大振動加速度為1.3m/s2，振動周期大約為0.2s；作業車垂直振動的初始速度為0m/s，若加速度1.4m/s2，則最大振幅為1.8cm，實際最大振動幅度比1.8cm要小，振動幅度較小，說明作業車垂直運動振動較小，較為平穩。由作業平臺水平方向振動加速度曲線圖11可得：作業車水平振動的最大加速度為1.2m/s2，振動周期大約為0.2s，可得水平晃動的最大振幅為1.5cm；作業車實際水平振動幅度小于1.5cm，并且在試驗時，人在作業平臺上感覺不到水平方向有明顯的晃動，說明作業車水平方向晃動較小，運行平穩，滿足工作需求。

6 結論

本文中溫室采摘作業車實現了在軌道上自由前進和后退行走，以及工作平臺的升降等動作，可搭載操作人員順利進行溫室蔬菜綁蔓、空中摘果等作業，方便靈活，實現了預期設計的功能。主要包括：①利用蓄電池作為電源，使用液壓系統作為工作平臺的動力，機械結構作為作業車的主體，并將三者有效地結合起來，實現功能；②使用剪叉機構有效縮小作業車的體積，將液壓缸裝在下剪叉與機架之間，有效地降低了作業車的重心，使機體穩定；③行走機構采用仿形輪設計，并且輪子與傳動軸之間采用聯軸器連接，使作業車保證方向的前提下不會左右擺動或被軌道卡住；④本設計已經生產出樣機，經過試驗與調試，確定前進后退運行速度為0.15m/s,上升速度為0.11m/s，下降速度為0.05m/s；升降高度為1.1m；垂直振動幅度小于1.8cm，水平振動幅度小于1.5cm，說明作業車運行平穩，滿足設計要求。該設計結構簡單，操作方便，大大提高了溫室作業效率。

[1] 王琦,徐克生,郭艷玲.現代溫室發展趨勢[J].林業機械與木工設備，2004(10):8-9.

[2] 陳國輝,郭艷玲,宋文龍.溫室發展現狀及我國溫室需要解決的主要問題[J].林業機械與木工設備,2004(2):11-12.

[3] 徐希春,初江,高曉惠.設施農業的發展分析[J].農機化研究,2008(8):237-240.

[4] 鐘鋼.國內外溫室發展歷程、現狀及趨勢[J].農業科技與裝備,2013(9):68-69.

[5] 李善軍,丁淑芳,曾晨曦. 我國溫室作業機械發展趨勢探討[J]. 湖北農機化,2006(1):32-33.

[6] 陸琳.第二講國內外溫室工程發展狀況[J].云南農業,2014(2):72-73.

[7] 劉銘,張英杰,呂英民.荷蘭設施園藝的發展現狀[J].農業工程技術：溫室園藝,2010(8):24-33.

[8] 吳曉光,田賀紅,蘇音,等.我國農業溫室作業機具現狀及發展方向[J].農業機械,1999(6):10-11.

[9] 劉安琦.溫室采摘車的機電液一體化設計[D].北京：北京工業大學,2009.

[10] Hanten E J V, Hemming J, Tuijl B A J, et al.An autonomous robot for harvesting cucumbers in greenhouses[J].Autonomous Robots,2002,13, 241-258.

[11] 張衛東.我國溫室發展的現狀及發展建議[J].科技信息,2013(10):439.

[12] 葛志軍,傅理.國內外溫室產業發展現狀與研究進展[J].安徽農業科學,2008(35):15751-15753.

[13] 王麗艷,邱立春,郭樹國.我國溫室發展現狀與對策[J].農機化研究,2008(10):207-209.

[14] 李天來.我國日光溫室產業發展現狀與前景[J].沈陽農業大學學報,2005(2):131-138.

[15] 王鴻,顧金梅,李飛,等.溫室采摘車的機電液一體化設計[J].科技傳播,2014(22):170-171.

[16] 姜凱,辜松,鄭文剛,等.瓜科全自動嫁接機設計與試驗[J].農機化研究, 2010，32(12):129-132.

[17] 羅軍,高英武,何幸保.自動嫁接機的研究現狀與展望[J].湖南農機, 2010，37(2):1-2.

[18] 張麗華,邱立春,田素博.穴盤苗自動移栽機的研究進展[J].農業科技與裝備,2009(5):28-31.

[19] 張祖立,王君玲,張為政,等.懸杯式蔬菜移栽機的運動分析與性能試驗[J].農業工程學報,2011(11):21-25.

[20] 張冕,姬江濤,杜新武.國內外移栽機研究現狀與展望[J].農業工程,2012(2):21-23.

[21] 舒南翔.多功能車升降機構的設計與研究[D].長沙：湖南大學,2013.

[22] 張利平.液壓站設計與使用[J].液壓與氣動,2004(8):41.Abstract ID:1003-188X(2017)01-0116-EA

Design and Experiment on Greenhouse Multi-function Rail Vehicle

Tian Subo1a, Liu Guojun1a, Xing Dawei2, Sun Zhouping1b

(1.a.College of Engineering;b. Key Laboratory of Protected Horticulture/Ministry of Education, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China；2.Shenyang 245 Factory,Shenyang 110122,China)

The greenhouse area is increasing. The staff in greenhouse bear large labor intensity and bad working environment.To reduce the intensity of workers and to improve working environment, we design a kind of small rail vehicle inside a greenhouse, which can walk on the orbit in the greenhouse automatically.The paper is on the basis of developed vehicle prototype, easy test has been finished. The vehicle speed is about 0.15 m/s in the horizontal direction, the working platform of normal rising velocity of 0.11 m/s, normal drop speed 0.05 m/s, and the vibration of manned operation platform is small amplitude. The test results show that the vehicle running and lifting speed meet the design requirement, which achieve the expected design purpose.The research results make important contributions to improve the mechanization level of greenhouse.

greenhouse；rail vehicle；agricultural machinery；fork scissors mechanism

2015-12-22

遼寧省"十二五"科技攻關項目(2014215011)

田素博(1973-)，女，遼寧凌海人，副教授，博士，(E-mail)tiansubo@163.com。

孫周平(1967-)，男，陜西扶風人，教授，博士，(E-mail)suner116@126.com。

S625.3

A

1003-188X(2017)01-0116-06