近年来,果园产业逐渐成为了果农收益的主要来源,随着果树种植面积的不断扩大,果园作业机械化也得到了快速的发展。丘陵果园受限于地形条件,机械化作业程度相对较低,尤其采摘、修剪、套袋等作业环节仍然采用人工爬梯、踩凳子等登高方式,不仅作业效率低、劳动强度大,而且在起伏不平的坡地作业,还有较大的安全隐患。果园升降作业平台是一种辅助果农完成果园作业的半自动化装备,虽然目前出现一些结构简单的升降平台,但在作业范围、地形适应性和作业稳定性等方面仍存在不足,大多用于平原等地势平坦的地区作业,而适用于丘陵果园复杂地形和果树种植环境的机型较少。因此,设计一种能够在丘陵地形作业的果园升降机械具有一定实际意义。为此,本文开展了丘陵果园升降作业平台的研制和性能研究。主要内容如下:(1)研究标准化丘陵果园种植模式并实地测量果树园艺几何参数,结合现有机型存在的问题,提出相应的设计目标。对比不同结构形式的升降平台,选定折臂机构为升降形式,根据果树几何特征参数及果树作业空间大小,基于坡地作业稳定性,设计最大升降高度为1.2m,最大回转作业半径为1.4m。对升降装置主要部件进行了设计,包括升降臂杆、支撑底座、载人工作台、调平机构、液压元件等。根据升降臂与作业参数设计值的关系,确定了升降下臂长度为590 mm,升降上臂长度为900mm,并确定了升降油缸的安装位置和主要尺寸参数;设计了一侧开门的载人工作台,其前端通过调平装置与升降臂连接,调平装置采用油缸伸缩和回转驱动旋转的方式分别实现载人工作台前后、左右单独调平,以降低调平作业对整机稳定性的影响,并根据25°的调平范围要求设计了结构参数,使得升降平台具有丘陵不平地形作业的能力;通过静力分析,对升降臂进行了抗弯强度校核以保证有足够的承载能力,并确定了连杆结构参数;对液压元件进行设计与选型,回转驱动采用蜗轮蜗杆结构形式,综合液压回路并根据升降装置各部件位置完成了油路连接;设计操控装置有升降、回转和调平作业共10个按钮,并安装于载人台前侧护栏。(2)基于通用履带底盘参数,分析了升降装置安装位置参数之间的取值关系;研究了升降平台重心位置与整机越障能力、行驶能力以及坡地作业稳定性之间的关系,并根据设计目标,通过理论分析和Recurdyn动力学仿真,确定了升降装置的安装位置设计参数和重心位置设计参数,升降装置安装在距离底盘纵向中心线偏左90 mm、距离底盘台面后缘670 mm的位置,此时升降平台自身重心位置相对履带底盘中心偏后59.3 mm、偏右37.7 mm,距离地面高度为645.7 mm。对升降平台的坡地作业稳定性进行了验证,仿真得到整机纵向向上停驻、横向向右停驻,载人台满载在最大升降高度和最大伸出水平作业半径时的倾翻角分别为24°和23.6°、23°和22.4°,说明所设计的升降平台在20°以内坡地能保证极限位置时的作业稳定性,基于坡地作业稳定性的升降装置作业参数设计和结构设计等过程合理,也验证了所确定的升降装置在通用履带底盘上的安装位置参数合理。开展了载人台调平作业对整机重心位置及坡地作业稳定性的影响,分析了三种调平作业时,调平前后整机重心位置的变化量和倾翻角大小;结果表明,调平前后整机的重心变化量很小,载人台沿坡面向下范围和向上范围时,倾翻角差值分别在0°～2°之间和0°～1°之间,说明了所设计的载人台调平装置在调平过程中对整机重心位置和坡地作业稳定性影响较小,相比现有的果园升降平台,调平性能更好,达到了设计要求。研究了载人台在升降过程中的运动轨迹,并得到升降、回转作业的轨迹方程组,计算出竖直平面内的纵向作业范围为1.9m2,结合水平面内的横向作业范围设计值3.6 m2,相比于其他机型,该折臂式果园升降作业平台在作业范围上有明显的优势。(3)加工并组装丘陵果园升降作业平台,开展了样机性能研究,并对主要设计目标进行了验证分析。结果表明,平地时,载人工作台最大升降高度为1.22 m,最大离地高度为2.12 m,起升高度大于0.62 m时,可进行360°回转作业,此时升降下臂起升0.44 m,升降上臂起升0.18 m,360°回转最大作业半径为1.42 m,最大作业范围为3.7m2,调平装置可完成25°的前后、左右单独调平作业,且误差≤0.4°,升降、回转和调平作业参数均满足设计要求,各作业动作稳定、慢速,且满载回转时整机有良好的稳定性;整机在不同路面条件下具有良好的平地和坡地行驶性能,空载和满载时直线行驶35 m的跑偏量分别为1.1 m和0.97 m,均小于果园作业限定值1.2 m。此外,研究了升降平台在坡地作业时的倾翻稳定性,基于作业参数建立了倾翻临界角的数学模型,该模型对不同升降形式的履带果园升降平台具有通用性,可为此类升降机械倾翻稳定性研究提供理论参考,并通过重心轨迹分析对前文坡地作业稳定性研究结果和倾翻角数学模型进行了验证;根据折臂升降机构的作业特点,分析得到稳定性的主要影响因素为坡地停驻位置参数β1、载人台回转位置参数β2、升降高度h和负载大小m;对各作业参数取值进行倾翻试验,并通过仿真得到不同工作状态时的最小倾翻临界角约为21°,相比其他机具,有更好的丘陵坡地倾翻稳定性;通过建立响应曲面分析了各因素之间对稳定性的交互作用,研究了坡角与最大回转半径之间的关系,20°以内的丘陵坡地条件下,该升降平台能在任意坡地完成最大半径360°回转作业,能够以3.7 m2的最大作业范围对果树进行作业,达到了设计目标,该分析同时可为同类果园机械的设计及坡地作业性能研究提供参考。(4)对样机试验中出现的问题进行了改进和优化。分析了升降臂存在的结构刚度不足的问题,并确定升降臂在作业中所允许的最大位移量,进行8种典型工况下的升降臂ANSYS静力学有限元分析,将存在的问题进行量化表现,通过理论计算确定初步的改进方案,最后再次通过有限元分析验证了改后升降臂强度和刚度均满足要求,改进方案可行;设计了整机前后安装的蛙式支腿,以提高坡地条件差时的驻机作业稳定性;对液压系统回路及部分部件进行了改进,保证各液压元件均能在坡地条件下正常作业,且互不干扰。通过对部件改进,不仅提高了整机性能,而且为丘陵果园实际操作的顺利开展创造了条件。(5)开展了升降平台丘陵果园田间试验。其中,改进后的升降臂杆在不同地形、各个工况下的作业动作均有良好的作业稳定性,达到了预期的改进效果;升降平台能在丘陵起伏不平的路面条件下正常行驶,且能跨越宽度为511 mm的平地沟道和高度128mm的台阶,越障性能满足丘陵果园最宽为500mm的平地沟道和最高为100mm的垂直障碍的作业条件;果树标准化修剪后,整机能顺利在行间行走及转向;通过升降平台驻机后静态作业和动态作业试验,表明了手刹装置具有良好的驻车效果,也验证了整机在湿滑、泥泞、松垮等坡地条件作业时,辅助支腿对提高驻机作业稳定性、倾翻稳定性的必要性。提出了丘陵果园作业效率指标,并针对果树不同生长期和不同作业环节,开展了采摘和修剪作业范围、作业效率试验,整机距离果树1.5m停驻时,采摘作业的采净率可达79.1%,而对于果树竖直平面内的中间冠层,有较好的修剪能力;升降平台模拟辅助修剪作业及两次采摘作业的效率相比纯人工作业分别提高了42%、45%和47.2%,实际采摘收获作业中,机具可提高作业效率为45.8%,达到了设计目标。该折臂式升降平台辅助采摘的作业效率为148.5 kg/h,油耗约为2kg/h。通过田间试验,改进后的升降平台具有良好的丘陵果园作业效果,能在标准化果园中顺利行驶通过,坡地驻机时另有辅助支腿以提高作业稳定性和安全性,相比于现有的机型,该升降平台具有大的作业范围和更好的丘陵坡地作业稳定性,能适应丘陵果园复杂的地面条件,通过模拟试验及实际作业,该折臂式果园升降平台能有效辅助果农完成采摘、修剪作业,能一定程度提高果园作业效率,具有一定的实际应用价值。