温室多功能轨道作业车的研制

田素博，刘国均，邢大伟，孙周平

(1. 沈阳农业大学 a.工程学院;b.设施园艺省部共建教育部重点实验室/园艺分院，沈阳 110866； 2.沈阳二四五厂，沈阳 110122)



温室多功能轨道作业车的研制

田素博1a，刘国均1a，邢大伟2，孙周平1b

(1. 沈阳农业大学 a.工程学院;b.设施园艺省部共建教育部重点实验室/园艺分院，沈阳 110866； 2.沈阳二四五厂，沈阳 110122)

温室的种植面积逐年扩大，温室内工作人员劳动强度大、作业环境较为恶劣。针对这一特点并结合实际生产需求，为降低工作人员的劳动强度、改善工作人员的作业条件，设计了一种辅助人们在温室内进行绑蔓、摘果作业且可升降的作业车。作业车以蓄电池作为电源，通过液压系统推动剪叉升降平台精确地实现升降功能，并通过小型电机驱动作业车的平稳前进与后退。在研制出作业车样机的基础上，对作业车进行了调试与试验，确定作业车最大运行速度约为0.15m/s，工作平台的正常上升速度为0.11m/s，正常下降速度为0.05m/s，并进行了载人作业平台的振动试验测试。试验结果表明：作业车运行速度与工作平台的升降速度满足设计要求，达到了预期的设计目的，对提升温室机械化作业水平具有重要意义。

日光温室；作业车；剪叉机构；农业机械

0 引言

温室是一种农业生产性建筑设施，可以改变植物生产环境、为植物生长创造最佳条件并避免外界四季变化和异常的恶劣环境的影响[1]。近些年，随着生活水平的提高，促使温室产业不断完善并快速发展，使其成为最具活力的农业新产业之一和现代农业的亮点[2]。同时，随着科学技术和高新技术的发展及社会的进步，现代温室逐步向规模化、集约化和专业化的方向稳步、持续、快速的发展[3-4]。在温室发展的过程中，国内外对温室中作业的机具进行了研究、推广与应用。日本、韩国、美国和意大利等国家温室生产过程整地、播种、中耕和除草等作业均已实现机械化。我国温室大棚面积虽然很大，但温室内作业机具的配备水平并不高[5]。

国外设施农业发展迅速,以荷兰为代表的欧美国家建设设施园艺规模逐渐变大、自动化程度高、生产效率高[6-7]。在育苗、施肥、收获和运输环节上，国外基本上实现了机械化，如日本、美国等国家都开发出了应用于温室机械化育苗播种的成套设备和温室用的小型蔬菜移栽机[8]。在果实收获上，以日本为代表的发达国家做了大量的工作，试验成功了多种具有人工智能的采摘机器人，如西红柿采摘机器人、黄瓜采摘机器人和草莓采摘机器人等等[9-10]。

虽然我国是温室栽培起源最早的国家，在初始阶段我国温室产业在小规模、低水平、速度缓慢中发展[11-12]。近些年，我国设施农业发展的步伐不断加快，种植面积逐年扩大；但温室生产水平较低，机械化程度不高[13-14]。根据文献，国内也研制出一些温室作业的机械，如温室采摘机或采摘机器人、嫁接机及移栽机等[15-20]，但绝大多数都没有投入使用，并且温室内缺少辅助工作人员完成室内作业尤其是载人进行空中打蔓和摘果的机具。

为了提高温室内工作人员的工作效率、降低劳动强度及改善工作条件，针对温室大棚作业环境狭窄及立体栽培植株较高的特点，设计了一种可以辅助工作人员在大棚内完成空中打叉、绑蔓及摘果等温室日常管理工作的温室轨道作业车。

1 作业车总体结构及工作原理

1.1 设计要求

根据温室中作物的种植特点及生产需求，满足温室高处各种作业，作业车设计要求如下：

1)作业车可以在温室固定过道的轨道上连续平稳的前进或后退，行驶速度约为0.15m/s；

2)作业车载人工作台升降高度1～1.5m，负载大于150kg；

3)温室作业车在一个作业车轨道作业完成后，可以移动到另外1行平行轨道继续作业；

4)工作人员可以站在作业平台上通过控制平台完成前进后退和上升下降等操作。

5)温室作业车要求结构简单可靠、价格低廉、操作方便。

1.2 总体结构及工作原理

1.2.1 总体结构

温室作业车由行走系统、动力系统、升降系统、载人工作台和控制系统等组成，如图1所示。动力系统由电动机作为原动力，以铅锌蓄电池为能源；行走部分通过电机带动链轮从而驱动行走轮前进或后退；升降系统由液压站和剪叉机构组成，液压站为液压缸泵油，驱动剪叉升降机构实现工作台的上升下降。

1.横向行走装置 2.载人作业平台 3.控制装置 4.升降装置 5.动力装置 6.纵向行走装置

1.2.2 工作过程及原理

作业车作业时，工作人员在载人作业平台上，通过控制装置控制动力装置进行工作，从而驱动横向行走装置在纵向过道的轨道上行驶，到达作业位置后停止，通过控制升降装置完成不同高度的作业；完成一个过道作业，行驶到横向过道，通过人力使用横向行走装置转换到下一纵向过道继续作业。作业车温室内行走路线如图2所示。

图2 作业车行驶路线图

1.2.3 主要设计参数

根据温室种植模式与植物生长高度，对温室过道、作业高度等进行调查与数据采集。根据调查收集与温室生产需要温室作业车主要设计参数如表1所示。

表1 温室多功能轨道作业车尺寸设计参数表

2 关键部件设计

2.1 升降机构的设计

温室作业车升降系统主要作用是将载人作业平台升起到一定高度。根据设计要求，升降系统采用剪叉式升降机构[21]，液压缸一端布置在剪叉机构销轴的下端，另一端布置在销轴的一侧，液压缸使剪叉机构绕绕轴转动，这样可以降低作业车的重心，如图3所示。

1.工作平台 2.上剪叉 3.下剪叉 4.液压缸 5.底架

根据升降高度1～1.5m的设计要求，结合温室内株高、路宽等数据及车架底盘的设计参数，由剪叉机构的几何关系可得

H=2L臂·sinα

选取剪叉臂长为L臂为680mm，剪叉臂与水平最大角度α为55°，求得理论最大升降高度为1 114mm，符合设计要求。

2.2 剪叉机构的受力分析

剪叉升降机构在工作过程中，当承载载荷或工作台所处高度不同时，所需液压系统输出的驱动力也不同。因此，需要对其在极限载荷作用下，载人工作台处于最低位置时进行受力分析，此时，液压系统输出驱动力最大。剪叉升降机构在极限状态下能正常工作，便可保证其他作业过程的稳定性。对此状态下进行受力分析，T为油缸推力方向，设各个位置摩擦系数皆为f受力简图如图4所示。

图4 剪叉机构受力分析简图

当整个机构刚好启动时，需要最大的驱动力，并且整个剪叉机构可以视为静止对象。根据液压缸推力T和负重极限载荷G为主动力，根据虚位移原理可知，所有作用在该质点系上的主动力在虚位移上所做的功为0，则

∑(Pxiδxi+Pyiδyi+Pziδzi)=0

(1)

其中，Pxi、Pyi、Pzi分别为作用在质点上的主动力Pi在直角坐标系中x、y、z轴上的分量；δxi、δyi、δzi分别为虚位移δi在3个坐标轴上的虚位移分量。由图4可得

TxδxT+TyδyT-Gδyg=0

(2)

其中，Tx=Tcosα，Ty=Tsinα；xT=rcosα，yT=rsinα，yG=2lsinθ，l为剪叉臂长度。经变分运算后得：δxT=rδθsinθ，δyT=rδθcosθ，δyG=2lδθsinθ，代入式(2)，整理得G与T的关系表达式为

(3)

其中，α为液压缸起始位置与水平方向的夹角，大小为25°；θ为剪叉臂起始位置时与水平方向的夹角，大小为10°；G为最大负重，计算理论液压缸最大推力为T=4 200N。

2.3 行走装置的设计

温室内过道宽度窄，在温室纵向过道内平铺轨道，保证作业车行走的直线性。根据课题前期研究收集数据所记录的行驶速度、外形尺寸及负载情况等设计参数，确定作业车动力底盘上驱动轮、驱动轴、蓄电池及液压站等构件的设计参数。为了方便作业车从一条纵向过道行驶转移到另一条，安装了横向行走轮。为方便作业车在温室内轨道上行走，纵向行走轮采用仿形设计，且为了减少震动，采用仿尼龙材料。作业车底盘(见图5)宽度为500mm，长度为910mm，主要尺寸参数如表2所示。

1.底架 2.液压站 3.蓄电池 4.电动机 5.横向行走轮 6.纵向行走轮

参数单位设计值车架长度mm910车架宽度mm500纵向行走轮间距mm400纵向行走轮直径mm170纵向行走轮宽度mm40横向行走轮直径mm60

2.4 传动系统与载人工作台设计

传动系统主要由电动机、链轮、链条及纵向行走机构的驱动轮等组成，如图5所示。考虑到行走轮在固定平行的直线轨道上行驶，轨道存在某些的地方不平行的现象，会出现轮子被夹住的现象，所以驱动轴采用联轴器连接如图6所示。

1.链轮 2.电动机 3.减速器 4.链条 5.仿形轮

按照温室作业车的行走方案，作业车负载静止启动时，作业车车轮摩擦主要有两部分，包括车轮与轨道之间的摩擦及车轮与轴套之间的摩擦。

静摩擦力阻力为

F=f·G

(4)

其中，f为静摩擦因数；G为负载机械质量(N)。

车轮与轨道之间的摩擦系数为0.15，采摘车自重为200kg，假设最大重为150kg，机器的全部质量为350kg。负载机械的最大静摩擦力为

F=f·G=514.5N

作业车在轨道上负重做直线运动，负载机械所需的功率计算式为

P=F·V/1000/η

(5)

式中 P—最大输入功率(kW)；

V—作业车的线速度(m/s)；

F—作业车的最大静摩擦力(N)；

η—机械的传动效率。

温室作业车采用链传动，属于齿形链传动，查机械设计手册得到机械效率为0.97。负载机械的线速度V=0.35m/s，所以机械的最大输出功率为

P=0.08kW

根据已计算出来的数据，可以出来初步选定电动机的功率为0.1kW。

温室作业车尺寸较为紧凑，所以要求各部分尺寸较小。当电动机容量(额定功率)一定时，转速越低，电机的尺寸越大，价格越高。所以，选择高速电机，添加减速机构，使输出转速达到要求。

3 液压系统设计

作业车升降平台采用液压站驱动。液压站体积小、质量轻；换向容易，可以在不改变电机转向的情况下实现换向；操作简单、自动化程度高，容易实现过载保护[22]，现广泛应用于我国的汽车、工程机械、机床及农业机械等各个行业。因此，采用液压站作为作业车举升系统的动力装置，液压缸作为执行元件，用于直接推动剪叉机构，实现载人作业平台的升降。

作业车升降机构的作业过程为：作业车工作平台上升时，液压站电动机带动油泵转动泵油，液压油通过单向阀进入液压缸，油缸推动工作平台上升；当液压平台下降时，油缸中的液压油在工作平台自重的作用下，经过节流阀、电磁阀流回油箱，使工作台平稳下落。工作人员在工作时，可以通过控制液压站使工作平台停止在行程内的任意高度。液压系统的液压缸被安装在下剪叉臂与剪叉臂安装架上，减少了液压缸的行程，缩短了液压缸的长度。另外，液压缸下移安装，在一定程度上降低了温室作业车的重心，使作业车在工作时更加安全平稳。

4 控制系统设计

控制部分主要是工作人员通过工作台上的控制台完成控制，包括举升系统和作业车行走系统的控制。控制台上包含一个总开关，控制作业车的总电源，工作平台的上升下降分别有相应的控制按钮，作业车的前进、后退由一个三位开关控制，分别是前进、后退和停止位置。为了方便控制，工作台上升、下降和作业车前进后退分别是3个独立的控制电路。其控制流程如图7所示。

图7 控制流程图

最后，试制出样机，如图8所示。

图8 温室作业车实物样机图

5 结果与试验分析

为了验证温室作业车样机的运行情况，在沈阳农业大学进行了负重轨道直线行驶及载人工作台升降测试。试验设备为秒表、米尺、作业车样机1台、笔记本电脑1台、振动测试仪1台，以及加速度传感器等。

5.1 轨道行驶速度的测试

作业车轨道直线行驶测试主要是为了验证作业车在轨道上行驶速度是否满足设计需求。测定试验参数如表3所示。

表3 作业车行驶参数

通过多次试验测定,作业车的轨道运行速度的平均速度约为0.14m/s，满足设计需求(0.15m/s)。

5.2 负重升降测试

作业车升降部分测试主要是通过测量作业平台在升降过程中的加速度与平均速度，判断作业车运行的稳定性。当作业车升降平均速度较小，温室作业车升降较为稳定。经过测定，试验数据如表4、表5所示。作业车空载时，上升的平均速度为0.12m/s，下降的平均速度为0.03m/s；作业车负重(75kg)时，上升的速度为0.11m/s；下降速度为0.05m/s。

表4 作业车空载升降测试参数

表5 作业车负载升降测试参数

为了测试作业车作业平台升降过程中是否晃动，对载人平台竖直方向和水平方向的稳定性进行测试，本试验使用VB2008振动测试仪与加速度传感器来测试机体的振动情况，进而评价其稳定性。试验所用的传感器安装位置如图9所示。其中，传感器1的精度为 499.2mV/g，传感器2的精度为500.8mV/g。作业平台在负重情况下的振动情况如图10、图11所示。

图9 传感器安装位置图

图10 作业平台竖直方向振动加速度曲线

图11 作业平台水平方向振动加速度曲线

由图10可以得出：作业车在垂直升降过程中，启动后1s内作业车振动加速度较大，向下最大振动加速度为1.4m/s2，向上最大振动加速度为1.3m/s2，振动周期大约为0.2s；作业车垂直振动的初始速度为0m/s，若加速度1.4m/s2，则最大振幅为1.8cm，实际最大振动幅度比1.8cm要小，振动幅度较小，说明作业车垂直运动振动较小，较为平稳。由作业平台水平方向振动加速度曲线图11可得：作业车水平振动的最大加速度为1.2m/s2，振动周期大约为0.2s，可得水平晃动的最大振幅为1.5cm；作业车实际水平振动幅度小于1.5cm，并且在试验时，人在作业平台上感觉不到水平方向有明显的晃动，说明作业车水平方向晃动较小，运行平稳，满足工作需求。

6 结论

本文中温室采摘作业车实现了在轨道上自由前进和后退行走，以及工作平台的升降等动作，可搭载操作人员顺利进行温室蔬菜绑蔓、空中摘果等作业，方便灵活，实现了预期设计的功能。主要包括：①利用蓄电池作为电源，使用液压系统作为工作平台的动力，机械结构作为作业车的主体，并将三者有效地结合起来，实现功能；②使用剪叉机构有效缩小作业车的体积，将液压缸装在下剪叉与机架之间，有效地降低了作业车的重心，使机体稳定；③行走机构采用仿形轮设计，并且轮子与传动轴之间采用联轴器连接，使作业车保证方向的前提下不会左右摆动或被轨道卡住；④本设计已经生产出样机，经过试验与调试，确定前进后退运行速度为0.15m/s,上升速度为0.11m/s，下降速度为0.05m/s；升降高度为1.1m；垂直振动幅度小于1.8cm，水平振动幅度小于1.5cm，说明作业车运行平稳，满足设计要求。该设计结构简单，操作方便，大大提高了温室作业效率。

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Design and Experiment on Greenhouse Multi-function Rail Vehicle

Tian Subo1a, Liu Guojun1a, Xing Dawei2, Sun Zhouping1b

(1.a.College of Engineering;b. Key Laboratory of Protected Horticulture/Ministry of Education, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China；2.Shenyang 245 Factory,Shenyang 110122,China)

The greenhouse area is increasing. The staff in greenhouse bear large labor intensity and bad working environment.To reduce the intensity of workers and to improve working environment, we design a kind of small rail vehicle inside a greenhouse, which can walk on the orbit in the greenhouse automatically.The paper is on the basis of developed vehicle prototype, easy test has been finished. The vehicle speed is about 0.15 m/s in the horizontal direction, the working platform of normal rising velocity of 0.11 m/s, normal drop speed 0.05 m/s, and the vibration of manned operation platform is small amplitude. The test results show that the vehicle running and lifting speed meet the design requirement, which achieve the expected design purpose.The research results make important contributions to improve the mechanization level of greenhouse.

greenhouse；rail vehicle；agricultural machinery；fork scissors mechanism

2015-12-22

辽宁省"十二五"科技攻关项目(2014215011)

田素博(1973-)，女，辽宁凌海人，副教授，博士，(E-mail)tiansubo@163.com。

孙周平(1967-)，男，陕西扶风人，教授，博士，(E-mail)suner116@126.com。

S625.3

A

1003-188X(2017)01-0116-06