電動果園作業平臺結構設計與試驗

劉偉起,劉洪杰,史 璐,楊 欣,李建平,王鵬飛

(河北農業大學 機電工程學院,河北 保定 071000)

0 引言

蘋果屬于薔薇科,是世界上栽培最早、種植面積分布最廣泛的果樹之一,蘋果產量已經越居世界首位。目前,丘陵山地的矮砧密植果園成為發展趨勢,蘋果已經成為市場上非常暢銷的水果之一。根據記錄顯示,截至2007年,國內水果的總種植面積已經達到了10 471.3khm2,而蘋果的種植面積約為1961.8 khm2。以蘋果為代表的矮砧密植的種植模式的現代蘋果園得到快速推廣[1]。目前,我國生產的水果及人們的消費水平都排在世界首位,但絕大多數果園都為丘陵山地果園,對于果樹修剪整枝、疏花疏果、果實的套袋及采摘等作業需要人工操作且非常困難[2-3]。絕大多數果園主要以丘陵山地矮砧密植種植模式為主,丘陵山地果園的地形及地勢特征存在操作難題,一般的車輛進入果園工作非常困難。果園作業平臺不僅能夠提高果園的機械化水平,且能夠提高蘋果果實采摘的工作效率[4]。

國外對果園機械研究起步較早,20世紀50年代,北美將高空作業平臺使用在果園作業等一系列工作之中,至今果園作業平臺的發展擁有較高的水平[5]。目前,果園高空作業平臺生產主要集中在美國和澳大利亞。其中,絕大多數果園作業平臺的控制方式是液壓控制,通過機電液一體化的系統來完成果園作業平臺的使用過程。意大利N.P.SEYMOUR公司加工生產的果園作業平臺能夠全輪進行轉動,果園作業平臺可以完成兩級升降且角度能夠調節,使用范圍非常廣泛[6]。韓國SUNGBOO公司生產加工的果園作業平臺使用電力作為主要動力來源,工作臺的角度調節范圍是10°,能夠滿足丘陵山地作業的需要。

國內針對果園作業平臺的研究起步很晚,果園的種植模式絕大多數是家庭式分散種植,規模很小,對于果園機械作業平臺的發展不利。目前,果園主要以矮砧密植為主,為果園機械化的發展奠定了前提條件。國內在20世紀90年代成功研發了第一臺液壓升降果園作業平臺,使用在農業生產的規范化管理中[7]。目前,果園作業平臺有自走輪式、自走履帶式和懸掛折臂式等。劉西寧等研究出的第一臺果園作業平臺,能夠升降,但不具有調平的功能,對于丘陵山地果園作業不太適合。程健等[8]研究出的大型輪式液壓果園作業平臺,能夠對果園高大樹木進行生產規范化管理。劉大為等研究出的油動履帶自走式果園作業平臺,能夠在丘陵山地果園進行工作。樊桂菊等[9]研究出的折臂式果園作業平臺,需要在拖拉機或專屬車輛配合下完成作業,因此體積尺寸非常大。總的來說,國內生產的果園作業平臺絕大多數的動力來源是內燃機,存在耗能很高、噪音很大、排放的尾氣多及環境污染大的缺點,且操作非常復雜,結構尺寸很大不利于果園作業需求。

目前,提倡零污染、零排放的政策,故以電能作為動力來源的機械設備,已在國內外研發及推廣使用[10]。為此,根據丘陵山地果園地形及地勢的特點,設計了一種電動果園作業平臺,對整機結構與原理、關鍵部件結構及仿真分析等進行了設計分析,能夠完成果園作業疏花疏果、剪枝、收獲及套袋等一系列作業,不僅能夠提高果園的機械化水平,且能夠提高蘋果果實采摘的工作效率,增加果園的經濟效益。

1 整機結構與原理

1.1 設計要求

為了解決矮砧密植果園生產管理過程中的一系列問題,尤其是疏花疏果、修剪枝條、采摘作業等工作,解決工人勞動強度大、作業續航時間短、升降高度不能自由調節等,在作業過程中有良好的安全性、通過性及穩定性。以電能作為動力來源,具有清潔、環保的優點。選擇矮砧密植果園作業平臺進行研究分析,從而確定果園作業平臺整機方案。為了適應矮砧密植果園管理技術,果樹提干改型后,矮砧密植果園果樹間行距約為4m,株距為1.7～1.8m,枝展2m,樹高為3.2～3.5m,最高不大于4m,通過性高度約為1.3～1.5m[11]。矮砧密植果園如圖1所示,作業過程如圖2所示,具體的結構設計要求參數如表1所示。

圖1 矮砧密植果園Fig.1 Dwarf rootstock dense planting orchard

圖2 電動果園作業平臺Fig.2 Electric orchard operation platform

表1 電動果園作業平臺設計參數Table 1 Design parameters of orchard operating platform

1.2 整機結構與工作原理

電動果園作業平臺主要由保護欄、工作平臺、剪叉桿、液壓缸、拓展平臺、工作罩、控制裝置及履帶底盤等組成,如圖3所示。其中,升降裝置由液壓泵、液壓缸、剪叉桿等構成,履帶底盤內部安裝有液壓泵,液壓缸與液壓泵相連接;液壓缸兩端分別與履帶底盤上邊固定架及剪叉桿相連接,剪叉桿下部與履帶底盤相連接,上部與安裝有保護欄的工作平臺相連接;充電口安裝在履帶底盤的右后方位置,電能為果園作業平臺提供動力來源。

1.控制裝置 2.工作罩 3.保護欄 4.拓展平臺 5.液壓缸 6.剪叉桿 7.剪叉桿轉動軸 8.電動履帶底盤 9.剪叉桿移動導軌槽 10.工作平臺圖3 果園采摘升降作業平臺裝置Fig.3 Lifting operation platform device for orchard picking

電動履帶底盤為工作平臺提供支撐,工作平臺暫存一些采摘的水果以供工作人員工作;剪叉移動導軌槽是剪叉桿發生位移變化,以滿足工作人員采摘果實的不同高度需求。液壓缸能夠根據液壓桿的不同高度的需求,來完成伸縮,滿足果園間不同高度水果的采摘。控制裝置是控制液壓系統的,拓寬平臺加寬工作平臺,以滿足果樹間橫向水果的采摘。

2 關鍵部件的設計

2.1 載人工作臺

在滿足工人在工作過程中的穩定性、安全性的情況下,提高采摘果實在作業平臺工作過程時的便捷性。在保證果實不損傷的前提下,工作平臺結構如圖4所示。

載人工作臺主要由護欄架、作業臺面、伸縮拓寬工作臺、加寬工作臺面及鎖銷等組成。考慮到增大采摘平臺面積的需求,設計有加寬平臺,既能有效擴大平臺的作業空間,又能滿足平臺作業的穩定性、安全性及便捷性。

2.2 剪叉機構

設計時,要考慮到不同果實的采摘高度,剪叉機構的設計至關重要。剪叉機構如圖5所示。

1.鎖銷 2.加寬工作臺 3.伸縮拓寬工作臺 4.作業臺 5.護欄圖4 載人工作平臺結構圖Fig.4 Sketch diagram of manned worktable

1.液壓缸 2.工作平臺升降桿轉動銷軸 3.剪叉桿支架 4.升降桿移動槽 5.剪叉升降桿圖5 剪叉機構示意圖Fig.5 Schematic diagram of cross mechanism

剪叉機構主要由剪叉升降桿、升降桿移動槽、剪叉桿支架、工作平臺升降桿轉動銷軸及液壓缸等組成。工作過程中,剪叉桿通過液壓缸的控制能夠在高度上自由調節,從而滿足果實在采摘過程中高度的需求。

剪叉式升降機構具有良好的安全性、穩定性及承載能力,其受力如圖6所示。圖6中,A點與工作臺的滑道相切連接,B點與履帶底盤滑道相切連接,均是移動副;C點與工作臺固定鉸鏈連接,D點與履帶底盤固定鉸鏈連接,均是轉動副;Q點是兩剪叉桿中間鉸接的交點,是轉動副;液壓缸活塞桿的頂端和剪叉桿BC鉸接在F1點,液壓缸活塞桿的下端和履帶底盤鉸接于E點。

圖6中,G為施加物體的重力(N);L為剪叉桿的總長度(m);H為舉升的最大高度(m);x為液壓缸固定點與剪叉桿固定點之間的橫向長度(m);y為液壓缸固定點與剪叉桿固定點水平面間的縱向長度(m);QF1為液壓缸活塞桿與剪叉桿鉸接交點到剪叉中心的長度(m);T為液壓缸的推力(N);θ為液壓缸的俯仰角(°);φ為剪叉桿的俯仰角起(°)。

圖6 剪叉結構受力分析圖Fig.6 Stress analysis of shear fork structure

2.3 履帶底盤

設計時,首先考慮到果園作業平臺提升工作過程中重心較高,對穩定性要求比較嚴格;其次,果實的管理過程及運輸等是周期循環性的工作,造成土壤被反復地鎮壓,容易使土壤板結[12],所以選用履帶式底盤行走裝置非常合適。履帶式底盤可以使與土壤的接觸面積增大,既能提高穩定性,又能使土壤單位面積的壓強減小,優點是增大了土壤的疏松性。履帶底盤主要由主動輪、橡膠履帶、支重輪、滾輪支架、托帶輪及導向輪組成,如圖7所示。

1.主動輪 2.橡膠履帶 3.支重輪 4.滾輪支架 5.托帶輪 6.導向輪圖7 底盤結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of chassis structure

以果園作業平臺的質量為例進行計算,則電機及減速器的選型參數計算過程如下:

果園作業平臺的牽引力Fq為

Fq=μmg

(1)

電機功率P為

(2)

其中,μ為摩擦因數,橡膠履帶及丘陵山地果園土地之間的摩擦因數在0.3～0.5之間[13],果園作業平臺在果園株距間工作,選取最大的摩擦因數進行計算,所以選擇最大值為μ=0.5;m為果園作業平臺的總質量(kg),取m=932kg;g為重力加速度(m/s2),選擇g=9.8m/s2;η為電機效率,選擇η=0.8;v為果園作業平臺的運行速度(km/h),此處取v=2.6km/h。

據此計算可知,電機功率為4.1kW。選擇電機的型號為額定功率5.5kW、額定電壓48V、額定電流7.0A、額定轉速1000r/min的132M-6系列直流電機。

因此,主動輪和電動機之間的傳動比i為

i=n/n1

(3)

(4)

其中,n為主動輪的轉動速度(r/min);n1為電機轉速(r/min),選擇n1=1000r/min;r為是履帶主動輪的半徑(m),因丘陵山地果園在作業過程中底盤很低,選擇半徑r=0.1m[14]。

履帶底盤的工作原理是逆向轉向,轉動時改變兩邊履帶驅動輪的轉動方向從而使得實現轉彎的操作過程。履帶底盤的示意圖如圖8所示。

圖8 履帶底盤運動情況示意圖Fig.8 Schematic diagram of track chassis movement

圖8中,V1為右邊履帶轉速(km/h);V2為左邊履帶轉速(km/h);b/2為履帶底盤長度的一半(mm);d/2為履帶底盤寬度的一半(mm);R為轉彎的半徑(mm);O為履帶底盤的中心;ω為轉彎的角速度(rad/s)。

其左右兩端履帶的轉動速度一樣,分別為V1和V2[15-16]。因為兩邊的履帶距離底盤中心O的距離是一樣的,所得力矩MO=0,因此得到底盤工作過程中的最大轉彎半徑為R,即

(5)

式中b—履帶底盤的長度(mm);

d—履帶底盤的寬度(mm)。

式(5)計算得到履帶底盤的最大轉彎半徑R=563.5mm。因為果園作業平臺作業于丘陵山地果園,橡膠履帶和果園地面接觸時摩擦力很大,故轉彎半徑會出現偏差。根據丘陵山地果園地形與地勢的特點,作業的道路寬度在1～2m之間[17],因為計算結果履帶底盤的實際最大轉彎半徑小于1m,計算結果符合要求。

3 機械結構的受力仿真分析

3.1 拓寬平臺的受力仿真分析

首先,將SolidWorks中建立的拓寬平臺三維模型進行簡化,把建立好的模型導入Simulation中進行運算,采用自由劃分網格方法對拓寬平臺進行網格劃分,拓寬平臺網格劃分如圖9所示。運行算例分析得出應力、位移的結果,得到分布圖。對于拓寬平臺材料的選用,采用普通碳鋼。

拓寬平臺的應力分布圖和位移分布圖如圖10所示。

圖9 拓寬平臺網格劃分Fig.9 Grid division of widening platform

(a)1000 N時應力和位移分布圖

(b)1100 N時應力和位移分布圖

(c)1150 N時應力和位移分布圖圖10 拓寬平臺的應力分布圖和位移分布圖Fig.10 Stree distribution and displacement distribution diagram of widening

由圖10可看出:當施加載荷為1100N時(2.648×107)<(2.206×108),符合最大應力小于屈服力[18]。此時,最大變形量為0.8867mm,經過查閱資料得知,在工程上位移變形量小于1mm的機械結構為合格[19],故驗證拓寬平臺結構為合格。當施加的載荷增大為1100N時(2.912×107)<(2.206×108),符合最大應力小于屈服力的條件,此時最大變形量為0.9754mm,應力和位移仍符合條件。當施加的載荷在逐漸增大時,位移變形量不再符合條件(選取受力為1150N時的分布圖做參考)。因此,拓寬平臺能夠加載的最大為1100N,拓寬平臺是對稱的,所以承受的最大載荷為2200N。

3.2 剪叉結構的受力仿真分析

首先,將SolidWorks中建立的剪叉升降機構三維模型進行簡化,使得建立有限元模型更加方便。把建立好的模型導入simulation中,采用自由劃分網格對剪叉升降機構進行網格劃分,如圖11所示。運行算例分析得出應力和位移的結果,得到分布圖如圖12所示。對于剪叉升降機構材料的選用,采用普通碳鋼。

圖11 剪叉升降機構網格劃分Fig.11 Grid division of shear fork lifting mechanism

(a)750 N時應力和位移分布圖

(b)780 N時應力和位移分布圖

(c)795 N時應力和位移分布圖圖12 剪叉升降機構應力分布圖和位移分布圖Fig.12 Stress distribution diagram and displacement distribution diagram of shear fork lifting mechanism

由圖12可看出:施加外部載荷時均按照條目施加力(每根剪叉桿受力均相同),當施加載荷為750N時(2.888×107)<(2.206×108),符合最大應力小于屈服力的條件。此時,位移最大變形量為0.9414mm。經過查閱相關資料,得知在工程上位移變形量小于1mm的機械結構為合格。當施加的載荷增大為780N時(3.004×107)<(2.206×108),符合最大應力小于屈服力的條件。此時,位移最大變形量為0.9791mm。經過查閱相關資料,得知在工程上位移變形量小于1mm的機械結構為合格。當施加的載荷在逐漸增大,增大到795N時,應力和位移仍符合條件,但此時是最大的臨界條件[20]。所以,剪叉機構能夠加載的最大載荷為3180N。果園作業平臺能夠加載的最大載荷為剪叉機構與拓寬平臺的受力之和為538kg。經過查閱相關資料,得知符合電動果園作業平臺的最大載重量。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

1)2021年9月28日,試驗在河北省保定市曲陽縣下河鄉劉家馬村進行,河北綠陽農業科技股份有限公司,東經114°41′30″,北緯38°40′10″,海拔150m。

2)試驗所需設備包括電動果園作業平臺、盒尺、秒表、手套、水果筐和梯子等。

4.2 試驗過程

1)試驗所用蘋果果樹為8年生富士,果樹株距1.2m、行距4.0m,樹高3.5m,頂層冠徑2m,底層冠徑2.5m,樹形為紡錘形。

2)在試驗田的兩行分別進行采摘。人工架梯采摘:在果園內對8年生富士蘋果樹進行果實采摘,采摘人數為2人,分別負責高層和底層的蘋果采摘,采用從下到上、從外到里的采摘方法,采摘60min,采摘蘋果共616個,總質量為265.1kg。電動果園作業平臺采摘:采摘人數為3人,一人操控作業平臺,兩人進行采摘。在相同的采摘時間內,采摘蘋果共3705個,總質量為1590.6kg。蘋果果徑尺寸范圍個數占比如圖13所示。采摘試驗測試數據如表2所示。

圖13 蘋果果徑尺寸范圍個數占比Fig.13 Proportion of number of apple fruit diameter range

表2 采摘試驗測試數據表Table 2 Test data of picking test

經過計算,電動果園作業平臺的采摘效率為人工架梯采摘效率的6倍,電動果園作業平臺既能實現果園的規范化管理,又能節省工人的勞動成本及勞動強度。

5 結論

1)通過對電動果園作業平臺整體結構與工作原理、關鍵部件進行分析及結構受力仿真,設計了一種體積小、尺寸小、輕簡化,省力化的電動果園作業平臺,實現了果園作業機械化,提高了果園作業的采摘效率及果園的經濟效益。

2)通過對電動機參數的計算,選擇電機的型號為額定功率5.5kW、額定電壓48V、額定電流7.0A、額定轉速1000r/min的132M-6系列直流電機。

3)經過受力仿真分析,在機械結構不變形的情況下,施加不同的載荷得出電動果園作業平臺能夠加載的最大載荷為剪叉機構與拓寬平臺的受力之和為538kg。經過查閱相關資料,得知符合電動果園作業平臺的最大載重量。

4)經過計算,電動果園作業平臺的采摘效率為人工架梯采摘效率的6倍,電動果園作業平臺既能實現果園的規范化管理,又能節省工人的勞動成本及勞動強度。