果園作業(yè)平臺(tái)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

劉麗星 劉洪杰 裴曉康

摘要? ? 針對(duì)我國(guó)果園地形特點(diǎn)以及在進(jìn)行果樹修剪、果實(shí)采摘與運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，分析了國(guó)內(nèi)外果園作業(yè)平臺(tái)的發(fā)展歷程，研究了國(guó)內(nèi)部分現(xiàn)有果園作業(yè)平臺(tái)的特點(diǎn)，最后總結(jié)出我國(guó)果園作業(yè)平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)為電動(dòng)、多工位、可調(diào)平、機(jī)電液一體化、融合導(dǎo)航技術(shù)和遙控技術(shù)、操作簡(jiǎn)便。

關(guān)鍵詞? ? 果園作業(yè)平臺(tái);現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)? ? S224.4? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

Abstract? ? In a view of the characteristics of orchard topography and the problems of high labor intensity in fruit tree pruning，fruit picking and transportation，the development process of orchard platform at home and abroad was analyzed，and the characteristics of some existing orchard operating platforms in China were analyzed.Finally，the development trend of the orchard operating platform in China was summarized as follows：electromechanics，multi-position，adjustability，hydraulic integration，fusion navigation technology，remote control technology and simple operation.

Key words? ? orchard operating platform;current situation;development trend

伴隨我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，林果業(yè)成為越來越多農(nóng)民的選擇[1]。我國(guó)的果園種植模式以家庭為單位分散種植為主，截至到2015年，我國(guó)蘋果種植面積達(dá)到232.8萬hm2，居世界第1位[2-4]。果園經(jīng)濟(jì)已成為我國(guó)農(nóng)村的重要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展對(duì)提高農(nóng)民收入非常重要。在對(duì)現(xiàn)代果園進(jìn)行修剪、疏花疏果、果實(shí)采摘等作業(yè)時(shí)，工作人員往往需要到距離地面一定高度的地方作業(yè)，勞動(dòng)難度大，安全性難以保障。同時(shí)，隨著城市化進(jìn)程的加快，果農(nóng)老齡化現(xiàn)象嚴(yán)重，勞動(dòng)力身體素質(zhì)下降。而蘋果的成熟期集中，收獲時(shí)間重要，在農(nóng)忙時(shí)期，勞動(dòng)力極為匱乏。矮砧、密植、寬行距成為現(xiàn)代果園的主要種植模式，較大的行株距有利于進(jìn)行機(jī)械化管理[5]?；诖耍麍@作業(yè)平臺(tái)得到了廣泛的研究討論。

1? ? 國(guó)內(nèi)外果園作業(yè)平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1? ? 國(guó)外果園作業(yè)平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)果園作業(yè)平臺(tái)的研究較早，美國(guó)和澳大利亞最先研究生產(chǎn)果園作業(yè)平臺(tái)[6]。20世紀(jì)50年代末，北美最先在果園內(nèi)應(yīng)用高空作業(yè)平臺(tái)輔助作業(yè)[7]，其機(jī)械設(shè)備類似于現(xiàn)在的車載式高空作業(yè)平臺(tái)（圖1）。20世紀(jì)60年代中期，美國(guó)研制出第1臺(tái)液壓式升降作業(yè)平臺(tái)，該平臺(tái)可與采摘工具相配合，大幅度提高了作業(yè)效率[8]。由于國(guó)外果園規(guī)劃合理，平整度和通過性較好，果園作業(yè)平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)一般采用輪式機(jī)構(gòu)，相較于履帶式行走機(jī)構(gòu)，輪式機(jī)構(gòu)具有行走速度快、操作簡(jiǎn)單、后期維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)[9]。升降機(jī)構(gòu)主要有剪叉式、折臂式、階梯式和伸縮臂式等類型。

除了美國(guó)和澳大利亞，日本對(duì)果園管理機(jī)械也有獨(dú)特的研究[10-12]。日本的丘陵和山地面積占國(guó)土總面積的70%以上，果園也多分布于丘陵山區(qū)，苗木行株距設(shè)置小。因此，其研發(fā)的作業(yè)平臺(tái)尺寸小且多用履帶式行走機(jī)構(gòu)。20世紀(jì)90年代，日本著手開發(fā)山地陡坡果園作業(yè)平臺(tái)，如四國(guó)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)開發(fā)的采用樞軸式擺動(dòng)懸掛機(jī)構(gòu)作為行走裝置的履帶底盤自走式采摘車。該車特點(diǎn)是輪距寬、重心低、爬坡能力強(qiáng)、行走穩(wěn)定性高，適用于15°～30°的坡地。筑水農(nóng)機(jī)公司開發(fā)的BP和BY系列的小型果園運(yùn)輸管理機(jī)械（圖2、3），均采用履帶式行走機(jī)構(gòu)。該行走機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是與地面接觸面積大、接地比壓小、爬坡性能和越溝性能較好[13-16]。

1.2? ? 國(guó)內(nèi)果園作業(yè)平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀

相較于歐美地區(qū)，我國(guó)對(duì)果園作業(yè)平臺(tái)的研究起步較晚，并且因?yàn)楣麍@種植模式分散、苗木分布復(fù)雜，最初發(fā)展也并不迅速[17]。適用于我國(guó)地形的果園作業(yè)平臺(tái)極為匱乏，機(jī)械化程度低，作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大。

自20世紀(jì)90年代起，市場(chǎng)帶動(dòng)需求，小種植戶對(duì)果樹種植的熱情高漲[18]。此后，輔助升降作業(yè)平臺(tái)也開始進(jìn)入市場(chǎng)。1992年，浙江金華農(nóng)機(jī)所開發(fā)出了專門用于采摘水果的升降機(jī)，其上升高度最大可達(dá)到7 m。2007年新疆機(jī)械研究所開發(fā)了國(guó)內(nèi)第1臺(tái)自走（手扶）履帶式多功能果園作業(yè)平臺(tái)（圖4），命名為L(zhǎng)G-1型多功能果園作業(yè)機(jī)[19]。該機(jī)特點(diǎn)是一機(jī)多用（采摘、修剪、噴藥、運(yùn)輸、動(dòng)力發(fā)電等）、1.5 m內(nèi)自由升降、配備的可拆卸式發(fā)電機(jī)可為平臺(tái)作業(yè)或照明提供用電、低地隙底盤保證其通過性好、可實(shí)現(xiàn)360°原地轉(zhuǎn)向。該機(jī)的成功研制標(biāo)志著我國(guó)果園機(jī)械進(jìn)入多功能作業(yè)時(shí)代。

此后，隨著我國(guó)果園向矮砧密植寬行距模式發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)多功能作業(yè)平臺(tái)的研究也越來越廣泛[20]。如北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站開發(fā)的小型多功能遙控動(dòng)力平臺(tái)，首次采用手動(dòng)與無線遙控相結(jié)合的模式，可通過遙控器在60 m范圍內(nèi)控制平臺(tái)轉(zhuǎn)向、前進(jìn)和停車。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)、森海機(jī)械公司等研發(fā)的可左右伸展的果園作業(yè)平臺(tái)，該平臺(tái)可加大作業(yè)人員采收范圍、提高作業(yè)效率[21]。

2? ? 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有機(jī)型分析

近年來，各高校和企業(yè)單位都對(duì)果園作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行了深入研究。2013年，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)王鵬飛[22]以現(xiàn)代蘋果產(chǎn)業(yè)體系果園機(jī)械崗位所研制的3GTD-2000為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)研究了該平臺(tái)進(jìn)行升降和行進(jìn)作業(yè)時(shí)的機(jī)電液一體化控制策略，即電動(dòng)控制、液壓傳動(dòng)、機(jī)械執(zhí)行。軟件方面，該平臺(tái)采用液壓傳動(dòng)、電液比例技術(shù)以及模糊PID控制方案為整體控制策略，并采用MSP430單片機(jī)為核心控制芯片。硬件方面，該平臺(tái)采用了適當(dāng)?shù)膫鞲衅鲗?duì)剪叉式升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高了作業(yè)安全性，并且采用合適的液壓元件搭建了升降模塊的液壓回路。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，可實(shí)時(shí)監(jiān)控保證平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，具有自適應(yīng)能力和故障診斷能力，可減少機(jī)器損耗、延長(zhǎng)機(jī)器使用壽命。

2016年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)張花哲[23]設(shè)計(jì)了電動(dòng)履帶式多功能果園舉升平臺(tái)（圖5）。該設(shè)計(jì)在確定采用履帶式行走機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)液壓系統(tǒng)主要零部件進(jìn)行選型，并對(duì)液壓缸推力及關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行確定計(jì)算，保證平臺(tái)工作時(shí)的穩(wěn)定性。該平臺(tái)體型小，適用于丘陵山地，可輔助完成果樹修剪、果實(shí)采摘、運(yùn)輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

2018年，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)王永振[24]研制出了果園多功能遙控作業(yè)平臺(tái)（圖6）。該平臺(tái)采用平行四連桿升降機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，升降過程平穩(wěn)，但升降高度有限，最大舉升高度為1.5 m。該平臺(tái)的特點(diǎn)是可通過遙控控制平臺(tái)在丘陵山地靈活作業(yè)，采用雙向調(diào)平模式保證平臺(tái)始終處于水平位置，可對(duì)整機(jī)部分進(jìn)行拆卸并完成噴藥、開溝施肥的功能。

2019年，江蘇大學(xué)江世界等[25]研制出了果園單人操控式小型升降管理機(jī)（圖7）。該設(shè)計(jì)根據(jù)苗木高度以及人體尺寸，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行小型化處理。該平臺(tái)長(zhǎng)1 200 mm、寬800 mm，質(zhì)量350 kg，僅為現(xiàn)有平臺(tái)質(zhì)量的1/6～1/2，可更好地滿足丘陵果園的現(xiàn)有需求。此外，該平臺(tái)僅由單人操控，解放了勞動(dòng)力，提高了工作效率。2019年10月，濰坊沃林機(jī)械設(shè)備有限公司研制的四輪自走式作業(yè)管理平臺(tái)（圖8）。該平臺(tái)的特點(diǎn)是可左右伸展增加作業(yè)范圍且在采摘完成后無需人工搬運(yùn)，提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。2019年，濰坊森海機(jī)械制造有限公司自主研發(fā)的4PZ-120型自走式果園采摘平臺(tái)（圖9）。該平臺(tái)特點(diǎn)是具有左、右 2個(gè)工位，且均可以向兩側(cè)展開，平臺(tái)總展開寬度可達(dá)2.6 m，處于2個(gè)工位的工作人員可同時(shí)作業(yè)，大幅提高了勞動(dòng)效率。

3? ? 果園作業(yè)平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1? ? 電動(dòng)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)，主要因其有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：一是電動(dòng)車依托電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不需要中冷系統(tǒng)散熱，因而不需要大面積進(jìn)氣格柵為冷卻液散熱。二是電動(dòng)車依托電機(jī)驅(qū)動(dòng)，底盤上不需要安裝排氣筒和油箱，節(jié)省出大面積的底盤空間。節(jié)省出的部分空間被電池組占據(jù)，其他空間可提高作業(yè)平臺(tái)的通過性。三是與柴油車相比，電動(dòng)車的高效區(qū)間更加寬泛，無需增設(shè)變速箱，有較好的操控性能。

3.2? ? 多工位

隨著電子信息技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，果園作業(yè)平臺(tái)能夠融合單片機(jī)或PLC等控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)2個(gè)甚至多個(gè)工位同時(shí)作業(yè)，不斷提高作業(yè)效率。

3.3? ? 可調(diào)平

根據(jù)我國(guó)果園的分布特點(diǎn)，對(duì)于可調(diào)平式果園作業(yè)平臺(tái)的需求越來越迫切。目前已經(jīng)生產(chǎn)出的可調(diào)平式作業(yè)平臺(tái)尚不能準(zhǔn)確無誤完成調(diào)平功能，主要原因可能有以下幾個(gè)方面：一是地面起伏不平，影響角度傳感器對(duì)信號(hào)的采集;二是升降速度過快導(dǎo)致工作臺(tái)出現(xiàn)慣性擺動(dòng);三是安裝的各種零部件之間存在摩擦，影響調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性。

3.4? ? 機(jī)電液一體化

伴隨液壓和電液比例技術(shù)的不斷完善發(fā)展[26-28]，果園作業(yè)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)無極變速，通過改變傳動(dòng)比，使平臺(tái)的傳動(dòng)系數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)工況達(dá)到最佳匹配，從而提高工作效率。

3.5? ? 融入導(dǎo)航與遙控技術(shù)

通過在果園作業(yè)平臺(tái)中加入導(dǎo)航技術(shù)，果園作業(yè)平臺(tái)可自動(dòng)感知外部環(huán)境進(jìn)而對(duì)行進(jìn)路線自動(dòng)導(dǎo)航。通過加入遙控技術(shù)，操作人員可遠(yuǎn)距離控制平臺(tái)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向和平臺(tái)升降等。

3.6? ? 操作簡(jiǎn)便

果園的操作者多為農(nóng)民，文化程度普遍偏低，這就要求平臺(tái)操作方法簡(jiǎn)單、可靠性高、便于維護(hù)修理。

4? ? 發(fā)展建議

針對(duì)我國(guó)果園平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀，提出以下建議。一是目前，我國(guó)果園種植模式多為以家庭為單位分散種植，果園作業(yè)平臺(tái)價(jià)格昂貴，小農(nóng)戶無法負(fù)擔(dān)，政府應(yīng)提供相應(yīng)補(bǔ)貼政策。二是我國(guó)尚未有統(tǒng)一的果園種植模式，給研發(fā)果園作業(yè)平臺(tái)帶來困難。因此，政府應(yīng)出臺(tái)統(tǒng)一的種植模式，即行株距設(shè)置規(guī)范化[29-30]。

5? ? 結(jié)語

針對(duì)我國(guó)果園管理作業(yè)勞動(dòng)量大、勞動(dòng)難度大等問題，優(yōu)化現(xiàn)有果園作業(yè)平臺(tái)和研發(fā)適合新種植模式的作業(yè)平臺(tái)十分有必要。通過增加工位、提高作業(yè)平臺(tái)行進(jìn)時(shí)的穩(wěn)定性可提高工作效率。通過加裝或更換不同的配套器具可使平臺(tái)完成不同的工作，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，從而提高果農(nóng)收入。

6? ? 參考文獻(xiàn)

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