小型果園升降作業(yè)平臺(tái)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉大為 ，謝方平 ，2，盧 頌 ，李 旭

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

提高果園管理的機(jī)械化水平與自動(dòng)化程度，走節(jié)本增效之路，是我國(guó)果園管理機(jī)械化的終極目標(biāo)。升降平臺(tái)作為目前最適用于果園采摘的實(shí)用機(jī)具，載人作業(yè)時(shí)的安全、高效是其必備的性能指標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的升降以及載人工作臺(tái)的可調(diào)平，課題組設(shè)計(jì)的小型果園升降作業(yè)平臺(tái)由履帶行走裝置、動(dòng)力裝置、調(diào)平裝置、升降裝置、載人工作臺(tái)等組成。工作時(shí)，通過(guò)動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)履帶式行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行行走，到達(dá)工作位置后，根據(jù)載人工作臺(tái)的平衡情況，由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)調(diào)平裝置對(duì)載人工作臺(tái)進(jìn)行調(diào)平，而后工作人員進(jìn)入載人平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)，并通過(guò)升降液壓缸調(diào)整工作臺(tái)高度，以適應(yīng)果實(shí)不同的采摘高度。該機(jī)器可適應(yīng)果園采摘、疏花過(guò)程中的需要頻繁移動(dòng)位置的作業(yè)現(xiàn)狀，提高了整機(jī)的機(jī)動(dòng)性和作業(yè)效率。

液壓系統(tǒng)是果園升降作業(yè)平臺(tái)最重要的控制單元，其工作性能的好壞直接決定了果園升降平臺(tái)的操作性能、工作效率及使用壽命。針對(duì)升降平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成及功能要求，筆者對(duì)其液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，推導(dǎo)了執(zhí)行元件負(fù)載變化的理論表達(dá)式，擬定了液壓系統(tǒng)原理圖，并對(duì)各回路和液壓元件進(jìn)行了分析計(jì)算。

1 升降作業(yè)平臺(tái)及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

（1）平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成及功能需求。小型果園升降作業(yè)平臺(tái)由履帶行走裝置、動(dòng)力裝置、調(diào)平裝置、升降裝置、載人工作臺(tái)、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成。其中升降裝置由剪叉機(jī)構(gòu)、底座及升降液壓缸組成；調(diào)平裝置由回轉(zhuǎn)支承、定軸輪系以及角度調(diào)整油缸、回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)等組成，如圖1所示。

圖1 小型果園升降作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

果園升降作業(yè)平臺(tái)適用于南方丘陵果園，其種植模式和作業(yè)環(huán)境決定平臺(tái)必須結(jié)構(gòu)緊湊、啟動(dòng)方便、升降靈活、作業(yè)面大、控制簡(jiǎn)便等性能。同時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)具有良好的“點(diǎn)動(dòng)”性能，滿足實(shí)際操作需求，做到能最大限度地減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并保證載人升降作業(yè)的安全可靠性。

（2）升降調(diào)平裝置結(jié)構(gòu)。升降裝置的舉升油缸采用斜拉剪叉梁式結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置，沿舉升方向初置安裝角為10°。調(diào)平裝置底部角度調(diào)整液壓缸缸體與銷軸同端，沿剪叉機(jī)構(gòu)橫向與銷軸成垂直角度布置，液壓油缸的另一端與剪叉機(jī)構(gòu)底部相連，初置安裝角為5°，驅(qū)動(dòng)角度調(diào)整液壓油缸可以使得剪叉機(jī)構(gòu)繞銷軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 可調(diào)平升降裝置結(jié)構(gòu)圖

（3）升降平臺(tái)作業(yè)流程。當(dāng)整機(jī)處于任意作業(yè)位置時(shí)，由于果園地面崎嶇不平以及采摘平臺(tái)負(fù)載的變化，載人工作臺(tái)可能處于非水平狀態(tài)，甚至?xí)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，極易造成作業(yè)人員的不安全。通過(guò)“二次調(diào)平”設(shè)計(jì)，對(duì)載人工作臺(tái)進(jìn)行“方向”和“角度”調(diào)平，可以讓重心穩(wěn)定在支承平面內(nèi)保持不變，有效保證整機(jī)的穩(wěn)定性能，同時(shí)減少了通過(guò)支腿支撐帶來(lái)的不便捷性，提高了平臺(tái)的移動(dòng)效率。作業(yè)流程：果園采摘平臺(tái)處于非水平狀態(tài)時(shí)，由傳感器對(duì)上平臺(tái)傾斜狀態(tài)進(jìn)行信號(hào)采集，控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，變成輸出信號(hào)傳遞給執(zhí)行部件。執(zhí)行部件液壓缸和液壓馬達(dá)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，對(duì)載人平臺(tái)進(jìn)行調(diào)平。之后，工作人員進(jìn)入載人平臺(tái)進(jìn)，并通過(guò)升降液壓缸調(diào)整工作臺(tái)高度，以適應(yīng)果實(shí)不同的采摘高度。

（4）平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)。升降平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 果園升降作業(yè)平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)

（5）液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。小型果園升降作業(yè)平臺(tái)的工作過(guò)程包括以下幾個(gè)非連續(xù)性運(yùn)動(dòng)：工作臺(tái)回轉(zhuǎn)、角度調(diào)整、剪叉升降、整機(jī)行走和其他輔助運(yùn)動(dòng)。通過(guò)液壓馬達(dá)、回轉(zhuǎn)支承、角度調(diào)節(jié)裝置、升降裝置的驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)調(diào)平和升降。但由于采摘對(duì)象位置多變，平臺(tái)實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)以及行走、載運(yùn)過(guò)程中的阻力各不相同，為了滿足作業(yè)需要，提高作業(yè)效率，針對(duì)“定點(diǎn)”作業(yè)過(guò)程中必須保障整車的穩(wěn)定性要求，需要液壓系統(tǒng)具有良好的控制特性和動(dòng)作協(xié)調(diào)性。

2 液壓缸工作負(fù)載計(jì)算

2.1 升降液壓缸負(fù)載分析

依據(jù)瞬時(shí)功率相等原理，假設(shè)平臺(tái)負(fù)荷為W，剪叉機(jī)構(gòu)自重為G，剪叉臂長(zhǎng)度為L(zhǎng)，剪叉臂與水平方向的夾角為α，液壓缸與水平面的夾角為β，把液壓缸簡(jiǎn)化成滑塊導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，各構(gòu)件編號(hào)圖3所示。已知Led2=45cm，Lcd=20 cm，令m=Led2/L，n=Lcd/L，根據(jù)剪叉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)可知，點(diǎn) a、a1、a2在升降過(guò)程中為同一垂直面移動(dòng)，通過(guò)對(duì)升降臺(tái)進(jìn)行模塊劃分并加以分析后，運(yùn)用速度多邊形法來(lái)推導(dǎo)油缸推力F的計(jì)算公式。

圖3 剪叉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及受力簡(jiǎn)圖

F即為升降液壓缸的負(fù)載大小。在液壓缸驅(qū)動(dòng)剪叉臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，把液壓缸作用力的方向看作近似于平行于同向的剪叉臂。即有：β≈α+10°，由于剪叉臂之間的最大剪叉角度為60°，有α∈［0~30°］；由此可得，升降液壓缸的負(fù)載變化隨著剪叉角度的增大而減小，當(dāng)平臺(tái)最大負(fù)載，即液壓缸處于起始位置時(shí)的驅(qū)動(dòng)力最大。求得：Fmax=35.5kN。

2.2 調(diào)平液壓缸負(fù)載分析

根據(jù)前述操作流程，當(dāng)調(diào)平液壓缸工作時(shí)，平臺(tái)未承受負(fù)載，只需承受自重。

因此，可知在安裝角位置時(shí)，調(diào)平油缸承受的力分解到垂直方向時(shí)所承受的負(fù)載最大。

由于升降作業(yè)平臺(tái)的最大爬坡角度為15°，有α'∈［5°~15°］，求得 Fmax=28.1kN。

由于在平臺(tái)升降過(guò)程中，實(shí)際操作多為點(diǎn)動(dòng)（啟動(dòng)或快退時(shí)間為 5 s，取平均速度為 0.04 m/s），由式（1）、式（2）可知，液壓缸負(fù)載的變化隨調(diào)平角度和平臺(tái)高度的增加而減小?？紤]到剪叉機(jī)構(gòu)升降過(guò)程中工件間的滾動(dòng)摩擦可忽略不計(jì)；根據(jù)其升降速度≤0.2m/s的要求，可知在最大負(fù)載情況下，升降油缸快退過(guò)程中液壓缸所承受的負(fù)載最大。

3 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 液壓缸主要參數(shù)的確定

根據(jù)工作流程和兩液壓缸的負(fù)載計(jì)算情況，升降作業(yè)平臺(tái)液壓系統(tǒng)液壓缸的最大負(fù)載為35.5kN，假設(shè)液壓缸的機(jī)械效率ηm=0.9，根據(jù)負(fù)載選擇執(zhí)行元件工作壓力參照表可知，宜取p1=4MPa。由于載人工作臺(tái)在上升和下落過(guò)程速度要求較慢，均近似看作等速運(yùn)動(dòng)。因此，液壓缸可選用單桿式，并在舉升時(shí)作差動(dòng)連接，其中A1≈2A2（A1為無(wú)桿腔工作面積、A2為有桿腔工作面積）。即活塞桿直徑d與缸筒直徑D之間的關(guān)系為：d=0.707D。在載人工作臺(tái)下降操作中，液壓缸回油路上必須具有背壓p2，以防止重力過(guò)大時(shí)掉落。根據(jù)文獻(xiàn)推薦數(shù)值，取p2=0.5MPa。同時(shí)，雖然舉升時(shí)液壓缸做差動(dòng)連接，但由于油管中有壓降△p存在，使得有桿腔的壓力大于無(wú)桿腔，取△p≈0.5MPa，可根據(jù)無(wú)桿腔工作面積計(jì)算公式：

求得

同樣求得活塞桿直徑d=0.707D=8.2cm

根據(jù)GB/T2348-2001將所計(jì)算的D和d值分別圓整成就近標(biāo)準(zhǔn)直徑，選取標(biāo)準(zhǔn)密封件。圓整后得：D=12.5cm，d=8cm。由此求得液壓缸兩腔的有效面積為：A1=πD2/4=122.7cm2，A2=π（D2-d2）=72.4 cm2。經(jīng)檢驗(yàn)，活塞桿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均符合要求。同理，可求得調(diào)平液壓缸的相關(guān)參數(shù)如下：A1'=83.1cm2、D'=10.3cm、d'=7.3cm，圓整后取 D'=11cm、d'=8cm、A1'=95cm2、A2'=44.7cm2。

3.2 液壓缸工作壓力、流量和功率

根據(jù)前述各參數(shù)，當(dāng)背壓按pb=0.5MPa計(jì)算時(shí)，算得升降液壓缸工作過(guò)程的壓力、流量和功率，代入，如下：

進(jìn)油壓力：

求得p1=3.5MPa

單位時(shí)間輸入流量：

q=A1·V=49.1ml/s=2.94 L/min

輸入功率：

P=P1·q=0.17 kW

同理，可求得調(diào)平油缸相關(guān)參數(shù)如下：

P1'=3.5MPa、q'=2.28L/min、P'=0.08kW。

3.3 液壓回路的綜合

根據(jù)液壓系統(tǒng)工況，選用定量泵供油，泵的供油壓力由先導(dǎo)式溢流閥設(shè)定，二位二通電磁換向閥用于控制液壓泵的卸荷。因系統(tǒng)只有回轉(zhuǎn)、傾角調(diào)整、升降三種動(dòng)作，且無(wú)特殊工作動(dòng)作要求，因此選用單活塞桿液壓缸和雙作用定量液壓馬達(dá)?？紤]到平臺(tái)工作位置多變，系統(tǒng)需要頻繁啟停，為防止在上升過(guò)程停留時(shí)平臺(tái)下落，同時(shí)在停留期間內(nèi)保持平臺(tái)的高度不變，特在各支路上采用雙向液壓鎖，從而保證用以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的靜態(tài)鎖止。對(duì)于液壓馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)，無(wú)特殊要求。將上述所選定的液壓回路進(jìn)行組合，液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

3.4 主要液壓元件的計(jì)算與選擇

（1）液壓泵的參數(shù)計(jì)算。已知p1=3.5 MPa，考慮到本液壓系統(tǒng)油路較為簡(jiǎn)單，選取進(jìn)油路總壓力損失，則液壓泵最高工作壓力為：

求得pp=3.9MPa

泵的額定壓力可?。篜r≥1.25Pp=4.9MPa

又液壓泵的最大供油量qp按液壓缸的最大輸入流量進(jìn)行估算，取泄露系數(shù)K=1.3，則：

求得液壓泵的流量qp=6.8L/min。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選用規(guī)格相近的YB-A9B型葉片泵，其理論排量為9.1m l/r，額定壓力為7 MPa，額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，輸出流量為6.9L/min，泵的總效率ηp取0.85，則求得液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的功率為:

求得P=1.3kW

選用電動(dòng)機(jī)型號(hào)：Y90L-4型電機(jī)，其額定功率1.5kW，轉(zhuǎn)速為1400r/min。

（2）液壓馬達(dá)的選擇。為方便控制回轉(zhuǎn)支撐的左右轉(zhuǎn)動(dòng)，提高回轉(zhuǎn)效率，回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的選擇需采用雙向定量液壓馬達(dá)，同時(shí)，采用采用定軸輪系傳動(dòng)，設(shè)定其傳動(dòng)比5≤i≤10。

已知回轉(zhuǎn)支承上平臺(tái)質(zhì)量及額定負(fù)載總量為450kg，平臺(tái)最大升降高度為1.2m，最大爬坡角度為15°，根據(jù)回轉(zhuǎn)支承計(jì)算結(jié)果，初選其產(chǎn)品型號(hào)為：回轉(zhuǎn)支承013.25.500.10 JB/T 2300，其中da=602mm。為計(jì)算液壓馬達(dá)的扭矩T（N·m），我們把回轉(zhuǎn)平臺(tái)看作一個(gè)質(zhì)量為m=450kg，直徑為da的實(shí)心圓柱體，則有：

求得，液壓馬達(dá)所需的扭矩為67.6N.m

又知平臺(tái)允許的最大回轉(zhuǎn)速度為4.5r/min，根據(jù)擬定的回轉(zhuǎn)支承傳動(dòng)比大小，可知液壓馬達(dá)理論上允許的最大轉(zhuǎn)速為45r/min。

顯然，理論算得的液壓馬達(dá)扭矩較小，轉(zhuǎn)速較低，現(xiàn)有產(chǎn)品的性能參數(shù)與之不能匹配，可增加一級(jí)蝸輪蝸桿減速器傳動(dòng)，以滿足馬達(dá)轉(zhuǎn)速要求。由于負(fù)載的確定性，馬達(dá)所需的扭矩大小明確，根據(jù)馬達(dá)扭矩，擬定馬達(dá)轉(zhuǎn)速為120r/min，查詢《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第五版第5卷表21-5-82中，可選YM-B102B葉片液壓馬達(dá)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）升降平臺(tái)的液壓系統(tǒng)中液壓缸設(shè)置了雙向鎖緊裝置,使調(diào)平和升降動(dòng)作平穩(wěn),提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

（2）采用液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承的方式，不能滿足平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)，需要增加一級(jí)傳動(dòng)，方可滿足使用要求。

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