電動果園作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗

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) 機電工程學(xué)院,河北 保定 071000)

0 引言

蘋果屬于薔薇科,是世界上栽培最早、種植面積分布最廣泛的果樹之一,蘋果產(chǎn)量已經(jīng)越居世界首位。目前,丘陵山地的矮砧密植果園成為發(fā)展趨勢,蘋果已經(jīng)成為市場上非常暢銷的水果之一。根據(jù)記錄顯示,截至2007年,國內(nèi)水果的總種植面積已經(jīng)達到了10 471.3khm2,而蘋果的種植面積約為1961.8 khm2。以蘋果為代表的矮砧密植的種植模式的現(xiàn)代蘋果園得到快速推廣[1]。目前,我國生產(chǎn)的水果及人們的消費水平都排在世界首位,但絕大多數(shù)果園都為丘陵山地果園,對于果樹修剪整枝、疏花疏果、果實的套袋及采摘等作業(yè)需要人工操作且非常困難[2-3]。絕大多數(shù)果園主要以丘陵山地矮砧密植種植模式為主,丘陵山地果園的地形及地勢特征存在操作難題,一般的車輛進入果園工作非常困難。果園作業(yè)平臺不僅能夠提高果園的機械化水平,且能夠提高蘋果果實采摘的工作效率[4]。

國外對果園機械研究起步較早,20世紀50年代,北美將高空作業(yè)平臺使用在果園作業(yè)等一系列工作之中,至今果園作業(yè)平臺的發(fā)展擁有較高的水平[5]。目前,果園高空作業(yè)平臺生產(chǎn)主要集中在美國和澳大利亞。其中,絕大多數(shù)果園作業(yè)平臺的控制方式是液壓控制,通過機電液一體化的系統(tǒng)來完成果園作業(yè)平臺的使用過程。意大利N.P.SEYMOUR公司加工生產(chǎn)的果園作業(yè)平臺能夠全輪進行轉(zhuǎn)動,果園作業(yè)平臺可以完成兩級升降且角度能夠調(diào)節(jié),使用范圍非常廣泛[6]。韓國SUNGBOO公司生產(chǎn)加工的果園作業(yè)平臺使用電力作為主要動力來源,工作臺的角度調(diào)節(jié)范圍是10°,能夠滿足丘陵山地作業(yè)的需要。

國內(nèi)針對果園作業(yè)平臺的研究起步很晚,果園的種植模式絕大多數(shù)是家庭式分散種植,規(guī)模很小,對于果園機械作業(yè)平臺的發(fā)展不利。目前,果園主要以矮砧密植為主,為果園機械化的發(fā)展奠定了前提條件。國內(nèi)在20世紀90年代成功研發(fā)了第一臺液壓升降果園作業(yè)平臺,使用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)范化管理中[7]。目前,果園作業(yè)平臺有自走輪式、自走履帶式和懸掛折臂式等。劉西寧等研究出的第一臺果園作業(yè)平臺,能夠升降,但不具有調(diào)平的功能,對于丘陵山地果園作業(yè)不太適合。程健等[8]研究出的大型輪式液壓果園作業(yè)平臺,能夠?qū)麍@高大樹木進行生產(chǎn)規(guī)范化管理。劉大為等研究出的油動履帶自走式果園作業(yè)平臺,能夠在丘陵山地果園進行工作。樊桂菊等[9]研究出的折臂式果園作業(yè)平臺,需要在拖拉機或?qū)佘囕v配合下完成作業(yè),因此體積尺寸非常大?？偟膩碚f,國內(nèi)生產(chǎn)的果園作業(yè)平臺絕大多數(shù)的動力來源是內(nèi)燃機,存在耗能很高、噪音很大、排放的尾氣多及環(huán)境污染大的缺點,且操作非常復(fù)雜,結(jié)構(gòu)尺寸很大不利于果園作業(yè)需求。

目前,提倡零污染、零排放的政策,故以電能作為動力來源的機械設(shè)備,已在國內(nèi)外研發(fā)及推廣使用[10]。為此,根據(jù)丘陵山地果園地形及地勢的特點,設(shè)計了一種電動果園作業(yè)平臺,對整機結(jié)構(gòu)與原理、關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及仿真分析等進行了設(shè)計分析,能夠完成果園作業(yè)疏花疏果、剪枝、收獲及套袋等一系列作業(yè),不僅能夠提高果園的機械化水平,且能夠提高蘋果果實采摘的工作效率,增加果園的經(jīng)濟效益。

1 整機結(jié)構(gòu)與原理

1.1 設(shè)計要求

為了解決矮砧密植果園生產(chǎn)管理過程中的一系列問題,尤其是疏花疏果、修剪枝條、采摘作業(yè)等工作,解決工人勞動強度大、作業(yè)續(xù)航時間短、升降高度不能自由調(diào)節(jié)等,在作業(yè)過程中有良好的安全性、通過性及穩(wěn)定性。以電能作為動力來源,具有清潔、環(huán)保的優(yōu)點。選擇矮砧密植果園作業(yè)平臺進行研究分析,從而確定果園作業(yè)平臺整機方案。為了適應(yīng)矮砧密植果園管理技術(shù),果樹提干改型后,矮砧密植果園果樹間行距約為4m,株距為1.7～1.8m,枝展2m,樹高為3.2～3.5m,最高不大于4m,通過性高度約為1.3～1.5m[11]。矮砧密植果園如圖1所示,作業(yè)過程如圖2所示,具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求參數(shù)如表1所示。

圖1 矮砧密植果園Fig.1 Dwarf rootstock dense planting orchard

圖2 電動果園作業(yè)平臺Fig.2 Electric orchard operation platform

表1 電動果園作業(yè)平臺設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of orchard operating platform

1.2 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

電動果園作業(yè)平臺主要由保護欄、工作平臺、剪叉桿、液壓缸、拓展平臺、工作罩、控制裝置及履帶底盤等組成,如圖3所示。其中,升降裝置由液壓泵、液壓缸、剪叉桿等構(gòu)成,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,上部與安裝有保護欄的工作平臺相連接;充電口安裝在履帶底盤的右后方位置,電能為果園作業(yè)平臺提供動力來源。

1.控制裝置 2.工作罩 3.保護欄 4.拓展平臺 5.液壓缸 6.剪叉桿 7.剪叉桿轉(zhuǎn)動軸 8.電動履帶底盤 9.剪叉桿移動導(dǎo)軌槽 10.工作平臺圖3 果園采摘升降作業(yè)平臺裝置Fig.3 Lifting operation platform device for orchard picking

電動履帶底盤為工作平臺提供支撐,工作平臺暫存一些采摘的水果以供工作人員工作;剪叉移動導(dǎo)軌槽是剪叉桿發(fā)生位移變化,以滿足工作人員采摘果實的不同高度需求。液壓缸能夠根據(jù)液壓桿的不同高度的需求,來完成伸縮,滿足果園間不同高度水果的采摘?？刂蒲b置是控制液壓系統(tǒng)的,拓寬平臺加寬工作平臺,以滿足果樹間橫向水果的采摘。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 載人工作臺

在滿足工人在工作過程中的穩(wěn)定性、安全性的情況下,提高采摘果實在作業(yè)平臺工作過程時的便捷性。在保證果實不損傷的前提下,工作平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示。

載人工作臺主要由護欄架、作業(yè)臺面、伸縮拓寬工作臺、加寬工作臺面及鎖銷等組成?？紤]到增大采摘平臺面積的需求,設(shè)計有加寬平臺,既能有效擴大平臺的作業(yè)空間,又能滿足平臺作業(yè)的穩(wěn)定性、安全性及便捷性。

2.2 剪叉機構(gòu)

設(shè)計時,要考慮到不同果實的采摘高度,剪叉機構(gòu)的設(shè)計至關(guān)重要。剪叉機構(gòu)如圖5所示。

1.鎖銷 2.加寬工作臺 3.伸縮拓寬工作臺 4.作業(yè)臺 5.護欄圖4 載人工作平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Sketch diagram of manned worktable

1.液壓缸 2.工作平臺升降桿轉(zhuǎn)動銷軸 3.剪叉桿支架 4.升降桿移動槽 5.剪叉升降桿圖5 剪叉機構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of cross mechanism

剪叉機構(gòu)主要由剪叉升降桿、升降桿移動槽、剪叉桿支架、工作平臺升降桿轉(zhuǎn)動銷軸及液壓缸等組成。工作過程中,剪叉桿通過液壓缸的控制能夠在高度上自由調(diào)節(jié),從而滿足果實在采摘過程中高度的需求。

剪叉式升降機構(gòu)具有良好的安全性、穩(wěn)定性及承載能力,其受力如圖6所示。圖6中,A點與工作臺的滑道相切連接,B點與履帶底盤滑道相切連接,均是移動副;C點與工作臺固定鉸鏈連接,D點與履帶底盤固定鉸鏈連接,均是轉(zhuǎn)動副;Q點是兩剪叉桿中間鉸接的交點,是轉(zhuǎn)動副;液壓缸活塞桿的頂端和剪叉桿BC鉸接在F1點,液壓缸活塞桿的下端和履帶底盤鉸接于E點。

圖6中,G為施加物體的重力(N);L為剪叉桿的總長度(m);H為舉升的最大高度(m);x為液壓缸固定點與剪叉桿固定點之間的橫向長度(m);y為液壓缸固定點與剪叉桿固定點水平面間的縱向長度(m);QF1為液壓缸活塞桿與剪叉桿鉸接交點到剪叉中心的長度(m);T為液壓缸的推力(N);θ為液壓缸的俯仰角(°);φ為剪叉桿的俯仰角起(°)。

圖6 剪叉結(jié)構(gòu)受力分析圖Fig.6 Stress analysis of shear fork structure

2.3 履帶底盤

設(shè)計時,首先考慮到果園作業(yè)平臺提升工作過程中重心較高,對穩(wěn)定性要求比較嚴格;其次,果實的管理過程及運輸?shù)仁侵芷谘h(huán)性的工作,造成土壤被反復(fù)地鎮(zhèn)壓,容易使土壤板結(jié)[12],所以選用履帶式底盤行走裝置非常合適。履帶式底盤可以使與土壤的接觸面積增大,既能提高穩(wěn)定性,又能使土壤單位面積的壓強減小,優(yōu)點是增大了土壤的疏松性。履帶底盤主要由主動輪、橡膠履帶、支重輪、滾輪支架、托帶輪及導(dǎo)向輪組成,如圖7所示。

1.主動輪 2.橡膠履帶 3.支重輪 4.滾輪支架 5.托帶輪 6.導(dǎo)向輪圖7 底盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of chassis structure

以果園作業(yè)平臺的質(zhì)量為例進行計算,則電機及減速器的選型參數(shù)計算過程如下:

果園作業(yè)平臺的牽引力Fq為

Fq=μmg

(1)

電機功率P為

(2)

其中,μ為摩擦因數(shù),橡膠履帶及丘陵山地果園土地之間的摩擦因數(shù)在0.3～0.5之間[13],果園作業(yè)平臺在果園株距間工作,選取最大的摩擦因數(shù)進行計算,所以選擇最大值為μ=0.5;m為果園作業(yè)平臺的總質(zhì)量(kg),取m=932kg;g為重力加速度(m/s2),選擇g=9.8m/s2;η為電機效率,選擇η=0.8;v為果園作業(yè)平臺的運行速度(km/h),此處取v=2.6km/h。

據(jù)此計算可知,電機功率為4.1kW。選擇電機的型號為額定功率5.5kW、額定電壓48V、額定電流7.0A、額定轉(zhuǎn)速1000r/min的132M-6系列直流電機。

因此,主動輪和電動機之間的傳動比i為

i=n/n1

(3)

(4)

其中,n為主動輪的轉(zhuǎn)動速度(r/min);n1為電機轉(zhuǎn)速(r/min),選擇n1=1000r/min;r為是履帶主動輪的半徑(m),因丘陵山地果園在作業(yè)過程中底盤很低,選擇半徑r=0.1m[14]。

履帶底盤的工作原理是逆向轉(zhuǎn)向,轉(zhuǎn)動時改變兩邊履帶驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動方向從而使得實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的操作過程。履帶底盤的示意圖如圖8所示。

圖8 履帶底盤運動情況示意圖Fig.8 Schematic diagram of track chassis movement

圖8中,V1為右邊履帶轉(zhuǎn)速(km/h);V2為左邊履帶轉(zhuǎn)速(km/h);b/2為履帶底盤長度的一半(mm);d/2為履帶底盤寬度的一半(mm);R為轉(zhuǎn)彎的半徑(mm);O為履帶底盤的中心;ω為轉(zhuǎn)彎的角速度(rad/s)。

其左右兩端履帶的轉(zhuǎn)動速度一樣,分別為V1和V2[15-16]。因為兩邊的履帶距離底盤中心O的距離是一樣的,所得力矩MO=0,因此得到底盤工作過程中的最大轉(zhuǎn)彎半徑為R,即

(5)

式中b—履帶底盤的長度(mm);

d—履帶底盤的寬度(mm)。

式(5)計算得到履帶底盤的最大轉(zhuǎn)彎半徑R=563.5mm。因為果園作業(yè)平臺作業(yè)于丘陵山地果園,橡膠履帶和果園地面接觸時摩擦力很大,故轉(zhuǎn)彎半徑會出現(xiàn)偏差。根據(jù)丘陵山地果園地形與地勢的特點,作業(yè)的道路寬度在1～2m之間[17],因為計算結(jié)果履帶底盤的實際最大轉(zhuǎn)彎半徑小于1m,計算結(jié)果符合要求。

3 機械結(jié)構(gòu)的受力仿真分析

3.1 拓寬平臺的受力仿真分析

首先,將SolidWorks中建立的拓寬平臺三維模型進行簡化,把建立好的模型導(dǎo)入Simulation中進行運算,采用自由劃分網(wǎng)格方法對拓寬平臺進行網(wǎng)格劃分,拓寬平臺網(wǎng)格劃分如圖9所示。運行算例分析得出應(yīng)力、位移的結(jié)果,得到分布圖。對于拓寬平臺材料的選用,采用普通碳鋼。

拓寬平臺的應(yīng)力分布圖和位移分布圖如圖10所示。

圖9 拓寬平臺網(wǎng)格劃分Fig.9 Grid division of widening platform

(a)1000 N時應(yīng)力和位移分布圖

(b)1100 N時應(yīng)力和位移分布圖

(c)1150 N時應(yīng)力和位移分布圖圖10 拓寬平臺的應(yīng)力分布圖和位移分布圖Fig.10 Stree distribution and displacement distribution diagram of widening

由圖10可看出:當(dāng)施加載荷為1100N時(2.648×107)<(2.206×108),符合最大應(yīng)力小于屈服力[18]。此時,最大變形量為0.8867mm,經(jīng)過查閱資料得知,在工程上位移變形量小于1mm的機械結(jié)構(gòu)為合格[19],故驗證拓寬平臺結(jié)構(gòu)為合格。當(dāng)施加的載荷增大為1100N時(2.912×107)<(2.206×108),符合最大應(yīng)力小于屈服力的條件,此時最大變形量為0.9754mm,應(yīng)力和位移仍符合條件。當(dāng)施加的載荷在逐漸增大時,位移變形量不再符合條件(選取受力為1150N時的分布圖做參考)。因此,拓寬平臺能夠加載的最大為1100N,拓寬平臺是對稱的,所以承受的最大載荷為2200N。

3.2 剪叉結(jié)構(gòu)的受力仿真分析

首先,將SolidWorks中建立的剪叉升降機構(gòu)三維模型進行簡化,使得建立有限元模型更加方便。把建立好的模型導(dǎo)入simulation中,采用自由劃分網(wǎng)格對剪叉升降機構(gòu)進行網(wǎng)格劃分,如圖11所示。運行算例分析得出應(yīng)力和位移的結(jié)果,得到分布圖如圖12所示。對于剪叉升降機構(gòu)材料的選用,采用普通碳鋼。

圖11 剪叉升降機構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig.11 Grid division of shear fork lifting mechanism

(a)750 N時應(yīng)力和位移分布圖

(b)780 N時應(yīng)力和位移分布圖

(c)795 N時應(yīng)力和位移分布圖圖12 剪叉升降機構(gòu)應(yīng)力分布圖和位移分布圖Fig.12 Stress distribution diagram and displacement distribution diagram of shear fork lifting mechanism

由圖12可看出:施加外部載荷時均按照條目施加力(每根剪叉桿受力均相同),當(dāng)施加載荷為750N時(2.888×107)<(2.206×108),符合最大應(yīng)力小于屈服力的條件。此時,位移最大變形量為0.9414mm。經(jīng)過查閱相關(guān)資料,得知在工程上位移變形量小于1mm的機械結(jié)構(gòu)為合格。當(dāng)施加的載荷增大為780N時(3.004×107)<(2.206×108),符合最大應(yīng)力小于屈服力的條件。此時,位移最大變形量為0.9791mm。經(jīng)過查閱相關(guān)資料,得知在工程上位移變形量小于1mm的機械結(jié)構(gòu)為合格。當(dāng)施加的載荷在逐漸增大,增大到795N時,應(yīng)力和位移仍符合條件,但此時是最大的臨界條件[20]。所以,剪叉機構(gòu)能夠加載的最大載荷為3180N。果園作業(yè)平臺能夠加載的最大載荷為剪叉機構(gòu)與拓寬平臺的受力之和為538kg。經(jīng)過查閱相關(guān)資料,得知符合電動果園作業(yè)平臺的最大載重量。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

1)2021年9月28日,試驗在河北省保定市曲陽縣下河鄉(xiāng)劉家馬村進行,河北綠陽農(nóng)業(yè)科技股份有限公司,東經(jīng)114°41′30″,北緯38°40′10″,海拔150m。

2)試驗所需設(shè)備包括電動果園作業(yè)平臺、盒尺、秒表、手套、水果筐和梯子等。

4.2 試驗過程

1)試驗所用蘋果果樹為8年生富士,果樹株距1.2m、行距4.0m,樹高3.5m,頂層冠徑2m,底層冠徑2.5m,樹形為紡錘形。

2)在試驗田的兩行分別進行采摘。人工架梯采摘:在果園內(nèi)對8年生富士蘋果樹進行果實采摘,采摘人數(shù)為2人,分別負責(zé)高層和底層的蘋果采摘,采用從下到上、從外到里的采摘方法,采摘60min,采摘蘋果共616個,總質(zhì)量為265.1kg。電動果園作業(yè)平臺采摘:采摘人數(shù)為3人,一人操控作業(yè)平臺,兩人進行采摘。在相同的采摘時間內(nèi),采摘蘋果共3705個,總質(zhì)量為1590.6kg。蘋果果徑尺寸范圍個數(shù)占比如圖13所示。采摘試驗測試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖13 蘋果果徑尺寸范圍個數(shù)占比Fig.13 Proportion of number of apple fruit diameter range

表2 采摘試驗測試數(shù)據(jù)表Table 2 Test data of picking test

經(jīng)過計算,電動果園作業(yè)平臺的采摘效率為人工架梯采摘效率的6倍,電動果園作業(yè)平臺既能實現(xiàn)果園的規(guī)范化管理,又能節(jié)省工人的勞動成本及勞動強度。

5 結(jié)論

1)通過對電動果園作業(yè)平臺整體結(jié)構(gòu)與工作原理、關(guān)鍵部件進行分析及結(jié)構(gòu)受力仿真,設(shè)計了一種體積小、尺寸小、輕簡化,省力化的電動果園作業(yè)平臺,實現(xiàn)了果園作業(yè)機械化,提高了果園作業(yè)的采摘效率及果園的經(jīng)濟效益。

2)通過對電動機參數(shù)的計算,選擇電機的型號為額定功率5.5kW、額定電壓48V、額定電流7.0A、額定轉(zhuǎn)速1000r/min的132M-6系列直流電機。

3)經(jīng)過受力仿真分析,在機械結(jié)構(gòu)不變形的情況下,施加不同的載荷得出電動果園作業(yè)平臺能夠加載的最大載荷為剪叉機構(gòu)與拓寬平臺的受力之和為538kg。經(jīng)過查閱相關(guān)資料,得知符合電動果園作業(yè)平臺的最大載重量。

4)經(jīng)過計算,電動果園作業(yè)平臺的采摘效率為人工架梯采摘效率的6倍,電動果園作業(yè)平臺既能實現(xiàn)果園的規(guī)范化管理,又能節(jié)省工人的勞動成本及勞動強度。