履带自走式升降作业平台的结构原理与性能检测

林 羽，周汉林，何 林，周永发，陈中武

（1.广东省农业技术推广中心，广东 广州 510515；2.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630）

0 引言

我国三分之二以上的国土面积是丘陵山地，据统计，我国的土地资源仅有34%左右是平原，山地丘陵占辖区面积50%以上的省份有 19 个（包含台湾）[1]。同时，全国50%左右的油料作物和粮食来自高原、山地和丘陵地区的耕地[2]。据《2016 年广东统计年鉴》的数据，2015 年广东省水果种植面积达113.66 万hm2，水果总产量为1 519.89 万t，已成为广东各水果产区农民的重要经济收入来源。在果园的经营生产过程中，果实采摘、果树修剪、肥料和果实的运输是生产过程的重要环节，多数情况下，水果采摘都在离地一定高度的地方进行，且果实收获期集中，因而及时采摘的同时也需保证果品质量。目前果园的采摘等工作基本以人工为主，采摘人员都是在地面或借助梯子作业，劳动强度大，作业效率低，而且存在一定的安全隐患。在农业劳动力持续转移和老龄化的背景下[3]，研制一种人工辅助式的升降作业采摘平台，可以降低果园的生产成本，提高果农的经济效益，具有较好的经济效益和广阔的市场前景。

1 升降作业平台结构原理

履带自走式升降作业平台由行走底盘、剪叉式升降机构、液压系统、作业平台和控制系统等组成，行走底盘的动力为29.4 kW 的发动机。剪叉式升降机构的固定支架通过转轴固定在履带式行走底盘上，上面与作业平台联接，如图1 所示。工作时，发动机带动液压泵向升降装置的液压系统供油，在控制系统的控制下，通过2 个液压油缸的伸缩推动剪叉式提升臂，带动作业平台的起升和下降，从而满足不同的作业高度。

图1 履带自走式升降作业平台

1.1 主要技术参数

升降作业平台参数如表1 所示。

表1 升降作业平台参数

1.2 行走底盘

升降作业平台主要针对的工作环境是丘陵山区果园，土质较为松软。因此行走底盘采用履带式行走机构，动力采用29.4 kW 的四缸柴油机。履带式行走机构主要由橡胶履带、驱动轮、支重轮、导向轮、浮动轮和托轮等组成[4]，如图2 所示。履带式行走机构具有接地面积大、接地比压小、附着性能好、爬坡能力强、转弯半径小、跨沟越埂能力强等特点[5]，克服了轮式结构易在驱动行走过程的易打滑问题。考虑到机具的实际使用和通过性，选取履带轨距为1 060 mm。履带的主要参数见表2。

图2 履带式行走装置

表2 履带主要参数

1.3 剪叉式升降机构

剪叉式升降机构由固定支架、举升装置、作业平台、升降油缸等组成。固定支架是整个升降机构的基础，支撑举升装置和工作平台的重量。举升机构由叠成“X”形的两条提升臂组成，如图3 所示，2 条提升臂的两端分别与固定支架和作业平台连接。升降油缸的一端连接固定支架，另一端连接提升臂。工作时，通过油缸的伸缩来推动剪叉的展开与折叠，并利用剪叉式提升臂的展开与折叠完成作业平台的升降。

图3 剪叉式升降机构

剪叉式升降机构具有结构紧凑、承载量大，提升高度大的特点，它的上升与下降都是平稳运动的，安全性较高，可以满足不同作业高度的升降需求[6]。

1.4 固定支架调平系统

当作业平台在坡地进行高位升降作业时，随着作业平台的不平稳升运，操作人员极易因重心失衡导致跌落或滑倒，存在较大的安全隐患[7]。

固定支架具有调平功能，通过调平控制系统和液压系统，可以在坡度小于等于12°的斜坡上实现横向调平，以抵消由于倾斜地面引起的工作平台倾斜，确保工作平台处于水平稳定状态。

固定支架调平系统由固定支架、调平油缸、电磁制动装置、调平控制器和倾斜检测装置等组成，固定支架通过转轴固定在行走底盘上，如图4 所示。倾斜检测装置的角度传感器安装在调平支架上，当固定支架发生倾斜时角度传感器给调平控制器发送信号，调平控制器校核信号后，向电磁液压阀输出调平执行信号，由电磁液压阀控制调平油缸的伸缩[8]来推动固定支架进行自动调平，从而完成自动调平动作。固定支架设置有制动固定装置，在固定支架调平后，对固定支架进行制动固定，确保固定支架的稳定安全。

图4 固定支架调平装置

1.5 升降平台的液压系统

液压系统由齿轮泵、平台升降控制阀、调平电磁阀、左右调平油缸、升降油缸、节流阀、液压锁、油箱等组成，其液压原理图如图5 所示。作业平台的升降由升降控制阀控制，通过单向节流阀可调整升降平台的上升或下降速度，保证升降平台运动平稳可靠。单向节流在遇到故障时能够对升降平台起保护作用，防止平台意外下降，增加了升降平台的可靠性。

图5 升降平台的液压原理图

2 升降作业平台的性能检测

升降作业平台的性能检测主要是检验机器是否达到技术指标要求。检验的指标包括：举升负载量、横向可调节水平角度、作业平台可升降高度、行走速度、上升和下降速度等。

2.1 作业平台性能指标

作业平台主要性能指标见表3。

表3 作业平台主要性能指标

2.2 性能检测的条件

样机的性能检测现场如图6 所示。检测时满足的条件如下。

图6 性能检测现场图

1）试验前，样机处于正常工作状态。试验样机技术状态良好，操作人员技术熟练。

2）试验地选择为平整、光洁、硬实、周围无障碍物的地面，作业平台的周围无影响其运动的障碍物。

3）横向自动调节水平试验场地，试验样机应能方便进入到斜坡上。

2.3 举升负载量测定

升降作业平台举升工作时，作业平台承受不小于额定举升负载量进行试验，全行程升降3 次，升降应自然平稳，升降液压系统不应有渗油、漏油现象，受力构件不应有永久变形或其他损坏，测定承载最大量。

2.4 可升降高度测定

样机在承载最大量试验时同时进行可升降高度测定。将升降作业平台回落到最低位置，测量作业平台离地高度，然后将作业平台升高到最高位置，并再次测量升降作业平台的高度，试验3 次,取平均值。

2.5 横向可调节水平角度测定

横向可调节水平角度测定在坡度角为12°的坡道上进行。12°的坡道长度不小于5 m，宽度不小于10 m。测定时作业平台装上举升负载量且回落到最低位置。将样机沿坡道宽度方向驶入，使样机的方向与坡道成90°后停下。打开调平开关，作业平台应能横向自动调平，其调平误差应小于等于2°，样机应在2 个方向各测试3 次以上。同时，在作业平台调平后，启动制动固定装置锁住固定支架，然后对作业平台进行升降试验，升降过程应平稳安全。

2.6 行走速度测定

在平整的硬路面上进行，测试距离为50 m，测定在额定载荷下以最高行驶速度匀速通过测区的时间，计算行驶速度。按照公式（1）计算，分别测定3 次取平均值。

式中：

vg——行走速度，m/s；

sg——测试距离，m；

tg——所用时间，s。

2.7 上升、下降速度的测定

将作业平台下降到最低位置，在额定举升负载状态，启动发动机，调整油门至标定转速，升起作业平台，测试作业平台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别所需要的时间，并观察升降的平稳性。按照式（2）和式（3）计算，分别测试3 次取平均值。

式中：

v1——平台上升速度，m/s；

v2——平台下降速度，m/s；

Hmax——工作台最高位置，m；

Hmin——工作台最低位置，m；

t1——平台起升所用时间，s；

t2——平台下降所用时间，s。

2.8 最大沉降量测定

样机在额定举升负载量下进行试验，将作业平台升到最大高度处后切断动力，测量其作业平台的高度，10 min 后再次测量升降作业平台的高度，计算沉降量，试验3 次，取平均值。

3 结语

根据广东省丘陵山区果园的采收方式和现状，研制了一种人工辅助式的升降作业平台，并增加了平台作业高度、倾斜角度可调节功能，对升降作业平台的的承载能力、行走性能、坡地自动调平功能进行了测试。该升降作业平台具有以下特征：

1）采用履带式行走底盘，提高了底盘在不平路面的行走通过性，满足丘陵山区缓坡的爬坡越障需求。同时，履带的接地面积大，可避免对土壤层的破坏。

2）采用剪叉式升降机构，具有结构紧凑、举升重量大、上升与下降平稳、提升高度大、安全性高的特点。

3）该工作平台具有侧倾角度可调平功能，底盘重心较低，适合在丘陵山区的果园上进行作业。

4）该机控制方便灵巧，可原地转弯，负载性能强，工作效率高。

该机不仅适用于果园的果实采摘、运输作业，还可以作为喷药、施肥等管理类作业功能的基础载体，综上所述，升降作业平台的研制为丘陵山区果园机械化发展提供了装备供给和技术支撑。