綠色多功能果園作業(yè)平臺的設計與試驗

盧青 莊曉華

0 引言

我國果樹種植規(guī)模僅次于糧食和蔬菜，但果樹高位置修剪、果實套袋、果品采摘等作業(yè)主要依靠人工，生產(chǎn)效率低，勞動強度大，作業(yè)舒適度差，危險性高，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)達國家對果園作業(yè)平臺研發(fā)較早，其產(chǎn)品技術較為成熟，但與我國果園種植農(nóng)藝不融合且價格昂貴[3]，不適合我國作業(yè)環(huán)境。我國對果園作業(yè)平臺的研究起步較晚，雖有相應產(chǎn)品，但存在結構簡單、功能單一、操控性差、安全性低等問題[4]，且大多平臺使用內(nèi)燃機作動力，不符合我國綠色發(fā)展理念，無法滿足用戶對操作平臺輕便高效、操作簡單、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。該平臺以電動機替代內(nèi)燃機，采用手柄控制、腳踏控制、遙控三種控制模式，可實現(xiàn)單人操作，搭載不同部件，能夠完成樹體修剪、水果采摘、打藥、水果搬運等作業(yè)。

1 整體結構與工作原理

1.1 整體結構

綠色多功能果園作業(yè)平臺主要由履帶式底盤、動力裝置、升降裝置、操控臺和貨箱等部分組成，整體設計如圖1所示。履帶式底盤主要包括箱體、電瓶、驅(qū)動輪、張緊輪、托帶輪、支重輪、平衡輪等；動力裝置主要由驅(qū)動電機和減速機組成；升降裝置包括液壓單元、油管、液壓缸、剪刀叉等；貨箱主要包括底板、護欄、護欄延伸件等。工作時，操作人員將平臺駕駛至合適位置，通過調(diào)整平臺高度，完成果樹修剪、果實套袋、果品采摘等作業(yè)，并將采摘的水果放入貨箱隨平臺運輸。通過加裝或更換不同配件可高效完成采摘、修剪、施藥、運輸、稱重、自卸等作業(yè)，實現(xiàn)一車多用。平臺的行走、轉(zhuǎn)向、升降可由單人在操控臺上操作，也可通過遠程遙控實現(xiàn)，整個作業(yè)過程高效、安全、可靠。

圖1 綠色多功能果園作業(yè)平臺結構圖

1.2 工作原理

平臺由電力驅(qū)動。由電瓶提供電力，通過操控手柄輸出上升下降信號給電子液壓單元，再由電子液壓單元提供壓力給油缸，最終實現(xiàn)貨箱的上升、下降。

1.2.1 驅(qū)動原理

為了提高平臺的通過性、穩(wěn)定性和操控性，平臺的行走采用履帶式底盤。底盤的控制部件主要由兩塊PG（執(zhí)行單元控制器）、兩個行走電機和兩個減速機組成。操控手柄給出的執(zhí)行信號傳遞給PG，PG接收到信號后通過運算實現(xiàn)電流大小、方向的改變，從而控制電機轉(zhuǎn)速、正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再由減速機將電機輸出的高轉(zhuǎn)速小扭矩變成低轉(zhuǎn)速大扭矩的動能來驅(qū)動履帶正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)平臺的前進、后退、原地轉(zhuǎn)彎和行進中轉(zhuǎn)彎功能。

1.2.2 升降原理

平臺采用剪叉式液壓升降結構。工作時，液壓單元的電機帶動液壓齒輪泵泵油，液壓油通過液壓油管輸送到液壓缸內(nèi)，推動液壓桿伸縮來改變剪刀叉的交叉角度，控制操作平臺達到理想高度。

1.2.3 控制原理

根據(jù)田間實際地貌和平臺載貨量，通過操控手柄進給量將信號傳遞給PG，讓平臺在田間行走平穩(wěn)、安全。工作原理是通過調(diào)節(jié)8個電位器的不同阻值來給兩個PG相應的模擬信號，控制電機等速正、倒轉(zhuǎn)以及差速正、倒轉(zhuǎn)。

2 主要部件的設計

2.1 電機與減速機的連接結構設計

由于履帶在田間行走相對阻力較大，而行走電機給出的高轉(zhuǎn)速低扭矩無法滿足履帶行走的要求，因此需要采用電機與減速機的鏈接設計，從而讓行走電機的高轉(zhuǎn)速低扭矩通過減速機轉(zhuǎn)換成低轉(zhuǎn)速高扭矩的力，驅(qū)動履帶在田間行走。

2.2 操控系統(tǒng)的設計

操控系統(tǒng)有兩種設計方案：一種是采用機械杠桿原理來控制；另外一種是通過液壓電磁換向閥來控制。本平臺采用的是第二種控制方式。主要原因是本平臺需要在不同高度操作，機械的硬性連接無法滿足平臺的不同高度操作要求，而液壓電磁換向閥可以滿足。

2.3 手控、腳控、遙控三種控制方式的設計

為了滿足田間的各種工況需要，讓操作者能夠安全、輕松、高效工作，設計了手控、腳控、遙控三種控制方式。

1）腳控。在疏果、套袋、捆枝時，操作人員需要雙手配合，此時可以通過腳來控制平臺的升降。腳控可以提高工作效率，減輕勞動強度。

2）手控。操作人員從一棵果樹移動到另一棵果樹時，通過手控可以按需要將平臺移至任意位置。相對遙控的點位設計更加靈活方便。

3）遙控。主要適用于兩種狀況：一是平臺過溝、過田埂或者裝滿東西時，人員在平臺上操作相對不安全，遙控操作有利于保障人員安全；二是操作人員疲勞時可以通過遙控來控制平臺的田間運輸。

2.4 操作席多檔調(diào)節(jié)設計

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

3 試驗

3.1 試驗條件

試驗主要測試綠色多功能果園作業(yè)平臺的安全性和作業(yè)性能，試驗場地為平整硬化地面。

3.2 試驗結果

3.2.1 安全性試驗

安全性試驗測試平臺的駐車制動性、縱橫向穩(wěn)定性，共測試3個項目。一是將平臺停在30%的干硬縱向坡道上，使用駐車制動裝置，觀察平臺沿上下坡方向是否能可靠停住；二是在平臺滿載且工作臺回落狀態(tài)下，觀察平臺前后（縱向）或左右（橫向）傾斜15°時是否穩(wěn)定；三是觀察平臺在額定負載（300kg）且工作臺升起狀態(tài)下，左右（橫向）傾斜8.5°時是否穩(wěn)定。試驗結果見表1。

表1 安全性試驗結果

3.2.2 性能試驗

性能試驗主要測試平臺的升降速度、最大沉降量和行走速度。測試平臺升降速度時，將工作臺下降到最低位置，分別在空載和額定負載狀態(tài)下啟動電動機，測試工作臺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間，并觀察升降平穩(wěn)性。在額定負載下測量平臺最大沉降量。測量時，將工作臺升到最高高度后切斷動力，測量其升起高度，10min后檢查各部位變形情況，并測量其最低位置處的高度，計算沉降量。測量平臺行走速度時，高速擋和低速擋測試距離均為30m。測定在空載狀態(tài)和額定負載狀態(tài)下以最高行駛速度勻速通過測區(qū)的時間，計算行駛速度。試驗結果見表2。

表2 性能試驗結果

4 結論

1）設計了一款電驅(qū)動多功能果園作業(yè)平臺。該平臺采用交叉式花紋履帶設計，可適應各種復雜地形，通過搭載不同配件，能高效完成采摘、修剪、運輸、稱重、自卸等作業(yè)，可實現(xiàn)一車多用。

2）平臺采用剪叉式液壓升降結構，在控制上采用手柄、腳踏、遙控三種模式，可實現(xiàn)單人控制，平臺操作更加高效。

3）經(jīng)過試驗，平臺安全性能滿足DG/T212-2019《果園作業(yè)平臺》要求，各項性能指標均達到設計要求。