履带式果园作业平台结构稳定性分析与研究

刘伟起,刘洪杰,史 璐,杨 欣,李建平,王鹏飞

(河北农业大学 机电工程学院,河北 保定 071000)

0 引言

随着现代农产业的发展,我国果园正朝着以丘陵山地矮砧密植种植模式为主的方向发展,但由于丘陵山地果园的地势崎岖不平造成从业者在水果的疏花疏果、剪枝、收获、套袋等一系列作业方面存在困难。然而,传统的靠着从业者脚蹬手爬的作业方式,不仅作业效率低下,而且安全性难以得到保障。查阅文献根据记录显示,截至2007年国内水果的总种植面积已经达到了10471.3khm2。其中,苹果的种植面积约占1961.8khm2,矮砧密植的现代苹果园种植模式得到迅速推广[1],但果树修剪整枝、疏花疏果、套袋、收获等作业人工操作仍存在难题[2-3]。随着科技的发展,高空作业平台逐渐在果园得到广泛应用,其安全性和稳定性是从业者工作过程中极其重要的因素。丘陵山地果园多用履带式作业平台,因为履带与地面的接触面积大,则对履带式果园作业平台的结构稳定性分析与研究非常重要,不仅能够提高果园的机械化水平,而且可以提高工作效率[4]。

果园作业平台大致分为3类,即自走式、自走履带式和悬挂折臂式。由于丘陵山地的矮砧密植果园地势崎岖不平,履带式果园作业平台不仅能够实现空间平面内任意角度位置的作业而且机动性非常强[5]。履带式果园作业平台的稳定性是从业者工作过程中重要的因素之一,稳定性指从业者工作过程中不发生倾翻和滑移的现象[6],故丘陵山地矮砧密植果园的结构稳定性分析与研究对从业者工作过程具有显著意义[6]。履带式果园作业平台稳定性指的是履带式果园作业平台能否在丘陵山地矮砧密植果园顺利完成工作和从业者能否安全行驶[7],其安全稳定性分析有纵向结构稳定性分析和横向结构稳定性分析两种,纵向、横向结构稳定性是衡量从业者工作安全性的重要标志。履带式果园作业平台稳定性越好,从业者在操作过程中的风险系数越小,安全性及工作效率越高。因此,本文应用理论力学与工程力学受力分析知识对履带式果园作业平台纵向及横向坡道上行驶的结构稳定性问题进行深入分析,研究影响履带式果园作业平台结构稳定性的重要因素。

根据丘陵山地矮砧密植果园地形及地势的特征,对履带式果园作业平台结构稳定性进行分析与研究,能够保障作业者果园作业疏花疏果、剪枝、收获、套袋等一系列作业的安全性与稳定性[8],不仅能够提高果园的机械化水平,而且能够提高果实采摘效率,增加果园的经济效益。

1 作业平台坡面行驶稳定性力学分析与研究

1.1 坡面行驶纵向倾翻和纵向滑移现象

履带式果园作业平台的纵向稳定性指的是履带式果园作业平台行驶工作过程中不发生纵向倾翻或纵向滑移的现象。纵向倾翻指的是履带式果园作业平台在坡面行驶时出现绕履带支撑面前后边缘发生倾翻的情况;纵向滑移指的是履带式果园作业平台坡面行驶时出现向后滑移的现象[9]。假设工作台升降过程中整机在坡面上处于静止状态,对履带式果园作业平台的稳定性进行受力分析。

1.2 作业平台上坡过程中的纵向稳定性分析

履带式果园作业平台上坡过程中作用力包括作业平台的重力G1、坡面对履带的支撑力FN、作业平台的拉力PL、坡面对履带的摩擦力Pf以及空气阻力(与果园作业平台方向相反)。理论上,上坡时速度很小,空气阻力也较小,可忽略不计。平台行驶速度为V,作业平台载重为G,平台重心距离坡面的垂直高度为h,平台载重中心距离履带大轮中心的垂直距离为H,履带与地面的接触长度为L。假设上坡角度为α,从动轮端支重轮中心与支撑力FN垂直于坡面的距离为C,主动轮端支重轮中心与平台质心垂直于坡面的距离为D,简化后的受力状况如图1所示。

图1 履带式果园作业平台上坡时的受力简图Fig.1 Stress diagram of crawler orchard operation platform when going uphill

图1中,G1为作业平台的重力(N);FN为坡面对履带的支撑力(N);PL为作业平台的拉力(N);Pf为坡面对履带的摩擦力(N);V为平台行驶速度(km/h);G为作业平台载重(N);h为平台重心距离坡面的垂直高度(m);α为上坡角度(°);H为平台载重中心距离履带大轮中心的垂直距离(m);L为履带与地面的接触长度(m);C为从动轮端支重轮中心与支撑力FN垂直于坡面的距离(m);D为主动轮端支重轮中心与平台质心垂直于坡面的距离(m)。

根据受力分析与研究,由力矩平衡方程可得

∑MA=0

(1)

则

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

(2)

由此可得

由图1可知:在坡面角度α逐渐增大的过程中,坡面对履带的支撑力FN会逐渐向后滑移与A点接近;当履带的支撑力FN与A点接触时,履带式果园作业平台将会发生倾翻现象。由此得知,履带式果园作业平台上坡过程中防止发生倾翻的条件为C≥0,则

通过履带式果园作业平台上坡过程中的纵向稳定性分析与研究分析得知:①平台纵向在坡面过程中的倾翻角的取值范围;②当坡面角度固定时,履带式果园作业平台在上坡过程中的纵向稳定性取决于L、H、h、G、G1、FN、D相关参数的取值。

1.3 作业平台下坡过程中的纵向稳定性分析

履带式果园作业平台下坡过程中作用力包括作业平台的重力G1、坡面对履带的支撑力FN、作业平台的拉力PL、坡面对履带的摩擦力Pf以及空气阻力(与果园作业平台方向相反)。理论上,下坡是挂挡行驶,但是大多会处于制动状态,制动力Pr大于拉力PL,故按照等速直线运动分析,忽略履带所受的空气阻力。平台行驶速度为V,作业平台载重为G,平台重心距离坡面的垂直高度为h,平台载重中心距离履带大轮中心的垂直距离为H,履带与地面的接触长度为L。假设上坡角度为θ,从动轮端支重轮中心与平台质心垂直于坡面的距离为b,从动轮端支重轮中心与支撑力FN垂直于坡面的距离为x,简化后的受力状况如图2所示。

图2中,G1为作业平台的重力(N);FN为坡面对履带的支撑力(N);PL为作业平台的拉力(N);Pf为坡面对履带的摩擦力(N);V为平台行驶速度(km/h);G为作业平台载重(N);h为平台重心距离坡面的垂直高度(m);θ为上坡角度(°);Pr为制动力(N);H为平台载重中心距离履带大轮中心的垂直距离(m)。L为履带与地面的接触长度(m);b为从动轮端支重轮中心与平台质心垂直于坡面的距离(m);x为从动轮端支重轮中心与支撑力FN垂直于坡面的距离(m)。

图2 履带式果园作业平台下坡时的受力简图Fig.2 Stress diagram of crawler orchard operation platform when going downhill

根据受力分析与研究,由力矩平衡方程得

∑MF=0

(3)

则

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

(4)

由此可得

由图2可知:在坡面角度α逐渐增大的过程中,坡面对履带的支撑力FN会逐渐向后滑移与F点接近,当履带的支撑力FN与F点接触时,履带式果园作业平台将会发生倾翻现象。因此,履带式果园作业平台下坡过程中防止发生倾翻的条件为x≤L。

因为

所以

通过履带式果园作业平台下坡过程中的纵向稳定性分析与研究分析得知:①平台纵向在坡面过程中的倾翻角的取值范围;②当坡面角度固定时,果园作业平台在下坡过程中的纵向稳定性取决于L、b、H、h、G、G1、FN等相关参数的取值。

1.4 作业平台横向在坡面的稳定性分析

履带式果园作业平台的受力分析如图3所示。作业平台载重为G,履带与地面的接触宽度为b,两履带轨距之间的距离为Y,履带式果园作业平台质心与纵向对称平面的距离为a,坡面对履带的支撑力分别为FN1和FN2,坡面对履带的摩擦力分别为Pf1和Pf2,坡面角度为α,履带式果园作业平台沿坡道上的惯性力为F。考虑履带式果园作业平台在坡面处于低、匀速行驶状态,空气阻力和惯性力很小,因此可以忽略不计[10]。

图3 履带式果园作业平台横向于坡面时的受力简图Fig.3 Stress diagram of crawler orchard operation platform when it is transverse to the slope

图3中,G为作业平台的载重(N);FN1、FN2为坡面对履带的支撑力(N);b为履带与地面的接触宽度(m);Y为两履带轨距之间的距离(m);a为履带式果园作业平台质心与纵向对称平面的距离(m);Pf1、Pf2为坡面对履带的摩擦力(N);α为坡面角度(°)。

根据图3,履带式果园作业平台在坡面的行驶状态为低速、匀速,受到的空气阻力以及惯性力非常小,可以忽略不计,故惯性力F=0。

根据受力分析与研究,力矩平衡方程为

(5)

(6)

由此可得

在坡面角度α逐渐增大的过程中,坡面对履带的支撑力FN1、FN2会逐渐向后滑移与O点接近;当履带的支撑力FN1、FN2与O点接触时,履带式果园作业平台将会发生倾翻现象。由此得知,履带式果园作业平台横向防止发生倾翻的条件为FN1≥0、FN2≥0,则

通过履带式果园作业平台横向在坡面的稳定性分析与研究分析得知:①平台横向在坡面的倾翻角取值范围;②当坡面角度固定时,履带式果园作业平台的横向稳定性取决于Y、b、a、G、H、G1等相关参数的取值。

2 作业平台稳定性安全装置结构设计与工作原理

绝大多数果园主要以丘陵山地矮砧密植种植为主,稳定性安全装置能够保证果实采摘过程的稳定性以及安全性,能够实现我国丘陵山地果园的疏花蔬果、套袋、修剪、采摘过程中的稳定性作业。

2.1 履带式果园作业平台的工作原理

升降装置由液压泵、液压缸及剪叉杆等组成,电动履带底盘内部安装有液压泵,液压缸与液压泵相连接;液压缸两端分别与履带底盘上边固定架及剪叉杆相连接,剪叉杆下部与履带底盘相连接,上部与安装有保护栏的工作平台相连接;充电口安装在履带底盘的右后方位置,电能为果园作业平台提供动力来源。通过控制箱连接有线路,连接到履带底盘,履带底盘左右前方两端连接有电动机,电动机与线路相连接,电动机的输出端与稳定性安全装置转动轴通过键连接;控制箱的上表面安装有控制按钮,当按下控制按钮时,稳定性安全架能够在电动机的驱动下转动,不工作时安全架向上平行于保护栏;当采摘过程中平台稳定后,稳定性安全架在控制按钮操控下向下转动到合适位置与地面接触,能够保证丘陵山地果园采摘在崎岖不平的地形状态下的安全性与稳定性。履带式果园作业平台稳定性安全装置如图4所示。

随着我国国民经济的快速发展以及现代工业的快速成长，气体产品种类越来越丰富，气体工业加速发展，加上世界制造业的调整，移动式压力容器的装备制造中心也正迅速崛起并向中国转移。移动式压力容器所具有的装载量大、运输手段灵活和运输成本低廉的特点，逐步发展成为运输工业气体的主力，并在我国国民经济发展过程中起着重要的作用。移动式压力容器储运的介质绝大多数都属于易燃、易爆等有害液化气体，如果引发安全事故，不仅造成财产损失，也容易污染环境甚至造成人员伤亡，社会影响极其恶劣。

2.2 履带式果园作业平台各结构功能

控制按钮控制液压系统及稳定性安全架的工作过程,拓展平台可使果园作业平台增大可利用空间并且加宽工作平台的面积;电动履带底盘用来提供动力来源,为工作平台提供支撑;工作平台能满足不同高度操作者的使用需求;稳定性安全架能够在控制装置的操控下转动,不工作时安全架向上平行于保护栏。当工作过程中平台稳定后,稳定性安全架在控制装置操控下向下转动到合适位置与地面接触,能够保证丘陵山地果园采摘在崎岖不平地形状态下的安全性与稳定性。剪叉杆位移导轨槽是剪叉杆位移变化的导轨槽,能够满足工作过程中操作者不同工作高度的需求,剪叉杆在液压缸的驱动下会根据操作者工作高度的需求而上下移动。

1.电动履带底盘 2.剪叉杆转动轴 3.剪叉杆 4.液压缸 5.控制箱 6.保护栏 7.控制按钮8.工作平台 9.拓展平台 10.脚踏 11.剪叉杆位移导轨槽 12.稳定性安全装置转动轴 13.电动机 14.稳定性安全架图4 履带式果园作业平台稳定性安全装置Fig.4 Stability safety device of crawler orchard operation platform

3 田间试验

3.1 试验条件

1)试验地点:2021年10月30日,试验在河北省保定市曲阳县下河乡刘家马村进行,河北绿阳农业科技股份有限公司,东经114°41'30″,北纬38°40'10″,海拔150 m。

2)试验所需设备:履带式果园作业平台,盒尺,秒表,手套,角度测量仪,A4纸和笔等。

3.2 试验结果分析

1)履带式果园作业平台性能参数试验。选取丘陵山地果园较为平整的地段进行测试,测得履带式果园作业平台无载重的行走速度,即低速约为0.352m/s,高速约为0.722m/s。履带式果园作业平台升降高度≤1.2m,最大承载负荷≤500kg,液压杆升降速度为0.05m/s。

2)爬坡性能试验。最大爬坡角度θ是指车辆(履带式果园作业平台)满载时用最低挡位所能通过的最大坡度角[11-12],表征车辆(履带式果园作业平台)的爬坡能力,即

θ=arcsin[(F-∑f)/Gmax]

(7)

式中Gmax—满载时履带式果园作业平台的载重(kN);

F—履带式果园作业平台履带切线的牵引力(kN);

f—履带式果园作业平台的阻力(kN)。

在保证平台稳定工作的状态下,设置试验坡面角度分别为8°、18°、30°,将300kg负载置于履带式果园作业平台中心,履带式果园作业平台纵向于坡面上,以低速挡顺利行驶从坡面底端到顶端。爬坡性能测试如表1所示。

表1 爬坡性能试验

由表1可知:随着坡度角的逐渐增大,履带式果园作业平台行驶的时间逐渐变长,爬坡速度逐渐变得缓慢;在试验过程中,履带式果园作业平台能够正常运行,且正常行驶通过3种不同的坡度角;但是当行驶在30°坡面时,作业平台速度变慢并且出现抖动,出现略微打滑现象。在正常运行的情况下,得知履带式果园作业平台能够通过的最大坡度角为30°。

4 结论

1)对履带式果园作业平台进行坡面行驶稳定性力学分析与研究,通过计算得出作业平台不倾翻的角度范围。当坡面角度固定时,履带式果园作业平台的稳定性取决于相关性能参数的取值。

2)设计的履带式果园作业平台稳定性安全装置能够保证作业者工作顺利进行,且可以帮助作业者顺利完成果园疏花疏果、剪枝、收获、套袋等一系列操作。

3)通过履带式果园作业平台性能参数试验测得果园作业平台无载重的行走速度,即低速约为0.352 m/s、高速约为0.722m/s。履带式果园作业平台升降高度≤1.2 m,最大承载负荷≤500kg,液压杆升降速度为0.05 m/s。

4)通过爬坡性能试验得知:随着坡度角的逐渐增大,履带式果园作业平台行驶的时间逐渐变长,爬坡速度逐渐变得缓慢。在试验过程中,履带式果园作业平台能够正常运行,且正常行驶通过3种不同的坡度角。但是,当行驶在30°坡面时,作业平台速度变慢并且出现抖动以及略微打滑现象。在工作正常运行的情况下,履带式果园作业平台能够通过的最大坡度角为30°。