果園升降平臺(tái)調(diào)平裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王小龍，謝方平,2*，劉大為，李旭，盧偉

南方果樹的種植多集中在丘陵山地，地勢起伏大，道路狹窄，果樹修剪和果實(shí)采摘等作業(yè)機(jī)械尺寸較小，作業(yè)人員容易失穩(wěn)，存在安全隱患，因此，設(shè)計(jì)適應(yīng)丘陵山區(qū)的果園升降作業(yè)平臺(tái)尤為重要[1–5]。丘陵山區(qū)的分散種植模式，使得運(yùn)用Timbco T425B、JOHN DEERE 759G 等具備自動(dòng)調(diào)平功能的工程車輛[6]成本高，推廣應(yīng)用難度大。

2007年，新疆機(jī)械研究院研制的LG–1 型多功能果園作業(yè)機(jī)是國內(nèi)第一臺(tái)多功能果園作業(yè)機(jī)械。該機(jī)集采摘、修剪、噴藥、運(yùn)輸、動(dòng)力發(fā)電等功能于一體[7]。但該機(jī)作業(yè)平臺(tái)并不具備調(diào)平功能，主要適應(yīng)平原地區(qū)。劉凱等[8]提出的小型農(nóng)業(yè)作業(yè)車輛調(diào)平機(jī)構(gòu)，可以在較復(fù)雜路面條件下實(shí)現(xiàn)調(diào)平功能，滿足調(diào)平裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能要求。但該調(diào)平機(jī)構(gòu)是由2個(gè)液壓缸直立支撐工作平臺(tái)，受結(jié)構(gòu)限制，液壓缸行程較短，調(diào)節(jié)角度有限。

高空作業(yè)車工作平臺(tái)常采用靜液壓調(diào)平機(jī)構(gòu)和電液比例調(diào)平機(jī)構(gòu)。靜液壓調(diào)平機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、精度高的特點(diǎn)。電液比例調(diào)平機(jī)構(gòu)調(diào)平過程連續(xù)、平穩(wěn)，調(diào)平性能好，控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快[9–11]。但它們通常要求工作地形較為平坦，配套底盤較為龐大，不便于轉(zhuǎn)彎、掉頭。

筆者綜合考慮南方丘陵山區(qū)的地理、經(jīng)濟(jì)條件，對湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院研制的適合小型果園升降平臺(tái)設(shè)計(jì)了1 種結(jié)構(gòu)輕便、操作簡單的調(diào)平裝置，該裝置可以在較大范圍內(nèi)進(jìn)行角度調(diào)平，不僅可為作業(yè)人員提供一個(gè)平穩(wěn)的工作平臺(tái)，而且能提高果園作業(yè)機(jī)械的安全性和舒適性。

1 調(diào)平裝置的總體結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

果園升降平臺(tái)由履帶式行走裝置、動(dòng)力裝置、調(diào)平裝置、升降裝置、工作平臺(tái)、操作面板等組成(圖1)。

圖1 果園升降平臺(tái)結(jié)構(gòu) Fig.1 Structure diagram of orchard lifting platform

調(diào)平裝置主要由方向調(diào)平裝置、角度調(diào)平裝置組成。方向調(diào)平裝置由回轉(zhuǎn)支承、液壓馬達(dá)等組成，通過支撐板連接在支撐平臺(tái)上；角度調(diào)平裝置由上、下調(diào)平臺(tái)、調(diào)平液壓缸等組成，上、下調(diào)平臺(tái)通過銷軸鉸接。升降裝置、工作平臺(tái)等連接在上調(diào)平臺(tái)上。

調(diào)平裝置采用“方向+角度”的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。方向調(diào)節(jié)是指通過液壓馬達(dá)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)一定角度，對工作平臺(tái)的橫軸方向進(jìn)行調(diào)平；角度調(diào)節(jié)是指通過液壓缸的伸縮，使得上調(diào)平臺(tái)繞鉸鏈中心軸旋轉(zhuǎn)一定角度，對工作平臺(tái)的縱軸方向進(jìn)行調(diào)平。經(jīng)2次調(diào)節(jié)，可使工作平臺(tái)處于水平位置。

2 調(diào)平原理

以O(shè)A0B0C0表示地平面，以平面OA1B1C1表示沿X 軸方向坡度為α 和沿Y 軸方向坡度為β 的坡面，建立調(diào)平坐標(biāo)系，如圖2 所示。坐標(biāo)系OX0Y0Z0以{0}表示水平面坐標(biāo)系，坐標(biāo)系OX1Y1Z1以{1}表示坡面坐標(biāo)系；果園升降平臺(tái)在坡面上任意位置作業(yè)時(shí)，以平面DEFG 表示下調(diào)平臺(tái)，平面D′EFG′表示上調(diào)平臺(tái)，用EF 表示鉸鏈中心軸，用Z2軸表示回轉(zhuǎn)支承中心軸，Y2軸平行于鉸鏈中心軸EF，建立調(diào)平裝置坐標(biāo)系O2X2Y2Z2，以{2}表示。

圖2 調(diào)平坐標(biāo)系 Fig.2 Diagram of leveling coordinate

果園升降平臺(tái)在斜坡上任意位置作業(yè)，其調(diào)平過程的坐標(biāo)系變化可由圖3 表示。為方便描述，平移坐標(biāo)系{2}，使其坐標(biāo)原點(diǎn)O2與水平面坐標(biāo)系{0}的坐標(biāo)原點(diǎn)O 重合，形成新坐標(biāo)系{2′}。取坐標(biāo)系{2′}作為調(diào)平裝置未調(diào)平的坐標(biāo)系，用坐標(biāo)系{2′}的坐標(biāo)原點(diǎn)O 表示調(diào)平裝置的回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)，Z2′軸表示方向調(diào)平裝置的回轉(zhuǎn)中心軸，Y2′軸表示角度調(diào)平裝置的鉸鏈中心軸，平面OX2′Y2′表示未調(diào)平的上調(diào)平臺(tái)平面。

圖3 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn) Fig.3 Diagram of coordinate rotation

虛線L1表示平面OX2′Y2′與平面OX0Y0的交線，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)Z2′軸θ1角，使得坐標(biāo)系{2′}的Y2′軸與L1重合，即通過繞回轉(zhuǎn)支承中心軸OZ2′旋轉(zhuǎn)，對上調(diào)平臺(tái)橫軸方向進(jìn)行調(diào)平，得到新的坐標(biāo)系OX3Y3Z3，以{3}表示；同理，虛線L2表示OX3Y3與OX0Y0的交線，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)Y3軸θ2角，使得坐標(biāo)系{3}的X3軸與L2軸重合，即通過繞鉸鏈中心軸EF 旋轉(zhuǎn)，對上調(diào)平臺(tái)縱軸方向進(jìn)行調(diào)平，得到調(diào)平后坐標(biāo)系OX4Y4Z4，以{4}表示，其中平面OX4Y4表示已調(diào)平的上調(diào)平臺(tái)平面。由平面幾何知識(shí)易知，2 條相交直線確定1個(gè)平面，故平面OX4Y4與平面OXY 重合。

3 調(diào)平試驗(yàn)與分析

3.1 調(diào)平試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)由斜坡模擬裝置、方向調(diào)平裝置和角度調(diào)平裝置組成(圖4)。斜坡模擬裝置由4個(gè)支腿、支座和平臺(tái)支架組成，支腿可在支座內(nèi)上下自由滑動(dòng)，調(diào)節(jié)螺栓可固定其在支座內(nèi)的相對位置，支腿與平臺(tái)支架用關(guān)節(jié)軸承連接，可模擬0～15°的任意斜面。

圖4 調(diào)平試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu) Fig.4 Structure diagram of leveling test bed

方向調(diào)平裝置由回轉(zhuǎn)支承、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、51 單片機(jī)等組成。回轉(zhuǎn)支承下端面通過鋼板用螺栓連接在平臺(tái)支架上，上端面通過鋼板連接在下平臺(tái)上，使平臺(tái)可隨回轉(zhuǎn)支承自由旋轉(zhuǎn)。

角度調(diào)平裝置由上、下平臺(tái)和液壓缸組成，其中上、下平臺(tái)通過鉸鏈連接，通過液壓缸的伸縮，帶動(dòng)上平臺(tái)繞鉸鏈中心軸旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)節(jié)上平臺(tái)傾角。

斜坡模擬裝置如圖5 所示。 A′、B′、C′、D′分別表示調(diào)節(jié)螺栓，A′′、B′′、C′′、D′′分別表示關(guān)節(jié)軸承。通過調(diào)節(jié)各支腿上的調(diào)節(jié)螺栓與地面間的高度，可使平臺(tái)支架與水平面呈不同夾角，從而達(dá)到模擬斜坡的目的。保持支腿1 與地面相接觸，以其上的調(diào)節(jié)螺栓A′為坐標(biāo)原點(diǎn)，支腿1 為Z 軸，支座所在的平面為水平面(用ABCD 表示)，建立如圖5所示的水平面坐標(biāo)系OXYZ。當(dāng)支腿2、3、4 升高至距離水平面高度分別為h1、h2、h3時(shí)，平臺(tái)支架與水平面X 軸方向夾角為α，水平面Y 軸方向夾角為β，其中連桿9 和12 分別為L1和L2。

圖5 斜坡模擬裝置 Fig.5 Diagram of slope simulate device

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前校零：試驗(yàn)允許誤差為±0.2°。水平儀安裝在上平臺(tái)上，調(diào)節(jié)支腿高度和液壓缸伸縮長度，確保調(diào)平前上平臺(tái)處于水平狀態(tài)。

取工作平臺(tái)橫軸方向作為X 軸方向，縱軸方向作為Y 軸方向。X 軸方向在5～15°每隔2°取1個(gè)檢測點(diǎn)，Y 軸方向在5～13°每隔2°取1個(gè)檢測點(diǎn)，模擬果園升降平臺(tái)在15°斜坡上的任意工作位置。

調(diào)平前，記錄水平儀顯示的X、Y 軸傾斜角度；調(diào)平時(shí)，根據(jù)傾斜角度，先驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)上平臺(tái)至X 軸傾角為0°時(shí)，停止旋轉(zhuǎn)并鎖死電機(jī)；再調(diào)節(jié)液壓缸伸縮長度至Y 軸傾角為0°時(shí)，停止動(dòng)作并保持。記錄此時(shí)水平儀顯示的X、Y 軸傾角。調(diào)平誤差為2個(gè)方向的傾角平方和的算術(shù)平方根。

3.2.1 角度調(diào)節(jié)

履帶式車輛在大于20°的坡面上以較高速度轉(zhuǎn)彎時(shí)，易產(chǎn)生過轉(zhuǎn)彎和完全甩尾現(xiàn)象，導(dǎo)致車輛側(cè)滑甚至側(cè)翻[12]?？紤]升降平臺(tái)的結(jié)構(gòu)及爬坡性能，結(jié)合生產(chǎn)需要，可調(diào)節(jié)角度在0～15°范圍內(nèi)。

3.2.2 使用穩(wěn)定性分析

如圖6 所示，AB 表示工作平臺(tái)，CD 表示底盤，O1O2表示升降裝置，P 表示作業(yè)人員重心位置。當(dāng)作業(yè)人員進(jìn)行作業(yè)時(shí)，易引起傾翻。依據(jù)經(jīng)典力學(xué)知識(shí)對其能適應(yīng)的最大傾角進(jìn)行分析表明，作業(yè)車調(diào)平機(jī)構(gòu)應(yīng)保證作業(yè)人員不傾翻的條件為：F≥G·sinα；μmg·cosα≥mg·sinα；α≤arctanμ。

式中：F 為作業(yè)人員最大靜摩擦力；G 為作業(yè)人員重力；α 為最大傾角；μ 為滑動(dòng)摩擦系數(shù)(經(jīng)查文獻(xiàn)知，橡膠與鑄鐵或鋼的滑動(dòng)摩擦系數(shù) μ=0.3～0.5，這里取0.3)，代入數(shù)據(jù)可知，α≤16.7°。

圖6 升降平臺(tái)受力分析 Fig.6 Diagram of the forces of lifting platform

參照高空作業(yè)車國家標(biāo)準(zhǔn)[13]，調(diào)平機(jī)構(gòu)應(yīng)保證工作平臺(tái)底面與水平面的夾角不大于5°?？紤]到較大的傾角可能造成作業(yè)人員緊張，工作舒適性也會(huì)降低，實(shí)際上，調(diào)平后工作平臺(tái)底面與水平面的夾角不大于2°，即可滿足使用要求。

3.3 結(jié)果與分析

記錄水平儀測量角度，試驗(yàn)結(jié)果列于表1。從表1 結(jié)果可以看出，不同分組下的調(diào)平誤差并未隨調(diào)平前X 軸和Y 軸的傾角改變而出現(xiàn)規(guī)律性變化，且調(diào)平誤差都在1°以內(nèi)。說明采用“方向+角度”方式可適應(yīng)0～15°任意坡面的調(diào)平作業(yè)。

表1 調(diào)平誤差測量結(jié)果 Table 1 Test results of leveling error (°)

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