三轮自走式升降平台作业安全性分析

刘 奎，杨莉玲，沈晓贺，刘 佳，买合木江·巴吐尔

（新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐 830091）

目前三轮自走式升降平台在果园管理工作中得到广泛应用，操作人员可以将平台调到适合自己的最佳位置和高度，在工作平台上执行机器的启动、行走、转向、升降、熄火等作业[1]，完成树枝的修剪和果实的采摘等作业。但由于是高空作业，保证操作人员在机器操作运行中的安全非常重要，不能有倾覆的情况发生。为此，针对新疆农业科学院农业机械化研究所前期研制的三轮自走式升降平台自身的工作参数，通过升降平台支反力的分析和计算，确定三轮自走式升降平台的安全性能非常重要[2]。

1 三轮自走式升降平台结构及参数

新疆农业科学院农业机械化研究所前期研制的三轮自走式升降平台由作业平台、升降系统、行走装置、机架4部分组成。三轮自走式升降平台结构如图1所示。三轮自走式升降平台主要结构参数如下[3]：

为了确保三轮自走式升降平台安全稳定性能达到技术要求，进行优化设计，计算升降平台回转作业过程中轮胎受到地面的反作用力，为端部作业平台的作业范围提供理论依据。

图1 自走式升降平台结构示意

2 支反力的分析及计算

2.1 力学模型

三轮自走式升降平台工作时主要受到作业平台载荷和自身重力的影响，理论分析中暂不考虑风载以及震动、冲击等引起的动载荷的影响。

图2 自走式升降平台受力简图

根据升降平台的结构分析，作出受力简图，如图2所示。图中以O1、O2和O3点表示轮胎的3个支撑点，O和D分别表示升降部分支承中心和车架几何中心。其中L1=2 790 mm，L3=1 860 mm，L4=1 860 mm，臂长L=4 510 mm。将车架部分的自重简化为作用在车架几何中心点D的集中载荷力G0，方向竖直向下。将升降部分的自重及额定载荷P简化为作用在回转支撑中心点O的竖直向下的集中载荷力G1和力矩M。升降臂与水平面夹角为α。

2.2 支反力推导

结合以上分析可知，作用在升降平台上的载荷主要由作用在点O的集中载荷G1，作用在点D的集中载荷G0以及由升降部分所引起的对回转中心点O的力矩M三部分组成。令升降臂的长度为L，假定在集中载荷G0和GI的作用下，3个轮胎所受到地面的支反力分别为N1O1、N1O2和N1O3，取竖直向上为正方向，则力平衡方程如式（1）所示。

由（1）式可得：

上式所求结果为在不考虑力矩的作用下，集中载荷G0和G1所引起的地面对轮胎的支反力。下面单独计算力矩M对升降平台轮胎支反力的影响。在力矩M的作用下，升降平台3个轮胎受到地面的支反力将发生变化，令由力矩M引起的3个轮胎的支反力分别为N2O1、N2O2和N2O3，取竖直向上为正方向，则力平衡方程如式（3）所示。

由（3）式可得：

令升降平台在正常工作过程中，3个轮胎受到地面的支反力分别为NO1、NO2和NO3，则根据（2）式和（4）式可以求得升降平台在额定载荷作用下，3个轮胎受到地面的支反力分别为：

3 作业工况分析

经过分析，如图3所示，自走式升降平台在工作时，由于主要受到升降臂角度和作业平台载荷质量变量的影响，使三个支撑点O1、O2和O3处的支反力发生变化。各点的支反力都满足大于等于零时，整个设备才能保证不倾覆[4]。在设定的工作范围内，O2和O3处的支反力NO2和NO3是随着升降臂角度和作业平台载荷变化产生的力是同向叠加的，因此这两点处的支反力是恒定大于零的。而O1处的支反力与升降臂角度和作业平台载荷变化产生的力方向是相反的。

图3 自走式升降平台设计工作范围示意

因此，在这里只需考虑O1处的支反力NO1在设定的工作范围内是否满足大于等于零，也就是满足：

将各对应设计参数带入计算得知完全符合上述条件，由此可得，在此设计参数范围内，三轮自走式升降平台满足在升降工作时的安全不倾覆条件。

4 结论

在不考虑风载以及震动、冲击等引起的动载荷的影响及地面较为平坦的情况下，该三轮自走式升降平台的设计参数满足在升降工作时的安全不倾覆条件。

由于在某些特殊环境下，三轮式自走升降平台可能会遇到路面高低不平障碍（如过沟或者过坎）的情况，两轮同时过障碍和单侧轮过障碍会使机架产生倾斜（纵向或者横向），则3个轮子的支反力会发生相对变化。因此，针对特殊情况路面还需进一步的分析研究。