履帶式果園作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析與研究

劉偉起,劉洪杰,史 璐,楊 欣,李建平,王鵬飛

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071000)

0 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,我國(guó)果園正朝著以丘陵山地矮砧密植種植模式為主的方向發(fā)展,但由于丘陵山地果園的地勢(shì)崎嶇不平造成從業(yè)者在水果的疏花疏果、剪枝、收獲、套袋等一系列作業(yè)方面存在困難。然而,傳統(tǒng)的靠著從業(yè)者腳蹬手爬的作業(yè)方式,不僅作業(yè)效率低下,而且安全性難以得到保障。查閱文獻(xiàn)根據(jù)記錄顯示,截至2007年國(guó)內(nèi)水果的總種植面積已經(jīng)達(dá)到了10471.3khm2。其中,蘋果的種植面積約占1961.8khm2,矮砧密植的現(xiàn)代蘋果園種植模式得到迅速推廣[1],但果樹修剪整枝、疏花疏果、套袋、收獲等作業(yè)人工操作仍存在難題[2-3]。隨著科技的發(fā)展,高空作業(yè)平臺(tái)逐漸在果園得到廣泛應(yīng)用,其安全性和穩(wěn)定性是從業(yè)者工作過(guò)程中極其重要的因素。丘陵山地果園多用履帶式作業(yè)平臺(tái),因?yàn)槁膸c地面的接觸面積大,則對(duì)履帶式果園作業(yè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析與研究非常重要,不僅能夠提高果園的機(jī)械化水平,而且可以提高工作效率[4]。

果園作業(yè)平臺(tái)大致分為3類,即自走式、自走履帶式和懸掛折臂式。由于丘陵山地的矮砧密植果園地勢(shì)崎嶇不平,履帶式果園作業(yè)平臺(tái)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)空間平面內(nèi)任意角度位置的作業(yè)而且機(jī)動(dòng)性非常強(qiáng)[5]。履帶式果園作業(yè)平臺(tái)的穩(wěn)定性是從業(yè)者工作過(guò)程中重要的因素之一,穩(wěn)定性指從業(yè)者工作過(guò)程中不發(fā)生傾翻和滑移的現(xiàn)象[6],故丘陵山地矮砧密植果園的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析與研究對(duì)從業(yè)者工作過(guò)程具有顯著意義[6]。履帶式果園作業(yè)平臺(tái)穩(wěn)定性指的是履帶式果園作業(yè)平臺(tái)能否在丘陵山地矮砧密植果園順利完成工作和從業(yè)者能否安全行駛[7],其安全穩(wěn)定性分析有縱向結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析和橫向結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析兩種,縱向、橫向結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是衡量從業(yè)者工作安全性的重要標(biāo)志。履帶式果園作業(yè)平臺(tái)穩(wěn)定性越好,從業(yè)者在操作過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)越小,安全性及工作效率越高。因此,本文應(yīng)用理論力學(xué)與工程力學(xué)受力分析知識(shí)對(duì)履帶式果園作業(yè)平臺(tái)縱向及橫向坡道上行駛的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行深入分析,研究影響履帶式果園作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素。

根據(jù)丘陵山地矮砧密植果園地形及地勢(shì)的特征,對(duì)履帶式果園作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析與研究,能夠保障作業(yè)者果園作業(yè)疏花疏果、剪枝、收獲、套袋等一系列作業(yè)的安全性與穩(wěn)定性[8],不僅能夠提高果園的機(jī)械化水平,而且能夠提高果實(shí)采摘效率,增加果園的經(jīng)濟(jì)效益。

1 作業(yè)平臺(tái)坡面行駛穩(wěn)定性力學(xué)分析與研究

1.1 坡面行駛縱向傾翻和縱向滑移現(xiàn)象

履帶式果園作業(yè)平臺(tái)的縱向穩(wěn)定性指的是履帶式果園作業(yè)平臺(tái)行駛工作過(guò)程中不發(fā)生縱向傾翻或縱向滑移的現(xiàn)象?？v向傾翻指的是履帶式果園作業(yè)平臺(tái)在坡面行駛時(shí)出現(xiàn)繞履帶支撐面前后邊緣發(fā)生傾翻的情況;縱向滑移指的是履帶式果園作業(yè)平臺(tái)坡面行駛時(shí)出現(xiàn)向后滑移的現(xiàn)象[9]。假設(shè)工作臺(tái)升降過(guò)程中整機(jī)在坡面上處于靜止?fàn)顟B(tài),對(duì)履帶式果園作業(yè)平臺(tái)的穩(wěn)定性進(jìn)行受力分析。

1.2 作業(yè)平臺(tái)上坡過(guò)程中的縱向穩(wěn)定性分析

履帶式果園作業(yè)平臺(tái)上坡過(guò)程中作用力包括作業(yè)平臺(tái)的重力G1、坡面對(duì)履帶的支撐力FN、作業(yè)平臺(tái)的拉力PL、坡面對(duì)履帶的摩擦力Pf以及空氣阻力(與果園作業(yè)平臺(tái)方向相反)。理論上,上坡時(shí)速度很小,空氣阻力也較小,可忽略不計(jì)。平臺(tái)行駛速度為V,作業(yè)平臺(tái)載重為G,平臺(tái)重心距離坡面的垂直高度為h,平臺(tái)載重中心距離履帶大輪中心的垂直距離為H,履帶與地面的接觸長(zhǎng)度為L(zhǎng)。假設(shè)上坡角度為α,從動(dòng)輪端支重輪中心與支撐力FN垂直于坡面的距離為C,主動(dòng)輪端支重輪中心與平臺(tái)質(zhì)心垂直于坡面的距離為D,簡(jiǎn)化后的受力狀況如圖1所示。

圖1 履帶式果園作業(yè)平臺(tái)上坡時(shí)的受力簡(jiǎn)圖Fig.1 Stress diagram of crawler orchard operation platform when going uphill

圖1中,G1為作業(yè)平臺(tái)的重力(N);FN為坡面對(duì)履帶的支撐力(N);PL為作業(yè)平臺(tái)的拉力(N);Pf為坡面對(duì)履帶的摩擦力(N);V為平臺(tái)行駛速度(km/h);G為作業(yè)平臺(tái)載重(N);h為平臺(tái)重心距離坡面的垂直高度(m);α為上坡角度(°);H為平臺(tái)載重中心距離履帶大輪中心的垂直距離(m);L為履帶與地面的接觸長(zhǎng)度(m);C為從動(dòng)輪端支重輪中心與支撐力FN垂直于坡面的距離(m);D為主動(dòng)輪端支重輪中心與平臺(tái)質(zhì)心垂直于坡面的距離(m)。

根據(jù)受力分析與研究,由力矩平衡方程可得

∑MA=0

(1)

則

Gcosα(L-D)-Ghsinα+G1cosα(L-D)-G1sinα(H+h)-FNC=0

(2)

由此可得

由圖1可知:在坡面角度α逐漸增大的過(guò)程中,坡面對(duì)履帶的支撐力FN會(huì)逐漸向后滑移與A點(diǎn)接近;當(dāng)履帶的支撐力FN與A點(diǎn)接觸時(shí),履帶式果園作業(yè)平臺(tái)將會(huì)發(fā)生傾翻現(xiàn)象。由此得知,履帶式果園作業(yè)平臺(tái)上坡過(guò)程中防止發(fā)生傾翻的條件為C≥0,則

通過(guò)履帶式果園作業(yè)平臺(tái)上坡過(guò)程中的縱向穩(wěn)定性分析與研究分析得知:①平臺(tái)縱向在坡面過(guò)程中的傾翻角的取值范圍;②當(dāng)坡面角度固定時(shí),履帶式果園作業(yè)平臺(tái)在上坡過(guò)程中的縱向穩(wěn)定性取決于L、H、h、G、G1、FN、D相關(guān)參數(shù)的取值。

1.3 作業(yè)平臺(tái)下坡過(guò)程中的縱向穩(wěn)定性分析

履帶式果園作業(yè)平臺(tái)下坡過(guò)程中作用力包括作業(yè)平臺(tái)的重力G1、坡面對(duì)履帶的支撐力FN、作業(yè)平臺(tái)的拉力PL、坡面對(duì)履帶的摩擦力Pf以及空氣阻力(與果園作業(yè)平臺(tái)方向相反)。理論上,下坡是掛擋行駛,但是大多會(huì)處于制動(dòng)狀態(tài),制動(dòng)力Pr大于拉力PL,故按照等速直線運(yùn)動(dòng)分析,忽略履帶所受的空氣阻力。平臺(tái)行駛速度為V,作業(yè)平臺(tái)載重為G,平臺(tái)重心距離坡面的垂直高度為h,平臺(tái)載重中心距離履帶大輪中心的垂直距離為H,履帶與地面的接觸長(zhǎng)度為L(zhǎng)。假設(shè)上坡角度為θ,從動(dòng)輪端支重輪中心與平臺(tái)質(zhì)心垂直于坡面的距離為b,從動(dòng)輪端支重輪中心與支撐力FN垂直于坡面的距離為x,簡(jiǎn)化后的受力狀況如圖2所示。

圖2中,G1為作業(yè)平臺(tái)的重力(N);FN為坡面對(duì)履帶的支撐力(N);PL為作業(yè)平臺(tái)的拉力(N);Pf為坡面對(duì)履帶的摩擦力(N);V為平臺(tái)行駛速度(km/h);G為作業(yè)平臺(tái)載重(N);h為平臺(tái)重心距離坡面的垂直高度(m);θ為上坡角度(°);Pr為制動(dòng)力(N);H為平臺(tái)載重中心距離履帶大輪中心的垂直距離(m)。L為履帶與地面的接觸長(zhǎng)度(m);b為從動(dòng)輪端支重輪中心與平臺(tái)質(zhì)心垂直于坡面的距離(m);x為從動(dòng)輪端支重輪中心與支撐力FN垂直于坡面的距離(m)。

圖2 履帶式果園作業(yè)平臺(tái)下坡時(shí)的受力簡(jiǎn)圖Fig.2 Stress diagram of crawler orchard operation platform when going downhill

根據(jù)受力分析與研究,由力矩平衡方程得

∑MF=0

(3)

則

FN(L-x)-Gcosθ(L-b)+Gsinθ(H+h)+G1sinθh-G1cosθ(L-b)=0

(4)

由此可得

由圖2可知:在坡面角度α逐漸增大的過(guò)程中,坡面對(duì)履帶的支撐力FN會(huì)逐漸向后滑移與F點(diǎn)接近,當(dāng)履帶的支撐力FN與F點(diǎn)接觸時(shí),履帶式果園作業(yè)平臺(tái)將會(huì)發(fā)生傾翻現(xiàn)象。因此,履帶式果園作業(yè)平臺(tái)下坡過(guò)程中防止發(fā)生傾翻的條件為x≤L。

因?yàn)?/p>

所以

通過(guò)履帶式果園作業(yè)平臺(tái)下坡過(guò)程中的縱向穩(wěn)定性分析與研究分析得知:①平臺(tái)縱向在坡面過(guò)程中的傾翻角的取值范圍;②當(dāng)坡面角度固定時(shí),果園作業(yè)平臺(tái)在下坡過(guò)程中的縱向穩(wěn)定性取決于L、b、H、h、G、G1、FN等相關(guān)參數(shù)的取值。

1.4 作業(yè)平臺(tái)橫向在坡面的穩(wěn)定性分析

履帶式果園作業(yè)平臺(tái)的受力分析如圖3所示。作業(yè)平臺(tái)載重為G,履帶與地面的接觸寬度為b,兩履帶軌距之間的距離為Y,履帶式果園作業(yè)平臺(tái)質(zhì)心與縱向?qū)ΨQ平面的距離為a,坡面對(duì)履帶的支撐力分別為FN1和FN2,坡面對(duì)履帶的摩擦力分別為Pf1和Pf2,坡面角度為α,履帶式果園作業(yè)平臺(tái)沿坡道上的慣性力為F?？紤]履帶式果園作業(yè)平臺(tái)在坡面處于低、勻速行駛狀態(tài),空氣阻力和慣性力很小,因此可以忽略不計(jì)[10]。

圖3 履帶式果園作業(yè)平臺(tái)橫向于坡面時(shí)的受力簡(jiǎn)圖Fig.3 Stress diagram of crawler orchard operation platform when it is transverse to the slope

圖3中,G為作業(yè)平臺(tái)的載重(N);FN1、FN2為坡面對(duì)履帶的支撐力(N);b為履帶與地面的接觸寬度(m);Y為兩履帶軌距之間的距離(m);a為履帶式果園作業(yè)平臺(tái)質(zhì)心與縱向?qū)ΨQ平面的距離(m);Pf1、Pf2為坡面對(duì)履帶的摩擦力(N);α為坡面角度(°)。

根據(jù)圖3,履帶式果園作業(yè)平臺(tái)在坡面的行駛狀態(tài)為低速、勻速,受到的空氣阻力以及慣性力非常小,可以忽略不計(jì),故慣性力F=0。

根據(jù)受力分析與研究,力矩平衡方程為

(5)

(6)

由此可得

在坡面角度α逐漸增大的過(guò)程中,坡面對(duì)履帶的支撐力FN1、FN2會(huì)逐漸向后滑移與O點(diǎn)接近;當(dāng)履帶的支撐力FN1、FN2與O點(diǎn)接觸時(shí),履帶式果園作業(yè)平臺(tái)將會(huì)發(fā)生傾翻現(xiàn)象。由此得知,履帶式果園作業(yè)平臺(tái)橫向防止發(fā)生傾翻的條件為FN1≥0、FN2≥0,則

通過(guò)履帶式果園作業(yè)平臺(tái)橫向在坡面的穩(wěn)定性分析與研究分析得知:①平臺(tái)橫向在坡面的傾翻角取值范圍;②當(dāng)坡面角度固定時(shí),履帶式果園作業(yè)平臺(tái)的橫向穩(wěn)定性取決于Y、b、a、G、H、G1等相關(guān)參數(shù)的取值。

2 作業(yè)平臺(tái)穩(wěn)定性安全裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

絕大多數(shù)果園主要以丘陵山地矮砧密植種植為主,穩(wěn)定性安全裝置能夠保證果實(shí)采摘過(guò)程的穩(wěn)定性以及安全性,能夠?qū)崿F(xiàn)我國(guó)丘陵山地果園的疏花蔬果、套袋、修剪、采摘過(guò)程中的穩(wěn)定性作業(yè)。

2.1 履帶式果園作業(yè)平臺(tái)的工作原理

升降裝置由液壓泵、液壓缸及剪叉桿等組成,電動(dòng)履帶底盤內(nèi)部安裝有液壓泵,液壓缸與液壓泵相連接;液壓缸兩端分別與履帶底盤上邊固定架及剪叉桿相連接,剪叉桿下部與履帶底盤相連接,上部與安裝有保護(hù)欄的工作平臺(tái)相連接;充電口安裝在履帶底盤的右后方位置,電能為果園作業(yè)平臺(tái)提供動(dòng)力來(lái)源。通過(guò)控制箱連接有線路,連接到履帶底盤,履帶底盤左右前方兩端連接有電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī)與線路相連接,電動(dòng)機(jī)的輸出端與穩(wěn)定性安全裝置轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過(guò)鍵連接;控制箱的上表面安裝有控制按鈕,當(dāng)按下控制按鈕時(shí),穩(wěn)定性安全架能夠在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng),不工作時(shí)安全架向上平行于保護(hù)欄;當(dāng)采摘過(guò)程中平臺(tái)穩(wěn)定后,穩(wěn)定性安全架在控制按鈕操控下向下轉(zhuǎn)動(dòng)到合適位置與地面接觸,能夠保證丘陵山地果園采摘在崎嶇不平的地形狀態(tài)下的安全性與穩(wěn)定性。履帶式果園作業(yè)平臺(tái)穩(wěn)定性安全裝置如圖4所示。

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及現(xiàn)代工業(yè)的快速成長(zhǎng)，氣體產(chǎn)品種類越來(lái)越豐富，氣體工業(yè)加速發(fā)展，加上世界制造業(yè)的調(diào)整，移動(dòng)式壓力容器的裝備制造中心也正迅速崛起并向中國(guó)轉(zhuǎn)移。移動(dòng)式壓力容器所具有的裝載量大、運(yùn)輸手段靈活和運(yùn)輸成本低廉的特點(diǎn)，逐步發(fā)展成為運(yùn)輸工業(yè)氣體的主力，并在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中起著重要的作用。移動(dòng)式壓力容器儲(chǔ)運(yùn)的介質(zhì)絕大多數(shù)都屬于易燃、易爆等有害液化氣體，如果引發(fā)安全事故，不僅造成財(cái)產(chǎn)損失，也容易污染環(huán)境甚至造成人員傷亡，社會(huì)影響極其惡劣。

2.2 履帶式果園作業(yè)平臺(tái)各結(jié)構(gòu)功能

控制按鈕控制液壓系統(tǒng)及穩(wěn)定性安全架的工作過(guò)程,拓展平臺(tái)可使果園作業(yè)平臺(tái)增大可利用空間并且加寬工作平臺(tái)的面積;電動(dòng)履帶底盤用來(lái)提供動(dòng)力來(lái)源,為工作平臺(tái)提供支撐;工作平臺(tái)能滿足不同高度操作者的使用需求;穩(wěn)定性安全架能夠在控制裝置的操控下轉(zhuǎn)動(dòng),不工作時(shí)安全架向上平行于保護(hù)欄。當(dāng)工作過(guò)程中平臺(tái)穩(wěn)定后,穩(wěn)定性安全架在控制裝置操控下向下轉(zhuǎn)動(dòng)到合適位置與地面接觸,能夠保證丘陵山地果園采摘在崎嶇不平地形狀態(tài)下的安全性與穩(wěn)定性。剪叉桿位移導(dǎo)軌槽是剪叉桿位移變化的導(dǎo)軌槽,能夠滿足工作過(guò)程中操作者不同工作高度的需求,剪叉桿在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下會(huì)根據(jù)操作者工作高度的需求而上下移動(dòng)。

1.電動(dòng)履帶底盤 2.剪叉桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸 3.剪叉桿 4.液壓缸 5.控制箱 6.保護(hù)欄 7.控制按鈕8.工作平臺(tái) 9.拓展平臺(tái) 10.腳踏 11.剪叉桿位移導(dǎo)軌槽 12.穩(wěn)定性安全裝置轉(zhuǎn)動(dòng)軸 13.電動(dòng)機(jī) 14.穩(wěn)定性安全架圖4 履帶式果園作業(yè)平臺(tái)穩(wěn)定性安全裝置Fig.4 Stability safety device of crawler orchard operation platform

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

1)試驗(yàn)地點(diǎn):2021年10月30日,試驗(yàn)在河北省保定市曲陽(yáng)縣下河鄉(xiāng)劉家馬村進(jìn)行,河北綠陽(yáng)農(nóng)業(yè)科技股份有限公司,東經(jīng)114°41'30″,北緯38°40'10″,海拔150 m。

2)試驗(yàn)所需設(shè)備:履帶式果園作業(yè)平臺(tái),盒尺,秒表,手套,角度測(cè)量?jī)x,A4紙和筆等。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)履帶式果園作業(yè)平臺(tái)性能參數(shù)試驗(yàn)。選取丘陵山地果園較為平整的地段進(jìn)行測(cè)試,測(cè)得履帶式果園作業(yè)平臺(tái)無(wú)載重的行走速度,即低速約為0.352m/s,高速約為0.722m/s。履帶式果園作業(yè)平臺(tái)升降高度≤1.2m,最大承載負(fù)荷≤500kg,液壓桿升降速度為0.05m/s。

2)爬坡性能試驗(yàn)。最大爬坡角度θ是指車輛(履帶式果園作業(yè)平臺(tái))滿載時(shí)用最低擋位所能通過(guò)的最大坡度角[11-12],表征車輛(履帶式果園作業(yè)平臺(tái))的爬坡能力,即

θ=arcsin[(F-∑f)/Gmax]

(7)

式中Gmax—滿載時(shí)履帶式果園作業(yè)平臺(tái)的載重(kN);

F—履帶式果園作業(yè)平臺(tái)履帶切線的牽引力(kN);

f—履帶式果園作業(yè)平臺(tái)的阻力(kN)。

在保證平臺(tái)穩(wěn)定工作的狀態(tài)下,設(shè)置試驗(yàn)坡面角度分別為8°、18°、30°,將300kg負(fù)載置于履帶式果園作業(yè)平臺(tái)中心,履帶式果園作業(yè)平臺(tái)縱向于坡面上,以低速擋順利行駛從坡面底端到頂端。爬坡性能測(cè)試如表1所示。

表1 爬坡性能試驗(yàn)

由表1可知:隨著坡度角的逐漸增大,履帶式果園作業(yè)平臺(tái)行駛的時(shí)間逐漸變長(zhǎng),爬坡速度逐漸變得緩慢;在試驗(yàn)過(guò)程中,履帶式果園作業(yè)平臺(tái)能夠正常運(yùn)行,且正常行駛通過(guò)3種不同的坡度角;但是當(dāng)行駛在30°坡面時(shí),作業(yè)平臺(tái)速度變慢并且出現(xiàn)抖動(dòng),出現(xiàn)略微打滑現(xiàn)象。在正常運(yùn)行的情況下,得知履帶式果園作業(yè)平臺(tái)能夠通過(guò)的最大坡度角為30°。

4 結(jié)論

1)對(duì)履帶式果園作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行坡面行駛穩(wěn)定性力學(xué)分析與研究,通過(guò)計(jì)算得出作業(yè)平臺(tái)不傾翻的角度范圍。當(dāng)坡面角度固定時(shí),履帶式果園作業(yè)平臺(tái)的穩(wěn)定性取決于相關(guān)性能參數(shù)的取值。

2)設(shè)計(jì)的履帶式果園作業(yè)平臺(tái)穩(wěn)定性安全裝置能夠保證作業(yè)者工作順利進(jìn)行,且可以幫助作業(yè)者順利完成果園疏花疏果、剪枝、收獲、套袋等一系列操作。

3)通過(guò)履帶式果園作業(yè)平臺(tái)性能參數(shù)試驗(yàn)測(cè)得果園作業(yè)平臺(tái)無(wú)載重的行走速度,即低速約為0.352 m/s、高速約為0.722m/s。履帶式果園作業(yè)平臺(tái)升降高度≤1.2 m,最大承載負(fù)荷≤500kg,液壓桿升降速度為0.05 m/s。

4)通過(guò)爬坡性能試驗(yàn)得知:隨著坡度角的逐漸增大,履帶式果園作業(yè)平臺(tái)行駛的時(shí)間逐漸變長(zhǎng),爬坡速度逐漸變得緩慢。在試驗(yàn)過(guò)程中,履帶式果園作業(yè)平臺(tái)能夠正常運(yùn)行,且正常行駛通過(guò)3種不同的坡度角。但是,當(dāng)行駛在30°坡面時(shí),作業(yè)平臺(tái)速度變慢并且出現(xiàn)抖動(dòng)以及略微打滑現(xiàn)象。在工作正常運(yùn)行的情況下,履帶式果園作業(yè)平臺(tái)能夠通過(guò)的最大坡度角為30°。