丘陵山區(qū)果園通用升降作業(yè)平臺(tái)研制與試驗(yàn)

丁小兵，李亞麗，劉良豪，曹中華，王圓明，湛小梅*

（1.重慶鑫源農(nóng)機(jī)股份有限公司，重慶 401329；2.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329）

我國是世界水果生產(chǎn)第一大國，2020 年果園面積達(dá)1 264.63 萬hm2，水果產(chǎn)量達(dá)27 400 萬t，較2019 年分別增長3.01%、4.71%[1]。重慶市水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，2020 年全市果園面積為34.78 萬hm2，其中柑橘22.36 萬hm2；2020 年水果產(chǎn)量514.8 萬t，其中柑橘產(chǎn)量319.9 萬t[2]。隨著我國全面進(jìn)入小康社會(huì)，人民生活水平日益提高，人們對(duì)新鮮果品的消費(fèi)需求日益強(qiáng)烈。如何更好地豐富群眾的“果盤子”，成為一門重要的課題。

水果種植是高成本、大用工產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)成本連年上漲。以柑橘為例，2020 年重慶生產(chǎn)成本達(dá)3 841.95元/667 m2，其中人工成本1 724.73元/667 m2[3]，占總成本的44.9%，耗費(fèi)了大量物質(zhì)和人工成本。成本居高不下導(dǎo)致水果種植效益較低，農(nóng)民積極性不高；用工量大導(dǎo)致生產(chǎn)季節(jié)農(nóng)業(yè)工人嚴(yán)重缺乏，難以擴(kuò)大規(guī)模。機(jī)械化是提高果園種植收益、降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高果農(nóng)種植積極性、守護(hù)好人民群眾“果盤子”的最為有效的手段。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械底盤

現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機(jī)械底盤大多為傳統(tǒng)的機(jī)械式底盤，傳動(dòng)可靠、制造容易，但機(jī)械零件復(fù)雜笨重，一般不能進(jìn)行無級(jí)調(diào)速。而靜液壓驅(qū)動(dòng)底盤實(shí)現(xiàn)了輕量化，可無級(jí)變速減少頓挫，變速范圍更大，轉(zhuǎn)向更加輕盈，安全性和舒適性更高[4]。如今，全液壓底盤驅(qū)動(dòng)方案已在植保機(jī)械、收獲機(jī)械上得到大范圍應(yīng)用[5]，但在其他機(jī)械上應(yīng)用不多，本研究探索全液壓底盤用于果園管理機(jī)。

1.2 果園多功能管理平臺(tái)

20 世紀(jì)初期，歐美等西方發(fā)達(dá)國家就開始研究高空升降作業(yè)車，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)形成比較成熟的系列產(chǎn)品[6-9]。我國果園作業(yè)平臺(tái)研究起步較晚，進(jìn)展也比較緩慢。2000 年國產(chǎn)電動(dòng)升降平臺(tái)研制成功[10]，標(biāo)志著我國特色林果業(yè)機(jī)械裝備有了較大的發(fā)展。近年來，多功能升降管理平臺(tái)新產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，但目前歐美管理平臺(tái)只適宜大規(guī)模果園，日韓產(chǎn)品售價(jià)較高；國產(chǎn)果園管理作業(yè)平臺(tái)還存在著噪聲大、人機(jī)結(jié)合性較差、功能單一、機(jī)具操作笨重等缺點(diǎn)，且穩(wěn)定性和安全性還有待進(jìn)一步提高[11-12]。

2 丘陵果園果樹種植模式

為探明丘陵山區(qū)果園種植特點(diǎn)及幾何參數(shù)，作者走訪了重慶市內(nèi)多個(gè)果園，得出以下參數(shù)：重慶市標(biāo)準(zhǔn)化果園一般依山而建，并根據(jù)地形情況進(jìn)行了一定的宜機(jī)化改造，如陡坡改緩坡或梯田。平地或緩坡地帶2～3行或20 m寬開50 cm深溝排水，主要作物種植模式如下。柑橘種植行株距大多為5 m×3 m，也有4 m×3 m，樹高一般控制在2～3 m，成年樹樹冠直徑為2.5～2.8 m。葡萄一般根據(jù)架勢(shì)定，行株距為3 m×2 m，高度一般控制在1.8 m。枇杷常規(guī)行株距為4 m×3 m，如要機(jī)械化，行株距為5 m×3 m，高度一般控制在2～2.5 m。梨機(jī)械化種植行株距大多為5 m×3 m，也有4 m×3 m，樹高一般控制在2.5～3 m，成年樹樹冠直徑為3～4 m。

3 果園通用升降作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

3.1 結(jié)構(gòu)組成

升降平臺(tái)由液壓底盤系統(tǒng)、升降調(diào)平系統(tǒng)、操作平臺(tái)系統(tǒng)三大部分組成。液壓底盤系統(tǒng)主要搭載動(dòng)力、電瓶、液壓控制元件和履帶行走輪系等，負(fù)責(zé)提供整機(jī)動(dòng)力傳輸和自行走功能。升降調(diào)平系統(tǒng)主要由上中下三層框架、剪叉升降臂、調(diào)平油缸、升降油缸、啟動(dòng)總開關(guān)和油門開關(guān)等組成，負(fù)責(zé)平臺(tái)前后、左右的平衡調(diào)節(jié)及升降調(diào)節(jié)。操作平臺(tái)系統(tǒng)由固定平臺(tái)、伸縮平臺(tái)、電動(dòng)液壓缸、操控臺(tái)等組成，主要負(fù)責(zé)操控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多種功能，以及貨物的裝卸功能。其總體布局如圖1所示。

圖1 果園升降作業(yè)平臺(tái)總體布局

3.2 工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)雙聯(lián)齒輪泵把液壓油箱的液壓油輸送入液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)底盤行走機(jī)構(gòu)行走，行走方向由電磁換向閥控制，行走速度由液壓馬達(dá)流量控制（見圖2）。

圖2 果園升降平臺(tái)液壓控制原理

3.3 基本參數(shù)確定

丘陵山區(qū)宜機(jī)化柑橘、琵琶、梨等果園的種植行株距一般為5 m×3 m，也有4 m×3 m。根據(jù)丘陵山區(qū)宜機(jī)化果園種植地形條件及作業(yè)需求，升降平臺(tái)初步確定采用全液壓底盤、液壓剪叉式升降結(jié)構(gòu)，橫向縱向均可調(diào)平。

其主要參數(shù)為：配套動(dòng)力12 kW，配80 mm 油缸和304 齒輪泵；整機(jī)寬度1.8 m 左右；額定載荷1 t；升降高度≥1.5 m；行走速度0～0.3 m·s-1；調(diào)平角度橫向≤12°，縱向≤13°；離地間隙≥140 mm；履帶寬度230 mm；軌距1.57 m。

4 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

4.1 液壓底盤設(shè)計(jì)

液壓底盤（見圖3）由動(dòng)力傳輸部分和行走系統(tǒng)組成。動(dòng)力傳輸部分包括動(dòng)力、冷凝器、水箱、燃油箱、液壓油箱、齒輪泵、馬達(dá)、液壓閥、電磁閥、閥座、油管等部件，行走系統(tǒng)則包含行走底盤大架、履帶張緊機(jī)構(gòu)、輪系、履帶等組成。其工作原理為：柴油機(jī)帶動(dòng)齒輪泵將液壓箱中的液壓油泵入主閥座，再通過安裝在主閥座上的2 組電磁換向閥控制液壓油流入對(duì)應(yīng)側(cè)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，最后驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過與其相連的驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)履帶，完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向。

圖3 液壓底盤結(jié)構(gòu)

動(dòng)力選用常柴EV80 雙缸水冷柴油機(jī)，其標(biāo)定功率12 kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速3 000 r·min-1，最大扭矩43 N·m。齒輪泵選用CBWL-F310/F310，公稱排量10 mL·r-1，額定壓力16 MPa，最高轉(zhuǎn)速3 000 r·min-1。電磁換向閥選用4WE6G-6X/CD12，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)選用BMV-800-W9TDPD。行走系統(tǒng)（見圖4）選用人字履帶E230×72×58，其輪系由12齒驅(qū)動(dòng)輪、Ф200導(dǎo)向輪、2個(gè)Ф150支重輪、2 對(duì)Ф40 托輪、2 組Ф150 懸浮輪組成，履帶的張緊通過調(diào)節(jié)絲杠完成。

圖4 行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降機(jī)構(gòu)為2級(jí)剪叉結(jié)構(gòu)（見圖5），由升降油缸、平衡閥、電磁閥、閥座、升降剪刀臂、升降底座、升降框架、轉(zhuǎn)軸、滑動(dòng)軸等組成。其工作原理為：齒輪泵泵出高壓油，通過主閥座進(jìn)入分流閥座，再通過分流閥座上的2 組電磁換向閥流入單向平衡閥，最后流入2 個(gè)油缸，油缸桿伸長，推動(dòng)2 級(jí)剪叉伸展，平臺(tái)上升；換向閥動(dòng)作，液壓油經(jīng)平衡閥、換向閥回流到液壓油箱，油缸桿縮回，剪叉折疊，平臺(tái)下降。

圖5 剪叉式升降機(jī)構(gòu)

其中，電磁換向閥選用4WE6G-6X/ED24，單向平衡閥選用5160B，油缸選用HSG80/45-900-CA。HSG80/45-900-CA 油缸是工程用液壓油缸，缸內(nèi)徑80 mm，活塞桿外徑45 mm，行程900 mm，擺尾型。

4.3 調(diào)平機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

調(diào)平機(jī)構(gòu)由行走底盤大架、底盤上框架、油缸、平衡閥、電磁閥、閥座等組成（見圖6）。其左右調(diào)平工作原理為：齒輪泵泵出高壓油，通過主閥座進(jìn)入分流閥座，再通過分流閥座1 上的電磁換向閥流入橫向控制雙向平衡閥，最后流入對(duì)應(yīng)側(cè)的2 個(gè)油缸，油缸桿伸出，平臺(tái)左側(cè)或右側(cè)上升。換向閥動(dòng)作，液壓油通過平衡閥、換向閥回流到液壓油箱，油缸桿回縮，平臺(tái)下降。前后調(diào)平工作原理為：齒輪泵泵出的高壓油，通過主閥座進(jìn)入分流閥座，再通過分流閥座2 上的電磁換向閥流入縱向控制雙向平衡閥，最后流入對(duì)應(yīng)側(cè)的油缸，油缸桿伸出，平臺(tái)前部或后部上升。換向閥動(dòng)作，液壓油通過平衡閥、換向閥回流到液壓油箱，油缸桿回縮，平臺(tái)下降。

圖6 調(diào)平機(jī)構(gòu)

其中左右、前后調(diào)平的電磁換向閥均選用4WE6G-6X/ED24，雙向平衡閥均選用25160B，左右調(diào)平油缸選用HSG50/28-120-CA，前后調(diào)平油缸選用HSG63/35-150-CA。

5 關(guān)鍵部件有限元分析

5.1 行走底盤下層分析

從整體模型中提取出行走底盤下層模型，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化并導(dǎo)入ANSYS 進(jìn)行分析。對(duì)CAD 模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在模型平滑處使用六面體網(wǎng)格，在連接處和模型受力復(fù)雜處使用高階四面體網(wǎng)。劃分后的網(wǎng)格單元數(shù)為102 209，節(jié)點(diǎn)數(shù)為244 225。根據(jù)行走底盤上層框架在整車模型中的位置及實(shí)際受力情況，在頂部兩根梁上施加10 MPa的壓力，在梁下方施加約束。

仿真分析結(jié)果如圖7、圖8所示，最大變形出現(xiàn)在上部與其他部件的連接位置，為0.014 mm；最大應(yīng)力為9.9 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，設(shè)計(jì)可靠。

圖7 行走底盤下層變形圖

圖8 行走底盤下層應(yīng)力云圖

5.2 行走底盤上層分析

將行走底盤上層結(jié)構(gòu)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化并導(dǎo)出到ANSYS 中進(jìn)行仿真分析。根據(jù)三維模型的具體情況進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分后共有40 049個(gè)單元，102 085個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)行走底盤上層框架在整車模型中的位置和受力情況，對(duì)4 根梁上分別施加6 MPa 的壓力，在梁下方施加約束。

仿真分析結(jié)果如下，最大變形量及具體位置如圖9所示，為0.002 mm；最大應(yīng)力大小及位置如圖10所示，最大應(yīng)力為1.78 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，設(shè)計(jì)可靠。

圖9 行走底盤上層變形圖

圖10 行走底盤上層應(yīng)力圖

5.3 底盤上層框架分析

將底盤上層結(jié)構(gòu)格式轉(zhuǎn)化后導(dǎo)出到ANSYS中進(jìn)行仿真分析。對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)模型的具體情況進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分后共有130 881 個(gè)網(wǎng)格單元，606 326個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)底盤上層框架在整車模型中的位置和受力分析，對(duì)4 根梁上分別施加載荷4 MPa的壓力，在梁下方施加約束。

仿真分析結(jié)果如下，最大變形量及具體位置如圖11 所示，為0.025 mm；最大應(yīng)力及位置如圖12 所示，為14.8 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，設(shè)計(jì)安全。

圖11 底盤上層框架變形圖

圖12 底盤上層框架應(yīng)力圖

5.4 折疊梁框架有限元分析

將折疊梁進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化并導(dǎo)出到ANSYS中進(jìn)行仿真分析。對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后共有102 209 個(gè)網(wǎng)格單元，244 225 個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)折疊梁在整車模型中的位置和受力分析，對(duì)4 根梁上分別施加5 MPa壓力，在梁下方施加約束。

仿真分析結(jié)果如下，最大變形量及具體位置如圖13 所示，為0.001 mm；最大應(yīng)力及位置如圖14 所示，為0.84 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，設(shè)計(jì)安全。

圖13 折疊梁變形云紋圖

圖14 折疊梁應(yīng)力云紋圖

6 多功能集成

平臺(tái)設(shè)計(jì)成左右可伸縮的結(jié)構(gòu)，2個(gè)電磁閥操控2個(gè)油缸，控制平臺(tái)伸縮，實(shí)現(xiàn)裝載面積的擴(kuò)大和縮小，達(dá)到擴(kuò)展作業(yè)范圍的目的。

引進(jìn)噴藥裝置和電動(dòng)修枝剪，以發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電池為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)機(jī)載噴藥，提高修剪續(xù)航能力。通過功能集成達(dá)到平臺(tái)噴藥、修剪、采摘和運(yùn)輸多種作業(yè)功能。

7 樣機(jī)試驗(yàn)

樣機(jī)試制后，分別在丘陵山區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化柑橘園、枇杷園、梨園進(jìn)行了噴藥、修剪、運(yùn)輸、升降試驗(yàn)（見圖15），可升降高度≥1.5 m、承載最大重量≥1 t，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。升降功能使噴藥位置和角度更精準(zhǔn)、效果更好，使修剪更省力，調(diào)平功能提高了操作的安全性。

圖15 平臺(tái)試驗(yàn)

8 結(jié)論

1）研究的果園多功能升降作業(yè)平臺(tái)可升降高度≥1.5 m、承載最大重量≥1 t，滿足丘陵山區(qū)使用要求。

2）調(diào)平功能提高了操作的安全性，升降功能提高了作業(yè)的便利性。