樊桂菊，王永振，王建超，張曉輝

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院/山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安　271018)

?

丘陵山區(qū)果園作業(yè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

樊桂菊，王永振，王建超，張曉輝

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院/山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安271018)

摘要：為解決目前丘陵山區(qū)修剪果樹和采摘果實(shí)主要靠爬樹、登梯容易造成失穩(wěn)及現(xiàn)有機(jī)械不能自動(dòng)調(diào)平的問題，設(shè)計(jì)了丘陵山區(qū)果園作業(yè)平臺(tái)。經(jīng)計(jì)算和分析，確定該機(jī)配套動(dòng)力為13.2kW小四輪拖拉機(jī)，采用靜液壓三角形調(diào)平機(jī)構(gòu)和180°回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)的自動(dòng)調(diào)平和回轉(zhuǎn)。對(duì)升降平臺(tái)進(jìn)行性能檢測(cè)，結(jié)果表明：其工作性能穩(wěn)定，最大承載質(zhì)量150kg，最大提升高度1.5m，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速0.1r/min，升降速度0.1m/s，水平面、10°和20°坡面上調(diào)平誤差均在0°~3°范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：丘陵山區(qū)；果園；作業(yè)平臺(tái)；液壓

0引言

我國(guó)果園很多分布在丘陵山區(qū)，修剪果樹和采摘果實(shí)主要憑借樹及梯子等，因地理環(huán)境差、容易失穩(wěn)，作業(yè)者人身安全存在隱患，因此研究適應(yīng)丘陵山區(qū)的果園作業(yè)升降平臺(tái)尤為重要。

歐美及日本等國(guó)的果園作業(yè)機(jī)械化程度較高，部分果園已實(shí)現(xiàn)全部機(jī)械化管理[1-2]，最早生產(chǎn)果園作業(yè)平臺(tái)的國(guó)家主要是美國(guó)、澳大利亞和日本[3-4]。澳大利亞研制的單人作業(yè)升降臺(tái)車由一人單獨(dú)操作，可以完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)動(dòng)、上升和下降[5]。

國(guó)內(nèi)對(duì)果園作業(yè)平臺(tái)的相關(guān)研究較晚[3-4]，2007年新疆機(jī)械研究院研制了國(guó)內(nèi)第1臺(tái)多功能果園作業(yè)機(jī)，即LG-1自走式履帶多功能果園作業(yè)平臺(tái)[6]。2011年4月，北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站研制了小型多功能遙控動(dòng)力平臺(tái)，采用手動(dòng)與無線遙控相結(jié)合的操作方式，可完成旋耕、除草、打藥及剪枝等多項(xiàng)作業(yè)[7]。

引進(jìn)國(guó)外的果園作業(yè)機(jī)械，經(jīng)濟(jì)成本較高；而國(guó)內(nèi)的多功能果園作業(yè)機(jī)采用雙剪叉式升降臺(tái)，升降過程中不能自動(dòng)調(diào)平，在丘陵山地不能保證正常安全使用。因此，本文根據(jù)國(guó)內(nèi)果樹的種植模式和小四輪拖拉機(jī)保有量非常大的特點(diǎn)，研制以拖拉機(jī)為動(dòng)力源、性能穩(wěn)定、能自動(dòng)調(diào)平、適合丘陵山地的果園作業(yè)升降平臺(tái)，以期為果園作業(yè)機(jī)械研究提供設(shè)計(jì)參考。

1基本結(jié)構(gòu)與工作原理

丘陵山區(qū)果園作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.配重　2.拖拉機(jī)　3.擺動(dòng)液壓缸　4.聯(lián)軸器

該平臺(tái)由動(dòng)力裝置、升降裝置、調(diào)平裝置、回轉(zhuǎn)裝置、支撐板和液壓控制系統(tǒng)等組成。其工作原理是：通過拖拉機(jī)的油泵帶動(dòng)升降油缸伸縮實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)的升降。調(diào)平機(jī)構(gòu)由2個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的油缸和調(diào)平液壓回路組成，兩油缸運(yùn)動(dòng)方向相反。調(diào)平油缸1在升降油缸帶動(dòng)下伸出，調(diào)平油缸2則縮回；反之，調(diào)平油缸1縮回，調(diào)平油缸2則伸出。二者的油缸長(zhǎng)度改變量相同，從而使橫梁的角度改變量和工作平臺(tái)的角度改變量近似相等，實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平[8-10]。當(dāng)升降平臺(tái)在坡面上工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)調(diào)平手柄使工作臺(tái)最初位置與地面平行，就可實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)在升降過程中保持水平；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條擺動(dòng)液壓缸，拖拉機(jī)的油泵驅(qū)動(dòng)液壓缸齒條，帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)升降平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及計(jì)算

2.1　升降裝置設(shè)計(jì)

2.1.1升降油缸計(jì)算

將升降油缸看成二力桿[11]，且調(diào)平油缸重力較小，忽略不計(jì)，則升降系統(tǒng)的受力模型如圖2所示。

圖2　升降油缸受力簡(jiǎn)圖

圖2中，G1為工作臺(tái)與最大負(fù)載重力(N)；G2為橫梁重力(N)；F為升降油缸承受載荷(N)；L為工作平臺(tái)長(zhǎng)度(m)；θ為橫梁與水平面的夾角(°)；β為橫梁與升降油缸的夾角(°)。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，由∑Mo(F)=0可知

(1)

則

(2)

由上式知：升降油缸承受壓力F隨θ變化而變化。將裝配模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，可得升降油缸受力曲線，如圖3所示。

圖3　升降油缸受力曲線

由圖3可知：升降油缸的最大受力為19 700 N。

2.1.2升降油缸選型

升降油缸缸徑可由下式計(jì)算，有

(3)

其中，F(xiàn)為升降油缸承受載荷(N)；P1為工作腔壓力(Pa)；P2為回油腔壓力(Pa)；Φ為缸桿徑比[12]。由升降油缸受力曲線可知：F=19 700N。根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)確定：P1=10×106Pa，P2=0.5×106Pa，Φ=0.5。經(jīng)計(jì)算，D=0.050 4m。考慮到額外阻力，選用缸徑為0.063m的HSG系列工程液壓缸。

2.2　調(diào)平裝置設(shè)計(jì)

考慮到穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)成本，該果園升降平臺(tái)采用靜液壓三角形調(diào)平方式。

2.2.1調(diào)平機(jī)構(gòu)模型

調(diào)平機(jī)構(gòu)模型如圖2所示。A、B點(diǎn)是調(diào)平油缸1的鉸接點(diǎn)，A'、B'點(diǎn)是調(diào)平油缸2的鉸接點(diǎn)。在△AOB和△A'O'B'，中，OA、OB和O'A'、O'B'邊固定，且OA=O'A'，OB=O'B'，AB邊為調(diào)平油缸1，A'B'邊為調(diào)平油缸2。

2.2.2調(diào)平機(jī)構(gòu)原理

1)調(diào)平油缸1和2長(zhǎng)度改變量關(guān)系。調(diào)平油缸1和2的工作腔與回油腔各自相連，構(gòu)成一個(gè)封閉系統(tǒng)。根據(jù)液壓油體積不變的原理得

(4)

其中，D1和D2分別是調(diào)平油缸1和2的缸徑(m)；ΔS1和ΔS2分別是調(diào)平油缸1和2的長(zhǎng)度改變量(m)。

為使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，取D1=D2，則

ΔS1+ΔS2=0

(5)

所以，ΔS1=-ΔS2，即調(diào)平油缸1和2運(yùn)動(dòng)過程相反，二者油缸長(zhǎng)度改變量相同。

2)橫梁角度和工作平臺(tái)角度改變量關(guān)系。令OA=O'A'=1，OB=O'B'=k，以橫梁處于最低位置為初始條件。在△AOB中，調(diào)平油缸1長(zhǎng)度增加ΔS后,∠AOB的角度改變量為

Δ∠AOB=(∠AOB)2-(∠AOB)1

(6)

同理，在△A'O'B'中，∠A'O'B'的角度改變量為

Δ∠A′O′B′=(∠-A′O′B′)2(∠A′O′B′)1

(7)

其中，A'B'為調(diào)平油缸初始長(zhǎng)度(m)。

由式(6)和式(7)可知：∠AOB增大，∠A'O'B'減??；反之，∠AOB減小∠A'O'B'增大，且Δ∠AOB+Δ∠A′O′B′不恒為零，即橫梁角度的改變量和工作平臺(tái)角度的改變量不總是相等，存在系統(tǒng)調(diào)平誤差Δ，即

Δ=Δ∠AOB+Δ∠A′O′B′

(8)

由式(8)可知：系統(tǒng)調(diào)平誤差與調(diào)平油缸和隨動(dòng)油缸的安裝位置有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)要求工作平臺(tái)升降過程中擺動(dòng)角度(調(diào)平誤差)≤3°。合理安排液壓缸鉸接點(diǎn)位置，使調(diào)平誤差盡量小，將運(yùn)動(dòng)模型導(dǎo)入ADAMS中仿真確定隨動(dòng)油缸和調(diào)平油缸鉸點(diǎn)安裝位置，即OA(O'A')=0.018 m、OB(O'B')=0.052 m。

2.2.3調(diào)平油缸選型

調(diào)平油缸缸徑計(jì)算同升降油缸。經(jīng)計(jì)算，選用缸徑為0.025 m的HSG系列工程液壓缸，雙耳環(huán)連接。

2.3　回轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)

為增大作業(yè)者操作空間，設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，主要由齒輪齒條擺動(dòng)液壓缸、聯(lián)軸器和立柱等組成。齒輪齒條擺動(dòng)液壓缸的齒條在拖拉機(jī)油泵驅(qū)動(dòng)下左右運(yùn)動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)變成立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)平臺(tái)的回轉(zhuǎn)。

2.3.1回轉(zhuǎn)力矩計(jì)算

由運(yùn)動(dòng)模型可知：工作臺(tái)、橫梁、立柱、升降油缸、調(diào)平油缸1和2在回轉(zhuǎn)時(shí)做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算時(shí)因調(diào)平油缸1和2、升降油缸和立柱的質(zhì)量相對(duì)工作負(fù)載相比較小，忽略不計(jì)。將工作臺(tái)和負(fù)載作為質(zhì)點(diǎn)，橫梁作為剛體，故回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所需回轉(zhuǎn)力矩為

T=(J+m×d2)·α

(9)

其中，J為橫梁對(duì)回轉(zhuǎn)中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)；m為工作平臺(tái)和負(fù)載的質(zhì)量(kg)；d為工作平臺(tái)和負(fù)載的回轉(zhuǎn)半徑，即d≈OO'+L/2，OO'為橫梁長(zhǎng)度(m)；L為工作平臺(tái)長(zhǎng)度(m)；α為平臺(tái)旋轉(zhuǎn)的角加速度(rad/s2)。

通過計(jì)算，得所需轉(zhuǎn)矩T=192 N·m。

2.3.2回轉(zhuǎn)液壓缸選型

根據(jù)工作平臺(tái)所需轉(zhuǎn)矩計(jì)算，選用ZBFZD100-180型擺動(dòng)液壓缸，擺動(dòng)角度0°~180°。

2.4　配重計(jì)算

因升降平臺(tái)的橫梁較長(zhǎng)，為避免拖拉機(jī)發(fā)生上翹現(xiàn)象，需在拖拉機(jī)前端加配重。以升降平臺(tái)在最大坡度上且橫梁與水平面平行(即危險(xiǎn)工況)時(shí)進(jìn)行計(jì)算，受力如圖4所示。

圖4　20°坡面上果園作業(yè)平臺(tái)受力圖

圖4中，m1為工作臺(tái)和負(fù)載質(zhì)量(kg)；m2為調(diào)平油缸質(zhì)量(kg)；m3為橫梁重力(kg)；m4為升降油缸質(zhì)量(kg)；m5為隨動(dòng)油缸質(zhì)量(kg)；m6為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)總質(zhì)量(kg)；m7為拖拉機(jī)質(zhì)量(kg)；m0為配重質(zhì)量(kg)；g為重力加速度(m/s2)；E為前輪著地點(diǎn)；J為后輪著地點(diǎn)；P為拖拉機(jī)重心；Q為配重重心；G為拖拉機(jī)重心在斜面上的投影；R為配重重心在斜面上的投影；K為立柱上端面的回轉(zhuǎn)中心；H為立柱上端面回轉(zhuǎn)中心在斜面上的投影。

要使拖拉機(jī)前端不上翹，則存在

∑MJ(F)=0

FNE≥0

(14)

其中，F(xiàn)NE為拖拉機(jī)后輪所受地面的支持力(N)。

計(jì)算時(shí)，因調(diào)平油缸1和2、升降油缸與工作負(fù)載相比較小，可忽略不計(jì)，則

m0g(RJcos20°-QRtan20°)+m7g(GJcos20°-

PGtan20°)-m1g(JH/cos20°+KO′)-

m3g(JH/cos20°+KO+KO′/2)-

m6gJH/cos20°-FNE·EJ=0

(15)

通過計(jì)算，得m0≥35.7kg。考慮動(dòng)載因素，選用配重質(zhì)量為m0=50kg。

3樣機(jī)與試驗(yàn)

3.1　樣機(jī)

設(shè)計(jì)的樣機(jī)如圖5所示，主要參數(shù)如表1所示。

圖5　丘陵山區(qū)果園作業(yè)平臺(tái)樣機(jī)

參數(shù)單位數(shù)值配套動(dòng)力kW13.2最小轉(zhuǎn)向半徑m2.8

續(xù)表1

3.2　試驗(yàn)

試驗(yàn)在山東華興機(jī)械股份有限公司進(jìn)行，對(duì)主要性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：該平臺(tái)運(yùn)行基本平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)上翹現(xiàn)象，但由于擺動(dòng)液壓油缸的安裝間隙，平臺(tái)有輕微擺動(dòng)；最大承載質(zhì)量可達(dá)150kg，最大提升高度1.5m，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速0.1r/min，升降速度0.1m/s。

為測(cè)試調(diào)平效果，分別在水平面、10°和20°坡面上測(cè)量調(diào)平油缸1和2的長(zhǎng)度及調(diào)平誤差，結(jié)果如表2所示。

表2　水平面、10°和20°坡面上調(diào)平誤差

序號(hào)1中對(duì)應(yīng)值為初始值。

由表2可知：在水平面和11°坡面上調(diào)平油缸1和2的長(zhǎng)度改變量基本相等，調(diào)平誤差均≤3°。油缸長(zhǎng)度改變量不完全相同主要是由液壓系統(tǒng)滯后及樣機(jī)制造和安裝誤差引起的，調(diào)平誤差主要是由于靜液壓三角形結(jié)構(gòu)存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)誤差。因此，后續(xù)的研究工作主要是補(bǔ)油回路設(shè)計(jì)和進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)平油缸鉸點(diǎn)位置，降低調(diào)平誤差，提高工作平臺(tái)的安全性。

4結(jié)論

1)針對(duì)丘陵山區(qū)果園僅靠簡(jiǎn)單的梯架來修剪和收獲，勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差及現(xiàn)有機(jī)械不能自動(dòng)調(diào)平的問題，研制了以小四輪拖拉機(jī)為動(dòng)力源且具備調(diào)平功能的丘陵山區(qū)果園作業(yè)平臺(tái)，并對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

2)設(shè)計(jì)了靜液壓三角形調(diào)平結(jié)構(gòu)，分析了調(diào)平誤差存在的系統(tǒng)根源。通過運(yùn)動(dòng)仿真確定了調(diào)平油缸1和2鉸點(diǎn)安裝位置，即OA(O'A')=0.018m、OB(O'B')=0.052m。

3)檢測(cè)結(jié)果表明：該平臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)，最大承載質(zhì)量可達(dá)150kg，最大升高高度1.5m，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速0.1r/min，升降速度0.1m/s，升降過程中調(diào)平誤差均≤3°。

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Development and Experiment of Platform for Orchards in Hill Area

Fan Guiju， Wang Yongzhen, Wang Jianchao， Zhang Xiaohui

(Shandong Agricultural University，College of Mechanical and Electrical Engineering/Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment, Tai'an 271018, China)

Abstract：At present, pruning of fruit trees on hills is mainly through climbing on trees or ladder, which could cause injury due to poor landform. In order to avoid such kind of risks, a lifting platform for orchards in hill area was designed, The platform is comprised of power device, elevating mechanism, leveling mechanism, slewing mechanism, supporting mechanism and hydraulic control system. The platform is driven by a small four-wheel tractor. The hydraulic system can control hydraulic cylinders extending and retracting to lift or lower the platform, or to rotate, or to keep it at horizontal position.Performance test has been carried out for the lifting platform.The results show that the platform has stable working performance, the maximum bearing load is up to 150kg, the lifting height is 1.5 m, the rotating speed is 0.1r/min, the lifting velocity is 0.1m/s, and leveling error in the lifting process is ≤ 3°.So the platform can be suitable for slope terrain, and the design requirements are satisfied.

Key words：hill area; orchards; platform; hydraulic

中圖分類號(hào)：S224.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)08-0077-05

作者簡(jiǎn)介：樊桂菊(1979-)，女，山東曲阜人，副教授，博士研究生，(E-mail)fanguiju2002@163.com。通訊作者：張曉輝(1961-)，男，山東東阿人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail) Zhangxh@sdau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD20B10-2-4)

收稿日期：2015-08-05