丘陵山區果園通用升降作業平臺研制與試驗

2023-07-26 11:17:56丁小兵李亞麗劉良豪曹中華王圓明湛小梅

南方農業 2023年9期

丁小兵，李亞麗，劉良豪，曹中華，王圓明，湛小梅*

（1.重慶鑫源農機股份有限公司，重慶 401329；2.重慶市農業科學院，重慶 401329）

我國是世界水果生產第一大國，2020 年果園面積達1 264.63 萬hm2，水果產量達27 400 萬t，較2019 年分別增長3.01%、4.71%[1]。重慶市水果產業發展較快，2020 年全市果園面積為34.78 萬hm2，其中柑橘22.36 萬hm2；2020 年水果產量514.8 萬t，其中柑橘產量319.9 萬t[2]。隨著我國全面進入小康社會，人民生活水平日益提高，人們對新鮮果品的消費需求日益強烈。如何更好地豐富群眾的“果盤子”，成為一門重要的課題。

水果種植是高成本、大用工產業，其生產成本連年上漲。以柑橘為例，2020 年重慶生產成本達3 841.95元/667 m2，其中人工成本1 724.73元/667 m2[3]，占總成本的44.9%，耗費了大量物質和人工成本。成本居高不下導致水果種植效益較低，農民積極性不高；用工量大導致生產季節農業工人嚴重缺乏，難以擴大規模。機械化是提高果園種植收益、降低作業人員勞動強度、提高果農種植積極性、守護好人民群眾“果盤子”的最為有效的手段。

1 國內外研究現狀

1.1 農業機械底盤

現有的農業機械底盤大多為傳統的機械式底盤，傳動可靠、制造容易，但機械零件復雜笨重，一般不能進行無級調速。而靜液壓驅動底盤實現了輕量化，可無級變速減少頓挫，變速范圍更大，轉向更加輕盈，安全性和舒適性更高[4]。如今，全液壓底盤驅動方案已在植保機械、收獲機械上得到大范圍應用[5]，但在其他機械上應用不多，本研究探索全液壓底盤用于果園管理機。

1.2 果園多功能管理平臺

20 世紀初期，歐美等西方發達國家就開始研究高空升降作業車，發展到現在已經形成比較成熟的系列產品[6-9]。我國果園作業平臺研究起步較晚，進展也比較緩慢。2000 年國產電動升降平臺研制成功[10]，標志著我國特色林果業機械裝備有了較大的發展。近年來，多功能升降管理平臺新產品大量涌現，但目前歐美管理平臺只適宜大規模果園，日韓產品售價較高；國產果園管理作業平臺還存在著噪聲大、人機結合性較差、功能單一、機具操作笨重等缺點，且穩定性和安全性還有待進一步提高[11-12]。

2 丘陵果園果樹種植模式

為探明丘陵山區果園種植特點及幾何參數，作者走訪了重慶市內多個果園，得出以下參數：重慶市標準化果園一般依山而建，并根據地形情況進行了一定的宜機化改造，如陡坡改緩坡或梯田。平地或緩坡地帶2～3行或20 m寬開50 cm深溝排水，主要作物種植模式如下。柑橘種植行株距大多為5 m×3 m，也有4 m×3 m，樹高一般控制在2～3 m，成年樹樹冠直徑為2.5～2.8 m。葡萄一般根據架勢定，行株距為3 m×2 m，高度一般控制在1.8 m。枇杷常規行株距為4 m×3 m，如要機械化，行株距為5 m×3 m，高度一般控制在2～2.5 m。梨機械化種植行株距大多為5 m×3 m，也有4 m×3 m，樹高一般控制在2.5～3 m，成年樹樹冠直徑為3～4 m。

3 果園通用升降作業平臺結構組成及工作原理

3.1 結構組成

升降平臺由液壓底盤系統、升降調平系統、操作平臺系統三大部分組成。液壓底盤系統主要搭載動力、電瓶、液壓控制元件和履帶行走輪系等，負責提供整機動力傳輸和自行走功能。升降調平系統主要由上中下三層框架、剪叉升降臂、調平油缸、升降油缸、啟動總開關和油門開關等組成，負責平臺前后、左右的平衡調節及升降調節。操作平臺系統由固定平臺、伸縮平臺、電動液壓缸、操控臺等組成，主要負責操控平臺實現多種功能，以及貨物的裝卸功能。其總體布局如圖1所示。

圖1 果園升降作業平臺總體布局

3.2 工作原理

發動機帶動雙聯齒輪泵把液壓油箱的液壓油輸送入液壓馬達，驅動底盤行走機構行走，行走方向由電磁換向閥控制，行走速度由液壓馬達流量控制（見圖2）。

圖2 果園升降平臺液壓控制原理

3.3 基本參數確定

丘陵山區宜機化柑橘、琵琶、梨等果園的種植行株距一般為5 m×3 m，也有4 m×3 m。根據丘陵山區宜機化果園種植地形條件及作業需求，升降平臺初步確定采用全液壓底盤、液壓剪叉式升降結構，橫向縱向均可調平。

其主要參數為：配套動力12 kW，配80 mm 油缸和304 齒輪泵；整機寬度1.8 m 左右；額定載荷1 t；升降高度≥1.5 m；行走速度0～0.3 m·s-1；調平角度橫向≤12°，縱向≤13°；離地間隙≥140 mm；履帶寬度230 mm；軌距1.57 m。

4 關鍵部件設計

4.1 液壓底盤設計

液壓底盤（見圖3）由動力傳輸部分和行走系統組成。動力傳輸部分包括動力、冷凝器、水箱、燃油箱、液壓油箱、齒輪泵、馬達、液壓閥、電磁閥、閥座、油管等部件，行走系統則包含行走底盤大架、履帶張緊機構、輪系、履帶等組成。其工作原理為：柴油機帶動齒輪泵將液壓箱中的液壓油泵入主閥座，再通過安裝在主閥座上的2 組電磁換向閥控制液壓油流入對應側的驅動馬達，最后驅動馬達運轉，并通過與其相連的驅動輪驅動履帶，完成前進、后退、轉向。

圖3 液壓底盤結構

動力選用常柴EV80 雙缸水冷柴油機，其標定功率12 kW，標定轉速3 000 r·min-1，最大扭矩43 N·m。齒輪泵選用CBWL-F310/F310，公稱排量10 mL·r-1，額定壓力16 MPa，最高轉速3 000 r·min-1。電磁換向閥選用4WE6G-6X/CD12，驅動馬達選用BMV-800-W9TDPD。行走系統（見圖4）選用人字履帶E230×72×58，其輪系由12齒驅動輪、Ф200導向輪、2個Ф150支重輪、2 對Ф40 托輪、2 組Ф150 懸浮輪組成，履帶的張緊通過調節絲杠完成。

圖4 行走系統結構

4.2 升降機構設計

升降機構為2級剪叉結構（見圖5），由升降油缸、平衡閥、電磁閥、閥座、升降剪刀臂、升降底座、升降框架、轉軸、滑動軸等組成。其工作原理為：齒輪泵泵出高壓油，通過主閥座進入分流閥座，再通過分流閥座上的2 組電磁換向閥流入單向平衡閥，最后流入2 個油缸，油缸桿伸長，推動2 級剪叉伸展，平臺上升；換向閥動作，液壓油經平衡閥、換向閥回流到液壓油箱，油缸桿縮回，剪叉折疊，平臺下降。

圖5 剪叉式升降機構

其中，電磁換向閥選用4WE6G-6X/ED24，單向平衡閥選用5160B，油缸選用HSG80/45-900-CA。HSG80/45-900-CA 油缸是工程用液壓油缸，缸內徑80 mm，活塞桿外徑45 mm，行程900 mm，擺尾型。

4.3 調平機構設計

調平機構由行走底盤大架、底盤上框架、油缸、平衡閥、電磁閥、閥座等組成（見圖6）。其左右調平工作原理為：齒輪泵泵出高壓油，通過主閥座進入分流閥座，再通過分流閥座1 上的電磁換向閥流入橫向控制雙向平衡閥，最后流入對應側的2 個油缸，油缸桿伸出，平臺左側或右側上升。換向閥動作，液壓油通過平衡閥、換向閥回流到液壓油箱，油缸桿回縮，平臺下降。前后調平工作原理為：齒輪泵泵出的高壓油，通過主閥座進入分流閥座，再通過分流閥座2 上的電磁換向閥流入縱向控制雙向平衡閥，最后流入對應側的油缸，油缸桿伸出，平臺前部或后部上升。換向閥動作，液壓油通過平衡閥、換向閥回流到液壓油箱，油缸桿回縮，平臺下降。

圖6 調平機構

其中左右、前后調平的電磁換向閥均選用4WE6G-6X/ED24，雙向平衡閥均選用25160B，左右調平油缸選用HSG50/28-120-CA，前后調平油缸選用HSG63/35-150-CA。

5 關鍵部件有限元分析

5.1 行走底盤下層分析

從整體模型中提取出行走底盤下層模型，進行格式轉化并導入ANSYS 進行分析。對CAD 模型進行網格劃分，在模型平滑處使用六面體網格，在連接處和模型受力復雜處使用高階四面體網。劃分后的網格單元數為102 209，節點數為244 225。根據行走底盤上層框架在整車模型中的位置及實際受力情況，在頂部兩根梁上施加10 MPa的壓力，在梁下方施加約束。

仿真分析結果如圖7、圖8所示，最大變形出現在上部與其他部件的連接位置，為0.014 mm；最大應力為9.9 MPa，小于材料屈服強度，設計可靠。