3GP-160自走式果園作業平臺設計與試驗

何建華， 楊 欣， 王鵬飛， 劉俊峰

(河北農業大學機電工程學院，河北保定 071001)

隨著農業產業結構的調整，林果業種植越來越受到重視，果園管理機械化的需求也越來越迫切。果園平臺的應用改善了直接使用人字梯徒手攀爬果樹進行作業帶來的危險性[1-4]。針對現代新型矮砧密植新型果園行距標準和株高較低等特點，課題組已開發了履帶式、多級剪叉輪式作業平臺和高地隙果園動力底盤，能夠在果園特殊環境中實現疏花、修剪、采摘和果品運輸等作業需求[5-8]。在筆者所在課題組已研發果園作業平臺的基礎上，對輪式平臺進行了優化，采用了一級剪叉機構，增加了剎車功能，改變了操縱形式，加高了平臺防護欄，以期提升平臺升降穩定性，保證制動即時性，提高操縱方便性，減輕運輸勞動強度，提高安全保障。

1 設計要求及總體結構原理

1.1 設計要求

適應現代矮砧密植新型果園，符合蘋果生產中的疏花、采摘、修剪等作業要求。(1)能夠適應現代矮砧新型果園地形。行駛速度為 0.1～6.5 km/h；變速器為無級變速。(2)載人工作臺可提升高度為0～1.15 m。(3)升降平穩，可即時制動。

1.2 總體結構與工作原理

3GP-160自走式果園作業平臺主要由操控系統、剎車系統、載人平臺、升降系統和行走系統等結構組成，如圖1所示。操控系統由方向盤、顯示屏和控制按鈕等組成；剎車系統主要由剎車油壺、剎車腳踩板及相關聯的液壓系統組成；載人平臺可整體升降，主要分為3個部分，分別為左右和中間平臺，左右平臺可向兩側伸展，主要由伸展液壓油缸、支撐矩管、支撐板組成，中間平臺主要由支撐矩管、支撐板組成，平臺上加裝護欄；升降系統主要由一級剪叉機構、升降油缸和泵站組成；行走系統主要由前橋、后橋、無級變速器和液壓系統組成。

工作時，司機和工作人員直接站立載人平臺上操控機器，通過液壓系統驅動無級變速器帶動輪式行走系統行走，到達工作位置后，搬回行走手柄，踩下剎車，確保機器停到準確位置，通過控制升降油缸升降來調整平臺高度，以適應不同高度的工作位，通過控制伸展油缸左右伸展，來適應不同的橫向采摘位置。

1.3 主要技術參數

選取蘋果樹為研究對象，主要針對現代新型矮砧密植果園的栽植模式，新型果園的株行距2 m×4 m，株高3.5～4 m，枝展1.5 m左右，行內通道1.8～2.5 m(圖2)，果樹向兩側伸展較小，地頭預留空地。樣機設計參考新型果園使用要求，確定自走式果園作業平臺的主要參數如表1所示。

2 關鍵部件的設計

2.1 輪式行走系統

現代新型果園，地勢較平坦，無較大起伏，采用農用輪式底盤可在滿足作業要求的前提下，節約成本，提高作業效率。行走系統如圖3所示，主要包括后橋、無級變速器、機架、水箱、發動機、前橋，通過液壓系統實現無級變速，以滿足不同作業速度要求。

表1 3GP-160自走式果園作業平臺設計參數

2.2 一級剪叉機構

平臺升降系統主要靠一級剪叉機構進行調節，如圖4所示，它主要由升降油缸下連接板、升降油缸、升降油缸上連接板、剪叉臂、滾動軸承銷軸、滾動軸承和中間銷軸等結構組成。

為保證平臺升降高度滿足作業要求，且平臺具有穩定的升角，對剪叉臂長進行了設計，如圖5所示。

設一級剪叉最大起升高度為H，剪叉臂長為L，最大起升角為θ，軸承滾動距離為B，則

sinθ=H/L；

(1)

cosθ=(L-B)/L。

(2)

一般剪叉最大起升角為30°～50°[5]，為保證平臺舉升穩定性，并盡可能地減少整機長度，選最大升角為40°，由表1可知H=1.15 m，代入式(1)、式(2)得剪叉臂長度L=1.788 m，B=0.418 m。

2.3 載人平臺

設計載人平臺時，考慮果園行距、蘋果運輸方便性和工作人員安全性，應避免工作人員跌落，具體結構如圖6所示。平臺主要由平臺底板、護欄和護欄圍板等結構組成，其中護欄圍板可防止工具掉落，平臺底板工作表面可防滑；護欄后側留有足夠空間，以方便工作人員上下；為保證作業人員的安全性和操作方便性，設計護欄高度時，考慮了工作人員的高度和手伸空間等因素。載人平臺主要尺寸及參數見表2。

平臺底板可左右伸縮，如圖7所示，它主要由伸縮板支架、油缸活塞桿固定座、伸縮油缸、伸縮板、伸縮用軸承、缸管本體固定座等結構組成。平臺載工作人員左右伸縮時，應具有足夠的強度。平臺伸出長度將影響其安全系數，為此，須確定油缸伸縮長度，以保障人員的安全。

表2 載人平臺設計參數

3 伸縮長度確定

平臺左右伸縮為典型的懸臂梁結構，應保證工作人員在平臺伸展到最遠處位置工作時的安全性，為確定平臺左右伸縮的安全長度，對懸臂梁結構進行了有限元分析。如圖8所示，在AIP(Autodesk Inventor Professional)軟件中構建第50百分位假人模型，其中一人為司機兼職工作人員，左右兩側各站2人，負責采摘和修剪等作業過程，以模仿實際作業時平臺上的作業環境。通過模擬平臺伸縮來確定最佳安全系數，從而確定平臺左右最佳伸長長度，以期在滿足作業要求的同時，保證平臺處在伸縮工作狀態時具有足夠的可靠性。

在不影響計算精度的前提下，對模型進行簡化，以減少軟件計算時間。如圖9所示，將右側伸平臺作為有限元分析對象，兩側矩管上表面被分割成15個面，其中7個等分面為固定約束面，不同的等分面代表右側平臺伸出的不同長度，力的大小根據站在右側伸平臺上工作人員的數量及工作狀態來確定。由圖8可知，有2個工作人員站在右伸平臺，且平臺配備果箱，經過計算，可得受力面的受力大小約為1 800 N，這里取重力加速度為9.8 m/s2，方向為豎直向下，并將力作用在平臺前后 0.4 m×0.3 m 的2 個工作人員作業區域。選矩管和鋼板材料為Q235A，其屈服極限為235 MPa，強度極限為 500 MPa，初始鋼管規格為50 mm×50 mm×4 mm，進行有限元分析后，得到變形、安全系數和等效應力隨右伸平臺伸出長度的變化趨勢如圖10所示。

矮砧密植果園栽植模式的行距為4 m，參考GB10000—1988中國成年人人體尺寸基礎數據可知，P10百分位人體手伸為0.514 m，因此，為保證工作人員能夠順利對果樹主干進行作業，要求平臺左右伸展長度為0.765 m左右。由圖10可知，右伸平臺伸出長度越長，等效應力越大，安全系數越小，當矩管伸出長度為0.765 m時，安全系數為0.83，小于1，等效應力為283.5 MPa，大于屈服極限，不滿足設計要求。依據分析結果，對結構進行多次調整，最終確定矩管厚度增加到 7 mm，材料改為20#鋼，改進后的應力分析結果如圖11所示，由此可確定平臺左右可伸縮長度范圍為0～0.765 m，從而確定油缸的最大伸出長度為0.765 m。

4 樣機試制與果園試驗

2016年6月下旬，河北中農博遠農業裝備有限公司對樣機進行了試制，并定型為3GP-160；在保定市順平現代矮砧密植示范園進行樣機試驗，如圖12所示。試驗結果顯示，樣機外形尺寸適應新型果園栽植模式，操作簡單，無干涉現象，載人平臺可升降并定位至不同高度，左右伸縮平臺可到達不同的橫向工作位，行駛平穩，具備良好的斜坡制動功能，可滿足摘果和修剪等作業要求。

5 結論

本研究設計制造了一種針對現代新型矮砧密植果園栽植模式的自走式果園作業平臺，經過檢測和果園試驗，反映了以下特征：

(1)樣機外形尺寸較小、結構緊湊、操控簡便，試驗測得其行駛速度為0.1～6.5 km/h，可升降高度為0～1.15 m，基本滿足設計要求，適應于現代矮砧密植果園作業環境。

(2)對兩側伸展平臺施加實際作業工況下的載荷條件和邊界約束等邊界條件，進行有限元三維應力計算，確定了油缸伸縮長度為0.765 m。

(3)果園試驗表明：設計的自走式果園作業平臺升降穩定，行駛平穩，可伸出至橫向工作位，具備即時制動功能，滿足現代新型果園作業要求。