何建華， 楊 欣， 王鵬飛， 劉俊峰

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，河北保定 071001)

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，林果業(yè)種植越來越受到重視，果園管理機械化的需求也越來越迫切。果園平臺的應(yīng)用改善了直接使用人字梯徒手攀爬果樹進行作業(yè)帶來的危險性[1-4]。針對現(xiàn)代新型矮砧密植新型果園行距標(biāo)準(zhǔn)和株高較低等特點，課題組已開發(fā)了履帶式、多級剪叉輪式作業(yè)平臺和高地隙果園動力底盤，能夠在果園特殊環(huán)境中實現(xiàn)疏花、修剪、采摘和果品運輸?shù)茸鳂I(yè)需求[5-8]。在筆者所在課題組已研發(fā)果園作業(yè)平臺的基礎(chǔ)上，對輪式平臺進行了優(yōu)化，采用了一級剪叉機構(gòu)，增加了剎車功能，改變了操縱形式，加高了平臺防護欄，以期提升平臺升降穩(wěn)定性，保證制動即時性，提高操縱方便性，減輕運輸勞動強度，提高安全保障。

1 設(shè)計要求及總體結(jié)構(gòu)原理

1.1 設(shè)計要求

適應(yīng)現(xiàn)代矮砧密植新型果園，符合蘋果生產(chǎn)中的疏花、采摘、修剪等作業(yè)要求。(1)能夠適應(yīng)現(xiàn)代矮砧新型果園地形。行駛速度為 0.1～6.5 km/h；變速器為無級變速。(2)載人工作臺可提升高度為0～1.15 m。(3)升降平穩(wěn)，可即時制動。

1.2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

3GP-160自走式果園作業(yè)平臺主要由操控系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、載人平臺、升降系統(tǒng)和行走系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。操控系統(tǒng)由方向盤、顯示屏和控制按鈕等組成；剎車系統(tǒng)主要由剎車油壺、剎車腳踩板及相關(guān)聯(lián)的液壓系統(tǒng)組成；載人平臺可整體升降，主要分為3個部分，分別為左右和中間平臺，左右平臺可向兩側(cè)伸展，主要由伸展液壓油缸、支撐矩管、支撐板組成，中間平臺主要由支撐矩管、支撐板組成，平臺上加裝護欄；升降系統(tǒng)主要由一級剪叉機構(gòu)、升降油缸和泵站組成；行走系統(tǒng)主要由前橋、后橋、無級變速器和液壓系統(tǒng)組成。

工作時，司機和工作人員直接站立載人平臺上操控機器，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動無級變速器帶動輪式行走系統(tǒng)行走，到達工作位置后，搬回行走手柄，踩下剎車，確保機器停到準(zhǔn)確位置，通過控制升降油缸升降來調(diào)整平臺高度，以適應(yīng)不同高度的工作位，通過控制伸展油缸左右伸展，來適應(yīng)不同的橫向采摘位置。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

選取蘋果樹為研究對象，主要針對現(xiàn)代新型矮砧密植果園的栽植模式，新型果園的株行距2 m×4 m，株高3.5～4 m，枝展1.5 m左右，行內(nèi)通道1.8～2.5 m(圖2)，果樹向兩側(cè)伸展較小，地頭預(yù)留空地。樣機設(shè)計參考新型果園使用要求，確定自走式果園作業(yè)平臺的主要參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 輪式行走系統(tǒng)

現(xiàn)代新型果園，地勢較平坦，無較大起伏，采用農(nóng)用輪式底盤可在滿足作業(yè)要求的前提下，節(jié)約成本，提高作業(yè)效率。行走系統(tǒng)如圖3所示，主要包括后橋、無級變速器、機架、水箱、發(fā)動機、前橋，通過液壓系統(tǒng)實現(xiàn)無級變速，以滿足不同作業(yè)速度要求。

表1 3GP-160自走式果園作業(yè)平臺設(shè)計參數(shù)

2.2 一級剪叉機構(gòu)

平臺升降系統(tǒng)主要靠一級剪叉機構(gòu)進行調(diào)節(jié)，如圖4所示，它主要由升降油缸下連接板、升降油缸、升降油缸上連接板、剪叉臂、滾動軸承銷軸、滾動軸承和中間銷軸等結(jié)構(gòu)組成。

為保證平臺升降高度滿足作業(yè)要求，且平臺具有穩(wěn)定的升角，對剪叉臂長進行了設(shè)計，如圖5所示。

設(shè)一級剪叉最大起升高度為H，剪叉臂長為L，最大起升角為θ，軸承滾動距離為B，則

sinθ=H/L；

(1)

cosθ=(L-B)/L。

(2)

一般剪叉最大起升角為30°～50°[5]，為保證平臺舉升穩(wěn)定性，并盡可能地減少整機長度，選最大升角為40°，由表1可知H=1.15 m，代入式(1)、式(2)得剪叉臂長度L=1.788 m，B=0.418 m。

2.3 載人平臺

設(shè)計載人平臺時，考慮果園行距、蘋果運輸方便性和工作人員安全性，應(yīng)避免工作人員跌落，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。平臺主要由平臺底板、護欄和護欄圍板等結(jié)構(gòu)組成，其中護欄圍板可防止工具掉落，平臺底板工作表面可防滑；護欄后側(cè)留有足夠空間，以方便工作人員上下；為保證作業(yè)人員的安全性和操作方便性，設(shè)計護欄高度時，考慮了工作人員的高度和手伸空間等因素。載人平臺主要尺寸及參數(shù)見表2。

平臺底板可左右伸縮，如圖7所示，它主要由伸縮板支架、油缸活塞桿固定座、伸縮油缸、伸縮板、伸縮用軸承、缸管本體固定座等結(jié)構(gòu)組成。平臺載工作人員左右伸縮時，應(yīng)具有足夠的強度。平臺伸出長度將影響其安全系數(shù)，為此，須確定油缸伸縮長度，以保障人員的安全。

表2 載人平臺設(shè)計參數(shù)

3 伸縮長度確定

平臺左右伸縮為典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)保證工作人員在平臺伸展到最遠處位置工作時的安全性，為確定平臺左右伸縮的安全長度，對懸臂梁結(jié)構(gòu)進行了有限元分析。如圖8所示，在AIP(Autodesk Inventor Professional)軟件中構(gòu)建第50百分位假人模型，其中一人為司機兼職工作人員，左右兩側(cè)各站2人，負責(zé)采摘和修剪等作業(yè)過程，以模仿實際作業(yè)時平臺上的作業(yè)環(huán)境。通過模擬平臺伸縮來確定最佳安全系數(shù)，從而確定平臺左右最佳伸長長度，以期在滿足作業(yè)要求的同時，保證平臺處在伸縮工作狀態(tài)時具有足夠的可靠性。

在不影響計算精度的前提下，對模型進行簡化，以減少軟件計算時間。如圖9所示，將右側(cè)伸平臺作為有限元分析對象，兩側(cè)矩管上表面被分割成15個面，其中7個等分面為固定約束面，不同的等分面代表右側(cè)平臺伸出的不同長度，力的大小根據(jù)站在右側(cè)伸平臺上工作人員的數(shù)量及工作狀態(tài)來確定。由圖8可知，有2個工作人員站在右伸平臺，且平臺配備果箱，經(jīng)過計算，可得受力面的受力大小約為1 800 N，這里取重力加速度為9.8 m/s2，方向為豎直向下，并將力作用在平臺前后 0.4 m×0.3 m 的2 個工作人員作業(yè)區(qū)域。選矩管和鋼板材料為Q235A，其屈服極限為235 MPa，強度極限為 500 MPa，初始鋼管規(guī)格為50 mm×50 mm×4 mm，進行有限元分析后，得到變形、安全系數(shù)和等效應(yīng)力隨右伸平臺伸出長度的變化趨勢如圖10所示。

矮砧密植果園栽植模式的行距為4 m，參考GB10000—1988中國成年人人體尺寸基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可知，P10百分位人體手伸為0.514 m，因此，為保證工作人員能夠順利對果樹主干進行作業(yè)，要求平臺左右伸展長度為0.765 m左右。由圖10可知，右伸平臺伸出長度越長，等效應(yīng)力越大，安全系數(shù)越小，當(dāng)矩管伸出長度為0.765 m時，安全系數(shù)為0.83，小于1，等效應(yīng)力為283.5 MPa，大于屈服極限，不滿足設(shè)計要求。依據(jù)分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)進行多次調(diào)整，最終確定矩管厚度增加到 7 mm，材料改為20#鋼，改進后的應(yīng)力分析結(jié)果如圖11所示，由此可確定平臺左右可伸縮長度范圍為0～0.765 m，從而確定油缸的最大伸出長度為0.765 m。

4 樣機試制與果園試驗

2016年6月下旬，河北中農(nóng)博遠農(nóng)業(yè)裝備有限公司對樣機進行了試制，并定型為3GP-160；在保定市順平現(xiàn)代矮砧密植示范園進行樣機試驗，如圖12所示。試驗結(jié)果顯示，樣機外形尺寸適應(yīng)新型果園栽植模式，操作簡單，無干涉現(xiàn)象，載人平臺可升降并定位至不同高度，左右伸縮平臺可到達不同的橫向工作位，行駛平穩(wěn)，具備良好的斜坡制動功能，可滿足摘果和修剪等作業(yè)要求。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計制造了一種針對現(xiàn)代新型矮砧密植果園栽植模式的自走式果園作業(yè)平臺，經(jīng)過檢測和果園試驗，反映了以下特征：

(1)樣機外形尺寸較小、結(jié)構(gòu)緊湊、操控簡便，試驗測得其行駛速度為0.1～6.5 km/h，可升降高度為0～1.15 m，基本滿足設(shè)計要求，適應(yīng)于現(xiàn)代矮砧密植果園作業(yè)環(huán)境。

(2)對兩側(cè)伸展平臺施加實際作業(yè)工況下的載荷條件和邊界約束等邊界條件，進行有限元三維應(yīng)力計算，確定了油缸伸縮長度為0.765 m。

(3)果園試驗表明：設(shè)計的自走式果園作業(yè)平臺升降穩(wěn)定，行駛平穩(wěn)，可伸出至橫向工作位，具備即時制動功能，滿足現(xiàn)代新型果園作業(yè)要求。