樊桂菊，王永振，王建超，张晓辉

(山东农业大学 机械与电子工程学院/山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安　271018)



丘陵山区果园作业平台的设计与试验

樊桂菊，王永振，王建超，张晓辉

(山东农业大学 机械与电子工程学院/山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安271018)

摘要：为解决目前丘陵山区修剪果树和采摘果实主要靠爬树、登梯容易造成失稳及现有机械不能自动调平的问题，设计了丘陵山区果园作业平台。经计算和分析，确定该机配套动力为13.2kW小四轮拖拉机，采用静液压三角形调平机构和180°回转结构，可实现工作平台的自动调平和回转。对升降平台进行性能检测，结果表明：其工作性能稳定，最大承载质量150kg，最大提升高度1.5m，回转转速0.1r/min，升降速度0.1m/s，水平面、10°和20°坡面上调平误差均在0°~3°范围内，满足设计要求。

关键词：丘陵山区；果园；作业平台；液压

0引言

我国果园很多分布在丘陵山区，修剪果树和采摘果实主要凭借树及梯子等，因地理环境差、容易失稳，作业者人身安全存在隐患，因此研究适应丘陵山区的果园作业升降平台尤为重要。

欧美及日本等国的果园作业机械化程度较高，部分果园已实现全部机械化管理[1-2]，最早生产果园作业平台的国家主要是美国、澳大利亚和日本[3-4]。澳大利亚研制的单人作业升降台车由一人单独操作，可以完成前进、后退、转动、上升和下降[5]。

国内对果园作业平台的相关研究较晚[3-4]，2007年新疆机械研究院研制了国内第1台多功能果园作业机，即LG-1自走式履带多功能果园作业平台[6]。2011年4月，北京市农业机械试验鉴定推广站研制了小型多功能遥控动力平台，采用手动与无线遥控相结合的操作方式，可完成旋耕、除草、打药及剪枝等多项作业[7]。

引进国外的果园作业机械，经济成本较高；而国内的多功能果园作业机采用双剪叉式升降台，升降过程中不能自动调平，在丘陵山地不能保证正常安全使用。因此，本文根据国内果树的种植模式和小四轮拖拉机保有量非常大的特点，研制以拖拉机为动力源、性能稳定、能自动调平、适合丘陵山地的果园作业升降平台，以期为果园作业机械研究提供设计参考。

1基本结构与工作原理

丘陵山区果园作业平台结构如图1所示。

1.配重　2.拖拉机　3.摆动液压缸　4.联轴器

该平台由动力装置、升降装置、调平装置、回转装置、支撑板和液压控制系统等组成。其工作原理是：通过拖拉机的油泵带动升降油缸伸缩实现工作平台的升降。调平机构由2个结构完全相同的油缸和调平液压回路组成，两油缸运动方向相反。调平油缸1在升降油缸带动下伸出，调平油缸2则缩回；反之，调平油缸1缩回，调平油缸2则伸出。二者的油缸长度改变量相同，从而使横梁的角度改变量和工作平台的角度改变量近似相等，实现工作平台自动调平[8-10]。当升降平台在坡面上工作时，旋转调平手柄使工作台最初位置与地面平行，就可实现工作平台在升降过程中保持水平；回转机构采用齿轮齿条摆动液压缸，拖拉机的油泵驱动液压缸齿条，带动齿轮转动，实现升降平台的转动。

2关键部件设计及计算

2.1　升降装置设计

2.1.1升降油缸计算

将升降油缸看成二力杆[11]，且调平油缸重力较小，忽略不计，则升降系统的受力模型如图2所示。

图2　升降油缸受力简图

图2中，G1为工作台与最大负载重力(N)；G2为横梁重力(N)；F为升降油缸承受载荷(N)；L为工作平台长度(m)；θ为横梁与水平面的夹角(°)；β为横梁与升降油缸的夹角(°)。

对系统进行受力分析，由∑Mo(F)=0可知

(1)

则

(2)

由上式知：升降油缸承受压力F随θ变化而变化。将装配模型导入ADAMS中进行运动仿真，可得升降油缸受力曲线，如图3所示。

图3　升降油缸受力曲线

由图3可知：升降油缸的最大受力为19 700 N。

2.1.2升降油缸选型

升降油缸缸径可由下式计算，有

(3)

其中，F为升降油缸承受载荷(N)；P1为工作腔压力(Pa)；P2为回油腔压力(Pa)；Φ为缸杆径比[12]。由升降油缸受力曲线可知：F=19 700N。根据液压设计手册确定：P1=10×106Pa，P2=0.5×106Pa，Φ=0.5。经计算，D=0.050 4m。考虑到额外阻力，选用缸径为0.063m的HSG系列工程液压缸。

2.2　调平装置设计

考虑到稳定性和经济成本，该果园升降平台采用静液压三角形调平方式。

2.2.1调平机构模型

调平机构模型如图2所示。A、B点是调平油缸1的铰接点，A'、B'点是调平油缸2的铰接点。在△AOB和△A'O'B'，中，OA、OB和O'A'、O'B'边固定，且OA=O'A'，OB=O'B'，AB边为调平油缸1，A'B'边为调平油缸2。

2.2.2调平机构原理

1)调平油缸1和2长度改变量关系。调平油缸1和2的工作腔与回油腔各自相连，构成一个封闭系统。根据液压油体积不变的原理得

(4)

其中，D1和D2分别是调平油缸1和2的缸径(m)；ΔS1和ΔS2分别是调平油缸1和2的长度改变量(m)。

为使结构简单，取D1=D2，则

ΔS1+ΔS2=0

(5)

所以，ΔS1=-ΔS2，即调平油缸1和2运动过程相反，二者油缸长度改变量相同。

2)横梁角度和工作平台角度改变量关系。令OA=O'A'=1，OB=O'B'=k，以横梁处于最低位置为初始条件。在△AOB中，调平油缸1长度增加ΔS后,∠AOB的角度改变量为

Δ∠AOB=(∠AOB)2-(∠AOB)1

(6)

同理，在△A'O'B'中，∠A'O'B'的角度改变量为

Δ∠A′O′B′=(∠-A′O′B′)2(∠A′O′B′)1

(7)

其中，A'B'为调平油缸初始长度(m)。

由式(6)和式(7)可知：∠AOB增大，∠A'O'B'减小；反之，∠AOB减小∠A'O'B'增大，且Δ∠AOB+Δ∠A′O′B′不恒为零，即横梁角度的改变量和工作平台角度的改变量不总是相等，存在系统调平误差Δ，即

Δ=Δ∠AOB+Δ∠A′O′B′

(8)

由式(8)可知：系统调平误差与调平油缸和随动油缸的安装位置有关，设计时要求工作平台升降过程中摆动角度(调平误差)≤3°。合理安排液压缸铰接点位置，使调平误差尽量小，将运动模型导入ADAMS中仿真确定随动油缸和调平油缸铰点安装位置，即OA(O'A')=0.018 m、OB(O'B')=0.052 m。

2.2.3调平油缸选型

调平油缸缸径计算同升降油缸。经计算，选用缸径为0.025 m的HSG系列工程液压缸，双耳环连接。

2.3　回转装置设计

为增大作业者操作空间，设计了回转机构，主要由齿轮齿条摆动液压缸、联轴器和立柱等组成。齿轮齿条摆动液压缸的齿条在拖拉机油泵驱动下左右运动，通过齿轮传动变成立柱的转动，实现作业平台的回转。

2.3.1回转力矩计算

由运动模型可知：工作台、横梁、立柱、升降油缸、调平油缸1和2在回转时做定轴转动，计算时因调平油缸1和2、升降油缸和立柱的质量相对工作负载相比较小，忽略不计。将工作台和负载作为质点，横梁作为刚体，故回转机构所需回转力矩为

T=(J+m×d2)·α

(9)

其中，J为横梁对回转中心轴的转动惯量(kg·m2)；m为工作平台和负载的质量(kg)；d为工作平台和负载的回转半径，即d≈OO'+L/2，OO'为横梁长度(m)；L为工作平台长度(m)；α为平台旋转的角加速度(rad/s2)。

通过计算，得所需转矩T=192 N·m。

2.3.2回转液压缸选型

根据工作平台所需转矩计算，选用ZBFZD100-180型摆动液压缸，摆动角度0°~180°。

2.4　配重计算

因升降平台的横梁较长，为避免拖拉机发生上翘现象，需在拖拉机前端加配重。以升降平台在最大坡度上且横梁与水平面平行(即危险工况)时进行计算，受力如图4所示。

图4　20°坡面上果园作业平台受力图

图4中，m1为工作台和负载质量(kg)；m2为调平油缸质量(kg)；m3为横梁重力(kg)；m4为升降油缸质量(kg)；m5为随动油缸质量(kg)；m6为回转机构和支撑机构总质量(kg)；m7为拖拉机质量(kg)；m0为配重质量(kg)；g为重力加速度(m/s2)；E为前轮着地点；J为后轮着地点；P为拖拉机重心；Q为配重重心；G为拖拉机重心在斜面上的投影；R为配重重心在斜面上的投影；K为立柱上端面的回转中心；H为立柱上端面回转中心在斜面上的投影。

要使拖拉机前端不上翘，则存在

∑MJ(F)=0

FNE≥0

(14)

其中，FNE为拖拉机后轮所受地面的支持力(N)。

计算时，因调平油缸1和2、升降油缸与工作负载相比较小，可忽略不计，则

m0g(RJcos20°-QRtan20°)+m7g(GJcos20°-

PGtan20°)-m1g(JH/cos20°+KO′)-

m3g(JH/cos20°+KO+KO′/2)-

m6gJH/cos20°-FNE·EJ=0

(15)

通过计算，得m0≥35.7kg。考虑动载因素，选用配重质量为m0=50kg。

3样机与试验

3.1　样机

设计的样机如图5所示，主要参数如表1所示。

图5　丘陵山区果园作业平台样机

参数单位数值配套动力kW13.2最小转向半径m2.8

续表1

3.2　试验

试验在山东华兴机械股份有限公司进行，对主要性能参数进行了测试。结果表明：该平台运行基本平稳，不会出现上翘现象，但由于摆动液压油缸的安装间隙，平台有轻微摆动；最大承载质量可达150kg，最大提升高度1.5m，回转转速0.1r/min，升降速度0.1m/s。

为测试调平效果，分别在水平面、10°和20°坡面上测量调平油缸1和2的长度及调平误差，结果如表2所示。

表2　水平面、10°和20°坡面上调平误差

序号1中对应值为初始值。

由表2可知：在水平面和11°坡面上调平油缸1和2的长度改变量基本相等，调平误差均≤3°。油缸长度改变量不完全相同主要是由液压系统滞后及样机制造和安装误差引起的，调平误差主要是由于静液压三角形结构存在系统结构误差。因此，后续的研究工作主要是补油回路设计和进一步优化调平油缸铰点位置，降低调平误差，提高工作平台的安全性。

4结论

1)针对丘陵山区果园仅靠简单的梯架来修剪和收获，劳动强度大、安全性差及现有机械不能自动调平的问题，研制了以小四轮拖拉机为动力源且具备调平功能的丘陵山区果园作业平台，并对其关键部件进行设计计算。

2)设计了静液压三角形调平结构，分析了调平误差存在的系统根源。通过运动仿真确定了调平油缸1和2铰点安装位置，即OA(O'A')=0.018m、OB(O'B')=0.052m。

3)检测结果表明：该平台运行平稳，最大承载质量可达150kg，最大升高高度1.5m，回转转速0.1r/min，升降速度0.1m/s，升降过程中调平误差均≤3°。

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[5]Anon.Crendon Machiner 656LBSD (SoftDrive) [EB/OL].(2012-02-21).http://www.crendon.com.au/squirrel656lb.htm.

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[8]杜祥宁，潘志毅，王鑫，等.一种同构双缸串联调平机构的铰点布置研究[J]. 建筑机械化，2011，32(4)：51-53.

[9]蔡雷.高空作业车结构分析及工作斗调平系统研究[D].长春：吉林大学，2005.

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[11]哈尔滨工业大学理论力学教研室. 理论力学Ⅰ[M]. 北京：高等教育出版社，2002.

[12]雷天觉.液压工程手册[M]. 北京：机械工业出版社，1990.

Development and Experiment of Platform for Orchards in Hill Area

Fan Guiju， Wang Yongzhen, Wang Jianchao， Zhang Xiaohui

(Shandong Agricultural University，College of Mechanical and Electrical Engineering/Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment, Tai'an 271018, China)

Abstract：At present, pruning of fruit trees on hills is mainly through climbing on trees or ladder, which could cause injury due to poor landform. In order to avoid such kind of risks, a lifting platform for orchards in hill area was designed, The platform is comprised of power device, elevating mechanism, leveling mechanism, slewing mechanism, supporting mechanism and hydraulic control system. The platform is driven by a small four-wheel tractor. The hydraulic system can control hydraulic cylinders extending and retracting to lift or lower the platform, or to rotate, or to keep it at horizontal position.Performance test has been carried out for the lifting platform.The results show that the platform has stable working performance, the maximum bearing load is up to 150kg, the lifting height is 1.5 m, the rotating speed is 0.1r/min, the lifting velocity is 0.1m/s, and leveling error in the lifting process is ≤ 3°.So the platform can be suitable for slope terrain, and the design requirements are satisfied.

Key words：hill area; orchards; platform; hydraulic

中图分类号：S224.4

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0077-05

作者简介：樊桂菊(1979-)，女，山东曲阜人，副教授，博士研究生，(E-mail)fanguiju2002@163.com。通讯作者：张晓辉(1961-)，男，山东东阿人，教授，博士生导师，(E-mail) Zhangxh@sdau.edu.cn。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAD20B10-2-4)

收稿日期：2015-08-05