果园水果采摘升降平台的设计

摘要

新疆是农业大省，又因为新疆昼夜温差大，水果的糖分积累多于其他省份种植的水果，

使得新疆的瓜果香甜可口，所以有水果之乡的美誉，而南疆又是新疆水果的主产地。在南疆

种植的有非常出名的库尔勒香梨和阿克苏苹果等。每年水果成熟的时候需要大量的劳动力争

取采摘的时间，劳动强度大，成本高，效率低。随着全球农业科技的发展，将液压升降平台

用于水果采摘中可大大提高劳动效率。水果采摘升降平台是一种新型的液压升降平台，旨在

提高水果采摘的速度，减少劳动强度。本文将介绍一种新型的自走式液压升降平台。主有以

下内容，从课题的提出，大量查阅相关文献资料，了解当前水果采摘的发展状况，比较了国

内外的发展趋势。然后提出了本文的设计方案，进行相关零件的设计计算及校核，绘制了二

维工程图，最后在SolidNorks中建立了其三维模型，为水果采摘升降平台的设计优化提供

了一种思路及方法。

关键词：水果采摘；升降平台；三维；SolidWorks；仿真

目录

1绪论............................................................................1

1.1概述......................................................................1

1.2.水果采摘研究现状........................................................1

1.3发展趋势.................................................................1

1.4设计内容.................................................................2

1.5设计意义.................................................................2

2方案分析.........................................................................3

2.1升降方案分析比较.........................................................3

2.2自走方案分析.............................................................3

2.3电动机的选择.............................................................3

2.4确定传动方案.............................................................3

2.5带轮及V带的参数........................................................4

2.6V带轮的设计.............................................................4

2.7CAD模型..................................................................5

2.8本章小结.................................................................5

3升降结构的设计..................................................................6

3.1总体方案设计............................................................6

3.2钱架的设计..............................................................6

3.3力和力矩的分析计算......................................................7

3.4钱架弯矩图分析...........................................................8

3.5钱架有限元分析..........................................................11

4液压系统的设计.................................................................12

4.1液压缸的受力分析........................................................12

4.2液压缸最大受力时数值及角度计算.........................................12

4.3液压泵及液压缸的设计及选型.............................................13

5相关标准件的选型...............................................................15

5.1轴承选择................................................................15

5.2联轴器的选择............................................................15

5.3键的选择................................................................16

6主要零件建模...................................................................17

6.1较架....................................................................17

6.2上板....................................................................17

6.3大带轮及小带轮..........................................................17

6.4底箱....................................................................18

6.5整装图建模..............................................................18

总结............................................................................19

致谢............................................................................20

参考文献.........................................................................21

工程概况

本文首先介绍了果园水果采摘升降平台的研究背景及现状，研究目的和研究意义。我国

水果采摘大部分是依靠人爬树或使用梯子采摘，移动较为困难并存在安全问题。每年水果成

熟的时候需要大量的劳动力争取采摘的时间，劳动强度大，成本高，大大降低了采收效率。

因为水果成熟期较短，采收效率低直接影响水果的品质及贮藏。随着全球农业科技的发展，

将液压升降平台用于水果采摘中可大大提高劳动效率。水果采摘升降平台是一种新型的液压

升降平台，旨在提高水果采摘的速度，减少劳动强度。工作原理为通过蓄电池提供电力。

通过减速电机提供电力，使用带传动带动平台后轮旋转，从而使整个平台向前移动。使用剪

式支撑支架，通过控制剪式支撑支架的升降而控制平台的升降。剪式支撑支架的升降是通过

液压缸的伸缩来完成的。使用电机带动液压泵为液压缸供油，从而控制液压缸的伸缩。

机械发展的必然趋势。针对水果采摘升降平台的应用场合和使用要求可以从以下几方面入手

实现节能减排：一是用电动机替换内燃机，使用清洁的能源，提高液压系统效率和防渗漏，

降低整体的噪声：二是整体所使用的材料尽量是可再生材料；三是应用人机工程学改善工作

条件，是升降平台操作简单，并且安全系数高。

机电一体化指将机械、电子、信息处理和控制以及软件有机地结合起来，以计算机为主

要特征的自动化技术。目前国内外工程机械最显著发展趋势是机械的机电一体化。针对了液

压升降平台在有坡度的地面工作时可以装备带倾斜仪的防侧翻装置。为及时对重要零部件进

行维修检查，可以配置传感器，通过监控分析传感器信号，进行故障预测，及时排除潜在故

障，保证机器正常使用。

此外，由于人们对于机器要求的不断增加，研发出能够更加实现平稳升降、节省人力、

占用空间小、安全可靠并能迅速做出反应的液压升降平台车也是必然的趋势。

1.4设计内容

结合果园的实际情况，参考现有的升降平台，设计一种果园水果采摘升降平台。对机构

中的自走式部分和液压升降部分进行设计计算，最终确定整体结构。通过对钱架的各项受力

分析，确定平台与较架的载荷要求，最终完成液压升降平台的设计要求。此外，各零部件采

用国家标准零部件，保证互换性。

1.5设计意义

果树种植产业是不仅是新疆农业中重要产业之一，乜是全国农业中重要产业之一.因为

果树近低不定等特点，为保护果树枝干不受较大损坏，且减少水果收获是的撞击损伤设计一

种水果采摘升降平台以解决水果采摘时所遇到的问题,水果采摘升降平台将改变传统的劳动

方式，改善农民的生活劳动状态。在收获时，由自动化,机械化采摘代替人工传统的劳作，

不仅能够大大提高采摘效率、降低劳动强度，还能解决农业的劳动力不足的问题，提高经济

效率。

2

2方案分析

2.1升降方案分析比较

经过查阅相关资料，对水果采摘升降平台的设计初步拟定方案。

如图2-1所示，该方案将液压缸一端通过轴固定在较架上，这样液压缸的一端能绕另一

端在某个小角度内旋转，能保证液压缸具有较好的压杆稳定性，而且液压缸作用在钱架的实

心截面处，使较架受力分配比较均匀山，另外，在此方案中，液压缸的作用点较低，所以液

压缸的形成只需变化很小，便可以使载物台实现较大幅度的升降，易于满足设计要求，因此

它能提高工作人员的工作效率。

2.2自走方案分析

由于本次设计的是一种水果采摘升降平台，工作环境在果园。工作环境及所需功率相较

之农田有很大区别，主要允分考水果采摘升降平台应该利于移动，重量不宜过大，我们用提

高传动装置的效率的方式，并且传动平稳，从而来减少能耗，降低运行费用。所以选择电动

机作为行走的动力源，通过带轮进行传动，以达到要求。在满足功能的前提下应尽量简化以

降低费用。

2.3电动机的选择

根据本次设计要求，平台总重为180kg，额定载荷为150kg。由此得平台行走所需功率为

0.5kw-0.6kwo选取直流电机型号为CV750-30-B,功率为（）.75kw,输入转速为1450r/min,

输出转速为50r/min。

2.4确定传动方案

本设计的传动方案采用的是带传动，是以电机驱动减速器，减速器与后轮轴以V带传递

动力。后轮所在的轴为动力输入轴，从而带动后轮旋转，使整个平台向前运动。之所以选用

带传动是因为带具有良好的挠性，可缓和冲击，吸收振动。过载时带轮与带轮之间会出现打

3

滑，避免了其他零件损坏，加之工作环境相对良好。由于本次设计选用的为减速电机，不必

再计算减速器，只需计算带传动的相关数据。

2.5带轮及V带的参数

减速器输出转速为5Cr/min,后轮直径为0.6m,要保证平台平稳动速度控制在

O7m/s-0.8m/s之间,则传动比为1=1:2。由机械设计⑴图87IV带选Z型带,表8-9初选

小带轮直径M为100mm。根据(2-1)式

cLiz=idd\(2-i)

得大带轮直径〃/2为2(乂)/所“

根据(2-2)式

0.7(ddi4-di2)<ao<2(dn+du2)(2，?)

初定V带轮的中心距40为420mm.

由(2-3)式计算V带得基准长度

rc71/J」\(dd2-ddl)2

Ltiop2aod—(dm+ddi)H-----------

24ao(2-3)

由表8-2得1330mm。

按(2-4)式计算实际中心距

Ld-Ld()

a«aoH---------

2(2-4)

得实际中心距a=430mnio

为保证传递功率，选取V带根数为Z=2进行传动。

2.6V带轮的设计

府于小带轮，由〃/<(2.5~3)4则小带轮选取为实心带轮；对于大带轮选用

孔板带轮，带轮的材料选择为HT200。

由Z型带，查表8-11可得

历z=8.5mm,儿=2.00mm,/?/=7.0inin,e=12mm,y=7mm,0=38”

由式di=(1.8~2)d，cl为轴的直径得〃“尸84mm，dU2=124mm

4

2.7CAD模型

34*

—I川0oa|A|

工

.。

图2-2大带轮CAD建模图2-3小带轮CAD建模

2.8本章小结

本章主要确定了水果采摘升降平台行走方案及相关数据的计算。平台的行走依靠减速直

流电机提供的驱动力，经带传动将动力传入后轮轴上，由此推动整个升降平台的行走。

5

3升降结构的设计

3.1总体方案设计

总体方案需要结合水果采摘环境，果园的行距一般为2.5m-3m,果树高度大部分在

2.8m-3.2m之间。这就需要使设计的平台能在满足工作高度要求的同时，能在果园中行动自

如。本次设计的果园水果兴摘升降平台整体高度为0.8m,宽度为0.8m,工作行程0.5m-0.8m,

满行程时工作台的整体高度要达到1.8m左右。

3.2钱架的设计

1）较架1受力分析图

钱架1受力分析如图3-1所示，

图3T较架1受分析图

图中：”i=〃sin£,〃2=(2/-〃)c()s9"2=(2/-〃)sing;

2）较架2受力分析图

较架2受力分析如图3-2所示,

图3-2较架2受力分析图

图中：x=/cos<9,y=/sin<9y=Atan6>以上图中所示力的方向皆为事先假设力的方

6

其中规定水平方向（X方向）上为正，向下为负；竖直方向（y方向）向右为正，向左为负。

3.3力和力矩的分析计算

1）钱架上端钱支受力

先忽略平台自重，则由图3-1与3-2得

因为卬+R=2/cos0

所以Fya=^XRGR_GRGw

w+R2x2/cos^4/cos。4/cos。

而Fxb=/XFyb=但—心

4x,4x

（令x=/cos。，且有卬+R=2式，力为轴承滚轮与平台导轨槽间的摩擦系数），则至此

能计算出Ra、Fya、F.xbFyb

2)整体受力分析计算

对平台、重物及两校架组成的整体进行受力分析：

=0=>—Fcosy9i+Fxc+Fxd=0(3-1)

Zy=()=/sin小+Fyc+Fyd---=0(3-2)

3)钱架1、2单独受力分析

对校架1单独进行受力平衡分析：

—X=0n—Fcos/7i+凡+Fxo+Fxh=0(3-3)

=0=/SinP1+Fye—Fyo—Fyb=0(3-4)

由(3-3)、(3-4)得

Fxd=Fxo+Fyb(3-5)

由(3-2)、(3-4)得

对钱架2单独进行受力平衡分析：

Z1=0=>Fxd+Fxa—Fxo=0(3-7)

=0=0)+F、d—Fya=0(3-8)

7

2）力矩平衡分析

若规定逆时针为正，顺时针为负，则对较架1的C点的转矩平衡得:

>Mc=On/cos尸ix〃i+bsinfiy'xch-Fyo^x-Fxbx2y-2x=0(a)

对校架2的d点的转矩平衡得:

=0=>-F.uix2y+Fyax2x+F.wxy-FyOxx=0(b)

对o点的转矩平衡得:

ZM,=()=一Fxaxy+Fyaxx+Fydxx+Fxdxy=0(c)

=-Fxaxtan0+Fyd+Fxdxtan0=0(d)

又因为Fxd=FydXfl

~/2为轴承滚轮与底座导轨槽间的摩擦系数。

因为钱架3、4与较架1、2的受力状况一样，不再做详细的计算。

校架主要用于支撑升降平台，是该液压升降平台的重要组成构件，因此其使用材料的性

能至关重要，选择型号为Q235的普通碳素钢，根据以上公式计算初选实心截面基本尺寸为

〃x〃=5()x20mm，长度约为1000〃?〃?。

3.4较架弯矩图分析

图3-3较架1受力分析

FN

图3-4较架轴力图

8

图3-5钱架纵向剪切力图

图3-6较架1纵向弯矩图

由上述图有:

M1Fei•n

01=-------=--------------(3-9)

WiIVi

MoFbi-1

cdo=---=-----(3-10)

M卬2

其中帽=火=从（〃血6）二〃825sin(31,+6)

661+3.87sin0

W2=—•(4一优)/@=年)

1226/?1

则钦架1所受最大拉应力为bmaxl=5-（8）1+苏）或%;ix2=热—苏

cFb\

其中b(h\-hi)

外钱架1所所受最大压应力为5max3=S+N

上式中的bmaxl、5max3产生于液压缸作用点截面处，Smax2产生于。点截面处。

Fo2

Fa2Fd2

d

Fala

FolFdl

图3-7较架2受力分析

9

FN

Fdl

X

Fai

由上述图有：

MiFain

02=----=---------(3-10)

W2卬2

其中w2=2•（川-肥）/生=b（h；h；）

1226hi

则钱架2所受最大拉应力为

p,.

t>maxi=（^2+<5/1；其中苏二---------

b（h\-hi）

校架2所受最大压应力为

Smax2=b2+ai；其中“=

b(h\-hi)

上式中5maxl产生于。点处上半部分界面，Snax2产生于。点处下半部分界面。

10

3.5钱架有限元分析

图3-11较架1受力点静应力分析图3-12较架I受力位移变形分析

eMlataS/12(»•)

图3-13较架2受力点静应力分析图3-14较架2受力位移变形分析

表3-1较架四点静应力分析

钱架受力四点静应力分析

5000000

4500000

4000000

3500000

3000000

2500000

2000000

1500000

1000000

500000

0

1234

XY1(vonMises(N/mA2))

11

4液压系统的设计

4.1液压缸的受力分析

1）液压缸受力公式的导出

..-H--UZIZIr'Fratan。-a。„(Fxatcin0Fxa)f2

由(c)、(d)两式得：Fvd=-----------------Fxd=fA2xFvd=-------------------

1+，2tan。1+fitan0

则可算出Fyd

由上(5)、(6)式分别可得

krJrL(FxotanO-F：：a)f2f\Gw

Fxo=Fxd-Fxb=-----------------------------------(e)

1+j2tan04/cos0

GFxatan0-FyaGw

2l+/2tan^4/cos0

将以上（e）、（f）式代人至（a）式得：

—x（Fxolan0+FYOlan8+2fyb）/cos0(Fxotan0+Fyo+2Fxbtan。+2F>/,)

r=----------------------------------

/八cos小+disinp\"cos向+disinB\

至此可算出力F,由于这些力是按对称钱架的一边来考虑的，所以F为较架与底座成。时液

压缸所承受的一半力的大小。

_「厂2/cos0（Fxotan0++2Fxbtan+2

则nl丁=2F=-------------------------:-----------------------

♦cos，i+disin伙

其中：T-液压缸受力大小

4.2液压缸最大受力时数值及角度计算

分析钱架与底座所成角度为。，当。为不同大小时，对应各校支点受力大小不同，从而

液压缸受力大小应不同。现根据以上所列式子将部分关健数据输入如下表4-1,

12

表4-1关键数据

012°18°24°30°36°42°48°54°60°

Fxo-24.5-24.4-24.4-24.4-24.3-24.3-24.2-24.2-24.1

Fyo2447.72375.22268.92122.01923.61657.11295.8794.4212.3

Fxb12.212.6,3.113.814.816.117.920.423.2

Fyb1223.61258.4,310.11382.01479.41610.51788.72036.22322.8

h\64.887.6106.8122.9136.3147.1155.3161.0163.8

d\305.0270.0239.8212.9187.6163.3139.8116.998.4

伏28.3529.4029.9530.0729.8429.3228.5527.5726.62

I435435435435435435435435435

T20635193941831017284162531517013997127051,517

由上表得，当升降台处于最低位置时，即0=12°时，液压缸受力最大，此时有T=20635N,

考虑到工作平台，工作平台导轨槽，较架等重量，经查阅相关资料⑶，可取一系数K=L3,

则液压缸所受最大压力为

Tm"KsT=20365X1.3=26825.5工26826N

4.3液压泵及液压缸的设计及选型

该液压升降平台的工作循环过程是：当工作平台处亍最低位置时，通过电机驱动液压马

达，使平台升起。在到达液压缸最大行程时，平台停止上升，液压系统进入保压阶段；在升

降过程中，升降台的倾角不断变化；打开换向阀，液压升降台开始下降，下降到最低点时停

止运动，至此水果采摘升绛平台完成整个工作循环过程。在最低位置时液压缸的推力最大，

随着平台的上升，液压缸的推力逐渐减小。

根据设计的具体要求，液压升降平台的升降系统的动力源为电机所带动的液压泵，执行

元件为单作用液压缸，其中液压泵带有卸荷阀并与油箱相连接，内部有一部分液压回路。原

理如下：

1）当要使平台上升时，电磁换向阀7左位接通，液压泵3将油箱1中的油压入液压缸

6中，从而将液压缸活塞顶出，平台上升。

2）当要使工作平台下降时，电磁换向阀7右位接通，液压缸6中的液压油在外教荷的

作用下被压出，经有换向阀和节流阀流回油箱，节流阀8则控制液压油的流速，从而使整个

平台能平稳的上升和下降3

综上所述，只需用油管将液压泵出口连接至液压缸的进油口即可组成一完整的液压回

路，如图4T所示，

13

vIxTTHn7

“8

图4-1液压系统原理图

1.油箱，2.单向阀，3.液压泵，4.单向阀5溢流阀,

6.液压缸，7.电磁换向阀，8.节流阀9.电机

其中1、2、3、4、5都集中在液压泵中。

由以上计算得出:液压升降平台处于最低高度,即0=12°时,液压缸受力最大，此

时液压缸所受力是Tma、=26826N。选择缸的直径为。50〃〃〃的液压缸，其所能提供的最大推

力为7i=31420N。输出的压力位为P=700依产储油量为1升，重量为12Kg,此外液

压泵配有高压油管和接头。

由于液压缸所承受的最大压力位26826N,所以液压泵至少要提供26826N的力，根据

以上要求选择液压泵型号为KCB-200不锈钢齿轮泵。

由上得液压缸需满足行程为180〃〃儿而液压缸的直径为050〃"〃，则当升降台达到最大

高度时，液压缸内储油量为口=180x1CPx.x(5()x10一2)2=0.353L

此外，此时液压油管中也偌有一定量的液压油，而液压油管长度估计为0.8m,内径为20/〃"?,

则油管储油量为丫2=0.8x?x(20x10-2)2=025"

为保证平台的安全性，使用两个液压缸，则液压缸储油量至少应为

V=Vlx2+V2=().353x2+0.251=0.957L,少于液压缸储油量1L,故液压缸储油量足

够，满足设计要求。

14

5相关标准件的选型

5.1轴承选择

轴承选用深沟球轴承，用在后轮驱动轴上，能同时承受较大的径向载荷，游隙可调，装

拆方便，适用于刚性较大的轴，左右各一个，对称安装。

表5-1轴承基本参数

代号dDTBCor/KN

6007356219.751416.2

滚动轴承的基本额定寿命L(106r)与基本额定动载荷c(N)、当量动载荷P(N)间的关系为：

Lio=(—)£(5-1)

对于深沟球轴承，£=3。

轴上重量的估算：圆盘材料为灰铸铁HT250,质量密度为p=6.8~7.3g/cm3,取p=7g/cm3。

带轮材料为灰铸铁HT200,质量密度同上。

所以在满载的情况下轴承承受的总重量为220Kg,轴承所受径向力2.2KN,不受轴向力。

查表得：X=l,Y=0

当量动载荷为P=1X2200=2200N

用小时数表示轴承寿命为：

io6C

£/,=—(-//?(5-2)

60〃p

n表示轴承工作转速，查表得n=50r/min.

]061zio

Lh=------X(^)3=133093h

60x502.2

农业机械轴承的预期寿命为：Lh=3000—8000ho

所以所选轴承可以长期使用。

5.2联轴器的选择

联轴器是机械传动中常用的部件。它主要用来联接轴与轴，以传递运动与转矩；有时也

可用作安全装置。联轴器用来把两轴联接在一起，机器运转时两轴不能分离：只有在机器停

车并将联轴器传动系统的新续，以便运行变速及换向等。联轴器所联接的两轴，由于制造及

安装误差，承载后的变形以及温度变化的影响等，往往不能保证的对中，而是存在着某种程

度的相对位移。这就要求设计联轴器时，要从结构上采取各种不同的措施，使之具有适应

一定范围的相对位移的性能。

15

整个设计中只有一处需要用到联轴器，即电机外伸轴与液压泵外伸轴，选用的联轴器为

弹性柱销联轴器。弹性柱销联轴器是利用若干个非金属材料制成的柱销置于两个班联轴器凸

缘的孔中，以实现连接。柱销通常用尼龙制成，而尼龙具有一定的弹性。依靠弹性柱销的变

形，允许有微量的径向位移和角位移。电机外伸轴径为24〃〃〃，液压泵外伸轴径为20"〃〃，

所以选用的联轴器型号为LT4,所用联轴器材料为HT200。

5.3键的选择

本次设计的键是联轴器在电机外伸轴与液压泵外伸轴周向定位所使用的键。键、粕和联

轴器的材料都是钢，由《机械设计课程设计手册》P-54表4-2查得许用挤压应力

[op]=100-120MPa,取其平均值，[Op]=il0MPa。

键的工作长度l=L-b=53mma

键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h=4mma

由《机械设计基础》P-158式(10-26)可得

47

否=---=64.6MP。(5-3)

dhl

由许用应力同=1(X)M4~\20MPa,故可见键合适安全。

16

6主要零件建模

6.1较架

钱架是本次设计最主要零件之一，该水果采摘平台的升降及整机的安全性主要依靠皎架

的刚度，较架设计时应能承受理论设计的载荷。本章只展示与液压缸相连的较架模型，如图

6T所示:

图6-1校架1

6.2上板

上板是作为采摘人员的操作平台，上板表面必须有防滑措施，以保证采摘人员的安全。

本次设计的上板加了防滑纹，并且应有与较架滚轮相配合的滚轮槽。上板模型如图6-2所示:

图6-2上板

6.3大带轮及小带轮

本次设计的水果采摘升降平台是以电机驱动可由操作人员控制行走的液压升降平台。

传动方案是以带传动，大带轮及小带轮模型如图6-3所示:

图6-3大带轮及小带轮

17

6.4底箱

底箱是整个平台的支撑，并且内部会放置整个液压系统及蓄电池。底箱的模型如图8-4

所示：

图6-4底箱

6.5整装图建模

将各零件模型按一定配合关系组合在一起，生成整体的三维图模型，本次设计的重点是

机械部分，所以电路部分不在模型中。整体装配图如图