盧青 莊曉華

0 引言

我國(guó)果樹(shù)種植規(guī)模僅次于糧食和蔬菜，但果樹(shù)高位置修剪、果實(shí)套袋、果品采摘等作業(yè)主要依靠人工，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)舒適度差，危險(xiǎn)性高，且隨著人工成本上升，用工難的矛盾愈發(fā)凸顯[1,2]。農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)果園作業(yè)平臺(tái)研發(fā)較早，其產(chǎn)品技術(shù)較為成熟，但與我國(guó)果園種植農(nóng)藝不融合且價(jià)格昂貴[3]，不適合我國(guó)作業(yè)環(huán)境。我國(guó)對(duì)果園作業(yè)平臺(tái)的研究起步較晚，雖有相應(yīng)產(chǎn)品，但存在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一、操控性差、安全性低等問(wèn)題[4]，且大多平臺(tái)使用內(nèi)燃機(jī)作動(dòng)力，不符合我國(guó)綠色發(fā)展理念，無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)操作平臺(tái)輕便高效、操作簡(jiǎn)單、多用途、用得起的需求。為此，研制出一種綠色多功能果園作業(yè)平臺(tái)。該平臺(tái)以電動(dòng)機(jī)替代內(nèi)燃機(jī)，采用手柄控制、腳踏控制、遙控三種控制模式，可實(shí)現(xiàn)單人操作，搭載不同部件，能夠完成樹(shù)體修剪、水果采摘、打藥、水果搬運(yùn)等作業(yè)。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

綠色多功能果園作業(yè)平臺(tái)主要由履帶式底盤(pán)、動(dòng)力裝置、升降裝置、操控臺(tái)和貨箱等部分組成，整體設(shè)計(jì)如圖1所示。履帶式底盤(pán)主要包括箱體、電瓶、驅(qū)動(dòng)輪、張緊輪、托帶輪、支重輪、平衡輪等；動(dòng)力裝置主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)組成；升降裝置包括液壓?jiǎn)卧?、油管、液壓缸、剪刀叉等；貨箱主要包括底板、護(hù)欄、護(hù)欄延伸件等。工作時(shí)，操作人員將平臺(tái)駕駛至合適位置，通過(guò)調(diào)整平臺(tái)高度，完成果樹(shù)修剪、果實(shí)套袋、果品采摘等作業(yè)，并將采摘的水果放入貨箱隨平臺(tái)運(yùn)輸。通過(guò)加裝或更換不同配件可高效完成采摘、修剪、施藥、運(yùn)輸、稱(chēng)重、自卸等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)一車(chē)多用。平臺(tái)的行走、轉(zhuǎn)向、升降可由單人在操控臺(tái)上操作，也可通過(guò)遠(yuǎn)程遙控實(shí)現(xiàn)，整個(gè)作業(yè)過(guò)程高效、安全、可靠。

圖1 綠色多功能果園作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

平臺(tái)由電力驅(qū)動(dòng)。由電瓶提供電力，通過(guò)操控手柄輸出上升下降信號(hào)給電子液壓?jiǎn)卧儆呻娮右簤簡(jiǎn)卧峁毫o油缸，最終實(shí)現(xiàn)貨箱的上升、下降。

1.2.1 驅(qū)動(dòng)原理

為了提高平臺(tái)的通過(guò)性、穩(wěn)定性和操控性，平臺(tái)的行走采用履帶式底盤(pán)。底盤(pán)的控制部件主要由兩塊PG（執(zhí)行單元控制器）、兩個(gè)行走電機(jī)和兩個(gè)減速機(jī)組成。操控手柄給出的執(zhí)行信號(hào)傳遞給PG，PG接收到信號(hào)后通過(guò)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)電流大小、方向的改變，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再由減速機(jī)將電機(jī)輸出的高轉(zhuǎn)速小扭矩變成低轉(zhuǎn)速大扭矩的動(dòng)能來(lái)驅(qū)動(dòng)履帶正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)彎和行進(jìn)中轉(zhuǎn)彎功能。

1.2.2 升降原理

平臺(tái)采用剪叉式液壓升降結(jié)構(gòu)。工作時(shí)，液壓?jiǎn)卧碾姍C(jī)帶動(dòng)液壓齒輪泵泵油，液壓油通過(guò)液壓油管輸送到液壓缸內(nèi)，推動(dòng)液壓桿伸縮來(lái)改變剪刀叉的交叉角度，控制操作平臺(tái)達(dá)到理想高度。

1.2.3 控制原理

根據(jù)田間實(shí)際地貌和平臺(tái)載貨量，通過(guò)操控手柄進(jìn)給量將信號(hào)傳遞給PG，讓平臺(tái)在田間行走平穩(wěn)、安全。工作原理是通過(guò)調(diào)節(jié)8個(gè)電位器的不同阻值來(lái)給兩個(gè)PG相應(yīng)的模擬信號(hào)，控制電機(jī)等速正、倒轉(zhuǎn)以及差速正、倒轉(zhuǎn)。

2 主要部件的設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)與減速機(jī)的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于履帶在田間行走相對(duì)阻力較大，而行走電機(jī)給出的高轉(zhuǎn)速低扭矩?zé)o法滿(mǎn)足履帶行走的要求，因此需要采用電機(jī)與減速機(jī)的鏈接設(shè)計(jì)，從而讓行走電機(jī)的高轉(zhuǎn)速低扭矩通過(guò)減速機(jī)轉(zhuǎn)換成低轉(zhuǎn)速高扭矩的力，驅(qū)動(dòng)履帶在田間行走。

2.2 操控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

操控系統(tǒng)有兩種設(shè)計(jì)方案：一種是采用機(jī)械杠桿原理來(lái)控制；另外一種是通過(guò)液壓電磁換向閥來(lái)控制。本平臺(tái)采用的是第二種控制方式。主要原因是本平臺(tái)需要在不同高度操作，機(jī)械的硬性連接無(wú)法滿(mǎn)足平臺(tái)的不同高度操作要求，而液壓電磁換向閥可以滿(mǎn)足。

2.3 手控、腳控、遙控三種控制方式的設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足田間的各種工況需要，讓操作者能夠安全、輕松、高效工作，設(shè)計(jì)了手控、腳控、遙控三種控制方式。

1）腳控。在疏果、套袋、捆枝時(shí)，操作人員需要雙手配合，此時(shí)可以通過(guò)腳來(lái)控制平臺(tái)的升降。腳控可以提高工作效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

2）手控。操作人員從一棵果樹(shù)移動(dòng)到另一棵果樹(shù)時(shí)，通過(guò)手控可以按需要將平臺(tái)移至任意位置。相對(duì)遙控的點(diǎn)位設(shè)計(jì)更加靈活方便。

3）遙控。主要適用于兩種狀況：一是平臺(tái)過(guò)溝、過(guò)田埂或者裝滿(mǎn)東西時(shí)，人員在平臺(tái)上操作相對(duì)不安全，遙控操作有利于保障人員安全；二是操作人員疲勞時(shí)可以通過(guò)遙控來(lái)控制平臺(tái)的田間運(yùn)輸。

2.4 操作席多檔調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)不同環(huán)境工作需要（主要是設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚的高度不一），本平臺(tái)在貨箱與操作席的聯(lián)接件上采用了多孔位的設(shè)計(jì)方案，用戶(hù)可以根據(jù)種植大棚高度自行調(diào)節(jié)操作席高度。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)主要測(cè)試綠色多功能果園作業(yè)平臺(tái)的安全性和作業(yè)性能，試驗(yàn)場(chǎng)地為平整硬化地面。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 安全性試驗(yàn)

安全性試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的駐車(chē)制動(dòng)性、縱橫向穩(wěn)定性，共測(cè)試3個(gè)項(xiàng)目。一是將平臺(tái)停在30%的干硬縱向坡道上，使用駐車(chē)制動(dòng)裝置，觀察平臺(tái)沿上下坡方向是否能可靠停住；二是在平臺(tái)滿(mǎn)載且工作臺(tái)回落狀態(tài)下，觀察平臺(tái)前后（縱向）或左右（橫向）傾斜15°時(shí)是否穩(wěn)定；三是觀察平臺(tái)在額定負(fù)載（300kg）且工作臺(tái)升起狀態(tài)下，左右（橫向）傾斜8.5°時(shí)是否穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 安全性試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 性能試驗(yàn)

性能試驗(yàn)主要測(cè)試平臺(tái)的升降速度、最大沉降量和行走速度。測(cè)試平臺(tái)升降速度時(shí)，將工作臺(tái)下降到最低位置，分別在空載和額定負(fù)載狀態(tài)下啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，測(cè)試工作臺(tái)由最低位置升高到最高位置以及由最高位置下落到最低位置分別所需要的時(shí)間，并觀察升降平穩(wěn)性。在額定負(fù)載下測(cè)量平臺(tái)最大沉降量。測(cè)量時(shí)，將工作臺(tái)升到最高高度后切斷動(dòng)力，測(cè)量其升起高度，10min后檢查各部位變形情況，并測(cè)量其最低位置處的高度，計(jì)算沉降量。測(cè)量平臺(tái)行走速度時(shí)，高速擋和低速擋測(cè)試距離均為30m。測(cè)定在空載狀態(tài)和額定負(fù)載狀態(tài)下以最高行駛速度勻速通過(guò)測(cè)區(qū)的時(shí)間，計(jì)算行駛速度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 性能試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了一款電驅(qū)動(dòng)多功能果園作業(yè)平臺(tái)。該平臺(tái)采用交叉式花紋履帶設(shè)計(jì)，可適應(yīng)各種復(fù)雜地形，通過(guò)搭載不同配件，能高效完成采摘、修剪、運(yùn)輸、稱(chēng)重、自卸等作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)一車(chē)多用。

2）平臺(tái)采用剪叉式液壓升降結(jié)構(gòu)，在控制上采用手柄、腳踏、遙控三種模式，可實(shí)現(xiàn)單人控制，平臺(tái)操作更加高效。

3）經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，平臺(tái)安全性能滿(mǎn)足DG/T212-2019《果園作業(yè)平臺(tái)》要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。