果園作業(yè)機(jī)升降平臺(tái)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：我國(guó)是水果生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，但由于各種條件限制，目前果園作業(yè)機(jī)械化程度不高，不能滿足現(xiàn)代化需要。本文基于果園作業(yè)機(jī)升降平臺(tái)實(shí)際情況中穩(wěn)定性和安全性的問題進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有剪叉式果園作業(yè)機(jī)升降平臺(tái)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化調(diào)平單元，通過增加水平傳感器和壓力傳感器的方式設(shè)計(jì)出智能角度調(diào)平裝置，使升降平臺(tái)在復(fù)雜道路上保持水平，提高了果園作業(yè)機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。通過試驗(yàn)可知，果園作業(yè)機(jī)具有較好的可靠性和穩(wěn)定性，在一定程度上能夠降低人工承辦，增加作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：果園作業(yè)機(jī);升降平臺(tái);調(diào)平裝置

一、果園作業(yè)機(jī)現(xiàn)狀分析

我國(guó)是世界最大的水果消費(fèi)國(guó)，2021年水果需求量為29912萬噸，同比增長(zhǎng)3.3%。同時(shí)我國(guó)也是水果產(chǎn)量和種植面積第一的國(guó)家，在2021年水果產(chǎn)量為29611萬噸，同比增長(zhǎng)3.2%;果園種植面積約為12962千公頃，同比增長(zhǎng)2.5%。但是由于我國(guó)生產(chǎn)和研發(fā)的重點(diǎn)集中在小麥、水稻等糧食作物，對(duì)果園作業(yè)機(jī)的關(guān)注較少。同時(shí)由于我國(guó)果園種植區(qū)地理?xiàng)l件復(fù)雜、種植方法多樣、農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)脫節(jié)等原因，導(dǎo)致我國(guó)目前果園作業(yè)的機(jī)械化水平不高，機(jī)械化率不足30%。因此，我國(guó)果園作業(yè)機(jī)不能滿足現(xiàn)代果業(yè)的發(fā)展需要，具體表現(xiàn)為：1）果園布局的不合理導(dǎo)致果園作業(yè)機(jī)無法發(fā)揮作用;2）果園作業(yè)裝備質(zhì)量參差不齊導(dǎo)致作業(yè)機(jī)利用效率很低;3）果園作業(yè)機(jī)適用性較低使得果園缺乏合適的作業(yè)裝備。

近年來，隨著果業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外果園機(jī)械化作業(yè)、規(guī)?；N植程度得到大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。

（1）果園作業(yè)機(jī)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

相較于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)對(duì)果園作業(yè)平臺(tái)研究起步較晚，進(jìn)展也比較緩慢。70年代我國(guó)開始研究果園作業(yè)機(jī)，先后研制出了機(jī)械振動(dòng)式山楂采果機(jī)、氣囊式采果器和手持電動(dòng)采果器等。90年代后，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)下簡(jiǎn)易采摘器如動(dòng)剪枝機(jī)、輔助升降平臺(tái)等半自動(dòng)采摘工具相繼出現(xiàn)。

2000年我國(guó)的電動(dòng)升降平臺(tái)技術(shù)取得了重大突破，國(guó)產(chǎn)電動(dòng)升降平臺(tái)研制成功，該技術(shù)廣泛應(yīng)用在果園作業(yè)管理中，給果園作業(yè)帶來極大的便利。2007年，新疆機(jī)械研究所研制出了我國(guó)第1臺(tái)多功能履帶式果園升降作業(yè)平臺(tái)，該升降作業(yè)機(jī)性能好、爬坡能力強(qiáng)、操縱方便，可實(shí)現(xiàn)采摘、噴藥、剪枝和運(yùn)輸?shù)裙δ?，為我?guó)果園作業(yè)機(jī)的發(fā)展做出的巨大貢獻(xiàn)。2011年，山東華興機(jī)械股份有限公司成功研制出SQT-3000型多功能升降平臺(tái)，該平臺(tái)可以完成多種果園管理作業(yè)。2013年，王建超設(shè)計(jì)了懸掛式丘陵山地果園作業(yè)升降平臺(tái)。2014年，王小龍等人，對(duì)果園升降平臺(tái)的調(diào)平裝置進(jìn)行了改進(jìn)。2015年，劉大為等人設(shè)計(jì)出了小型果園升降作業(yè)平臺(tái)，并進(jìn)行了試驗(yàn)。2018年劉奎等人，對(duì)三輪自走式升降平臺(tái)作業(yè)的安全性進(jìn)行了分析。

（2）果園作業(yè)機(jī)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外果園作業(yè)機(jī)研究起步較早，20世紀(jì)初，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開始進(jìn)行高空升降作業(yè)車的相關(guān)研究，目前已經(jīng)形成較成熟的系列產(chǎn)品。美國(guó)在20世紀(jì)40年代，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)果樹生產(chǎn)機(jī)械化，并在60年代成功研制出了液壓升降平臺(tái)車，大大提升了果樹修剪效率和果樹收獲效率。70年代，除果品采收和部分細(xì)致修剪仍使用人工作業(yè)外，果園其他主要作業(yè)項(xiàng)目，都實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。

英國(guó)、日本和澳大利亞在果園作業(yè)機(jī)領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展。英國(guó)公司Genie研制出了GR12、GR15和GR20型等一系列產(chǎn)品;日本為了適應(yīng)本國(guó)丘陵地形多的特點(diǎn)，研制出了小型化果園作業(yè)平臺(tái)BP40型;澳大利亞CRENDON公司生產(chǎn)出了適合于大規(guī)模種植面積的SQUIRREL型升降平臺(tái)作業(yè)車，這種作業(yè)機(jī)適用于芒果和鱷梨采摘。

二、果園作業(yè)機(jī)升降平臺(tái)

（1）功能介紹

果園作業(yè)機(jī)主要包括建園、栽植、耕作、施肥、灌溉、修剪和采摘等作業(yè)裝備。其中果樹采摘分為振動(dòng)采摘、作業(yè)機(jī)升降平臺(tái)采摘和人工智能機(jī)器人采摘。

目前，果園作業(yè)機(jī)升降平臺(tái)是果實(shí)采摘和果樹修剪裝備中研發(fā)種類較多且應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械設(shè)備，主要包括：升降裝置、載人平臺(tái)、控制面板，以及行走和動(dòng)力裝置，其中升降裝置包括液壓?jiǎn)卧?、油管、液壓缸、剪刀叉等。果園作業(yè)機(jī)升降平臺(tái)除了具有采摘、修剪等基本作業(yè)功能，還可噴藥、除草、開溝和施肥等。

平臺(tái)升降主要分為內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)三種，用于實(shí)現(xiàn)果農(nóng)對(duì)不同高度果樹的作業(yè)管理。按升降機(jī)結(jié)構(gòu)的不同，果園作業(yè)機(jī)可分為：剪叉式、伸縮式、直臂式、折臂式和階梯式等。在果園作業(yè)升降平臺(tái)中，由于剪叉式升降機(jī)構(gòu)具有安全性能好、穩(wěn)定性高、承載能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，曲臂式升降機(jī)結(jié)構(gòu)具有緊湊、轉(zhuǎn)向靈活等優(yōu)點(diǎn)，這兩款升降機(jī)構(gòu)應(yīng)用最廣泛。

1）剪叉式升降機(jī)構(gòu)

剪叉式升降機(jī)構(gòu)的作業(yè)平臺(tái)可以增加平臺(tái)擴(kuò)展功能，使多人同時(shí)作業(yè)，提高工作效率。根據(jù)果園作業(yè)平臺(tái)舉升高度的不同，剪叉結(jié)構(gòu)可以設(shè)置為一級(jí)剪叉結(jié)構(gòu)或者多級(jí)剪叉結(jié)構(gòu)，但是隨著級(jí)數(shù)的增加作業(yè)平臺(tái)舉升的穩(wěn)定性會(huì)降低。

2）曲臂式升降機(jī)構(gòu)

曲臂式升降機(jī)構(gòu)，適用于單人作業(yè)，可用于狹窄的通道和擁擠的工作環(huán)境中，例如樹冠較大的果樹品種作業(yè)。曲臂式升降機(jī)構(gòu)多采用一體化的液壓電器集成系統(tǒng)，配備兩路以上液壓油缸。曲臂式機(jī)構(gòu)舉升高度一般>5 m，在穩(wěn)定性的控制方面要求較高。

（2）電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過上述升降機(jī)構(gòu)的介紹可知，升降作業(yè)機(jī)對(duì)升降平臺(tái)穩(wěn)定性的控制要求較高，這也是目前研發(fā)熱點(diǎn)。調(diào)平裝置工作的過程中會(huì)影響果園作業(yè)機(jī)的質(zhì)心位置，從而影響升降平臺(tái)的穩(wěn)定性，因此優(yōu)化調(diào)平裝置的穩(wěn)定性可有效增強(qiáng)果園作業(yè)升降平臺(tái)的可靠性。

為了改善升降機(jī)構(gòu)在果園作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)果園作業(yè)升降平臺(tái)的可靠性，本方案在現(xiàn)有剪叉式果園作業(yè)機(jī)升降平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)其升降裝置進(jìn)行了改進(jìn)，通過增加水平傳感器和壓力傳感器提出了一種智能角度調(diào)平裝置，使升降平臺(tái)在復(fù)雜的崎嶇道路上保持水平，從而提高果園作業(yè)機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。

升降裝置由平臺(tái)、滾輪、液壓?jiǎn)卧?、控制單元、調(diào)平單元及剪叉結(jié)構(gòu)等部分組成。液壓由葉片泵形成一定的壓力，經(jīng)過濾油器、電磁換向閥、節(jié)流閥、液控單向閥和平衡閥等使液缸活塞上下運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到提升重物的效果。其中調(diào)平單元主要包含調(diào)平機(jī)構(gòu)、執(zhí)行部件、控制部件以及相應(yīng)的傳感器，調(diào)平單元通過控制工作部件的角度，確保工作面處于相對(duì)水平狀態(tài)。

下圖是升降裝置的剪叉結(jié)構(gòu)，其中H和ΔH分別是剪叉的原始高度和升降高度，L和ΔL分別是液壓裝置單元的原始長(zhǎng)度和伸縮量長(zhǎng)度，θ和R是剪叉的初始夾角和臂長(zhǎng)。

根據(jù)原始高度H、升降高度ΔH來確定出液壓?jiǎn)卧炜s量ΔL，液壓?jiǎn)卧ㄟ^推動(dòng)液壓桿伸縮來改變剪刀叉的交叉角度，從而控制平臺(tái)達(dá)到理想高度。剪叉結(jié)構(gòu)的開合由兩個(gè)不同液壓?jiǎn)卧M(jìn)行分別控制，同時(shí)一個(gè)或多個(gè)水平傳感器和壓力傳感器將采集的壓力數(shù)據(jù)和水平角度相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給控制單元，控制單元進(jìn)行分析后對(duì)升降平臺(tái)的高度和角度進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以使果園作業(yè)機(jī)工作時(shí)更加安全、平穩(wěn)、可靠。

（3）可靠性分析

可靠性試驗(yàn)主要包括平地性能實(shí)驗(yàn)和爬坡性能實(shí)驗(yàn)。一是升降作業(yè)機(jī)在平地行駛觀察作業(yè)機(jī)平臺(tái)上升下降時(shí)是否穩(wěn)定，二是升降作業(yè)機(jī)通過35度角的斜坡，觀察升降作業(yè)機(jī)上坡和下坡時(shí)平臺(tái)是否穩(wěn)定，三是升降作業(yè)機(jī)轉(zhuǎn)彎、加速、升降平臺(tái)等基本功能測(cè)試。

試驗(yàn)結(jié)果：

① 平地行駛測(cè)試

在平地行駛過程中，行駛速度高速檔位和低速檔位切換過程中升降平臺(tái)無明顯晃動(dòng)，調(diào)整升降平臺(tái)的高度后，升降平臺(tái)無卡頓現(xiàn)象并且水平垂直方向上的無明顯晃動(dòng)。

② 爬坡測(cè)試

在坡度為35度角的斜坡進(jìn)行上坡、下坡和駐車測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果顯示果園作業(yè)機(jī)各方面性能均正常，無滑坡現(xiàn)象發(fā)生，整個(gè)過程中升降平臺(tái)會(huì)自動(dòng)調(diào)整角度，使平臺(tái)一直保持水平狀態(tài)。

③ 基本性能測(cè)試

果園作業(yè)機(jī)在不同的運(yùn)行模式下，其轉(zhuǎn)彎半徑差異不明顯半徑均小于4m。加速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)無熄火、黑煙現(xiàn)象發(fā)生。升降平臺(tái)空載或負(fù)載（1人-7人）時(shí)依然平穩(wěn)升降，不卡頓。

由試驗(yàn)可知，果園作業(yè)機(jī)在平地或有坡度的路面行駛時(shí)升降平臺(tái)均具有較好的可靠性和穩(wěn)定性，無卡頓、熄火、等現(xiàn)象發(fā)生。

三、結(jié)束語

綜上所述，一方面，雖然發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)果園作業(yè)平臺(tái)研發(fā)早、技術(shù)成熟度高，但價(jià)格昂貴且不適用于我國(guó)果園作業(yè)環(huán)境。另一方面，我國(guó)果園作業(yè)平臺(tái)的研究起步較晚，雖有相應(yīng)產(chǎn)品，但相對(duì)于國(guó)外先進(jìn)機(jī)械，還存在著噪聲大、人機(jī)結(jié)合性較差、功能單一和缺少電子監(jiān)控設(shè)備等問題，且穩(wěn)定性和安全性還有待進(jìn)一步提高，無法滿足用戶的操作需求。因此，改善果園作業(yè)機(jī)，優(yōu)化作業(yè)機(jī)升降平臺(tái)對(duì)提升我國(guó)果園作業(yè)工作效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省人工成本、提高生產(chǎn)效率有重要意義。而本方案通過優(yōu)化升降機(jī)構(gòu)的調(diào)平單元，設(shè)置水平傳感器和壓力傳感器，有效的對(duì)升降平臺(tái)的高度和角度進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，改善了果園作業(yè)機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。

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課題來源：2021年邢臺(tái)市市級(jí)科技計(jì)劃自籌經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目《環(huán)保型智能化山地果園作業(yè)機(jī)的研制》，課題編號(hào)：2021ZC198

作者簡(jiǎn)介：王倩，出生年月：1977-12-10，女，漢族，籍貫：陜西省臨潼區(qū)，所在單位：河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，職稱：副教授，學(xué)歷：大學(xué)本科，學(xué)位：工學(xué)碩士，研究方向：機(jī)械制造與自動(dòng)化