楊傳龍，樊桂菊，2，王春武，宋月鵬，2，侯加林，2

(1.山東農業(yè)大學 機械與電子工程學院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018；3.威海新元果園技術服務有限公司，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，果園機械化程度低，果枝修剪、果實套袋和采摘等主要作業(yè)環(huán)節(jié)仍以人工為主，勞動強度大、生產效率低[1-3]，而現代化果品產業(yè)的發(fā)展為果園機械化提供了條件。

國外對果園作業(yè)平臺的研究較早，技術較為成熟，多采用輪式和液壓控制，轉彎半徑小、操作靈活。意大利REVO公司設計了一種蘋果園專用采摘平臺[4]，地形適應能力強，并安裝有蘋果傳送帶，提高了采摘效率。國內對果園作業(yè)平臺的研究較晚，主要分為兩種：牽引式和自走式。濰坊森海機械制造有限公司研發(fā)了3GP-160型果園升降平臺[5]，采用剪叉式升降機構，集果枝修剪、果實采摘及運輸等功能為一體。山東農業(yè)大學研制的果園作業(yè)平臺[6-7 ]，通過一人操作實現工作臺升降、回轉和調平。湖南農業(yè)大學研制的小型履帶自走式剪叉式作業(yè)平臺[ 8]，通過液壓缸實現升降、角度調整等。北京市農業(yè)機械試驗鑒定推廣站研制的小型履帶式多功能遙控動力平臺，與相應機具配套完成旋耕、除草、打藥及剪枝等多項作業(yè)[9]。

引進國外產品超出了農民購買力，而目前國內的牽引式作業(yè)平臺多由拖拉機帶動，轉彎半徑較大，不適宜小地塊；履帶式作業(yè)平臺多采用機械傳動，操作不靈活，且不具備果箱自動裝卸功能。因此，本文設計了一種多功能全液壓果園作業(yè)平臺，并進行了性能試驗。

1 整體結構及工作原理

1.1 整體結構

多功能全液壓果園作業(yè)平臺主要由輪式驅動底盤、動力裝置、升降裝置、調平裝置和工作臺等組成，如圖1所示。采用液壓四輪驅動技術[10]及雙輪和四輪2種轉向模式以提高行走能力；柴油機提供動力，通過彈簧座與底盤連接以減小振動。升降裝置包括3部分：工作臺升降裝置和果箱前、后升降裝置，分別采用剪叉機構、平行四邊形結構和直立式升降結構；調平裝置分為前后調平和左右調平，前者采用同構雙缸反并聯結構，后者采用單油缸支撐、底盤和車橋同心鉸接結構；工作臺主要由護欄、導軌和左右踏板等組成。

工作時，動力裝置驅動行走機構，到達工作位置后，作業(yè)人員根據工作臺狀態(tài)，由調平裝置對工作臺進行前后、左右調平；通過電磁閥控制油缸使工作臺升降和展開，以適應不同高度和不同行距的果實采摘、果枝修剪；通過控制前果箱升降裝置將空箱舉升至工作臺，待裝滿后經工作臺上的導軌運送至后升降裝置，將其降至地面，完成自動裝卸。

1.前果箱升降裝置 2.剪叉式升降裝置 3.動力裝置 4.驅動底盤 5.左右調平裝置 6.后果箱升降裝置 7.工作臺 8.前后調平裝置圖1 多功能全液壓果園作業(yè)平臺結構圖Fig.1 Sketch diagram of multi-function full hydraulic orchard platform

1.2 工作原理

1.2.1 驅動原理

為提高動力性和行走穩(wěn)定性，且便于操作，驅動系統采用液壓-機械組合傳動方案，如圖2所示。其主要由變量柱塞泵、液壓馬達、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，改變液壓馬達的轉速，從而實現整機的無極調速；為提高傳動效率，末級傳動采用變速箱驅動行走輪；前后車橋采用差速結構，通過傳動軸相連，實現四輪驅動。

1.過濾器 2.手動截止閥 3.油箱 4.柴油機 5.傳動軸 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)傳動軸 13.變速箱 14.后橋差速器 15.液壓馬達 16.雙向徑向柱塞變量泵 17.變速箱電子推桿圖2 液壓驅動原理圖Fig.2 Schematic diagram of hydraulic drive system

1.2.2 轉向原理

為適應多種復雜地形，設計了兩輪轉向和四輪轉向模式。

1)兩輪轉向模式。兩輪轉向原理如圖3(a)所示。調整后兩輪中位，由液壓轉向器控制前兩輪進行轉向，轉彎半徑通過下式計算，即

(1)

式中L—軸距(m)；

δ—車輪最大轉向角 (°)。

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

(2)

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

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

1.2.3 調平原理

1)工作臺前后調平。工作臺通過前后調平油缸與剪叉式升降機架鉸接，兩油缸結構相同，油路反并聯?？刂齐姶砰y使油缸伸縮，實現工作臺縱坡作業(yè)保持水平；利用順序閥調整無桿腔進油壓力，當兩油缸處于極限位置時，受力如圖4所示。

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

兩油缸進油壓力P11、P22分別為

(3)

(4)

式中G1—工作臺加載荷總重力(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：活塞桿運動中，調試Pop，使運動過程中一直保持P22>P11,實現兩油缸不同時動作。

2)底盤左右調平。底盤左右調平如圖5所示。底盤與前后車橋采用同心鉸接方式，調平油缸分別連接底盤和后車橋，由電磁閥控制油缸調整底盤與后車橋的相對角度，從而實現橫坡作業(yè)時工作臺水平。

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

1.2.4 工作裝置液壓控制系統原理

通過液壓馬達帶動不同的工作裝置實現作業(yè)平臺的轉向、調平、升降、展開和裝卸功能，控制系統工作原理如圖6所示。

1.過濾器 2.截止閥 3.發(fā)動機 4.主齒輪泵 5.液壓轉向器 6.轉向油缸 7.果箱升降油缸 8.踏板展開油缸 9.前后調平油缸 10.左右調平油缸 11.液壓鎖 12.電磁換向閥組 13.工作臺升降油缸 14.手動卸油閥 15.油箱圖6 液壓控制系統原理圖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、轉向器和控制箱等組成。當平臺轉向時，轉向器直接控制轉向油缸；當平臺不轉向時，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的安全。

2 主要部件設計

2.1 工作臺可調平升降機構設計

如圖7所示，升降機構采用剪叉結構，前后調平采用同構雙杠反并聯結構。

(a) 結構圖

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

由圖7中幾何關系，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 (°)。

根據底盤結構，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∑MH=0得升降油缸推力為

(6)

(7)

式中l(wèi)1—工作臺長度(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)。

前后調平時，工作臺繞一端點做定軸轉動，由動量矩定理得

(8)

得前后調平油缸推力為

(9)

式中JD—工作臺對D點的轉動慣量(kg·m2)；

α1—工作臺調平轉動的角加速度(rad/s2)；

θ—工作臺前后傾斜角度 (°)。

同理，由圖5可計算左右調平油缸推力。

2.2 果箱升降機構設計

1)前升降裝置采用平行四邊形結構，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 果箱前升降裝置結構與受力圖Fig.8 Sketch diagram and force analysis diagram of front lifting mechanism of box

由動量矩定理得

(10)

油缸作用力為

(11)

式中l(wèi)O3—果箱負載對O3點的轉動慣量(kg·m2)；

α2—機構繞O3點轉動的角加速度(rad/s2)；

G2—果箱負載(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軌結構，兩側各有一個升降油缸，通過鏈條鏈輪傳動，使果箱平穩(wěn)下降至地面，再經過滑輪導軌放置于地面，因此兩油缸作用力等于最大裝載重量。

2.3 工作臺展開機構設計

為適應不同行距的果樹，設計左右可展開的工作臺，結構如圖9所示。

展開油缸推力計算，則

Ffp=μfpmfpg

(12)

式中μfp—展開踏板與支撐梁之間的摩擦因數，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 工作臺展開下視結構圖Fig.9 Bottom view of expanding platform

3 試驗

3.1 試驗條件

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

圖10田間試驗Fig.10 Testing in field

試驗檢測設備：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噪聲測試儀(30～130dBA，精度±1.5dB)。

3.2 試驗結果與分析

根據《農業(yè)機械生產試驗方法》(GB/T 5667-2008)進行各工況試驗，結果如表1所示。

表1 樣機性能測試結果Table 1 The result of prototype performance test

由表1可知：樣機綜合性能較好，各項指標都達到了設計要求。其中，前后調平精度較高，最大調平誤差僅為0.5°，左右調平由于結影響，調平精度稍差，最大調平誤差為1.5°；采摘作業(yè)效率為0.42hm2/h，比人工提高了2～4倍。

4 結論

1)設計了一種多功能全液壓果園作業(yè)平臺。采用液壓四輪驅動、雙輪和四輪2種轉向模式，有轉彎半徑小、行走能力強，可適應多種復雜地形；同時，通過液壓控制實現轉向、調平、升降、展開和裝卸等功能，經過試驗測試，各項性能指標均達到設計要求。

2)采用剪叉式升降機構和展開式工作臺，適應不同高度和不同行距果樹的果實采摘、果枝修剪；設計了同構雙杠反并聯機構使工作臺實現前后調平；底盤和車橋采用同心鉸接方式，通過電磁閥控制油缸伸縮，調整機身左右調平，從而實現工作臺在坡地作業(yè)時保持水平狀態(tài)，最大調平誤差為1.5°，適應我國丘陵山地較多的地形特點。

3)為了提高生產效率，設計了果箱升降裝置和工作臺導軌，通過電磁閥控制前升降油缸將空果箱舉升至工作臺，待裝滿后經導軌運送至后升降裝置，再將其降至地面，實現果箱自動裝卸。試驗測得采摘作業(yè)效率為0.42hm2/h，比人工提高了2～4倍。