小型果园升降作业平台液压系统的设计

刘大为 ，谢方平 ，2，卢 颂 ，李 旭

（1.湖南农业大学 工学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410128）

提高果园管理的机械化水平与自动化程度，走节本增效之路，是我国果园管理机械化的终极目标。升降平台作为目前最适用于果园采摘的实用机具，载人作业时的安全、高效是其必备的性能指标。为实现平台的升降以及载人工作台的可调平，课题组设计的小型果园升降作业平台由履带行走装置、动力装置、调平装置、升降装置、载人工作台等组成。工作时，通过动力装置驱动履带式行走机构进行行走，到达工作位置后，根据载人工作台的平衡情况，由液压系统驱动调平装置对载人工作台进行调平，而后工作人员进入载人平台进行作业，并通过升降液压缸调整工作台高度，以适应果实不同的采摘高度。该机器可适应果园采摘、疏花过程中的需要频繁移动位置的作业现状，提高了整机的机动性和作业效率。

液压系统是果园升降作业平台最重要的控制单元，其工作性能的好坏直接决定了果园升降平台的操作性能、工作效率及使用寿命。针对升降平台的结构组成及功能要求，笔者对其液压系统进行了设计，推导了执行元件负载变化的理论表达式，拟定了液压系统原理图，并对各回路和液压元件进行了分析计算。

1 升降作业平台及液压系统设计要求

（1）平台结构组成及功能需求。小型果园升降作业平台由履带行走装置、动力装置、调平装置、升降装置、载人工作台、液压系统和电控系统等组成。其中升降装置由剪叉机构、底座及升降液压缸组成；调平装置由回转支承、定轴轮系以及角度调整油缸、回转液压马达等组成，如图1所示。

图1 小型果园升降作业平台结构图

果园升降作业平台适用于南方丘陵果园，其种植模式和作业环境决定平台必须结构紧凑、启动方便、升降灵活、作业面大、控制简便等性能。同时，控制系统应具有良好的“点动”性能，满足实际操作需求，做到能最大限度地减轻工人的劳动强度，并保证载人升降作业的安全可靠性。

（2）升降调平装置结构。升降装置的举升油缸采用斜拉剪叉梁式结构进行布置，沿举升方向初置安装角为10°。调平装置底部角度调整液压缸缸体与销轴同端，沿剪叉机构横向与销轴成垂直角度布置，液压油缸的另一端与剪叉机构底部相连，初置安装角为5°，驱动角度调整液压油缸可以使得剪叉机构绕销轴进行转动，整体结构如图2所示。

图2 可调平升降装置结构图

（3）升降平台作业流程。当整机处于任意作业位置时，由于果园地面崎岖不平以及采摘平台负载的变化，载人工作台可能处于非水平状态，甚至会发生偏转，极易造成作业人员的不安全。通过“二次调平”设计，对载人工作台进行“方向”和“角度”调平，可以让重心稳定在支承平面内保持不变，有效保证整机的稳定性能，同时减少了通过支腿支撑带来的不便捷性，提高了平台的移动效率。作业流程：果园采摘平台处于非水平状态时，由传感器对上平台倾斜状态进行信号采集，控制系统对信号进行处理，变成输出信号传递给执行部件。执行部件液压缸和液压马达进行相应的动作，对载人平台进行调平。之后，工作人员进入载人平台进，并通过升降液压缸调整工作台高度，以适应果实不同的采摘高度。

（4）平台主要技术参数。升降平台主要技术参数如表1所示。

表1 果园升降作业平台主要技术参数

（5）液压系统设计要求。小型果园升降作业平台的工作过程包括以下几个非连续性运动：工作台回转、角度调整、剪叉升降、整机行走和其他辅助运动。通过液压马达、回转支承、角度调节装置、升降装置的驱动可以实现平台调平和升降。但由于采摘对象位置多变，平台实现升降运动以及行走、载运过程中的阻力各不相同，为了满足作业需要，提高作业效率，针对“定点”作业过程中必须保障整车的稳定性要求，需要液压系统具有良好的控制特性和动作协调性。

2 液压缸工作负载计算

2.1 升降液压缸负载分析

依据瞬时功率相等原理，假设平台负荷为W，剪叉机构自重为G，剪叉臂长度为L，剪叉臂与水平方向的夹角为α，液压缸与水平面的夹角为β，把液压缸简化成滑块导杆机构，各构件编号图3所示。已知Led2=45cm，Lcd=20 cm，令m=Led2/L，n=Lcd/L，根据剪叉机构运动特点可知，点 a、a1、a2在升降过程中为同一垂直面移动，通过对升降台进行模块划分并加以分析后，运用速度多边形法来推导油缸推力F的计算公式。

图3 剪叉机构运动及受力简图

F即为升降液压缸的负载大小。在液压缸驱动剪叉臂运动过程中，把液压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°，由于剪叉臂之间的最大剪叉角度为60°，有α∈［0~30°］；由此可得，升降液压缸的负载变化随着剪叉角度的增大而减小，当平台最大负载，即液压缸处于起始位置时的驱动力最大。求得：Fmax=35.5kN。

2.2 调平液压缸负载分析

根据前述操作流程，当调平液压缸工作时，平台未承受负载，只需承受自重。

因此，可知在安装角位置时，调平油缸承受的力分解到垂直方向时所承受的负载最大。

由于升降作业平台的最大爬坡角度为15°，有α'∈［5°~15°］，求得 Fmax=28.1kN。

由于在平台升降过程中，实际操作多为点动（启动或快退时间为 5 s，取平均速度为 0.04 m/s），由式（1）、式（2）可知，液压缸负载的变化随调平角度和平台高度的增加而减小。考虑到剪叉机构升降过程中工件间的滚动摩擦可忽略不计；根据其升降速度≤0.2m/s的要求，可知在最大负载情况下，升降油缸快退过程中液压缸所承受的负载最大。

3 液压系统方案设计

3.1 液压缸主要参数的确定

根据工作流程和两液压缸的负载计算情况，升降作业平台液压系统液压缸的最大负载为35.5kN，假设液压缸的机械效率ηm=0.9，根据负载选择执行元件工作压力参照表可知，宜取p1=4MPa。由于载人工作台在上升和下落过程速度要求较慢，均近似看作等速运动。因此，液压缸可选用单杆式，并在举升时作差动连接，其中A1≈2A2（A1为无杆腔工作面积、A2为有杆腔工作面积）。即活塞杆直径d与缸筒直径D之间的关系为：d=0.707D。在载人工作台下降操作中，液压缸回油路上必须具有背压p2，以防止重力过大时掉落。根据文献推荐数值，取p2=0.5MPa。同时，虽然举升时液压缸做差动连接，但由于油管中有压降△p存在，使得有杆腔的压力大于无杆腔，取△p≈0.5MPa，可根据无杆腔工作面积计算公式：

求得

同样求得活塞杆直径d=0.707D=8.2cm

根据GB/T2348-2001将所计算的D和d值分别圆整成就近标准直径，选取标准密封件。圆整后得：D=12.5cm，d=8cm。由此求得液压缸两腔的有效面积为：A1=πD2/4=122.7cm2，A2=π（D2-d2）=72.4 cm2。经检验，活塞杆的强度和稳定性均符合要求。同理，可求得调平液压缸的相关参数如下：A1'=83.1cm2、D'=10.3cm、d'=7.3cm，圆整后取 D'=11cm、d'=8cm、A1'=95cm2、A2'=44.7cm2。

3.2 液压缸工作压力、流量和功率

根据前述各参数，当背压按pb=0.5MPa计算时，算得升降液压缸工作过程的压力、流量和功率，代入，如下：

进油压力：

求得p1=3.5MPa

单位时间输入流量：

q=A1·V=49.1ml/s=2.94 L/min

输入功率：

P=P1·q=0.17 kW

同理，可求得调平油缸相关参数如下：

P1'=3.5MPa、q'=2.28L/min、P'=0.08kW。

3.3 液压回路的综合

根据液压系统工况，选用定量泵供油，泵的供油压力由先导式溢流阀设定，二位二通电磁换向阀用于控制液压泵的卸荷。因系统只有回转、倾角调整、升降三种动作，且无特殊工作动作要求，因此选用单活塞杆液压缸和双作用定量液压马达。考虑到平台工作位置多变，系统需要频繁启停，为防止在上升过程停留时平台下落，同时在停留期间内保持平台的高度不变，特在各支路上采用双向液压锁，从而保证用以实现执行元件的静态锁止。对于液压马达的运动，无特殊要求。将上述所选定的液压回路进行组合，液压系统原理图如图4所示。

图4 液压系统原理图

3.4 主要液压元件的计算与选择

（1）液压泵的参数计算。已知p1=3.5 MPa，考虑到本液压系统油路较为简单，选取进油路总压力损失，则液压泵最高工作压力为：

求得pp=3.9MPa

泵的额定压力可取：Pr≥1.25Pp=4.9MPa

又液压泵的最大供油量qp按液压缸的最大输入流量进行估算，取泄露系数K=1.3，则：

求得液压泵的流量qp=6.8L/min。

根据以上计算结果，查阅《机械设计手册》，选用规格相近的YB-A9B型叶片泵，其理论排量为9.1m l/r，额定压力为7 MPa，额定转速为1000r/min，输出流量为6.9L/min，泵的总效率ηp取0.85，则求得液压泵驱动电机所需的功率为:

求得P=1.3kW

选用电动机型号：Y90L-4型电机，其额定功率1.5kW，转速为1400r/min。

（2）液压马达的选择。为方便控制回转支撑的左右转动，提高回转效率，回转液压马达的选择需采用双向定量液压马达，同时，采用采用定轴轮系传动，设定其传动比5≤i≤10。

已知回转支承上平台质量及额定负载总量为450kg，平台最大升降高度为1.2m，最大爬坡角度为15°，根据回转支承计算结果，初选其产品型号为：回转支承013.25.500.10 JB/T 2300，其中da=602mm。为计算液压马达的扭矩T（N·m），我们把回转平台看作一个质量为m=450kg，直径为da的实心圆柱体，则有：

求得，液压马达所需的扭矩为67.6N.m

又知平台允许的最大回转速度为4.5r/min，根据拟定的回转支承传动比大小，可知液压马达理论上允许的最大转速为45r/min。

显然，理论算得的液压马达扭矩较小，转速较低，现有产品的性能参数与之不能匹配，可增加一级蜗轮蜗杆减速器传动，以满足马达转速要求。由于负载的确定性，马达所需的扭矩大小明确，根据马达扭矩，拟定马达转速为120r/min，查询《机械设计手册》第五版第5卷表21-5-82中，可选YM-B102B叶片液压马达。

4 结语

（1）升降平台的液压系统中液压缸设置了双向锁紧装置,使调平和升降动作平稳,提高系统的安全性和可靠性。

（2）采用液压马达直接驱动回转支承的方式，不能满足平台设计指标，需要增加一级传动，方可满足使用要求。

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