3GP-160自走式果園作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

何建華， 楊 欣， 王鵬飛， 劉俊峰

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定 071001)

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，林果業(yè)種植越來越受到重視，果園管理機(jī)械化的需求也越來越迫切。果園平臺(tái)的應(yīng)用改善了直接使用人字梯徒手攀爬果樹進(jìn)行作業(yè)帶來的危險(xiǎn)性[1-4]。針對(duì)現(xiàn)代新型矮砧密植新型果園行距標(biāo)準(zhǔn)和株高較低等特點(diǎn)，課題組已開發(fā)了履帶式、多級(jí)剪叉輪式作業(yè)平臺(tái)和高地隙果園動(dòng)力底盤，能夠在果園特殊環(huán)境中實(shí)現(xiàn)疏花、修剪、采摘和果品運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)需求[5-8]。在筆者所在課題組已研發(fā)果園作業(yè)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)輪式平臺(tái)進(jìn)行了優(yōu)化，采用了一級(jí)剪叉機(jī)構(gòu)，增加了剎車功能，改變了操縱形式，加高了平臺(tái)防護(hù)欄，以期提升平臺(tái)升降穩(wěn)定性，保證制動(dòng)即時(shí)性，提高操縱方便性，減輕運(yùn)輸勞動(dòng)強(qiáng)度，提高安全保障。

1 設(shè)計(jì)要求及總體結(jié)構(gòu)原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

適應(yīng)現(xiàn)代矮砧密植新型果園，符合蘋果生產(chǎn)中的疏花、采摘、修剪等作業(yè)要求。(1)能夠適應(yīng)現(xiàn)代矮砧新型果園地形。行駛速度為 0.1～6.5 km/h；變速器為無級(jí)變速。(2)載人工作臺(tái)可提升高度為0～1.15 m。(3)升降平穩(wěn)，可即時(shí)制動(dòng)。

1.2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

3GP-160自走式果園作業(yè)平臺(tái)主要由操控系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、載人平臺(tái)、升降系統(tǒng)和行走系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。操控系統(tǒng)由方向盤、顯示屏和控制按鈕等組成；剎車系統(tǒng)主要由剎車油壺、剎車腳踩板及相關(guān)聯(lián)的液壓系統(tǒng)組成；載人平臺(tái)可整體升降，主要分為3個(gè)部分，分別為左右和中間平臺(tái)，左右平臺(tái)可向兩側(cè)伸展，主要由伸展液壓油缸、支撐矩管、支撐板組成，中間平臺(tái)主要由支撐矩管、支撐板組成，平臺(tái)上加裝護(hù)欄；升降系統(tǒng)主要由一級(jí)剪叉機(jī)構(gòu)、升降油缸和泵站組成；行走系統(tǒng)主要由前橋、后橋、無級(jí)變速器和液壓系統(tǒng)組成。

工作時(shí)，司機(jī)和工作人員直接站立載人平臺(tái)上操控機(jī)器，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)無級(jí)變速器帶動(dòng)輪式行走系統(tǒng)行走，到達(dá)工作位置后，搬回行走手柄，踩下剎車，確保機(jī)器停到準(zhǔn)確位置，通過控制升降油缸升降來調(diào)整平臺(tái)高度，以適應(yīng)不同高度的工作位，通過控制伸展油缸左右伸展，來適應(yīng)不同的橫向采摘位置。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

選取蘋果樹為研究對(duì)象，主要針對(duì)現(xiàn)代新型矮砧密植果園的栽植模式，新型果園的株行距2 m×4 m，株高3.5～4 m，枝展1.5 m左右，行內(nèi)通道1.8～2.5 m(圖2)，果樹向兩側(cè)伸展較小，地頭預(yù)留空地。樣機(jī)設(shè)計(jì)參考新型果園使用要求，確定自走式果園作業(yè)平臺(tái)的主要參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 輪式行走系統(tǒng)

現(xiàn)代新型果園，地勢(shì)較平坦，無較大起伏，采用農(nóng)用輪式底盤可在滿足作業(yè)要求的前提下，節(jié)約成本，提高作業(yè)效率。行走系統(tǒng)如圖3所示，主要包括后橋、無級(jí)變速器、機(jī)架、水箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、前橋，通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，以滿足不同作業(yè)速度要求。

表1 3GP-160自走式果園作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 一級(jí)剪叉機(jī)構(gòu)

平臺(tái)升降系統(tǒng)主要靠一級(jí)剪叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖4所示，它主要由升降油缸下連接板、升降油缸、升降油缸上連接板、剪叉臂、滾動(dòng)軸承銷軸、滾動(dòng)軸承和中間銷軸等結(jié)構(gòu)組成。

為保證平臺(tái)升降高度滿足作業(yè)要求，且平臺(tái)具有穩(wěn)定的升角，對(duì)剪叉臂長(zhǎng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖5所示。

設(shè)一級(jí)剪叉最大起升高度為H，剪叉臂長(zhǎng)為L(zhǎng)，最大起升角為θ，軸承滾動(dòng)距離為B，則

sinθ=H/L；

(1)

cosθ=(L-B)/L。

(2)

一般剪叉最大起升角為30°～50°[5]，為保證平臺(tái)舉升穩(wěn)定性，并盡可能地減少整機(jī)長(zhǎng)度，選最大升角為40°，由表1可知H=1.15 m，代入式(1)、式(2)得剪叉臂長(zhǎng)度L=1.788 m，B=0.418 m。

2.3 載人平臺(tái)

設(shè)計(jì)載人平臺(tái)時(shí)，考慮果園行距、蘋果運(yùn)輸方便性和工作人員安全性，應(yīng)避免工作人員跌落，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。平臺(tái)主要由平臺(tái)底板、護(hù)欄和護(hù)欄圍板等結(jié)構(gòu)組成，其中護(hù)欄圍板可防止工具掉落，平臺(tái)底板工作表面可防滑；護(hù)欄后側(cè)留有足夠空間，以方便工作人員上下；為保證作業(yè)人員的安全性和操作方便性，設(shè)計(jì)護(hù)欄高度時(shí)，考慮了工作人員的高度和手伸空間等因素。載人平臺(tái)主要尺寸及參數(shù)見表2。

平臺(tái)底板可左右伸縮，如圖7所示，它主要由伸縮板支架、油缸活塞桿固定座、伸縮油缸、伸縮板、伸縮用軸承、缸管本體固定座等結(jié)構(gòu)組成。平臺(tái)載工作人員左右伸縮時(shí)，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。平臺(tái)伸出長(zhǎng)度將影響其安全系數(shù)，為此，須確定油缸伸縮長(zhǎng)度，以保障人員的安全。

表2 載人平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 伸縮長(zhǎng)度確定

平臺(tái)左右伸縮為典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)保證工作人員在平臺(tái)伸展到最遠(yuǎn)處位置工作時(shí)的安全性，為確定平臺(tái)左右伸縮的安全長(zhǎng)度，對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。如圖8所示，在AIP(Autodesk Inventor Professional)軟件中構(gòu)建第50百分位假人模型，其中一人為司機(jī)兼職工作人員，左右兩側(cè)各站2人，負(fù)責(zé)采摘和修剪等作業(yè)過程，以模仿實(shí)際作業(yè)時(shí)平臺(tái)上的作業(yè)環(huán)境。通過模擬平臺(tái)伸縮來確定最佳安全系數(shù)，從而確定平臺(tái)左右最佳伸長(zhǎng)長(zhǎng)度，以期在滿足作業(yè)要求的同時(shí)，保證平臺(tái)處在伸縮工作狀態(tài)時(shí)具有足夠的可靠性。

在不影響計(jì)算精度的前提下，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，以減少軟件計(jì)算時(shí)間。如圖9所示，將右側(cè)伸平臺(tái)作為有限元分析對(duì)象，兩側(cè)矩管上表面被分割成15個(gè)面，其中7個(gè)等分面為固定約束面，不同的等分面代表右側(cè)平臺(tái)伸出的不同長(zhǎng)度，力的大小根據(jù)站在右側(cè)伸平臺(tái)上工作人員的數(shù)量及工作狀態(tài)來確定。由圖8可知，有2個(gè)工作人員站在右伸平臺(tái)，且平臺(tái)配備果箱，經(jīng)過計(jì)算，可得受力面的受力大小約為1 800 N，這里取重力加速度為9.8 m/s2，方向?yàn)樨Q直向下，并將力作用在平臺(tái)前后 0.4 m×0.3 m 的2 個(gè)工作人員作業(yè)區(qū)域。選矩管和鋼板材料為Q235A，其屈服極限為235 MPa，強(qiáng)度極限為 500 MPa，初始鋼管規(guī)格為50 mm×50 mm×4 mm，進(jìn)行有限元分析后，得到變形、安全系數(shù)和等效應(yīng)力隨右伸平臺(tái)伸出長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)如圖10所示。

矮砧密植果園栽植模式的行距為4 m，參考GB10000—1988中國(guó)成年人人體尺寸基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可知，P10百分位人體手伸為0.514 m，因此，為保證工作人員能夠順利對(duì)果樹主干進(jìn)行作業(yè)，要求平臺(tái)左右伸展長(zhǎng)度為0.765 m左右。由圖10可知，右伸平臺(tái)伸出長(zhǎng)度越長(zhǎng)，等效應(yīng)力越大，安全系數(shù)越小，當(dāng)矩管伸出長(zhǎng)度為0.765 m時(shí)，安全系數(shù)為0.83，小于1，等效應(yīng)力為283.5 MPa，大于屈服極限，不滿足設(shè)計(jì)要求。依據(jù)分析結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次調(diào)整，最終確定矩管厚度增加到 7 mm，材料改為20#鋼，改進(jìn)后的應(yīng)力分析結(jié)果如圖11所示，由此可確定平臺(tái)左右可伸縮長(zhǎng)度范圍為0～0.765 m，從而確定油缸的最大伸出長(zhǎng)度為0.765 m。

4 樣機(jī)試制與果園試驗(yàn)

2016年6月下旬，河北中農(nóng)博遠(yuǎn)農(nóng)業(yè)裝備有限公司對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了試制，并定型為3GP-160；在保定市順平現(xiàn)代矮砧密植示范園進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，如圖12所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，樣機(jī)外形尺寸適應(yīng)新型果園栽植模式，操作簡(jiǎn)單，無干涉現(xiàn)象，載人平臺(tái)可升降并定位至不同高度，左右伸縮平臺(tái)可到達(dá)不同的橫向工作位，行駛平穩(wěn)，具備良好的斜坡制動(dòng)功能，可滿足摘果和修剪等作業(yè)要求。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)制造了一種針對(duì)現(xiàn)代新型矮砧密植果園栽植模式的自走式果園作業(yè)平臺(tái)，經(jīng)過檢測(cè)和果園試驗(yàn)，反映了以下特征：

(1)樣機(jī)外形尺寸較小、結(jié)構(gòu)緊湊、操控簡(jiǎn)便，試驗(yàn)測(cè)得其行駛速度為0.1～6.5 km/h，可升降高度為0～1.15 m，基本滿足設(shè)計(jì)要求，適應(yīng)于現(xiàn)代矮砧密植果園作業(yè)環(huán)境。

(2)對(duì)兩側(cè)伸展平臺(tái)施加實(shí)際作業(yè)工況下的載荷條件和邊界約束等邊界條件，進(jìn)行有限元三維應(yīng)力計(jì)算，確定了油缸伸縮長(zhǎng)度為0.765 m。

(3)果園試驗(yàn)表明：設(shè)計(jì)的自走式果園作業(yè)平臺(tái)升降穩(wěn)定，行駛平穩(wěn)，可伸出至橫向工作位，具備即時(shí)制動(dòng)功能，滿足現(xiàn)代新型果園作業(yè)要求。