雙液壓系統(tǒng)在水果輔助采摘機(jī)中的應(yīng)用

[摘要]針對(duì)人工采摘荔枝的種種不便、人工輔助采摘機(jī)不斷迭代仍舊出現(xiàn)的機(jī)械問題，特設(shè)計(jì)了全角度升降荔枝采摘機(jī)，為解決機(jī)械平衡問題將自主設(shè)計(jì)的上下雙液壓系統(tǒng)植入機(jī)械升降平臺(tái)中。此設(shè)計(jì)不但解決了垂直升降的局限性，也大大降低了傾斜升降的危險(xiǎn)性。

[關(guān)鍵詞]雙液壓系統(tǒng);水果輔助采摘機(jī);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：S-1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.201810

1 水果采摘機(jī)的發(fā)展

1.1 國內(nèi)發(fā)展簡介

20世紀(jì)70年代，我國開始研究水果采摘機(jī)械，有手持式也有制造大型機(jī)械的想法，各機(jī)械工廠或個(gè)人先后研制出依靠機(jī)械振動(dòng)的采摘山楂果實(shí)機(jī)械和手持采果器等機(jī)械輔助式采摘機(jī)。兩者事實(shí)上還是主要依靠人工作業(yè)用的輔助型機(jī)械，并沒有讓雙手解放出來，雖然較好地保護(hù)了果實(shí)在采摘時(shí)不受損，但其工作效率很低。20世紀(jì)80年代后，研究方向開始轉(zhuǎn)向切割型采摘器，20世紀(jì)90年代開始，日益強(qiáng)大的市場需求帶動(dòng)了果樹種植，果農(nóng)的迫切需求帶動(dòng)了簡易采摘機(jī)械的市場。隨后油動(dòng)剪枝機(jī)、輔助升降平臺(tái)等一大批輔助采摘機(jī)械爭相進(jìn)入市場，但接受住市場考驗(yàn)的并沒有多少，大部分都隨著機(jī)械更新而淘汰。

1.2 國外發(fā)展簡介

國內(nèi)外采摘機(jī)發(fā)展對(duì)比見表1。

西方國家從20世紀(jì)40年代初就開始對(duì)水果人工輔助采摘機(jī)械進(jìn)行研究，20世紀(jì)40年代中期美國研究出振動(dòng)搖擺式采摘機(jī)械，用來采摘胡桃和杏等水果，并取得了相應(yīng)的成效;20世紀(jì)50年代中期，用振搖果樹機(jī)械來收獲水果在歐美等國得到了普及;20世紀(jì)60年代后期，英國研究出了以液壓升降平臺(tái)車為基礎(chǔ)的配合型采摘工具，大幅度提高了采摘效率;20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了各種動(dòng)力切割式采摘機(jī)械，比較著名的氣動(dòng)剪廠商有瑞士的FELCO公司、意大利的CAMPAGNOLA公司、日本的ARS公司等[1]。

2 傳統(tǒng)水果采摘機(jī)的現(xiàn)有問題分析

2.1 地形的限制

就目前我國水果種植形勢(shì)看，南方大部分果園處于丘陵山區(qū)，地形相對(duì)復(fù)雜，傳統(tǒng)機(jī)械式水果采摘機(jī)對(duì)地形要求較高，山丘地區(qū)對(duì)機(jī)械機(jī)器的進(jìn)場產(chǎn)生很大限制和阻礙。

2.2 普遍低效能

現(xiàn)階段我國的水果采摘機(jī)普遍效能較低。果園采摘雖然從人工使用剪刀采摘發(fā)展到開始使用機(jī)械裝置進(jìn)行采摘，但目前市場上可選用的簡單實(shí)用型輔助采摘工具很少，主要還是以人工為主，采摘成本依舊較大。

2.3 穩(wěn)定性和安全性較低

現(xiàn)階段我國傳統(tǒng)水果采摘機(jī)穩(wěn)定性和安全性得不到保證，傳統(tǒng)水果采摘機(jī)對(duì)果實(shí)的損害非常大，進(jìn)而影響果實(shí)的品質(zhì)和口感，不能隨時(shí)把握好果實(shí)的季節(jié)性，適應(yīng)性較低，提高了采摘的成本和經(jīng)濟(jì)上的損失。采摘水果時(shí)機(jī)械本身對(duì)果農(nóng)有很大的負(fù)荷和危害，長時(shí)間的人工勞作使使用機(jī)械的人隨時(shí)處于危險(xiǎn)作業(yè)中。

3 機(jī)械工作原理

3.1 液壓升降工作原理

3.1.1 升降機(jī)上升

升降機(jī)原理見圖1，升降機(jī)工作原理見圖2，電磁閥動(dòng)作見表2。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，電磁閥通電時(shí)，進(jìn)油路為齒輪泵7→單向閥3左位→節(jié)流閥9→單向節(jié)流閥2→單作用液壓缸1，此時(shí)液壓缸推動(dòng)站人平臺(tái)上升，其上升速度可調(diào)。

3.1.2 升降機(jī)下降

當(dāng)電磁閥通電時(shí)，控制油路為齒輪泵7→單向閥3右位→單向節(jié)流閥2的控制油口，打開單向節(jié)流閥后，單作用液壓缸1的壓力油經(jīng)溢流閥4回油箱6，此時(shí)站人平臺(tái)快速下降[2]。

在液壓系統(tǒng)獲得能源時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)把輸出的機(jī)械能在液壓泵的作用下轉(zhuǎn)化為液壓能。液壓馬達(dá)和液壓缸又會(huì)把液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，以達(dá)到操作機(jī)械工作的目的。如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)工程機(jī)械的動(dòng)力、節(jié)能、和作業(yè)效率的控制，就需要通過調(diào)節(jié)液壓泵的排量和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及控制閥的開度來實(shí)現(xiàn)[3]。

3.2 液壓升降系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）平臺(tái)上升時(shí)，其速度可用調(diào)速閥調(diào)整，確保了上升的平穩(wěn)性、安全性。

（2）采用了液控單向閥的鎖緊回路。當(dāng)換向閥處于中位時(shí)，其H型中位機(jī)既能使泵在不停機(jī)的狀態(tài)下卸荷，減少功率浪費(fèi)，又能使液控單向閥的控制油口接油箱，這樣可以利用液壓鎖的良好密封性能阻止立式液壓缸及平臺(tái)不致因自重或泄漏而下滑[4]。

（3）在同等條件下，液壓裝置體積、質(zhì)量更小，輸出功率大。

（4）操作控制簡單，在液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中便可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

（5）液壓傳動(dòng)中，由于功率損失產(chǎn)生的熱量可以被液體帶走，避免了產(chǎn)生局部過度升溫[5]。

4 雙液壓系統(tǒng)在采摘機(jī)上的應(yīng)用

4.1 雙液壓平衡裝置裝配位置

（1）本設(shè)備以移動(dòng)平板車為基礎(chǔ)，加裝可伸縮液壓升降平臺(tái)，其上加裝可載人圍欄框，其下加裝回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。此外，在升降臺(tái)與欄框、底盤連接處分別加裝液壓系統(tǒng)（用以調(diào)節(jié)角度和平衡角度差），此兩處液壓供壓支撐要求同時(shí)、同量且作業(yè)方向相反，相互中和升降臂的傾斜角度，保證人所處的作業(yè)護(hù)欄始終是平行的。

（2）雙液壓平衡裝置可加裝在固定式、套缸式、車載式升降裝置上，兩個(gè)液壓模塊作用位置不同，一處在車載底盤或固定底盤與升降板塊的連接處，施力時(shí)使升降板塊與底盤分離，形成一定夾角讓升降臂沿著垂直方向向外傾斜;另外一處裝在升降臂上頂端與載人護(hù)欄連接處，施力時(shí)可使載人護(hù)欄與升降臂分離并形成一定夾角。當(dāng)接收到作業(yè)指令時(shí)，兩處液壓泵同時(shí)工作，但傾斜方向相反，其效果為升降板塊整體外傾，但載人模塊依舊與底盤平行。

4.2 雙液壓平衡裝置工作原理

通過對(duì)壓力表進(jìn)行轉(zhuǎn)換改造成角度計(jì)表，觀察角度計(jì)表讀數(shù)，對(duì)液壓系統(tǒng)發(fā)出指令。接收指令后由葉片泵把液壓油形成一定的壓力，經(jīng)過濾油器、電磁換向閥、節(jié)流閥、液控單向閥、平衡閥進(jìn)入液缸下端，致使液缸內(nèi)的活塞向上運(yùn)動(dòng)，使升降平臺(tái)受力提升，液缸的活塞向下運(yùn)動(dòng)。液壓油經(jīng)電磁換向閥進(jìn)入液缸上端，液缸下端回油經(jīng)上述上升回路回到油箱。為使升降平臺(tái)下降平行穩(wěn)定，停止啟動(dòng)安全緩慢，在回油路上設(shè)置平衡閥門，保持壓力，使下降速度不受升降平臺(tái)站人的多少而變化，由遙控控制節(jié)流閥調(diào)節(jié)流量，進(jìn)而控制升降速度。其中前文兩處液壓裝置裝有兩個(gè)電磁雙向閥（帶保持），雙向閥一個(gè)接進(jìn)下部油缸一個(gè)接出上部油缸，另一個(gè)反向。另外再加兩個(gè)繼電器（皆帶行程開關(guān)控），繼電器互鎖分別控制上述兩個(gè)雙向閥。所以能夠同時(shí)進(jìn)行上述過程，但作用效果方向相反，使載人平臺(tái)與底盤平行且處于平衡狀態(tài)。

4.3 雙液壓平衡裝置在采摘機(jī)上應(yīng)用的特點(diǎn)

（1）在很大程度上降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，采摘作業(yè)不受季節(jié)的限制，提高了實(shí)用性、高效性，對(duì)成本的可控性大大增強(qiáng)。

（2）雙液壓式荔枝水果采摘機(jī)械主要依靠油動(dòng)電機(jī)和液壓系統(tǒng)兩大系統(tǒng)配合工作完成對(duì)荔枝水果的采摘作業(yè)，能夠很好地應(yīng)對(duì)不同的氣候、季節(jié)、地貌、地形等及各種突發(fā)情況，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水果的快速采摘，其工作效率是人工的3～6倍，降低了水果的采摘成本。

4.4 采摘機(jī)輔助優(yōu)化模塊

（1）回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)利用電機(jī)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)使工作裝置實(shí)現(xiàn)全角度轉(zhuǎn)動(dòng)，可裝載在升降模塊與底盤連接處，以便配合傾斜時(shí)進(jìn)行多方位采摘。

（2）比例式遙控裝置。比例式遙控裝置利用遙控裝置操作桿撥出不同速度和不同幅度的動(dòng)作發(fā)射出無線信號(hào)，相應(yīng)的接收機(jī)收到信號(hào)后做出相應(yīng)動(dòng)作。相應(yīng)的在本裝置上接收機(jī)應(yīng)控四通道：升降液壓一處、傾斜平衡液壓兩處、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一處。這樣就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)采摘裝置不需要繁雜的人工操作，只需在載人平臺(tái)上裝上遙控平臺(tái)或簡易機(jī)械遙控器即可。

5 結(jié) 論

輔助人工水果采摘機(jī)屬戶外作業(yè)機(jī)械，無論是對(duì)于機(jī)械構(gòu)件的良性運(yùn)作還是作業(yè)人員的安全，機(jī)械始終于良好的平衡狀態(tài)至關(guān)重要，利用操作簡單便捷且原理單一的液壓系統(tǒng)來解決此類問題是較為實(shí)用和適用的，雙液壓平衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用降低了機(jī)械自身改造和采摘操作的難度，大大提高了效率。

參考文獻(xiàn)

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