果园升降平台调平装置的设计与试验

2014-07-13王小龙谢方平刘大为李旭卢伟

湖南农业大学学报（自然科学版） 2014年5期

王小龙，谢方平,2*，刘大为，李旭，卢伟

南方果树的种植多集中在丘陵山地，地势起伏大，道路狭窄，果树修剪和果实采摘等作业机械尺寸较小，作业人员容易失稳，存在安全隐患，因此，设计适应丘陵山区的果园升降作业平台尤为重要[1–5]。丘陵山区的分散种植模式，使得运用Timbco T425B、JOHN DEERE 759G 等具备自动调平功能的工程车辆[6]成本高，推广应用难度大。

2007年，新疆机械研究院研制的LG–1 型多功能果园作业机是国内第一台多功能果园作业机械。该机集采摘、修剪、喷药、运输、动力发电等功能于一体[7]。但该机作业平台并不具备调平功能，主要适应平原地区。刘凯等[8]提出的小型农业作业车辆调平机构，可以在较复杂路面条件下实现调平功能，满足调平装置结构设计及功能要求。但该调平机构是由2个液压缸直立支撑工作平台，受结构限制，液压缸行程较短，调节角度有限。

高空作业车工作平台常采用静液压调平机构和电液比例调平机构。静液压调平机构具有结构简单、成本低、精度高的特点。电液比例调平机构调平过程连续、平稳，调平性能好，控制精度高、动态响应快[9–11]。但它们通常要求工作地形较为平坦，配套底盘较为庞大，不便于转弯、掉头。

笔者综合考虑南方丘陵山区的地理、经济条件，对湖南农业大学工学院研制的适合小型果园升降平台设计了1 种结构轻便、操作简单的调平装置，该装置可以在较大范围内进行角度调平，不仅可为作业人员提供一个平稳的工作平台，而且能提高果园作业机械的安全性和舒适性。

1 调平装置的总体结构

1.1 工作原理

果园升降平台由履带式行走装置、动力装置、调平装置、升降装置、工作平台、操作面板等组成(图1)。

图1 果园升降平台结构 Fig.1 Structure diagram of orchard lifting platform

调平装置主要由方向调平装置、角度调平装置组成。方向调平装置由回转支承、液压马达等组成，通过支撑板连接在支撑平台上；角度调平装置由上、下调平台、调平液压缸等组成，上、下调平台通过销轴铰接。升降装置、工作平台等连接在上调平台上。

调平装置采用“方向+角度”的方式进行调节。方向调节是指通过液压马达带动回转支承旋转一定角度，对工作平台的横轴方向进行调平；角度调节是指通过液压缸的伸缩，使得上调平台绕铰链中心轴旋转一定角度，对工作平台的纵轴方向进行调平。经2次调节，可使工作平台处于水平位置。

2 调平原理

以OA0B0C0表示地平面，以平面OA1B1C1表示沿X 轴方向坡度为α 和沿Y 轴方向坡度为β 的坡面，建立调平坐标系，如图2 所示。坐标系OX0Y0Z0以{0}表示水平面坐标系，坐标系OX1Y1Z1以{1}表示坡面坐标系；果园升降平台在坡面上任意位置作业时，以平面DEFG 表示下调平台，平面D′EFG′表示上调平台，用EF 表示铰链中心轴，用Z2轴表示回转支承中心轴，Y2轴平行于铰链中心轴EF，建立调平装置坐标系O2X2Y2Z2，以{2}表示。

图2 调平坐标系 Fig.2 Diagram of leveling coordinate

果园升降平台在斜坡上任意位置作业，其调平过程的坐标系变化可由图3 表示。为方便描述，平移坐标系{2}，使其坐标原点O2与水平面坐标系{0}的坐标原点O 重合，形成新坐标系{2′}。取坐标系{2′}作为调平装置未调平的坐标系，用坐标系{2′}的坐标原点O 表示调平装置的回转中心点，Z2′轴表示方向调平装置的回转中心轴，Y2′轴表示角度调平装置的铰链中心轴，平面OX2′Y2′表示未调平的上调平台平面。

图3 坐标旋转 Fig.3 Diagram of coordinate rotation

虚线L1表示平面OX2′Y2′与平面OX0Y0的交线，逆时针旋转Z2′轴θ1角，使得坐标系{2′}的Y2′轴与L1重合，即通过绕回转支承中心轴OZ2′旋转，对上调平台横轴方向进行调平，得到新的坐标系OX3Y3Z3，以{3}表示；同理，虚线L2表示OX3Y3与OX0Y0的交线，逆时针旋转Y3轴θ2角，使得坐标系{3}的X3轴与L2轴重合，即通过绕铰链中心轴EF 旋转，对上调平台纵轴方向进行调平，得到调平后坐标系OX4Y4Z4，以{4}表示，其中平面OX4Y4表示已调平的上调平台平面。由平面几何知识易知，2 条相交直线确定1个平面，故平面OX4Y4与平面OXY 重合。

3 调平试验与分析

3.1 调平试验台的设计

试验台由斜坡模拟装置、方向调平装置和角度调平装置组成(图4)。斜坡模拟装置由4个支腿、支座和平台支架组成，支腿可在支座内上下自由滑动，调节螺栓可固定其在支座内的相对位置，支腿与平台支架用关节轴承连接，可模拟0～15°的任意斜面。

图4 调平试验台结构 Fig.4 Structure diagram of leveling test bed

方向调平装置由回转支承、步进电机、步进电机驱动器、51 单片机等组成。回转支承下端面通过钢板用螺栓连接在平台支架上，上端面通过钢板连接在下平台上，使平台可随回转支承自由旋转。

角度调平装置由上、下平台和液压缸组成，其中上、下平台通过铰链连接，通过液压缸的伸缩，带动上平台绕铰链中心轴旋转，从而调节上平台倾角。

斜坡模拟装置如图5 所示。 A′、B′、C′、D′分别表示调节螺栓，A′′、B′′、C′′、D′′分别表示关节轴承。通过调节各支腿上的调节螺栓与地面间的高度，可使平台支架与水平面呈不同夹角，从而达到模拟斜坡的目的。保持支腿1 与地面相接触，以其上的调节螺栓A′为坐标原点，支腿1 为Z 轴，支座所在的平面为水平面(用ABCD 表示)，建立如图5所示的水平面坐标系OXYZ。当支腿2、3、4 升高至距离水平面高度分别为h1、h2、h3时，平台支架与水平面X 轴方向夹角为α，水平面Y 轴方向夹角为β，其中连杆9 和12 分别为L1和L2。