溫室用小型多功能電動履帶式作業(yè)平臺設(shè)計

崔志超，管春松，陳永生，高慶生，楊雅婷

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014）

0 引 言

目前，溫室果蔬生產(chǎn)過程中的耕整地及播種環(huán)節(jié)作業(yè)環(huán)節(jié)已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，但高架吊蔓類果蔬的中期管理和采運(yùn)輸送環(huán)節(jié)仍主要靠人工完成，存在勞動強(qiáng)度大、作業(yè)效率低等問題，嚴(yán)重制約了果蔬生產(chǎn)全程機(jī)械化的發(fā)展速度[1-4]。為此，歐美等國在上世紀(jì)20年代初率先開始高空作業(yè)車方面的研究，到上世紀(jì)60年代美國將高空作業(yè)車運(yùn)用到蔬果作業(yè)中，用來輔助人工完成修剪及收獲等工作，隨后研制出液壓式升降平臺，配套采摘機(jī)具，為升降作業(yè)平臺車的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[5]。緊隨其后，澳大利亞也成功研制出可用于單人操作的升降平臺，可實(shí)現(xiàn)上升、下降、前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎[6]。歐美國家研發(fā)的作業(yè)平臺其行走機(jī)構(gòu)主要為輪式，適合于露地標(biāo)準(zhǔn)化種植的蔬菜園區(qū)和果園。而在溫室及丘陵山地等小地塊方面，日本多選擇履帶式行走機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)任意位置的作業(yè)，機(jī)動性較強(qiáng)。同時針對溫室結(jié)構(gòu)緊湊和作業(yè)重復(fù)性高的特點(diǎn)，國外如荷蘭 PRIVA公司推出了 Berg Hortimotive系列帶液壓剪叉升降機(jī)的管道車[7]，國內(nèi)如北京京鵬環(huán)球股份有限公司開發(fā)出電動溫室采摘車[8]，此類溫室采摘車皆行駛在鋪設(shè)的固定平行管道上，作業(yè)長度受鋪設(shè)管道范圍而定，對固定設(shè)施的投入相對較高，通用性相對較差。

中國于上世紀(jì)90年代成功研制出第一臺液壓升降平臺，并開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[9]。目前，中國研制的多功能作業(yè)平臺主要有自走輪式、自走履帶式和懸掛折臂式 3種，如：程健等[10-11]均研制出果園大型輪式液壓作業(yè)平臺，適用于果園高大樹木；劉大為等[9,12-13]均研發(fā)了油動履帶自走式作業(yè)平臺，適用于丘陵山地；樊桂菊等[14-15]均研制了折臂式作業(yè)平臺，需與拖拉機(jī)或?qū)佘囕v配合作業(yè)，掛接后尺寸較大?？傮w來講，國內(nèi)多偏重露地果園作業(yè)平臺的研究，且多采用內(nèi)燃機(jī)作為動力源，存在能耗高、噪音大，尾氣排放多，環(huán)境污染大，且操作復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸大，在露天果園應(yīng)用尚可，不適合封閉環(huán)境下溫室大棚內(nèi)作業(yè)。

因電能、太陽能、風(fēng)能等清潔能源具有零排放、利用率高等優(yōu)點(diǎn)正逐步在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到利用，以電動拖拉機(jī)、電動微耕機(jī)為代表的綠色環(huán)保型電動農(nóng)機(jī)近些年在國內(nèi)外得到研發(fā)與推廣[16-18]，對溫室用作業(yè)平臺的設(shè)計具有借鑒意義，尤其適合溫室密閉環(huán)境。為此，本文結(jié)合現(xiàn)代溫室結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計了一種溫室用電動作業(yè)平臺，對其關(guān)鍵部件及控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，并進(jìn)行樣機(jī)作業(yè)性能臺架試驗(yàn)及田間驗(yàn)證試驗(yàn)，以期為溫室內(nèi)果蔬的中期管理與采運(yùn)提供合適的通用作業(yè)平臺，從而減輕農(nóng)民勞動強(qiáng)度，進(jìn)而提高溫室生產(chǎn)的機(jī)械化水平。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 設(shè)計要求

為適應(yīng)現(xiàn)代溫室結(jié)構(gòu)，采用清潔能源為動力，提高運(yùn)載能力及作業(yè)續(xù)航時間，升降高度自由調(diào)節(jié)，室內(nèi)作業(yè)靈活輕巧，以減少人工投入、提高作業(yè)效率為目的，同時兼具良好的通過性、安全性及可靠性。根據(jù)現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)農(nóng)業(yè)裝備配套規(guī)范[19]，設(shè)施大棚為保證機(jī)械進(jìn)入和回轉(zhuǎn)，一般跨度為8 m，高度不低于3.2 m，肩高1.8 m，長度不小于40 m，田間路寬1～2 m。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要具體設(shè)計要求如表1所示。

表1 電動作業(yè)平臺設(shè)計要求Table 1 Design requirements of electric platform

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 1所示，主要由護(hù)欄、工作臺、升降裝置、底盤、電池組等組成。其中升降裝置由液壓泵、液壓缸、剪叉等組成，液壓泵安裝在底盤內(nèi)部，與液壓缸連接；液壓缸兩端分別與底盤和剪叉連接，剪叉下部與底盤連接，上部與安裝有護(hù)欄的工作臺連接；底盤中間位置設(shè)置安裝有電池組，為整機(jī)提供動力；整機(jī)在滿足正常作業(yè)要求的前提下可選擇性的掛接拖車適當(dāng)增加裝載容量。

圖1 電動作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of electric platform

電池箱內(nèi)的電池組經(jīng)電源轉(zhuǎn)換模塊與主控板、電機(jī)、液壓泵站連接，主控板將控制指令以電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。升降作業(yè)時，操縱遙控器或車載控制臺的升降按鈕發(fā)出通訊指令，主控板接收到指令后轉(zhuǎn)換成電信號傳遞給液壓泵站上的控制器，控制器控制液壓泵站運(yùn)轉(zhuǎn)，通過液壓油實(shí)現(xiàn)液壓缸的伸縮運(yùn)動，從而推動剪叉上下運(yùn)動，帶動工作臺升高或下降。行走或后退作業(yè)時，操縱遙控器或車載控制臺前進(jìn)或后退按鈕發(fā)出通訊指令，主控板接收到指令后轉(zhuǎn)換成電信號傳遞給電機(jī)控制器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，兩電機(jī)同時得正電，實(shí)現(xiàn)平臺的前進(jìn)，反之，平臺后退。轉(zhuǎn)彎作業(yè)時，操縱遙控器或車載控制臺左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)按鈕發(fā)出通訊指令，主控板將指令轉(zhuǎn)換成電信號傳遞給電機(jī)控制器，當(dāng)按下左轉(zhuǎn)按鈕時，左側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)右側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，平臺原地左轉(zhuǎn)，反之，平臺原地右轉(zhuǎn)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 底 盤

考慮到作業(yè)平臺一方面提升作業(yè)時重心較高，對穩(wěn)定性要求較嚴(yán)格，另一方面果蔬中期管理及采運(yùn)等是周期循環(huán)性工作，會對土壤造成反復(fù)鎮(zhèn)壓，易造成土壤板結(jié)[20-21]，故該平臺優(yōu)先選用履帶式底盤行走裝置。增大與土壤的接觸面積，既可增大復(fù)雜路況運(yùn)行穩(wěn)定性，又可減小土壤單位面積壓強(qiáng)，保證土壤的疏松性。底盤結(jié)構(gòu)如圖 2所示，由底盤機(jī)架、電機(jī)、滾動輪、橡膠履帶和電路系統(tǒng)等組成，滾動輪全部安裝在滾輪支架上，分為主動輪、支重輪、托帶輪和導(dǎo)向輪，滾動輪上安裝橡膠履帶，電機(jī)分別驅(qū)動左右履帶的主動輪。

圖2 底盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of chassis structure

假設(shè)實(shí)際工作中總計算質(zhì)量為整機(jī)質(zhì)量與舉升質(zhì)量之和，則電機(jī)及減速機(jī)的選型參數(shù)計算如下。

平臺牽引力Fq

電機(jī)功率P

式中μ為摩擦系數(shù)，考慮橡膠與混凝土之間的摩擦系數(shù)在0.3～0.5之間[22]，本作業(yè)平臺需在田間作業(yè)，所以取最大值0.5；m為總計算質(zhì)量，kg，此處取700 kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；η為電機(jī)效率，此處取0.8；v為平臺移動速度，km/h，此處取2 km/h。據(jù)此計算可得知電機(jī)功率為2.3 kW。考慮平臺工作于田間復(fù)雜路況的場合，運(yùn)行阻力較大，因此左右履帶各配備一臺由淄博博山山特電機(jī)廠生產(chǎn)額定功率1.2 kW、額定電壓48 V、額定電流25 A、額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min的2YT系列直流電機(jī)。

則主動輪與電機(jī)之間的傳動比i為

式中n為主動輪轉(zhuǎn)速，r/min；n1為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min，此處取1 000 r/min；r為履帶主動輪半徑，考慮溫室內(nèi)作業(yè)空間底盤宜低矮化，此處取0.1 m，則計算可知i為1:15，即為每臺電機(jī)配套同電機(jī)廠生產(chǎn)傳動比1:15的RV075-15型減速機(jī)。

底盤采用逆向轉(zhuǎn)向原理依靠改變兩履帶驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動方向，使其實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。如圖 3所示，左右履帶各自向Vm1和Vm2方向轉(zhuǎn)動且轉(zhuǎn)動速度相同，由于兩履帶距離底盤中心Q的力臂相等，因此力矩MQ=0，QZ即為底盤最大原地轉(zhuǎn)彎半徑

式中a為底盤總長度，mm；c為底盤總寬度，mm，計算得底盤最大轉(zhuǎn)彎半徑R=838.5 mm。由于履帶與地面接觸摩擦力較大，底盤轉(zhuǎn)彎時會出現(xiàn)偏差，根據(jù)現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)道路寬度在1～2 m的要求[20]，因此底盤實(shí)際轉(zhuǎn)彎半徑＜1 m時即可認(rèn)定合格。

圖3 底盤轉(zhuǎn)向原理Fig.3 Principle of chassis swerve

2.2 電池組

電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時的電流通常為額定電流的一半[23]，則兩臺電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時所需總電流I為25 A。據(jù)設(shè)計要求可知平臺續(xù)航時間t需達(dá)到4 h，則所需提供給2臺電機(jī)工作的電池組容量C為

則計算可知電池組容量C為100 A?H。因電機(jī)額定電壓為48 V，故選用8塊單體額定電壓12 V、額定電流為50 A的超燕6-EVF-50型蓄電池，將其中4塊單體先各自串聯(lián)后再并聯(lián)，即可滿足電機(jī)的工作需求。

2.3 升降裝置

2.3.1 推力模型建立

因剪叉式升降機(jī)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性和承載能力[24-25]，同時考慮到溫室內(nèi)高架吊蔓果蔬的生長高度約為 2～3 m，故選擇單剪叉即可滿足升降需求，具體結(jié)構(gòu)如圖 4所示。A點(diǎn)和 B點(diǎn)分別與底盤和工作臺固定鉸鏈連接，為2個轉(zhuǎn)動副；C點(diǎn)和I點(diǎn)通過滾輪分別與底盤和工作臺的滑道相切連接，為 2個移動副；O點(diǎn)是兩剪叉臂中間鉸接點(diǎn)，為轉(zhuǎn)動副；液壓缸活塞桿上端與剪叉臂AC鉸接于F點(diǎn)，下端與底盤鉸接于E點(diǎn)。

圖4 升降裝置原理Fig.4 Principle of lifting device

在升降高度固定的情況下，起升角φ與剪叉臂D呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。起升角 φ過大會導(dǎo)致整車平穩(wěn)性下降，起升角φ過小會造成剪叉臂D材料用量的增加，經(jīng)文獻(xiàn)檢索知φ∈（0～30°）為佳[26]，故當(dāng)工作臺到達(dá)最高位置時，此處起升角φ取30°，并對其進(jìn)行受力分析。

起升角φ、剪叉臂D、升降高度H三者之間的關(guān)系為式中H為起升高度，此處取0.5 m，計算可得D為1 m。

因液壓缸的負(fù)荷變化隨起升角 φ增大而逐漸減小，在載重一定的情況下，液壓缸在初始位置，即 φ等于 0時受力最大，故對在該狀態(tài)下的升降裝置進(jìn)行受力分析，剪叉臂D繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，由力矩平衡方程

即

由此計算知剪叉在初始位置時液壓缸推力Fi為

2.3.2 仿真優(yōu)化

剪叉在初始臨界狀態(tài)下的提升力為液壓缸最大推力，為求得液壓缸在初始位置時的最大可靠推力，考慮安全余量，取安全系數(shù)為2，即平臺的最大載荷G1設(shè)為400 kg，則單側(cè)剪叉各自承受G1/2即200 kg。影響液壓缸推力的關(guān)鍵因素主要為：x、y和 OF值，在底盤空間和液壓缸外形允許的情況下，設(shè)置 x可變動范圍 200～800 mm，y可變動范圍 200～300 mm，OF可變動范圍200～300 mm，將模型導(dǎo)入Adams/view軟件[27]，分別對影響液壓缸推力大小的x、y、OF值進(jìn)行單因素仿真分析，受力分析如圖5所示。

圖5 液壓缸受力分析Fig.5 Force analysis of hydraulic cylinder

剪叉提升過程中液壓缸應(yīng)以省力為前提，合理布局安裝位置。如圖5中所示，x、y和OF值三因素對液壓缸推力的影響關(guān)系是：OF越小、θ角越大液壓缸越省力，θ角與x呈負(fù)相關(guān)關(guān)系與y呈正相關(guān)關(guān)系，且θ的極限角度為90°。因此仿真過程中，分別選擇影響液壓缸推力的其中一個因素進(jìn)行試驗(yàn)，其他2個因素設(shè)為默認(rèn)值（x設(shè)為中間值500 mm、y設(shè)為最大值300 mm、OF設(shè)為最小值200 mm）。初步仿真結(jié)果圖如6a、6b、6c所示，液壓缸推力隨x和OF值增大而增大，隨y值增大而減小。然后對不同x、y和 OF值隨提升時間增長對液壓缸推力的影響進(jìn)行仿真分析，設(shè)置仿真時間為3 s。由圖6d、6e、6f發(fā)現(xiàn)，仿真時間為0時（剪叉臨界狀態(tài)下）x值為500 mm、y值為300 mm、OF值為 200 mm時，液壓缸最大推力均在34 000～40 000 N之間，滿足了剪叉提升對于推力的需求，相對于其他參數(shù)組合條件下，液壓缸最大推力較小，推力不足，不能滿足較大的剪叉提升，液壓缸最大推力較大，而所需推力又較小，造成能耗浪費(fèi)；且在該 x、y和OF值取值條件下，液壓缸推力隨時間增長幅度減小平緩、落差小，說明液壓缸運(yùn)行平穩(wěn)，不會產(chǎn)生較大的抖動，作業(yè)可靠性較高，為較理想狀態(tài)。

圖6 不同參數(shù)對液壓缸推力的影響Fig.6 Effect of parameters on thrust of hydraulic cylinder

取x=500 mm，y=300 mm，OF=200 mm，其他參數(shù)保持不變，以平臺質(zhì)心位移U為橫坐標(biāo)，液壓缸推力Fi為縱坐標(biāo)，得出平臺不同提升高度對應(yīng)液壓缸最大推力之間的曲線關(guān)系圖，如圖7所示。單側(cè)剪叉在載荷200 kg初始提升狀態(tài)下所需液壓缸提供最大推力為14 400 N，則雙側(cè)剪叉滿載初始提升狀態(tài)下液壓缸可提供推力Fi≥28 800 N，滿足平臺升降要求。

已知液壓缸可提供推力Fi≥28 800 N，在一定面積S液壓缸所需壓強(qiáng)Pi為

圖7 優(yōu)化后作業(yè)平臺提升高度與液壓缸推力曲線關(guān)系Fig.7 Relationship between lifting height and thrust of hydraulic cylinder after optimized

液壓缸直徑取 0.05 m，由式（11）計算得：液壓缸所需壓力Pi≥14.7 MPa，考慮泵站電壓與主電路匹配，壓強(qiáng)滿足計算要求，因此選用壓強(qiáng)為 16 MPa的勝杰DC48V/2kW-01-4L-H微型液壓泵站即可滿足要求。

2.4 載人工作臺

如圖 8所示，成年人伸出雙手采摘高處果實(shí)時，手臂伸出越長，采摘高度越高，重心越往前傾，由常識可知，當(dāng)人體與水平面夾角＜90°時人體容易出現(xiàn)傾倒。因此，從安全性和作業(yè)靈活性角度考慮，則護(hù)欄高度設(shè)計應(yīng)滿足

式中A1為作物生長高度，取值3 m；A2為工作臺升高后距離地面高度，取值1 m；A3為護(hù)欄高度，m；A4為臂長，根據(jù)中國成年人人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)[28]，此處取0.75 m；σ為手臂與人體形成夾角，取值30°，則計算得出A3≤1.35 m。

圖8 載人工作臺模擬作業(yè)Fig.8 Simulated operation for manned workbench

由于農(nóng)用作業(yè)平臺暫無安全作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此參考固定式鋼梯及平臺安全要求，當(dāng)平臺、通道及作業(yè)場所距基準(zhǔn)面高度小于2 m時，防護(hù)欄高度A3應(yīng)不低于0.9 m[29]。綜合考慮安全性和作業(yè)的便利性，護(hù)欄高度確定設(shè)計為1 m。

3 控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成與控制原理

控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、電機(jī)控制器 1/2、接觸器M1/M2、繼電器 K1/K2/K3/K4、車載控制臺、遙控器及電源轉(zhuǎn)換模塊等組成。

其控制原理如圖 9所示，本作業(yè)平臺可選擇遠(yuǎn)程遙控和本地控制，通過2種方式均可實(shí)現(xiàn)平臺前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向和工作臺上升、下降。車載控制臺通過RS485通訊把操控信息傳送給單片機(jī)，遙控器通過NORDIC公司生產(chǎn)的NRF2401 2.4G無線通訊模塊把操控信息傳送給單片機(jī)無線接收器，單片機(jī)接收到信號并將信息傳送給華仲機(jī)電公司生產(chǎn)的ZK系列控制器，不但實(shí)現(xiàn)對作業(yè)平臺的升降運(yùn)動和直線行走及轉(zhuǎn)向運(yùn)動的控制，而且實(shí)時采集動力電壓信號回傳給車載控制臺和遙控器進(jìn)行監(jiān)視顯示。

圖9 電動作業(yè)平臺控制系統(tǒng)原理Fig.9 Control system principle of electric platform

3.2 軟件設(shè)計

控制程序基于STC15W4K32S4系列單片機(jī)采用C語言進(jìn)行編程[30]。

控制過程：打開車載控制臺遙控開關(guān)，遙控器與單片機(jī)信號接收器無線連接，當(dāng)撥動遙控器前進(jìn)推桿，繼電器K3、K4正向吸合，控制接觸器 M1、M2將電機(jī)Y1、Y2切換到正轉(zhuǎn)，同時單片機(jī)提供1～5 V的速度模擬量信號通過電機(jī)控制器1、2控制電機(jī)Y1、Y2轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)運(yùn)行速度和行走時轉(zhuǎn)向功能；反之，繼電器K3、K4反向吸合，控制接觸器M1、M2將電機(jī)Y1、Y2切換到反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)后退功能。當(dāng)撥動左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)推桿時，轉(zhuǎn)彎側(cè)驅(qū)動電機(jī)斷電，另一側(cè)繼續(xù)通電，實(shí)現(xiàn)整車的轉(zhuǎn)彎。當(dāng)按下遙控器提升按鈕，上升繼電器K1得電，單片機(jī)接收到信號后傳遞給液壓泵站上的控制器，控制器控制液壓泵站運(yùn)轉(zhuǎn)，通過液壓油實(shí)現(xiàn)液壓缸的伸縮運(yùn)動，液壓缸推動剪叉上升，從而帶動工作臺升高；當(dāng)按下遙控器下降按鈕，下降繼電器K2得電，單片機(jī)接通液壓缸泄流閥，液壓缸靠工作臺自身重力復(fù)位。其中，液壓泵站電機(jī)為 48 V，控制電壓為 24 V，由48V/24 V電源轉(zhuǎn)換模塊提供；24V/12 V電源轉(zhuǎn)換模塊為單片機(jī)和車載控制臺提供電壓，同時提供液壓缸上升和下降、整機(jī)行駛和轉(zhuǎn)向4個輸出繼電器的控制電壓。其控制流程如圖10所示。

圖10 電動作業(yè)平臺控制流程Fig.10 Control flow of the electric platform

4 試驗(yàn)研究

4.1 臺架試驗(yàn)

4.1.1 最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗(yàn)

試驗(yàn)于2018年8月在山東棗莊某公司廠區(qū)內(nèi)進(jìn)行。將平臺運(yùn)行至水泥地面空曠處，工作臺降低至最低位置，在車體四角安裝劃線針。轉(zhuǎn)彎時操縱遙控器（或車載控制臺）轉(zhuǎn)向搖桿至最大轉(zhuǎn)向角后保持不變，以低速擋分別向左、向右各轉(zhuǎn)一圈，測量車體最外側(cè)的轉(zhuǎn)彎半徑軌跡尺寸[31]。試驗(yàn)工具包括：劃線針、卷尺等。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，平臺在前進(jìn)和后退2種操作方式下各自向左、向右轉(zhuǎn)彎半徑基本一致，試驗(yàn)結(jié)果表明最小轉(zhuǎn)彎半徑平均值為 0.94 m，與設(shè)計值對比平均偏差率≤5.13%。

注：低速擋為1 km?h-1。

Note: Low speed is defined as 1 km?h-1.

表2 電動作業(yè)平臺最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗(yàn)Table 2 Minimum turning radius test of electric platform

4.1.2 坡面行駛傾翻試驗(yàn)

1）坡面行駛力學(xué)分析

電動作業(yè)平臺在坡面行駛時主要有縱向、橫向和斜向 3種狀態(tài)，考慮平臺在坡面處于低、勻速行駛狀態(tài)，空氣阻力、慣性力可忽略不計[32]，物體質(zhì)量施加于升降平臺中心位置，工作臺升降時整機(jī)在坡面處于靜止?fàn)顟B(tài)，平臺在3種狀態(tài)條件下受力情況如圖11所示。

圖11 電動作業(yè)平臺在三種坡面狀態(tài)下受力簡圖Fig.11 Force diagram of electric platform under three slope conditions

① 平臺縱向于坡面

如圖11a所示，當(dāng)坡面角度α逐漸增大，坡面對履帶的支撐力PN逐漸向O2點(diǎn)移動，當(dāng)支撐點(diǎn)與O2重合，平臺將發(fā)生傾翻。

由力矩平衡方程

得

根據(jù)受力分析，故平臺縱向不發(fā)生傾翻的條件為E≥0。由E≥0，可求得

即平臺縱向于坡面時傾翻角范圍。

② 平臺橫向于坡面

如圖11b所示，當(dāng)坡度α逐漸增大，坡面對左右履帶的支撐力PN1和PN2逐漸向O5點(diǎn)移動，當(dāng)支撐點(diǎn)與O5點(diǎn)重合，平臺將發(fā)生傾翻。由力矩平衡方程

得

根據(jù)受力分析，故平臺橫向不發(fā)生傾翻的條件為PN1≥0，PN2≥0。

故

因此

可求得

即平臺橫向于坡面時傾翻角范圍。

③ 平臺斜向于坡面

如圖11c所示，平臺斜向于坡面是介于縱向與橫向的中間狀態(tài)，即與坡面理想轉(zhuǎn)軸呈0＜β＜90°關(guān)系，若坡面無限延伸，在此狀態(tài)下平臺爬坡路線近似為“Z”型，此時平臺與水平面構(gòu)成新夾角γ，γ＜α。即平臺外在條件相同的 3種狀態(tài)下，縱向和橫向時不會傾翻，斜向亦不會傾翻。平臺處于γ坡度的受力分析與上述①、②同理。

通過以上 3種狀態(tài)的受力分析得出：當(dāng)爬坡角度一致，平臺不同狀態(tài)下坡面行駛穩(wěn)定性與平臺自重 G、載質(zhì)量G1、履帶與地面接觸長度l、主動輪側(cè)支重輪中心與平臺重心位置的垂直距離J、舉升高度H、平臺重心高度h、左右履帶中心距L、履帶寬度b等因素有關(guān)系。

2）試驗(yàn)方法與結(jié)果

受試驗(yàn)條件限制，坡面行駛穩(wěn)定性試驗(yàn)測量平臺理想靜止?fàn)顟B(tài)下的最大傾翻角。將平臺放至坡面分別呈縱向、橫向、斜向 3種狀態(tài)，用拖拉機(jī)前配重鑄鐵塊模擬載重置于工作臺重心位置，設(shè)置0、100、150、200 kg 4種載量，工作臺提升高度分別0、250、500 mm。測試平臺在坡面不同行駛狀態(tài)下，升降高度、載重對其傾翻或滑坡穩(wěn)定性的最大影響角度。受試驗(yàn)條件限制，試驗(yàn)坡面采用表面帶有“人”字形防滑紋的鋼板代替，借助吊機(jī)吊住鋼板一側(cè)，另一側(cè)與地面鉸接，通過升降吊機(jī)高度變換坡面角度，試驗(yàn)過程如圖 12所示。試驗(yàn)工具包括：角度測量儀、吊機(jī)、“人”字形防滑紋的鋼板、配重鐵塊等。

圖12 坡面行駛傾翻試驗(yàn)Fig.12 Tip over test of platform driving on slope

試驗(yàn)結(jié)果如表 3所示，結(jié)果表明：平臺在坡面行駛最大傾翻角與平臺重心有關(guān)，而重心與車體狀態(tài)、工作臺升降高度、負(fù)載質(zhì)量及高度有密切關(guān)系。平臺坡面行駛最大傾翻角隨工作臺升高、負(fù)載加重（負(fù)載高度逐漸加高）而逐漸減??；在工作臺升降高度、負(fù)載質(zhì)量及高度相同情況下，最大傾翻角與平臺和坡面的位置狀態(tài)相關(guān)，縱向狀態(tài)最大傾翻角數(shù)值最高，橫向狀態(tài)數(shù)值最小，即平臺在坡地作業(yè)時宜縱向于坡面，減少橫向作業(yè)。

4.1.3 爬坡性能試驗(yàn)

爬坡角度是表征平臺在田間復(fù)雜地形通過能力的主要指標(biāo)之一，也是考核平臺運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵因素。根據(jù) 4.1.2坡面行駛傾翻試驗(yàn)中測得平臺最大傾翻角為30.5°，在保證平臺穩(wěn)定的狀態(tài)下設(shè)置試驗(yàn)坡面角度分別為10°、20°、30°，將200 kg負(fù)載置于工作臺中心，平臺縱向于坡面，以低速擋通過 3個不同角度的坡面，記錄行駛時間和爬坡時電流變化值，測試平臺爬坡角度與爬坡速度之間的關(guān)系和爬坡角度對電流的影響。試驗(yàn)工具包括：臺灣儀辰多功能磁性角度測量儀、勝利牌VC890C+全自動萬用表、配重鐵塊等。

表3 電動作業(yè)平臺傾翻試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Tip over test results of electric platform

試驗(yàn)結(jié)果如表 4所示，相同測試距離內(nèi)，隨著坡度不斷增大，平臺通過時間變長，爬坡速度逐漸變慢，整機(jī)電流平均值逐漸增大，但均在允許額定電流范圍內(nèi)。試驗(yàn)過程中，平臺運(yùn)行正常，能正常通過 3種坡度的坡面，但通過30°坡面時平臺有些許顫動，出現(xiàn)輕微打滑現(xiàn)象，使得通過時間變長，爬坡速度變慢。

表4 爬坡性能試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test result of climbing performance

4.1.4 續(xù)航時間試驗(yàn)

試驗(yàn)于2018年8月在山東棗莊某公司拖拉機(jī)磨合試驗(yàn)臺上進(jìn)行，試驗(yàn)對象為滿電狀態(tài)下的電動作業(yè)平臺。前進(jìn)反方向用鐵鎖鏈將平臺與地面固定連接，將 200 kg負(fù)載置于工作臺中心位置，平臺調(diào)至高速檔（2 km/h），保持最大行駛速度，電量每下降 20%記錄對應(yīng)車速變化值與續(xù)航時間，當(dāng)顯示電量剩余 10%（考慮保護(hù)電池不受損壞，電量剩余 10%，由電流表測量計算得出）時試驗(yàn)停止，記錄續(xù)航總時間。試驗(yàn)工具包括：秒表、電流表、轉(zhuǎn)速表、配重鐵塊等。

試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示，試驗(yàn)過程中平臺運(yùn)行平穩(wěn)，電池與電機(jī)均無過熱現(xiàn)象，電池電量下降均勻，最高行駛速度達(dá)2 km/h。當(dāng)電量在60%以上時可一直保持最高速度行駛；當(dāng)剩余電量低于 60%時，最高行駛速度隨電量的減少開始逐漸下降；當(dāng)剩余電量為 40%時，整機(jī)續(xù)航時間為3.5 h；當(dāng)電量不足40%時，電池組電量衰退較快；當(dāng)剩余電量為10%時，行駛速度為0.5 km/h、總續(xù)航時間為3.9 h，由此推斷電量耗盡時，總續(xù)航時間足以達(dá)到4 h。

圖13 電動作業(yè)平臺續(xù)航時間試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Endurance time test result of electronic platform

4.2 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

對平臺進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，主要考核田間坡面行駛穩(wěn)定性能、地頭轉(zhuǎn)彎性能、平地運(yùn)輸性能以及工作臺升降性能等。試驗(yàn)于2018年9月在常熟某蔬菜合作社溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)前作業(yè)平臺和遙控器均為滿電狀態(tài)，田間試驗(yàn)情況如圖14所示。

圖14 田間驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.14 Validation test in field

試驗(yàn)結(jié)果如表 5所示，該作業(yè)平臺田間行駛順暢，田間坡面行駛性能良好，最高行駛速度達(dá)2 km/h；地頭轉(zhuǎn)彎靈活，最小轉(zhuǎn)彎半徑為 0.94 m；平穩(wěn)狀態(tài)下工作臺舉升質(zhì)量可達(dá)400 kg，升降高度達(dá)0.5 m。經(jīng)與設(shè)計要求對比可知，整機(jī)功能基本實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵部件達(dá)到了主要設(shè)計參數(shù)要求，作業(yè)性能基本符合預(yù)期，滿足溫室內(nèi)果蔬采運(yùn)作業(yè)的農(nóng)藝要求。

表5 試驗(yàn)對比結(jié)果Table 5 Comparison of test results

5 結(jié)論與討論

1）針對溫室高架吊蔓果蔬的采收運(yùn)送難、葉面施藥與剪枝不便等問題，從節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)輕便、小型化入手，以電能為動力源，設(shè)計了一種主要由工作臺、升降裝置、底盤、電池組及控制系統(tǒng)等組成溫室用電動作業(yè)平臺，具有行走、轉(zhuǎn)彎、升降及掛接運(yùn)輸?shù)裙δ?；開發(fā)了具有雙工作模式的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對作業(yè)平臺的遠(yuǎn)程和在線操作，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。

2）通過臺架性能試驗(yàn)研究，可知整機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑為0.94 m，坡面行駛最大傾翻角分別為縱向30.5°、橫向20.6°、斜向25.6°，最高行駛速度2 km/h，200 kg負(fù)載下作業(yè)續(xù)航時間可達(dá)4 h。田間驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明整機(jī)作業(yè)性能良好，考核指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，與預(yù)期相符。

3）平臺在坡面行駛，最大傾翻角隨工作臺升高、負(fù)載加重（即高度也增加）而逐漸減??；同時與平臺和坡面的位置狀態(tài)相關(guān)，縱向狀態(tài)作業(yè)安全系數(shù)最高，優(yōu)于斜向和橫向。

試驗(yàn)中平臺雖可通過30°坡面，但當(dāng)工作臺傾斜超過15°作業(yè)人員就難以保證站立平衡性，所以后期需考慮增設(shè)自調(diào)平機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并開展相關(guān)試驗(yàn)，提高作業(yè)平臺的可靠性、穩(wěn)定性及適應(yīng)性。

由于掛接拖車是該作業(yè)平臺的選配件非必配件，因此平臺試驗(yàn)均在不掛接拖車的常規(guī)狀態(tài)下進(jìn)行，若實(shí)際生產(chǎn)需要掛接拖車以增加裝載容量，則需對掛接拖車后作業(yè)平臺整體的轉(zhuǎn)彎半徑、坡面行駛傾翻角度、爬坡性能及續(xù)航時間等進(jìn)行下一步更加深入研究。