杨传龙，樊桂菊，2，王春武，宋月鹏，2，侯加林，2

(1.山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安 271018；2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安 271018；3.威海新元果园技术服务有限公司，山东 威海 264205)

0 引言

我国果园大多分布于丘陵山地，因地形限制，果园机械化程度低，果枝修剪、果实套袋和采摘等主要作业环节仍以人工为主，劳动强度大、生产效率低[1-3]，而现代化果品产业的发展为果园机械化提供了条件。

国外对果园作业平台的研究较早，技术较为成熟，多采用轮式和液压控制，转弯半径小、操作灵活。意大利REVO公司设计了一种苹果园专用采摘平台[4]，地形适应能力强，并安装有苹果传送带，提高了采摘效率。国内对果园作业平台的研究较晚，主要分为两种：牵引式和自走式。潍坊森海机械制造有限公司研发了3GP-160型果园升降平台[5]，采用剪叉式升降机构，集果枝修剪、果实采摘及运输等功能为一体。山东农业大学研制的果园作业平台[6-7 ]，通过一人操作实现工作台升降、回转和调平。湖南农业大学研制的小型履带自走式剪叉式作业平台[ 8]，通过液压缸实现升降、角度调整等。北京市农业机械试验鉴定推广站研制的小型履带式多功能遥控动力平台，与相应机具配套完成旋耕、除草、打药及剪枝等多项作业[9]。

引进国外产品超出了农民购买力，而目前国内的牵引式作业平台多由拖拉机带动，转弯半径较大，不适宜小地块；履带式作业平台多采用机械传动，操作不灵活，且不具备果箱自动装卸功能。因此，本文设计了一种多功能全液压果园作业平台，并进行了性能试验。

1 整体结构及工作原理

1.1 整体结构

多功能全液压果园作业平台主要由轮式驱动底盘、动力装置、升降装置、调平装置和工作台等组成，如图1所示。采用液压四轮驱动技术[10]及双轮和四轮2种转向模式以提高行走能力；柴油机提供动力，通过弹簧座与底盘连接以减小振动。升降装置包括3部分：工作台升降装置和果箱前、后升降装置，分别采用剪叉机构、平行四边形结构和直立式升降结构；调平装置分为前后调平和左右调平，前者采用同构双缸反并联结构，后者采用单油缸支撑、底盘和车桥同心铰接结构；工作台主要由护栏、导轨和左右踏板等组成。

工作时，动力装置驱动行走机构，到达工作位置后，作业人员根据工作台状态，由调平装置对工作台进行前后、左右调平；通过电磁阀控制油缸使工作台升降和展开，以适应不同高度和不同行距的果实采摘、果枝修剪；通过控制前果箱升降装置将空箱举升至工作台，待装满后经工作台上的导轨运送至后升降装置，将其降至地面，完成自动装卸。

1.前果箱升降装置 2.剪叉式升降装置 3.动力装置 4.驱动底盘 5.左右调平装置 6.后果箱升降装置 7.工作台 8.前后调平装置图1 多功能全液压果园作业平台结构图Fig.1 Sketch diagram of multi-function full hydraulic orchard platform

1.2 工作原理

1.2.1 驱动原理

为提高动力性和行走稳定性，且便于操作，驱动系统采用液压-机械组合传动方案，如图2所示。其主要由变量柱塞泵、液压马达、变速箱和差速车桥等组成。通过液控手柄来控制变量泵的排量，改变液压马达的转速，从而实现整机的无极调速；为提高传动效率，末级传动采用变速箱驱动行走轮；前后车桥采用差速结构，通过传动轴相连，实现四轮驱动。

1.过滤器 2.手动截止阀 3.油箱 4.柴油机 5.传动轴 6.电磁换向阀 7.刹车油缸 8.刹车截止阀 9.安全阀 10.手柄 11.前桥差速器 12.万向节传动轴 13.变速箱 14.后桥差速器 15.液压马达 16.双向径向柱塞变量泵 17.变速箱电子推杆图2 液压驱动原理图Fig.2 Schematic diagram of hydraulic drive system

1.2.2 转向原理

为适应多种复杂地形，设计了两轮转向和四轮转向模式。

1)两轮转向模式。两轮转向原理如图3(a)所示。调整后两轮中位，由液压转向器控制前两轮进行转向，转弯半径通过下式计算，即

(1)

式中L—轴距(m)；

δ—车轮最大转向角 (°)。

2)四轮转向模式。两轮转向原理如图3(b)所示。通过液压转向器和电磁换向阀分别控制前后轮反转，转弯半径为

(2)

通过对比式(1)和式(2)可得知：四轮转向模式转弯半径是两轮转向模式下的50%，适应小地块作业。

(a) 两轮转向 (b) 四轮转向图3 转向原理图Fig.3 Schematic diagram of steering

1.2.3 调平原理

1)工作台前后调平。工作台通过前后调平油缸与剪叉式升降机架铰接，两油缸结构相同，油路反并联。控制电磁阀使油缸伸缩，实现工作台纵坡作业保持水平；利用顺序阀调整无杆腔进油压力，当两油缸处于极限位置时，受力如图4所示。

图4 前后调平油缸受力分析图Fig.4 Force analysis diagram of leveling oil cylinder in front and rear

两油缸进油压力P11、P22分别为

(3)

(4)

式中G1—工作台加载荷总重力(N)；

S1、S2—分别为有杆腔、无杆腔有效作用面积(m2)；

Pbp1、Pbp2—分别为无杆腔油、有杆腔缸背压(MPa)；

P11、P22—C11、C22进油口压力(MPa)；

Pop—顺序阀开启压力(MPa)。

由式(3)和式(4)可知：活塞杆运动中，调试Pop，使运动过程中一直保持P22>P11,实现两油缸不同时动作。

2)底盘左右调平。底盘左右调平如图5所示。底盘与前后车桥采用同心铰接方式，调平油缸分别连接底盘和后车桥，由电磁阀控制油缸调整底盘与后车桥的相对角度，从而实现横坡作业时工作台水平。

1.后车桥 2.左右调平油缸 3.底盘图5 底盘左右调平原理图Fig.5 Schematic diagram of leveling for under frame

1.2.4 工作装置液压控制系统原理

通过液压马达带动不同的工作装置实现作业平台的转向、调平、升降、展开和装卸功能，控制系统工作原理如图6所示。

1.过滤器 2.截止阀 3.发动机 4.主齿轮泵 5.液压转向器 6.转向油缸 7.果箱升降油缸 8.踏板展开油缸 9.前后调平油缸 10.左右调平油缸 11.液压锁 12.电磁换向阀组 13.工作台升降油缸 14.手动卸油阀 15.油箱图6 液压控制系统原理图Fig.6 Schematic diagram of hydraulic control system

其主要由液压泵、执行油缸、电磁换向阀组、转向器和控制箱等组成。当平台转向时，转向器直接控制转向油缸；当平台不转向时，电磁换向阀组控制各工作装置液压回路，通过溢流阀保证液压控制系统的安全。

2 主要部件设计

2.1 工作台可调平升降机构设计

如图7所示，升降机构采用剪叉结构，前后调平采用同构双杠反并联结构。

(a) 结构图

(b) 受力图 1.后端前后调平油缸 2.工作台 3.操作台 4. 前端前后调平油缸 5.举升支架 6.工作台升降油缸图7 工作台可调平升降结构与受力图Fig.7 Sketch diagram and force analysis diagram of levelling and lifting platform

由图7中几何关系，可知升降高度为

hp=l2sinγ1

(5)

式中l2—剪叉臂长度(m)；

γ1—剪叉臂与底盘夹角 (°)。

根据底盘结构，选取剪叉臂长度Lp为2.2m，最大交叉角度为40°，理论上最大升高量为1.41m。

根据∑MH=0得升降油缸推力为

(6)

(7)

式中l1—工作台长度(m)；

lO2K—O2K长度(m)；

γ2—升降油缸与剪叉臂夹角(°)；

lEK—升降油缸的长度(m)。

前后调平时，工作台绕一端点做定轴转动，由动量矩定理得

(8)

得前后调平油缸推力为

(9)

式中JD—工作台对D点的转动惯量(kg·m2)；

α1—工作台调平转动的角加速度(rad/s2)；

θ—工作台前后倾斜角度 (°)。

同理，由图5可计算左右调平油缸推力。

2.2 果箱升降机构设计

1)前升降装置采用平行四边形结构，受力如图8所示。

1.起落臂 2.油缸铰接架 3.前升降装置油缸 4.果箱架图8 果箱前升降装置结构与受力图Fig.8 Sketch diagram and force analysis diagram of front lifting mechanism of box

由动量矩定理得

(10)

油缸作用力为

(11)

式中lO3—果箱负载对O3点的转动惯量(kg·m2)；

α2—机构绕O3点转动的角加速度(rad/s2)；

G2—果箱负载(N)；

l3—起落臂长度(m)；

l4—果箱架长度(m)；

lO3R—O3R长度(m)；

β—起落臂与水平方向夹角 (°)。

2)后升降装置采用直立导轨结构，两侧各有一个升降油缸，通过链条链轮传动，使果箱平稳下降至地面，再经过滑轮导轨放置于地面，因此两油缸作用力等于最大装载重量。

2.3 工作台展开机构设计

为适应不同行距的果树，设计左右可展开的工作台，结构如图9所示。

展开油缸推力计算，则

Ffp=μfpmfpg

(12)

式中μfp—展开踏板与支撑梁之间的摩擦因数，取0.2；

mfp—展开踏板自重(kg)。

1.展开踏板2.展开踏板滑轨 3.踏板支撑梁 4.展开油缸图9 工作台展开下视结构图Fig.9 Bottom view of expanding platform

3 试验

3.1 试验条件

为验证果园作业台的性能和可靠性，于2017年6月在威海新元现代果业种植示范基地进行田间性能试验。试验条件： 苹果树高度为 2.5～3m， 行距为3.8～4m；株距为 0.8m。样机田间作业情况如图10所示。

图10田间试验Fig.10 Testing in field

试验检测设备：电子秒表(精度±0.01s)，钢卷尺(0～50m，精度±1mm)、莱赛LS160-60Ⅱ型坡度仪(0°～360°，精度±0.1°)，仪辰A300角度仪(0°～180°，精度±0.1°)，VC824噪声测试仪(30～130dBA，精度±1.5dB)。

3.2 试验结果与分析

根据《农业机械生产试验方法》(GB/T 5667-2008)进行各工况试验，结果如表1所示。

表1 样机性能测试结果Table 1 The result of prototype performance test

由表1可知：样机综合性能较好，各项指标都达到了设计要求。其中，前后调平精度较高，最大调平误差仅为0.5°，左右调平由于结影响，调平精度稍差，最大调平误差为1.5°；采摘作业效率为0.42hm2/h，比人工提高了2～4倍。

4 结论

1)设计了一种多功能全液压果园作业平台。采用液压四轮驱动、双轮和四轮2种转向模式，有转弯半径小、行走能力强，可适应多种复杂地形；同时，通过液压控制实现转向、调平、升降、展开和装卸等功能，经过试验测试，各项性能指标均达到设计要求。

2)采用剪叉式升降机构和展开式工作台，适应不同高度和不同行距果树的果实采摘、果枝修剪；设计了同构双杠反并联机构使工作台实现前后调平；底盘和车桥采用同心铰接方式，通过电磁阀控制油缸伸缩，调整机身左右调平，从而实现工作台在坡地作业时保持水平状态，最大调平误差为1.5°，适应我国丘陵山地较多的地形特点。

3)为了提高生产效率，设计了果箱升降装置和工作台导轨，通过电磁阀控制前升降油缸将空果箱举升至工作台，待装满后经导轨运送至后升降装置，再将其降至地面，实现果箱自动装卸。试验测得采摘作业效率为0.42hm2/h，比人工提高了2～4倍。