果園作業機升降平臺電氣系統設計

摘 要：我國是水果生產和消費大國，但由于各種條件限制，目前果園作業機械化程度不高，不能滿足現代化需要。本文基于果園作業機升降平臺實際情況中穩定性和安全性的問題進行系統設計，在現有剪叉式果園作業機升降平臺的基礎上，優化調平單元，通過增加水平傳感器和壓力傳感器的方式設計出智能角度調平裝置，使升降平臺在復雜道路上保持水平，提高了果園作業機的穩定性和可靠性。通過試驗可知，果園作業機具有較好的可靠性和穩定性，在一定程度上能夠降低人工承辦，增加作業效率。

關鍵詞：果園作業機;升降平臺;調平裝置

一、果園作業機現狀分析

我國是世界最大的水果消費國，2021年水果需求量為29912萬噸，同比增長3.3%。同時我國也是水果產量和種植面積第一的國家，在2021年水果產量為29611萬噸，同比增長3.2%;果園種植面積約為12962千公頃，同比增長2.5%。但是由于我國生產和研發的重點集中在小麥、水稻等糧食作物，對果園作業機的關注較少。同時由于我國果園種植區地理條件復雜、種植方法多樣、農藝與農機脫節等原因，導致我國目前果園作業的機械化水平不高，機械化率不足30%。因此，我國果園作業機不能滿足現代果業的發展需要，具體表現為：1）果園布局的不合理導致果園作業機無法發揮作用;2）果園作業裝備質量參差不齊導致作業機利用效率很低;3）果園作業機適用性較低使得果園缺乏合適的作業裝備。

近年來，隨著果業機械化的快速發展，國內外果園機械化作業、規模化種植程度得到大規模的推廣和應用。

（1）果園作業機國內發展現狀

相較于歐美等發達國家，我國對果園作業平臺研究起步較晚，進展也比較緩慢。70年代我國開始研究果園作業機，先后研制出了機械振動式山楂采果機、氣囊式采果器和手持電動采果器等。90年代后，在市場經濟的推動下簡易采摘器如動剪枝機、輔助升降平臺等半自動采摘工具相繼出現。

2000年我國的電動升降平臺技術取得了重大突破，國產電動升降平臺研制成功，該技術廣泛應用在果園作業管理中，給果園作業帶來極大的便利。2007年，新疆機械研究所研制出了我國第1臺多功能履帶式果園升降作業平臺，該升降作業機性能好、爬坡能力強、操縱方便，可實現采摘、噴藥、剪枝和運輸等功能，為我國果園作業機的發展做出的巨大貢獻。2011年，山東華興機械股份有限公司成功研制出SQT-3000型多功能升降平臺，該平臺可以完成多種果園管理作業。2013年，王建超設計了懸掛式丘陵山地果園作業升降平臺。2014年，王小龍等人，對果園升降平臺的調平裝置進行了改進。2015年，劉大為等人設計出了小型果園升降作業平臺，并進行了試驗。2018年劉奎等人，對三輪自走式升降平臺作業的安全性進行了分析。

（2）果園作業機國外發展現狀

國外果園作業機研究起步較早，20世紀初，歐美等發達國家已經開始進行高空升降作業車的相關研究，目前已經形成較成熟的系列產品。美國在20世紀40年代，已經基本實現果樹生產機械化，并在60年代成功研制出了液壓升降平臺車，大大提升了果樹修剪效率和果樹收獲效率。70年代，除果品采收和部分細致修剪仍使用人工作業外，果園其他主要作業項目，都實現了機械化。

英國、日本和澳大利亞在果園作業機領域取得了巨大進展。英國公司Genie研制出了GR12、GR15和GR20型等一系列產品;日本為了適應本國丘陵地形多的特點，研制出了小型化果園作業平臺BP40型;澳大利亞CRENDON公司生產出了適合于大規模種植面積的SQUIRREL型升降平臺作業車，這種作業機適用于芒果和鱷梨采摘。

二、果園作業機升降平臺

（1）功能介紹

果園作業機主要包括建園、栽植、耕作、施肥、灌溉、修剪和采摘等作業裝備。其中果樹采摘分為振動采摘、作業機升降平臺采摘和人工智能機器人采摘。

目前，果園作業機升降平臺是果實采摘和果樹修剪裝備中研發種類較多且應用最為廣泛的機械設備，主要包括：升降裝置、載人平臺、控制面板，以及行走和動力裝置，其中升降裝置包括液壓單元、油管、液壓缸、剪刀叉等。果園作業機升降平臺除了具有采摘、修剪等基本作業功能，還可噴藥、除草、開溝和施肥等。

平臺升降主要分為內燃機驅動、液壓驅動和電驅動三種，用于實現果農對不同高度果樹的作業管理。按升降機結構的不同，果園作業機可分為：剪叉式、伸縮式、直臂式、折臂式和階梯式等。在果園作業升降平臺中，由于剪叉式升降機構具有安全性能好、穩定性高、承載能力強的優勢，曲臂式升降機結構具有緊湊、轉向靈活等優點，這兩款升降機構應用最廣泛。

1）剪叉式升降機構

剪叉式升降機構的作業平臺可以增加平臺擴展功能，使多人同時作業，提高工作效率。根據果園作業平臺舉升高度的不同，剪叉結構可以設置為一級剪叉結構或者多級剪叉結構，但是隨著級數的增加作業平臺舉升的穩定性會降低。

2）曲臂式升降機構

曲臂式升降機構，適用于單人作業，可用于狹窄的通道和擁擠的工作環境中，例如樹冠較大的果樹品種作業。曲臂式升降機構多采用一體化的液壓電器集成系統，配備兩路以上液壓油缸。曲臂式機構舉升高度一般>5 m，在穩定性的控制方面要求較高。

（2）電氣系統設計

通過上述升降機構的介紹可知，升降作業機對升降平臺穩定性的控制要求較高，這也是目前研發熱點。調平裝置工作的過程中會影響果園作業機的質心位置，從而影響升降平臺的穩定性，因此優化調平裝置的穩定性可有效增強果園作業升降平臺的可靠性。

為了改善升降機構在果園作業時的穩定性，增強果園作業升降平臺的可靠性，本方案在現有剪叉式果園作業機升降平臺的基礎上，對其升降裝置進行了改進，通過增加水平傳感器和壓力傳感器提出了一種智能角度調平裝置，使升降平臺在復雜的崎嶇道路上保持水平，從而提高果園作業機的穩定性和可靠性。

升降裝置由平臺、滾輪、液壓單元、控制單元、調平單元及剪叉結構等部分組成。液壓由葉片泵形成一定的壓力，經過濾油器、電磁換向閥、節流閥、液控單向閥和平衡閥等使液缸活塞上下運動，以達到提升重物的效果。其中調平單元主要包含調平機構、執行部件、控制部件以及相應的傳感器，調平單元通過控制工作部件的角度，確保工作面處于相對水平狀態。

下圖是升降裝置的剪叉結構，其中H和ΔH分別是剪叉的原始高度和升降高度，L和ΔL分別是液壓裝置單元的原始長度和伸縮量長度，θ和R是剪叉的初始夾角和臂長。

根據原始高度H、升降高度ΔH來確定出液壓單元伸縮量ΔL，液壓單元通過推動液壓桿伸縮來改變剪刀叉的交叉角度，從而控制平臺達到理想高度。剪叉結構的開合由兩個不同液壓單元進行分別控制，同時一個或多個水平傳感器和壓力傳感器將采集的壓力數據和水平角度相關數據傳遞給控制單元，控制單元進行分析后對升降平臺的高度和角度進行調整和優化，以使果園作業機工作時更加安全、平穩、可靠。

（3）可靠性分析

可靠性試驗主要包括平地性能實驗和爬坡性能實驗。一是升降作業機在平地行駛觀察作業機平臺上升下降時是否穩定，二是升降作業機通過35度角的斜坡，觀察升降作業機上坡和下坡時平臺是否穩定，三是升降作業機轉彎、加速、升降平臺等基本功能測試。

試驗結果：

① 平地行駛測試

在平地行駛過程中，行駛速度高速檔位和低速檔位切換過程中升降平臺無明顯晃動，調整升降平臺的高度后，升降平臺無卡頓現象并且水平垂直方向上的無明顯晃動。

② 爬坡測試

在坡度為35度角的斜坡進行上坡、下坡和駐車測試，試驗結果顯示果園作業機各方面性能均正常，無滑坡現象發生，整個過程中升降平臺會自動調整角度，使平臺一直保持水平狀態。

③ 基本性能測試

果園作業機在不同的運行模式下，其轉彎半徑差異不明顯半徑均小于4m。加速過程中發動機無熄火、黑煙現象發生。升降平臺空載或負載（1人-7人）時依然平穩升降，不卡頓。

由試驗可知，果園作業機在平地或有坡度的路面行駛時升降平臺均具有較好的可靠性和穩定性，無卡頓、熄火、等現象發生。

三、結束語

綜上所述，一方面，雖然發達國家對果園作業平臺研發早、技術成熟度高，但價格昂貴且不適用于我國果園作業環境。另一方面，我國果園作業平臺的研究起步較晚，雖有相應產品，但相對于國外先進機械，還存在著噪聲大、人機結合性較差、功能單一和缺少電子監控設備等問題，且穩定性和安全性還有待進一步提高，無法滿足用戶的操作需求。因此，改善果園作業機，優化作業機升降平臺對提升我國果園作業工作效率、降低勞動強度、節省人工成本、提高生產效率有重要意義。而本方案通過優化升降機構的調平單元，設置水平傳感器和壓力傳感器，有效的對升降平臺的高度和角度進行調整和優化，改善了果園作業機的穩定性和可靠性。

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[3]杜干.升降平臺升降機構研究現狀分析機械工程與自動化（S2）：202-207，2013

課題來源：2021年邢臺市市級科技計劃自籌經費項目《環保型智能化山地果園作業機的研制》，課題編號：2021ZC198

作者簡介：王倩，出生年月：1977-12-10，女，漢族，籍貫：陜西省臨潼區，所在單位：河北科技工程職業技術大學，職稱：副教授，學歷：大學本科，學位：工學碩士，研究方向：機械制造與自動化