特色林果業(yè)作業(yè)平臺設(shè)計與試驗(yàn)*

張魯云，孟祥金，段愛國，殷彩云，韓保保，劉向新

(1. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆石河子，832000； 2. 新疆第一師農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站，新疆阿拉爾，843300；3. 新疆第一師農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，新疆阿拉爾，843300； 4. 新疆第一師農(nóng)機(jī)監(jiān)理所，新疆阿拉爾，843300)

0 引言

果實(shí)采摘長期以來都嚴(yán)重影響林果業(yè)的發(fā)展，同時也是一個世界性的難題。歐美等西方發(fā)達(dá)國家從20年代初期就開始高空升降作業(yè)平臺的研發(fā)工作，到現(xiàn)在已形成完善的系列產(chǎn)品。美國和澳大利亞種植面積較大的國家，多以輪式大中型果園作業(yè)平臺機(jī)具為主，而日本、韓國等中小國家，則大多采用履帶式小型果園管理機(jī)械。我國果園作業(yè)平臺研發(fā)工作起步較晚、進(jìn)展緩慢，直到20世紀(jì)90年代中后期，升降平臺等各種果園管理機(jī)械才陸續(xù)推向市場。

林果產(chǎn)業(yè)不僅是新疆許多地州市農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入的主要來源，也是新疆兵團(tuán)發(fā)展的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。隨著退耕還林、向南發(fā)展等農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的一系列優(yōu)化調(diào)整[1]，特色林果業(yè)已經(jīng)成為新疆農(nóng)牧民發(fā)家致富的一條重要途徑，果園管理機(jī)械化的需求也隨之愈加迫切?？茖W(xué)的果園機(jī)械化作業(yè)可以提高資源利用率和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，降低勞動強(qiáng)度、提高經(jīng)濟(jì)效益，是特色林果業(yè)的發(fā)展趨勢。但目前新疆林果業(yè)的機(jī)械化程度較低，仍屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)。果枝修剪、果實(shí)套袋、噴藥授粉、采摘收獲等工作主要依靠搭梯登高[2]，或者人工攀爬等方式進(jìn)行，不但工作效率低下，而且危害到人身安全。針對上述問題，研制開發(fā)了適用于特色林果業(yè)的多功能自走式果園升降作業(yè)平臺，通過果園現(xiàn)場實(shí)地作業(yè)，對工作穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)彎、駐坡、升降和采摘等多項(xiàng)測試開展試驗(yàn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

多功能自走式果園升降作業(yè)平臺整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該機(jī)主要由載物料斗、頂棚、座椅、方向盤、發(fā)動機(jī)、操控臺、圍欄、作業(yè)平臺、液壓升降機(jī)構(gòu)、輪胎等部件組成，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

果園采摘平臺工作時，操作人員通過踏板和扶手登上升降作業(yè)平臺[3]，作業(yè)平臺可以容納2～4人同時工作，還可以承載300 kg負(fù)重，操作人員可以通過升降平臺上的操控臺對機(jī)具進(jìn)行行走、轉(zhuǎn)向、升降等作業(yè)。工作高度根據(jù)需要通過液壓升降裝置進(jìn)行調(diào)整，到達(dá)指定高度之后通過平臺底部油缸調(diào)整伸展距離，對作業(yè)平臺進(jìn)行左右伸展，后部的載物料斗可以對收獲果品裝載運(yùn)輸。作業(yè)平臺根據(jù)實(shí)際需求，還可加裝風(fēng)機(jī)、噴頭、液罐、空壓機(jī)、氣動剪等各種輔助機(jī)械裝備，以方便進(jìn)行剪枝、疏花、套袋、授粉、噴藥、采摘等各種工作，完全適用于現(xiàn)代果園的機(jī)械化管理作業(yè)。

(a) 結(jié)構(gòu)簡圖

(b) 實(shí)物圖圖1 多功能自走式果園作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of multifunctional self-propelledorchard operation platform1.輪胎 2.升降機(jī)構(gòu) 3.作業(yè)平臺 4.圍欄 5.操控臺 6.方向盤7.頂棚 8.座椅 9.載物料斗 10.發(fā)動機(jī)

表1 作業(yè)平臺技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Technical parameters of operation platform

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 液壓操控系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)通過開式泵為升降系統(tǒng)提供壓力，作業(yè)平臺的升降與開合分別由4根油缸進(jìn)行控制[4]，整機(jī)液壓系統(tǒng)如圖2所示。根據(jù)升降平臺在作業(yè)中的實(shí)際需求，傳動裝置帶動液壓泵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高壓油，液壓油通過控制三位四通電磁閥的不同位置驅(qū)動油缸，實(shí)現(xiàn)升降平臺的上升和下降，伸展和回收，通過單向節(jié)流閥可以控制升降平臺上升和下降的速度，安全閥則保障整個液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行。液壓油箱用來儲存液壓油，位于主儀表盤下方。高壓球閥操控手柄位于駕駛座椅右首，以控制作業(yè)平臺升降系統(tǒng)。

圖2 升降液壓系統(tǒng)原理圖Fig. 2 Schematic diagram of lifting hydraulic system1.安全閥 2.三位四通電磁閥 3.單向節(jié)流閥 4.油缸5.液壓泵 6.發(fā)動機(jī)

2.2 液壓油缸選型

作業(yè)平臺額定載荷300 kg，最大提升高度2 m，要求平臺實(shí)現(xiàn)緩慢勻速運(yùn)動，并且具有良好的位置控制功能和安全防護(hù)裝置。因?yàn)楣ぷ髌脚_只在起升階段承受負(fù)載，在降落階段可在負(fù)載和平臺重力作用下自動回落，因此采用單作用液壓缸。根據(jù)平臺載荷和尺寸大小，確定油缸行程130 mm，負(fù)荷F為13 000 N。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械常用壓力設(shè)計，預(yù)設(shè)液壓缸設(shè)計壓力p1=10 MPa，液壓缸機(jī)械效率η=0.9，可得液壓缸無桿腔的有效面積

(1)

液壓缸的無桿腔面積A1為有桿腔面積A2的兩倍，經(jīng)過液壓手冊查找得到液壓缸活塞桿直徑d為33.1 mm。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2348—1993，將計算D和d分別園整到近似標(biāo)準(zhǔn)直徑，取缸徑φD=40 mm、桿徑φd=30 mm，液壓缸工作壓力

=17.25 MPa

(2)

因此，系統(tǒng)的最高工作壓力取17.25 MPa。

2.3 液壓泵選型

因液壓系統(tǒng)最高工作壓力為17.25 MPa，油路壓力總損失為0.75 MPa，液壓泵最高壓力取工作壓力的1.05倍，因此液壓泵的額定壓力為17.33 MPa。液壓泵的最大輸出流量q根據(jù)液壓流量表顯示的最大流量進(jìn)行計算[5]，泄露系數(shù)K取1.3，則液壓系統(tǒng)最大流量

qmax=Kq=1.3×2.88=3.74 L/min

(3)

根據(jù)計算結(jié)果并查閱機(jī)械設(shè)計手冊，選用規(guī)格相近的CB-B2.5型液壓泵，其工作參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 液壓泵工作參數(shù)Tab. 2 Working parameters of hydraulic pump

2.4 升降平臺設(shè)計

果園升降作業(yè)平臺屬于剪叉式升降平臺，升降原理是由主發(fā)電機(jī)提供動力驅(qū)動液壓泵，液壓泵輸出高壓液壓油[6]，驅(qū)動設(shè)置在折疊架之間的液壓缸實(shí)現(xiàn)提升作業(yè)。升降平臺裝置的主要功能是調(diào)節(jié)工作高度，由滾輪、液壓油缸、輸油管及矩形方管等部件組成，如圖3所示。如果作業(yè)平臺升得過高，重心不穩(wěn)，機(jī)具容易傾倒，嚴(yán)重影響人身安全。現(xiàn)在果樹推行矮化密植模式[7]，通常作業(yè)高度在3.5 m左右，平臺設(shè)計距離地面最大上升高度為2 m，加上人體自身高度，完全可以滿足作業(yè)需求。操作人員按2人計算(滿員3人)，升降作業(yè)裝置工作技術(shù)參數(shù)如表3所示。液壓油缸推動左右兩側(cè)伸展翼板[8]，使平臺面積增大便于進(jìn)行高空作業(yè)。平臺由剪叉式液壓升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動，四周的防護(hù)欄則保證了工作人員的作業(yè)安全。

圖3 升降平臺Fig. 3 Lifting platform1.折疊升降裝置 2.作業(yè)平臺 3.右翼圍欄 4.操控臺5.左翼圍欄 6.升降油缸 7.底盤

表3 升降平臺作業(yè)參數(shù)Tab. 3 Operation parameters of lifting platform

2.5 發(fā)動機(jī)功率計算

柴油機(jī)功率Pi計算公式[9]

(4)

式中：Qmax——系統(tǒng)最大流量，為了滿足系統(tǒng)正常工作要求，取Qmax=62.33 L/min；

ηp——系統(tǒng)總效率，取0.85。

求得發(fā)動機(jī)功率Pi=21.08 kW。最后選定“久保田D722-E3B-KAE-2”型柴油機(jī)即可滿足全部要求。

3 機(jī)具性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

機(jī)具檢測試驗(yàn)參照機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)剪叉式升降平臺實(shí)驗(yàn)方法[10](JB/T9229.3—1999)。在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師阿拉爾13團(tuán)10連蘋果園，進(jìn)行升降平臺的行走、升降、采摘、修剪等試驗(yàn)[11]，測試機(jī)具各項(xiàng)指標(biāo)性能。試驗(yàn)場地地表平整，果園行間距3.5 m，果樹平均高度3 m。隨機(jī)選擇5段，每段距離長度200 m的平坦果園路段進(jìn)行測試。性能試驗(yàn)主要包括檢測機(jī)具的基本作業(yè)運(yùn)行情況[12]，工作的安全性，液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和油缸配置合理性。

3.2 車輛運(yùn)行測試

在第一師阿拉爾13團(tuán)農(nóng)機(jī)維修中心對樣機(jī)進(jìn)行平地性能測試。在硬質(zhì)地面上把高低速切換手柄調(diào)至高速位，調(diào)速范圍0～8 km/h，調(diào)速方式采用操控手柄無極調(diào)節(jié)，加速明顯，加速過程中發(fā)動機(jī)噪音僅少許增大，無息火、無黑煙噴出。

測試共分為4組，前進(jìn)方向左右兩組，后退方向左右兩組。車速采用低速狀態(tài)，轉(zhuǎn)彎時方向盤旋轉(zhuǎn)至最大角度，以外側(cè)輪胎作為標(biāo)記，在地面形成車輪轉(zhuǎn)彎半徑行駛軌跡，便于進(jìn)行實(shí)地測量。樣機(jī)在前進(jìn)和后退過程中，轉(zhuǎn)彎半徑差異不大，測試結(jié)果轉(zhuǎn)彎半徑全都小于4 m，完全達(dá)到設(shè)計要求標(biāo)準(zhǔn)。在坡度為12°的路面上以正常行駛速度4 km/h進(jìn)行前進(jìn)檔位上坡、下坡，倒退檔位上坡、下坡，中間坡路停駐性能測試[13]。測試結(jié)果機(jī)具上下坡正常行駛，坡面停留10 min無滑坡現(xiàn)象。

3.3 升降作業(yè)測試

在新疆兵團(tuán)第一師阿拉爾13團(tuán)10連蘋果園進(jìn)行行走、調(diào)頭轉(zhuǎn)向及采摘作業(yè)實(shí)地測試，作業(yè)時機(jī)具和果樹枝條沒有相互碰撞干涉現(xiàn)象，證明車體大小和空間尺寸設(shè)計科學(xué)合理，符合現(xiàn)代園藝實(shí)際要求。發(fā)動機(jī)功率適應(yīng)果園環(huán)境，行走時底盤與地面無磕碰現(xiàn)象，前方工作平臺升降高度滿足作業(yè)要求，后方料斗提升貨物穩(wěn)定正常。載物料斗和液壓平臺升降平穩(wěn)，到達(dá)極限位置時無沖擊力。工作平臺左右展開、收回順利，無卡滯現(xiàn)象，平臺承重達(dá)到480 kg時，仍能正常升降。2人站在工作平臺上加上負(fù)重，平穩(wěn)升降和行駛，平臺左右伸展和縮回順利，無異?？F(xiàn)象。在測試過程中經(jīng)目測觀察，沒有發(fā)現(xiàn)高空作業(yè)安全隱患。

3.4 采摘高度試驗(yàn)測試

隨機(jī)選取6棵蘋果樹進(jìn)行作業(yè)高度采摘性能試驗(yàn)。以工作范圍內(nèi)可以摘到的果實(shí)采凈率[14]，來表示升降平臺采摘的作業(yè)范圍，如式(5)所示。

(5)

式中：Pr——垂直作業(yè)平面內(nèi)的果實(shí)采凈率，%；

N′——垂直作業(yè)平面內(nèi)所能摘到的果實(shí)數(shù)量，顆；

N——垂直作業(yè)平面內(nèi)果實(shí)總數(shù)量，顆。

根據(jù)果樹的實(shí)際高度，選擇升降平臺距離地面的高度為1.5 m和2 m，分別進(jìn)行果實(shí)采摘作業(yè)，并重復(fù)一次。

3.5 采摘對比試驗(yàn)測試

依據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》中的測定方法，根據(jù)作業(yè)小時生產(chǎn)率的定義，以兩人配置完成果實(shí)采摘作業(yè)，果園采摘效率計算公式如式(6)所示。

(6)

式中：E——作業(yè)效率，kg/h；

Q——測試時間內(nèi)的作業(yè)量，kg；

T——測試時間，h。

由式可以得到，升降作業(yè)平臺相對于人工完成能提高的工作效率百分比，可以表示為

(7)

E1——升降平臺作業(yè)效率，kg/h；

E2——人工完成作業(yè)效率，kg/h。

此外，為了對比升降作業(yè)平臺與人工完成單株果樹采摘果實(shí)的工作效率，用比值η表示為

(8)

式中：η1——單株果樹采摘效率比值，%；

T′1——升降平臺作業(yè)效率，kg/h；

T′2——人工完成作業(yè)效率，kg/h。

在果樹的收獲季節(jié)，進(jìn)行實(shí)地采摘試驗(yàn)，根據(jù)式，對果園作業(yè)平臺與人工作業(yè)效率進(jìn)行對比試驗(yàn)。以測試此類機(jī)具在現(xiàn)代果園管理作業(yè)的適用性，最終確定機(jī)具工作效率是否達(dá)到最初的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。隨機(jī)選取6棵香梨樹進(jìn)行采摘性能對比試驗(yàn)，完成摘果、裝框作業(yè)，選擇相鄰的兩行果樹，同時進(jìn)行機(jī)具和純?nèi)斯ぷ鳂I(yè)，記錄作業(yè)時間和采摘量，計算兩種作業(yè)方式的工作效率。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 高度采摘試驗(yàn)

采摘高度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，所選果樹高度2.96～3.62 m，樹冠幅寬2.98～3.84 m，實(shí)際測量果實(shí)距離地面高度在0.65～2.8 m之間，主要集中于樹冠中間部位。

表4 高度采摘作業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab. 4 Height picking operation test data

依據(jù)所采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)式(5)計算所得，作業(yè)平臺距離地面1.5 m進(jìn)行作業(yè)時，果樹的采凈率為78.57%～100%，平均采凈率約為85.04%；距離地面2 m進(jìn)行作業(yè)時，果樹的采凈率為61.91%～86.36%，平均采凈率約為71.98%。由此可見，對于矮砧密植型果園，升降平臺距離地面1.5 m工作時，有較好的采摘效果。而對于普通果樹，可適當(dāng)增加平臺與對面的相對高度，以減小機(jī)具對枝葉的碰撞損傷。實(shí)際作業(yè)時，根據(jù)果樹高度和樹冠形狀，以距離地面1.5 m左右為升降平臺高度設(shè)計參考數(shù)據(jù)，提高工作效率。

4.2 采摘對比試驗(yàn)

采摘對比試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，同時測量機(jī)具的油料消耗情況。果實(shí)采摘采用電子秤稱重測量方法，燃油消耗則主要依靠油量表顯示具體數(shù)據(jù)確定。

表5 采摘作業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析Tab. 5 Comparative analysis of data for picking operation test

機(jī)具采摘作業(yè)對比試驗(yàn)測試中[15]，作業(yè)平臺行走、上下升降、兩側(cè)伸縮平穩(wěn)，載人平臺不收回整機(jī)移動時，車體重心穩(wěn)定。相對于人工完成，依據(jù)所采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)式(7)計算所得，兩次采摘試驗(yàn)升降平臺工作效率提高了52.04%和48.57%，實(shí)際提高了50.31%，采摘量平均為152.5 kg/h，比人工完成提高41 kg/h，燃油消耗量約為2 kg/h。從試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)可以看出，升降平臺作業(yè)比人工完成的效率有了較大幅度提高，所有指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求。

5 結(jié)論

根據(jù)新疆兵團(tuán)特色林果業(yè)機(jī)械化的發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計研發(fā)相應(yīng)的果園升降作業(yè)平臺，經(jīng)過現(xiàn)代矮砧密植果園實(shí)地測試試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

1) 升降平臺外形尺寸和功率大小完全適用于現(xiàn)代果園管理作業(yè)，在升降高度達(dá)到1.5 m時可以達(dá)到最佳功效。與人工作業(yè)相比較，效率可提高50%左右，而且通過優(yōu)化改進(jìn)有進(jìn)一步提高的空間。

2) 整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理，燃油消耗量低，轉(zhuǎn)彎半徑小，有利于轉(zhuǎn)向調(diào)頭，升降平臺操作簡便方便。液壓系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，升降、伸展油缸尺寸設(shè)計合理，工作節(jié)能高效。機(jī)具采用低速大扭矩發(fā)動機(jī)， 四輪驅(qū)動對果園地型適應(yīng)性較強(qiáng)，有效避免輪胎打滑問題，完全滿足現(xiàn)代果園的各種地形。

3) 實(shí)用性強(qiáng)，便于多人在工作平臺上同時機(jī)械化作業(yè)，可加裝多種輔助機(jī)械，滿足現(xiàn)代果園管理的多種作業(yè)需求。高空升降作業(yè)時，多種安全防護(hù)裝置，有效保障作業(yè)人員安全。