多功能全液壓果園作業(yè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊傳龍，樊桂菊，2，王春武，宋月鵬，2，侯加林，2

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；3.威海新元果園技術(shù)服務(wù)有限公司，山東 威海 264205)

0 引言

我國果園大多分布于丘陵山地，因地形限制，果園機(jī)械化程度低，果枝修剪、果實(shí)套袋和采摘等主要作業(yè)環(huán)節(jié)仍以人工為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低[1-3]，而現(xiàn)代化果品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為果園機(jī)械化提供了條件。

國外對(duì)果園作業(yè)平臺(tái)的研究較早，技術(shù)較為成熟，多采用輪式和液壓控制，轉(zhuǎn)彎半徑小、操作靈活。意大利REVO公司設(shè)計(jì)了一種蘋果園專用采摘平臺(tái)[4]，地形適應(yīng)能力強(qiáng)，并安裝有蘋果傳送帶，提高了采摘效率。國內(nèi)對(duì)果園作業(yè)平臺(tái)的研究較晚，主要分為兩種：牽引式和自走式。濰坊森海機(jī)械制造有限公司研發(fā)了3GP-160型果園升降平臺(tái)[5]，采用剪叉式升降機(jī)構(gòu)，集果枝修剪、果實(shí)采摘及運(yùn)輸?shù)裙δ転橐惑w。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的果園作業(yè)平臺(tái)[6-7 ]，通過一人操作實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)升降、回轉(zhuǎn)和調(diào)平。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的小型履帶自走式剪叉式作業(yè)平臺(tái)[ 8]，通過液壓缸實(shí)現(xiàn)升降、角度調(diào)整等。北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站研制的小型履帶式多功能遙控動(dòng)力平臺(tái)，與相應(yīng)機(jī)具配套完成旋耕、除草、打藥及剪枝等多項(xiàng)作業(yè)[9]。

引進(jìn)國外產(chǎn)品超出了農(nóng)民購買力，而目前國內(nèi)的牽引式作業(yè)平臺(tái)多由拖拉機(jī)帶動(dòng)，轉(zhuǎn)彎半徑較大，不適宜小地塊；履帶式作業(yè)平臺(tái)多采用機(jī)械傳動(dòng)，操作不靈活，且不具備果箱自動(dòng)裝卸功能。因此，本文設(shè)計(jì)了一種多功能全液壓果園作業(yè)平臺(tái)，并進(jìn)行了性能試驗(yàn)。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

多功能全液壓果園作業(yè)平臺(tái)主要由輪式驅(qū)動(dòng)底盤、動(dòng)力裝置、升降裝置、調(diào)平裝置和工作臺(tái)等組成，如圖1所示。采用液壓四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)[10]及雙輪和四輪2種轉(zhuǎn)向模式以提高行走能力；柴油機(jī)提供動(dòng)力，通過彈簧座與底盤連接以減小振動(dòng)。升降裝置包括3部分：工作臺(tái)升降裝置和果箱前、后升降裝置，分別采用剪叉機(jī)構(gòu)、平行四邊形結(jié)構(gòu)和直立式升降結(jié)構(gòu)；調(diào)平裝置分為前后調(diào)平和左右調(diào)平，前者采用同構(gòu)雙缸反并聯(lián)結(jié)構(gòu)，后者采用單油缸支撐、底盤和車橋同心鉸接結(jié)構(gòu)；工作臺(tái)主要由護(hù)欄、導(dǎo)軌和左右踏板等組成。

工作時(shí)，動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，到達(dá)工作位置后，作業(yè)人員根據(jù)工作臺(tái)狀態(tài)，由調(diào)平裝置對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行前后、左右調(diào)平；通過電磁閥控制油缸使工作臺(tái)升降和展開，以適應(yīng)不同高度和不同行距的果實(shí)采摘、果枝修剪；通過控制前果箱升降裝置將空箱舉升至工作臺(tái)，待裝滿后經(jīng)工作臺(tái)上的導(dǎo)軌運(yùn)送至后升降裝置，將其降至地面，完成自動(dòng)裝卸。

1.前果箱升降裝置 2.剪叉式升降裝置 3.動(dòng)力裝置 4.驅(qū)動(dòng)底盤 5.左右調(diào)平裝置 6.后果箱升降裝置 7.工作臺(tái) 8.前后調(diào)平裝置圖1 多功能全液壓果園作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sketch diagram of multi-function full hydraulic orchard platform

1.2 工作原理

1.2.1 驅(qū)動(dòng)原理

為提高動(dòng)力性和行走穩(wěn)定性，且便于操作，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓-機(jī)械組合傳動(dòng)方案，如圖2所示。其主要由變量柱塞泵、液壓馬達(dá)、變速箱和差速車橋等組成。通過液控手柄來控制變量泵的排量，改變液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)整機(jī)的無極調(diào)速；為提高傳動(dòng)效率，末級(jí)傳動(dòng)采用變速箱驅(qū)動(dòng)行走輪；前后車橋采用差速結(jié)構(gòu)，通過傳動(dòng)軸相連，實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)。

1.過濾器 2.手動(dòng)截止閥 3.油箱 4.柴油機(jī) 5.傳動(dòng)軸 6.電磁換向閥 7.剎車油缸 8.剎車截止閥 9.安全閥 10.手柄 11.前橋差速器 12.萬向節(jié)傳動(dòng)軸 13.變速箱 14.后橋差速器 15.液壓馬達(dá) 16.雙向徑向柱塞變量泵 17.變速箱電子推桿圖2 液壓驅(qū)動(dòng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of hydraulic drive system

1.2.2 轉(zhuǎn)向原理

為適應(yīng)多種復(fù)雜地形，設(shè)計(jì)了兩輪轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)向模式。

1)兩輪轉(zhuǎn)向模式。兩輪轉(zhuǎn)向原理如圖3(a)所示。調(diào)整后兩輪中位，由液壓轉(zhuǎn)向器控制前兩輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑通過下式計(jì)算，即

(1)

式中L—軸距(m)；

δ—車輪最大轉(zhuǎn)向角 (°)。

2)四輪轉(zhuǎn)向模式。兩輪轉(zhuǎn)向原理如圖3(b)所示。通過液壓轉(zhuǎn)向器和電磁換向閥分別控制前后輪反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)彎半徑為

(2)

通過對(duì)比式(1)和式(2)可得知：四輪轉(zhuǎn)向模式轉(zhuǎn)彎半徑是兩輪轉(zhuǎn)向模式下的50%，適應(yīng)小地塊作業(yè)。

(a) 兩輪轉(zhuǎn)向 (b) 四輪轉(zhuǎn)向圖3 轉(zhuǎn)向原理圖Fig.3 Schematic diagram of steering

1.2.3 調(diào)平原理

1)工作臺(tái)前后調(diào)平。工作臺(tái)通過前后調(diào)平油缸與剪叉式升降機(jī)架鉸接，兩油缸結(jié)構(gòu)相同，油路反并聯(lián)。控制電磁閥使油缸伸縮，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)縱坡作業(yè)保持水平；利用順序閥調(diào)整無桿腔進(jìn)油壓力，當(dāng)兩油缸處于極限位置時(shí)，受力如圖4所示。

圖4 前后調(diào)平油缸受力分析圖Fig.4 Force analysis diagram of leveling oil cylinder in front and rear

兩油缸進(jìn)油壓力P11、P22分別為

(3)

(4)

式中G1—工作臺(tái)加載荷總重力(N)；

S1、S2—分別為有桿腔、無桿腔有效作用面積(m2)；

Pbp1、Pbp2—分別為無桿腔油、有桿腔缸背壓(MPa)；

P11、P22—C11、C22進(jìn)油口壓力(MPa)；

Pop—順序閥開啟壓力(MPa)。

由式(3)和式(4)可知：活塞桿運(yùn)動(dòng)中，調(diào)試Pop，使運(yùn)動(dòng)過程中一直保持P22>P11,實(shí)現(xiàn)兩油缸不同時(shí)動(dòng)作。

2)底盤左右調(diào)平。底盤左右調(diào)平如圖5所示。底盤與前后車橋采用同心鉸接方式，調(diào)平油缸分別連接底盤和后車橋，由電磁閥控制油缸調(diào)整底盤與后車橋的相對(duì)角度，從而實(shí)現(xiàn)橫坡作業(yè)時(shí)工作臺(tái)水平。

1.后車橋 2.左右調(diào)平油缸 3.底盤圖5 底盤左右調(diào)平原理圖Fig.5 Schematic diagram of leveling for under frame

1.2.4 工作裝置液壓控制系統(tǒng)原理

通過液壓馬達(dá)帶動(dòng)不同的工作裝置實(shí)現(xiàn)作業(yè)平臺(tái)的轉(zhuǎn)向、調(diào)平、升降、展開和裝卸功能，控制系統(tǒng)工作原理如圖6所示。

1.過濾器 2.截止閥 3.發(fā)動(dòng)機(jī) 4.主齒輪泵 5.液壓轉(zhuǎn)向器 6.轉(zhuǎn)向油缸 7.果箱升降油缸 8.踏板展開油缸 9.前后調(diào)平油缸 10.左右調(diào)平油缸 11.液壓鎖 12.電磁換向閥組 13.工作臺(tái)升降油缸 14.手動(dòng)卸油閥 15.油箱圖6 液壓控制系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of hydraulic control system

其主要由液壓泵、執(zhí)行油缸、電磁換向閥組、轉(zhuǎn)向器和控制箱等組成。當(dāng)平臺(tái)轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向器直接控制轉(zhuǎn)向油缸；當(dāng)平臺(tái)不轉(zhuǎn)向時(shí)，電磁換向閥組控制各工作裝置液壓回路，通過溢流閥保證液壓控制系統(tǒng)的安全。

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 工作臺(tái)可調(diào)平升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖7所示，升降機(jī)構(gòu)采用剪叉結(jié)構(gòu)，前后調(diào)平采用同構(gòu)雙杠反并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

(a) 結(jié)構(gòu)圖

(b) 受力圖 1.后端前后調(diào)平油缸 2.工作臺(tái) 3.操作臺(tái) 4. 前端前后調(diào)平油缸 5.舉升支架 6.工作臺(tái)升降油缸圖7 工作臺(tái)可調(diào)平升降結(jié)構(gòu)與受力圖Fig.7 Sketch diagram and force analysis diagram of levelling and lifting platform

由圖7中幾何關(guān)系，可知升降高度為

hp=l2sinγ1

(5)

式中l(wèi)2—剪叉臂長度(m)；

γ1—剪叉臂與底盤夾角 (°)。

根據(jù)底盤結(jié)構(gòu)，選取剪叉臂長度Lp為2.2m，最大交叉角度為40°，理論上最大升高量為1.41m。

根據(jù)∑MH=0得升降油缸推力為

(6)

(7)

式中l(wèi)1—工作臺(tái)長度(m)；

lO2K—O2K長度(m)；

γ2—升降油缸與剪叉臂夾角(°)；

lEK—升降油缸的長度(m)。

前后調(diào)平時(shí)，工作臺(tái)繞一端點(diǎn)做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由動(dòng)量矩定理得

(8)

得前后調(diào)平油缸推力為

(9)

式中JD—工作臺(tái)對(duì)D點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)；

α1—工作臺(tái)調(diào)平轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度(rad/s2)；

θ—工作臺(tái)前后傾斜角度 (°)。

同理，由圖5可計(jì)算左右調(diào)平油缸推力。

2.2 果箱升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)前升降裝置采用平行四邊形結(jié)構(gòu)，受力如圖8所示。

1.起落臂 2.油缸鉸接架 3.前升降裝置油缸 4.果箱架圖8 果箱前升降裝置結(jié)構(gòu)與受力圖Fig.8 Sketch diagram and force analysis diagram of front lifting mechanism of box

由動(dòng)量矩定理得

(10)

油缸作用力為

(11)

式中l(wèi)O3—果箱負(fù)載對(duì)O3點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)；

α2—機(jī)構(gòu)繞O3點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度(rad/s2)；

G2—果箱負(fù)載(N)；

l3—起落臂長度(m)；

l4—果箱架長度(m)；

lO3R—O3R長度(m)；

β—起落臂與水平方向夾角 (°)。

2)后升降裝置采用直立導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，兩側(cè)各有一個(gè)升降油缸，通過鏈條鏈輪傳動(dòng)，使果箱平穩(wěn)下降至地面，再經(jīng)過滑輪導(dǎo)軌放置于地面，因此兩油缸作用力等于最大裝載重量。

2.3 工作臺(tái)展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)不同行距的果樹，設(shè)計(jì)左右可展開的工作臺(tái)，結(jié)構(gòu)如圖9所示。

展開油缸推力計(jì)算，則

Ffp=μfpmfpg

(12)

式中μfp—展開踏板與支撐梁之間的摩擦因數(shù)，取0.2；

mfp—展開踏板自重(kg)。

1.展開踏板2.展開踏板滑軌 3.踏板支撐梁 4.展開油缸圖9 工作臺(tái)展開下視結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Bottom view of expanding platform

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證果園作業(yè)臺(tái)的性能和可靠性，于2017年6月在威海新元現(xiàn)代果業(yè)種植示范基地進(jìn)行田間性能試驗(yàn)。試驗(yàn)條件： 蘋果樹高度為 2.5～3m， 行距為3.8～4m；株距為 0.8m。樣機(jī)田間作業(yè)情況如圖10所示。

圖10田間試驗(yàn)Fig.10 Testing in field

試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備：電子秒表(精度±0.01s)，鋼卷尺(0～50m，精度±1mm)、萊賽LS160-60Ⅱ型坡度儀(0°～360°，精度±0.1°)，儀辰A300角度儀(0°～180°，精度±0.1°)，VC824噪聲測(cè)試儀(30～130dBA，精度±1.5dB)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》(GB/T 5667-2008)進(jìn)行各工況試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 樣機(jī)性能測(cè)試結(jié)果Table 1 The result of prototype performance test

由表1可知：樣機(jī)綜合性能較好，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。其中，前后調(diào)平精度較高，最大調(diào)平誤差僅為0.5°，左右調(diào)平由于結(jié)影響，調(diào)平精度稍差，最大調(diào)平誤差為1.5°；采摘作業(yè)效率為0.42hm2/h，比人工提高了2～4倍。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種多功能全液壓果園作業(yè)平臺(tái)。采用液壓四輪驅(qū)動(dòng)、雙輪和四輪2種轉(zhuǎn)向模式，有轉(zhuǎn)彎半徑小、行走能力強(qiáng)，可適應(yīng)多種復(fù)雜地形；同時(shí)，通過液壓控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、調(diào)平、升降、展開和裝卸等功能，經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2)采用剪叉式升降機(jī)構(gòu)和展開式工作臺(tái)，適應(yīng)不同高度和不同行距果樹的果實(shí)采摘、果枝修剪；設(shè)計(jì)了同構(gòu)雙杠反并聯(lián)機(jī)構(gòu)使工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)前后調(diào)平；底盤和車橋采用同心鉸接方式，通過電磁閥控制油缸伸縮，調(diào)整機(jī)身左右調(diào)平，從而實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)在坡地作業(yè)時(shí)保持水平狀態(tài)，最大調(diào)平誤差為1.5°，適應(yīng)我國丘陵山地較多的地形特點(diǎn)。

3)為了提高生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)了果箱升降裝置和工作臺(tái)導(dǎo)軌，通過電磁閥控制前升降油缸將空果箱舉升至工作臺(tái)，待裝滿后經(jīng)導(dǎo)軌運(yùn)送至后升降裝置，再將其降至地面，實(shí)現(xiàn)果箱自動(dòng)裝卸。試驗(yàn)測(cè)得采摘作業(yè)效率為0.42hm2/h，比人工提高了2～4倍。