履帶自走式升降作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)原理與性能檢測

林 羽，周漢林，何 林，周永發(fā)，陳中武

（1.廣東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，廣東 廣州 510515；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630）

0 引言

我國三分之二以上的國土面積是丘陵山地，據(jù)統(tǒng)計，我國的土地資源僅有34%左右是平原，山地丘陵占轄區(qū)面積50%以上的省份有 19 個（包含臺灣）[1]。同時，全國50%左右的油料作物和糧食來自高原、山地和丘陵地區(qū)的耕地[2]。據(jù)《2016 年廣東統(tǒng)計年鑒》的數(shù)據(jù)，2015 年廣東省水果種植面積達(dá)113.66 萬hm2，水果總產(chǎn)量為1 519.89 萬t，已成為廣東各水果產(chǎn)區(qū)農(nóng)民的重要經(jīng)濟(jì)收入來源。在果園的經(jīng)營生產(chǎn)過程中，果實采摘、果樹修剪、肥料和果實的運輸是生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)，多數(shù)情況下，水果采摘都在離地一定高度的地方進(jìn)行，且果實收獲期集中，因而及時采摘的同時也需保證果品質(zhì)量。目前果園的采摘等工作基本以人工為主，采摘人員都是在地面或借助梯子作業(yè)，勞動強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，而且存在一定的安全隱患。在農(nóng)業(yè)勞動力持續(xù)轉(zhuǎn)移和老齡化的背景下[3]，研制一種人工輔助式的升降作業(yè)采摘平臺，可以降低果園的生產(chǎn)成本，提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場前景。

1 升降作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)原理

履帶自走式升降作業(yè)平臺由行走底盤、剪叉式升降機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、作業(yè)平臺和控制系統(tǒng)等組成，行走底盤的動力為29.4 kW 的發(fā)動機(jī)。剪叉式升降機(jī)構(gòu)的固定支架通過轉(zhuǎn)軸固定在履帶式行走底盤上，上面與作業(yè)平臺聯(lián)接，如圖1 所示。工作時，發(fā)動機(jī)帶動液壓泵向升降裝置的液壓系統(tǒng)供油，在控制系統(tǒng)的控制下，通過2 個液壓油缸的伸縮推動剪叉式提升臂，帶動作業(yè)平臺的起升和下降，從而滿足不同的作業(yè)高度。

圖1 履帶自走式升降作業(yè)平臺

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

升降作業(yè)平臺參數(shù)如表1 所示。

表1 升降作業(yè)平臺參數(shù)

1.2 行走底盤

升降作業(yè)平臺主要針對的工作環(huán)境是丘陵山區(qū)果園，土質(zhì)較為松軟。因此行走底盤采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，動力采用29.4 kW 的四缸柴油機(jī)。履帶式行走機(jī)構(gòu)主要由橡膠履帶、驅(qū)動輪、支重輪、導(dǎo)向輪、浮動輪和托輪等組成[4]，如圖2 所示。履帶式行走機(jī)構(gòu)具有接地面積大、接地比壓小、附著性能好、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、跨溝越埂能力強(qiáng)等特點[5]，克服了輪式結(jié)構(gòu)易在驅(qū)動行走過程的易打滑問題。考慮到機(jī)具的實際使用和通過性，選取履帶軌距為1 060 mm。履帶的主要參數(shù)見表2。

圖2 履帶式行走裝置

表2 履帶主要參數(shù)

1.3 剪叉式升降機(jī)構(gòu)

剪叉式升降機(jī)構(gòu)由固定支架、舉升裝置、作業(yè)平臺、升降油缸等組成。固定支架是整個升降機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，支撐舉升裝置和工作平臺的重量。舉升機(jī)構(gòu)由疊成“X”形的兩條提升臂組成，如圖3 所示，2 條提升臂的兩端分別與固定支架和作業(yè)平臺連接。升降油缸的一端連接固定支架，另一端連接提升臂。工作時，通過油缸的伸縮來推動剪叉的展開與折疊，并利用剪叉式提升臂的展開與折疊完成作業(yè)平臺的升降。

圖3 剪叉式升降機(jī)構(gòu)

剪叉式升降機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載量大，提升高度大的特點，它的上升與下降都是平穩(wěn)運動的，安全性較高，可以滿足不同作業(yè)高度的升降需求[6]。

1.4 固定支架調(diào)平系統(tǒng)

當(dāng)作業(yè)平臺在坡地進(jìn)行高位升降作業(yè)時，隨著作業(yè)平臺的不平穩(wěn)升運，操作人員極易因重心失衡導(dǎo)致跌落或滑倒，存在較大的安全隱患[7]。

固定支架具有調(diào)平功能，通過調(diào)平控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，可以在坡度小于等于12°的斜坡上實現(xiàn)橫向調(diào)平，以抵消由于傾斜地面引起的工作平臺傾斜，確保工作平臺處于水平穩(wěn)定狀態(tài)。

固定支架調(diào)平系統(tǒng)由固定支架、調(diào)平油缸、電磁制動裝置、調(diào)平控制器和傾斜檢測裝置等組成，固定支架通過轉(zhuǎn)軸固定在行走底盤上，如圖4 所示。傾斜檢測裝置的角度傳感器安裝在調(diào)平支架上，當(dāng)固定支架發(fā)生傾斜時角度傳感器給調(diào)平控制器發(fā)送信號，調(diào)平控制器校核信號后，向電磁液壓閥輸出調(diào)平執(zhí)行信號，由電磁液壓閥控制調(diào)平油缸的伸縮[8]來推動固定支架進(jìn)行自動調(diào)平，從而完成自動調(diào)平動作。固定支架設(shè)置有制動固定裝置，在固定支架調(diào)平后，對固定支架進(jìn)行制動固定，確保固定支架的穩(wěn)定安全。

圖4 固定支架調(diào)平裝置

1.5 升降平臺的液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)由齒輪泵、平臺升降控制閥、調(diào)平電磁閥、左右調(diào)平油缸、升降油缸、節(jié)流閥、液壓鎖、油箱等組成，其液壓原理圖如圖5 所示。作業(yè)平臺的升降由升降控制閥控制，通過單向節(jié)流閥可調(diào)整升降平臺的上升或下降速度，保證升降平臺運動平穩(wěn)可靠。單向節(jié)流在遇到故障時能夠?qū)ι灯脚_起保護(hù)作用，防止平臺意外下降，增加了升降平臺的可靠性。

圖5 升降平臺的液壓原理圖

2 升降作業(yè)平臺的性能檢測

升降作業(yè)平臺的性能檢測主要是檢驗機(jī)器是否達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。檢驗的指標(biāo)包括：舉升負(fù)載量、橫向可調(diào)節(jié)水平角度、作業(yè)平臺可升降高度、行走速度、上升和下降速度等。

2.1 作業(yè)平臺性能指標(biāo)

作業(yè)平臺主要性能指標(biāo)見表3。

表3 作業(yè)平臺主要性能指標(biāo)

2.2 性能檢測的條件

樣機(jī)的性能檢測現(xiàn)場如圖6 所示。檢測時滿足的條件如下。

圖6 性能檢測現(xiàn)場圖

1）試驗前，樣機(jī)處于正常工作狀態(tài)。試驗樣機(jī)技術(shù)狀態(tài)良好，操作人員技術(shù)熟練。

2）試驗地選擇為平整、光潔、硬實、周圍無障礙物的地面，作業(yè)平臺的周圍無影響其運動的障礙物。

3）橫向自動調(diào)節(jié)水平試驗場地，試驗樣機(jī)應(yīng)能方便進(jìn)入到斜坡上。

2.3 舉升負(fù)載量測定

升降作業(yè)平臺舉升工作時，作業(yè)平臺承受不小于額定舉升負(fù)載量進(jìn)行試驗，全行程升降3 次，升降應(yīng)自然平穩(wěn)，升降液壓系統(tǒng)不應(yīng)有滲油、漏油現(xiàn)象，受力構(gòu)件不應(yīng)有永久變形或其他損壞，測定承載最大量。

2.4 可升降高度測定

樣機(jī)在承載最大量試驗時同時進(jìn)行可升降高度測定。將升降作業(yè)平臺回落到最低位置，測量作業(yè)平臺離地高度，然后將作業(yè)平臺升高到最高位置，并再次測量升降作業(yè)平臺的高度，試驗3 次,取平均值。

2.5 橫向可調(diào)節(jié)水平角度測定

橫向可調(diào)節(jié)水平角度測定在坡度角為12°的坡道上進(jìn)行。12°的坡道長度不小于5 m，寬度不小于10 m。測定時作業(yè)平臺裝上舉升負(fù)載量且回落到最低位置。將樣機(jī)沿坡道寬度方向駛?cè)耄箻訖C(jī)的方向與坡道成90°后停下。打開調(diào)平開關(guān)，作業(yè)平臺應(yīng)能橫向自動調(diào)平，其調(diào)平誤差應(yīng)小于等于2°，樣機(jī)應(yīng)在2 個方向各測試3 次以上。同時，在作業(yè)平臺調(diào)平后，啟動制動固定裝置鎖住固定支架，然后對作業(yè)平臺進(jìn)行升降試驗，升降過程應(yīng)平穩(wěn)安全。

2.6 行走速度測定

在平整的硬路面上進(jìn)行，測試距離為50 m，測定在額定載荷下以最高行駛速度勻速通過測區(qū)的時間，計算行駛速度。按照公式（1）計算，分別測定3 次取平均值。

式中：

vg——行走速度，m/s；

sg——測試距離，m；

tg——所用時間，s。

2.7 上升、下降速度的測定

將作業(yè)平臺下降到最低位置，在額定舉升負(fù)載狀態(tài)，啟動發(fā)動機(jī)，調(diào)整油門至標(biāo)定轉(zhuǎn)速，升起作業(yè)平臺，測試作業(yè)平臺由最低位置升高到最高位置、以及由最高位置下落到最低位置分別所需要的時間，并觀察升降的平穩(wěn)性。按照式（2）和式（3）計算，分別測試3 次取平均值。

式中：

v1——平臺上升速度，m/s；

v2——平臺下降速度，m/s；

Hmax——工作臺最高位置，m；

Hmin——工作臺最低位置，m；

t1——平臺起升所用時間，s；

t2——平臺下降所用時間，s。

2.8 最大沉降量測定

樣機(jī)在額定舉升負(fù)載量下進(jìn)行試驗，將作業(yè)平臺升到最大高度處后切斷動力，測量其作業(yè)平臺的高度，10 min 后再次測量升降作業(yè)平臺的高度，計算沉降量，試驗3 次，取平均值。

3 結(jié)語

根據(jù)廣東省丘陵山區(qū)果園的采收方式和現(xiàn)狀，研制了一種人工輔助式的升降作業(yè)平臺，并增加了平臺作業(yè)高度、傾斜角度可調(diào)節(jié)功能，對升降作業(yè)平臺的的承載能力、行走性能、坡地自動調(diào)平功能進(jìn)行了測試。該升降作業(yè)平臺具有以下特征：

1）采用履帶式行走底盤，提高了底盤在不平路面的行走通過性，滿足丘陵山區(qū)緩坡的爬坡越障需求。同時，履帶的接地面積大，可避免對土壤層的破壞。

2）采用剪叉式升降機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、舉升重量大、上升與下降平穩(wěn)、提升高度大、安全性高的特點。

3）該工作平臺具有側(cè)傾角度可調(diào)平功能，底盤重心較低，適合在丘陵山區(qū)的果園上進(jìn)行作業(yè)。

4）該機(jī)控制方便靈巧，可原地轉(zhuǎn)彎，負(fù)載性能強(qiáng)，工作效率高。

該機(jī)不僅適用于果園的果實采摘、運輸作業(yè)，還可以作為噴藥、施肥等管理類作業(yè)功能的基礎(chǔ)載體，綜上所述，升降作業(yè)平臺的研制為丘陵山區(qū)果園機(jī)械化發(fā)展提供了裝備供給和技術(shù)支撐。