多功能全液壓果園作業平臺的設計與試驗

楊傳龍，樊桂菊，2，王春武，宋月鵬，2，侯加林，2

(1.山東農業大學 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環節仍以人工為主，勞動強度大、生產效率低[1-3]，而現代化果品產業的發展為果園機械化提供了條件。

國外對果園作業平臺的研究較早，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。山東農業大學研制的果園作業平臺[6-7 ]，通過一人操作實現工作臺升降、回轉和調平。湖南農業大學研制的小型履帶自走式剪叉式作業平臺[ 8]，通過液壓缸實現升降、角度調整等。北京市農業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[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，作業人員根據工作臺狀態，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。

(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。控制電磁閥使油缸伸縮，實現工作臺縱坡作業保持水平；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l2—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l1—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lO3—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

為驗證果園作業臺的性能和可靠性，于2017年6月在威海新元現代果業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時保持水平狀態，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。試驗測得采摘作業效率為0.42hm2/h，比人工提高了2～4倍。