林 羽,周漢林,何 林,周永發(fā),陳中武
(1.廣東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,廣東 廣州 510515;2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所,廣東 廣州 510630)
我國三分之二以上的國土面積是丘陵山地,據(jù)統(tǒng)計,我國的土地資源僅有34%左右是平原,山地丘陵占轄區(qū)面積50%以上的省份有 19 個(包含臺灣)[1]。同時,全國50%左右的油料作物和糧食來自高原、山地和丘陵地區(qū)的耕地[2]。據(jù)《2016 年廣東統(tǒng)計年鑒》的數(shù)據(jù),2015 年廣東省水果種植面積達(dá)113.66 萬hm2,水果總產(chǎn)量為1 519.89 萬t,已成為廣東各水果產(chǎn)區(qū)農(nóng)民的重要經(jīng)濟(jì)收入來源。在果園的經(jīng)營生產(chǎn)過程中,果實采摘、果樹修剪、肥料和果實的運輸是生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié),多數(shù)情況下,水果采摘都在離地一定高度的地方進(jìn)行,且果實收獲期集中,因而及時采摘的同時也需保證果品質(zhì)量。目前果園的采摘等工作基本以人工為主,采摘人員都是在地面或借助梯子作業(yè),勞動強(qiáng)度大,作業(yè)效率低,而且存在一定的安全隱患。在農(nóng)業(yè)勞動力持續(xù)轉(zhuǎn)移和老齡化的背景下[3],研制一種人工輔助式的升降作業(yè)采摘平臺,可以降低果園的生產(chǎn)成本,提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場前景。
履帶自走式升降作業(yè)平臺由行走底盤、剪叉式升降機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、作業(yè)平臺和控制系統(tǒng)等組成,行走底盤的動力為29.4 kW 的發(fā)動機(jī)。剪叉式升降機(jī)構(gòu)的固定支架通過轉(zhuǎn)軸固定在履帶式行走底盤上,上面與作業(yè)平臺聯(lián)接,如圖1 所示。工作時,發(fā)動機(jī)帶動液壓泵向升降裝置的液壓系統(tǒng)供油,在控制系統(tǒng)的控制下,通過2 個液壓油缸的伸縮推動剪叉式提升臂,帶動作業(yè)平臺的起升和下降,從而滿足不同的作業(yè)高度。
圖1 履帶自走式升降作業(yè)平臺
升降作業(yè)平臺參數(shù)如表1 所示。
表1 升降作業(yè)平臺參數(shù)
升降作業(yè)平臺主要針對的工作環(huán)境是丘陵山區(qū)果園,土質(zhì)較為松軟。因此行走底盤采用履帶式行走機(jī)構(gòu),動力采用29.4 kW 的四缸柴油機(jī)。履帶式行走機(jī)構(gòu)主要由橡膠履帶、驅(qū)動輪、支重輪、導(dǎo)向輪、浮動輪和托輪等組成[4],如圖2 所示。履帶式行走機(jī)構(gòu)具有接地面積大、接地比壓小、附著性能好、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、跨溝越埂能力強(qiáng)等特點[5],克服了輪式結(jié)構(gòu)易在驅(qū)動行走過程的易打滑問題。考慮到機(jī)具的實際使用和通過性,選取履帶軌距為1 060 mm。履帶的主要參數(shù)見表2。
圖2 履帶式行走裝置
表2 履帶主要參數(shù)
剪叉式升降機(jī)構(gòu)由固定支架、舉升裝置、作業(yè)平臺、升降油缸等組成。固定支架是整個升降機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ),支撐舉升裝置和工作平臺的重量。舉升機(jī)構(gòu)由疊成“X”形的兩條提升臂組成,如圖3 所示,2 條提升臂的兩端分別與固定支架和作業(yè)平臺連接。升降油缸的一端連接固定支架,另一端連接提升臂。工作時,通過油缸的伸縮來推動剪叉的展開與折疊,并利用剪叉式提升臂的展開與折疊完成作業(yè)平臺的升降。
圖3 剪叉式升降機(jī)構(gòu)
剪叉式升降機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載量大,提升高度大的特點,它的上升與下降都是平穩(wěn)運動的,安全性較高,可以滿足不同作業(yè)高度的升降需求[6]。
當(dāng)作業(yè)平臺在坡地進(jìn)行高位升降作業(yè)時,隨著作業(yè)平臺的不平穩(wěn)升運,操作人員極易因重心失衡導(dǎo)致跌落或滑倒,存在較大的安全隱患[7]。
固定支架具有調(diào)平功能,通過調(diào)平控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng),可以在坡度小于等于12°的斜坡上實現(xiàn)橫向調(diào)平,以抵消由于傾斜地面引起的工作平臺傾斜,確保工作平臺處于水平穩(wěn)定狀態(tài)。
固定支架調(diào)平系統(tǒng)由固定支架、調(diào)平油缸、電磁制動裝置、調(diào)平控制器和傾斜檢測裝置等組成,固定支架通過轉(zhuǎn)軸固定在行走底盤上,如圖4 所示。傾斜檢測裝置的角度傳感器安裝在調(diào)平支架上,當(dāng)固定支架發(fā)生傾斜時角度傳感器給調(diào)平控制器發(fā)送信號,調(diào)平控制器校核信號后,向電磁液壓閥輸出調(diào)平執(zhí)行信號,由電磁液壓閥控制調(diào)平油缸的伸縮[8]來推動固定支架進(jìn)行自動調(diào)平,從而完成自動調(diào)平動作。固定支架設(shè)置有制動固定裝置,在固定支架調(diào)平后,對固定支架進(jìn)行制動固定,確保固定支架的穩(wěn)定安全。
圖4 固定支架調(diào)平裝置
液壓系統(tǒng)由齒輪泵、平臺升降控制閥、調(diào)平電磁閥、左右調(diào)平油缸、升降油缸、節(jié)流閥、液壓鎖、油箱等組成,其液壓原理圖如圖5 所示。作業(yè)平臺的升降由升降控制閥控制,通過單向節(jié)流閥可調(diào)整升降平臺的上升或下降速度,保證升降平臺運動平穩(wěn)可靠。單向節(jié)流在遇到故障時能夠?qū)ι灯脚_起保護(hù)作用,防止平臺意外下降,增加了升降平臺的可靠性。
圖5 升降平臺的液壓原理圖
升降作業(yè)平臺的性能檢測主要是檢驗機(jī)器是否達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。檢驗的指標(biāo)包括:舉升負(fù)載量、橫向可調(diào)節(jié)水平角度、作業(yè)平臺可升降高度、行走速度、上升和下降速度等。
作業(yè)平臺主要性能指標(biāo)見表3。
表3 作業(yè)平臺主要性能指標(biāo)
樣機(jī)的性能檢測現(xiàn)場如圖6 所示。檢測時滿足的條件如下。
圖6 性能檢測現(xiàn)場圖
1)試驗前,樣機(jī)處于正常工作狀態(tài)。試驗樣機(jī)技術(shù)狀態(tài)良好,操作人員技術(shù)熟練。
2)試驗地選擇為平整、光潔、硬實、周圍無障礙物的地面,作業(yè)平臺的周圍無影響其運動的障礙物。
3)橫向自動調(diào)節(jié)水平試驗場地,試驗樣機(jī)應(yīng)能方便進(jìn)入到斜坡上。
升降作業(yè)平臺舉升工作時,作業(yè)平臺承受不小于額定舉升負(fù)載量進(jìn)行試驗,全行程升降3 次,升降應(yīng)自然平穩(wěn),升降液壓系統(tǒng)不應(yīng)有滲油、漏油現(xiàn)象,受力構(gòu)件不應(yīng)有永久變形或其他損壞,測定承載最大量。
樣機(jī)在承載最大量試驗時同時進(jìn)行可升降高度測定。將升降作業(yè)平臺回落到最低位置,測量作業(yè)平臺離地高度,然后將作業(yè)平臺升高到最高位置,并再次測量升降作業(yè)平臺的高度,試驗3 次,取平均值。
橫向可調(diào)節(jié)水平角度測定在坡度角為12°的坡道上進(jìn)行。12°的坡道長度不小于5 m,寬度不小于10 m。測定時作業(yè)平臺裝上舉升負(fù)載量且回落到最低位置。將樣機(jī)沿坡道寬度方向駛?cè)耄箻訖C(jī)的方向與坡道成90°后停下。打開調(diào)平開關(guān),作業(yè)平臺應(yīng)能橫向自動調(diào)平,其調(diào)平誤差應(yīng)小于等于2°,樣機(jī)應(yīng)在2 個方向各測試3 次以上。同時,在作業(yè)平臺調(diào)平后,啟動制動固定裝置鎖住固定支架,然后對作業(yè)平臺進(jìn)行升降試驗,升降過程應(yīng)平穩(wěn)安全。
在平整的硬路面上進(jìn)行,測試距離為50 m,測定在額定載荷下以最高行駛速度勻速通過測區(qū)的時間,計算行駛速度。按照公式(1)計算,分別測定3 次取平均值。
式中:
vg——行走速度,m/s;
sg——測試距離,m;
tg——所用時間,s。
將作業(yè)平臺下降到最低位置,在額定舉升負(fù)載狀態(tài),啟動發(fā)動機(jī),調(diào)整油門至標(biāo)定轉(zhuǎn)速,升起作業(yè)平臺,測試作業(yè)平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,并觀察升降的平穩(wěn)性。按照式(2)和式(3)計算,分別測試3 次取平均值。
式中:
v1——平臺上升速度,m/s;
v2——平臺下降速度,m/s;
Hmax——工作臺最高位置,m;
Hmin——工作臺最低位置,m;
t1——平臺起升所用時間,s;
t2——平臺下降所用時間,s。
樣機(jī)在額定舉升負(fù)載量下進(jìn)行試驗,將作業(yè)平臺升到最大高度處后切斷動力,測量其作業(yè)平臺的高度,10 min 后再次測量升降作業(yè)平臺的高度,計算沉降量,試驗3 次,取平均值。
根據(jù)廣東省丘陵山區(qū)果園的采收方式和現(xiàn)狀,研制了一種人工輔助式的升降作業(yè)平臺,并增加了平臺作業(yè)高度、傾斜角度可調(diào)節(jié)功能,對升降作業(yè)平臺的的承載能力、行走性能、坡地自動調(diào)平功能進(jìn)行了測試。該升降作業(yè)平臺具有以下特征:
1)采用履帶式行走底盤,提高了底盤在不平路面的行走通過性,滿足丘陵山區(qū)緩坡的爬坡越障需求。同時,履帶的接地面積大,可避免對土壤層的破壞。
2)采用剪叉式升降機(jī)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)緊湊、舉升重量大、上升與下降平穩(wěn)、提升高度大、安全性高的特點。
3)該工作平臺具有側(cè)傾角度可調(diào)平功能,底盤重心較低,適合在丘陵山區(qū)的果園上進(jìn)行作業(yè)。
4)該機(jī)控制方便靈巧,可原地轉(zhuǎn)彎,負(fù)載性能強(qiáng),工作效率高。
該機(jī)不僅適用于果園的果實采摘、運輸作業(yè),還可以作為噴藥、施肥等管理類作業(yè)功能的基礎(chǔ)載體,綜上所述,升降作業(yè)平臺的研制為丘陵山區(qū)果園機(jī)械化發(fā)展提供了裝備供給和技術(shù)支撐。