國內(nèi)液壓式水果采摘機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀

宋 玲1，2， 史 勇1，2， 高澤斌1，2， 葉云霞1，2， 亢銀霞1，2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830052)

摘要水果采摘作業(yè)是林果業(yè)生產(chǎn)中非常重要的環(huán)節(jié)。水果采摘機(jī)械的使用可以解決人工采摘水果時(shí)所出現(xiàn)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高等不足。將液壓技術(shù)應(yīng)用到水果采摘機(jī)械設(shè)備中，可使設(shè)備具有傳遞功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。該文對(duì)國內(nèi)現(xiàn)有的液壓式采摘機(jī)械的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，指出了不同液壓式采摘設(shè)備的不足，并給出了相關(guān)的改進(jìn)建議。提出了要將液壓傳動(dòng)技術(shù)與液壓控制技術(shù)緊密結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)水果采摘設(shè)備的自動(dòng)化和精確化，并研發(fā)功能更強(qiáng)大、更合理、更容易操作的液壓系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞水果采摘；液壓；研究現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)S225.93

作者簡(jiǎn)介宋玲(1971- )，女，工學(xué)碩士，副教授，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備、控制工程和機(jī)械制造工藝研究。

收稿日期2015-06-11

Research on the Development Status of Domestic Hydraulic Fruit Picking Machine

SONG Ling1,2, SHI Yong1,2, GAO Ze-bin1,2et al (1. College of Mechanic and Traffic, Xinjiang Agricultural University, Urumqi, Xinjiang 830052; 2. Key Laboratory for Agricultural Engineering Equipment Innovative Design of Xinjiang, Urumqi, Xinjiang 830052)

AbstractThe fruit picking operation is a very important link in the forestry and fruit industry. The use of fruit picking machine can solve the problems of artificial fruit picking high labor intensity, low efficiency, high cost. The application of hydraulic technology to fruit picking in the mechanical equipment, the equipment has the advantages of high power transmission, simple structure, stable transmission. The hydraulic of the existing domestic research status of mechanical harvesting were analyzed, and the deficiencies of different hydraulic picking device were pointed out, relevant suggestions for improvement were put forward. It was pointed out the hydraulic transmission technology and hydraulic control technology combined with automation, fruit picking device and precision, and the development of the hydraulic system is more powerful, more reasonable, more easy to operate.

Key words Fruit picking; Hydraulic; Research status

我國是水果生產(chǎn)大國，每年各類水果產(chǎn)量都保持在一億噸以上。我國果品種植面積大、產(chǎn)量高，但大多數(shù)果品仍然采用人工收獲，其勞動(dòng)強(qiáng)度非常大、效率低、成本高[1]。尤其在新疆地區(qū)，水果的收獲期正值棉花、辣椒等經(jīng)濟(jì)作物的收獲期，這會(huì)導(dǎo)致勞動(dòng)力緊缺，不能對(duì)水果進(jìn)行及時(shí)收獲，造成水果品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響了新疆水果業(yè)健康發(fā)展[2]。因此，為了水果業(yè)的正常健康發(fā)展，機(jī)械式采摘機(jī)械的研究和應(yīng)用，將是未來果品采摘技術(shù)的主流。

目前，液壓傳動(dòng)技術(shù)在水果采摘機(jī)械中得到了越來越多的應(yīng)用。液壓裝置能在同等體積下比電氣裝置產(chǎn)生更大的動(dòng)力。在同等功率下，液壓裝置的體積和質(zhì)量更小、傳動(dòng)更平穩(wěn)，還能在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。液壓元件與電氣元件結(jié)合使用，能實(shí)現(xiàn)水果采摘機(jī)械的自動(dòng)化控制。因此，將液壓技術(shù)應(yīng)用到水果采摘機(jī)械中，研究控制性能最佳、結(jié)構(gòu)更合理的液壓系統(tǒng)，對(duì)我國果品采摘業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。

1液壓式水果采摘機(jī)械概況

液壓式水果采摘機(jī)械主要依靠液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)完成對(duì)不同水果的采摘作業(yè)。在國外，振動(dòng)式液壓采摘機(jī)械研究頗多，這類機(jī)械主要依靠偏心機(jī)構(gòu)對(duì)果樹樹干或樹枝的振動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)林果果實(shí)的采摘[3]。而且激振頻率的不同對(duì)采收效果影響較大，合理的激振頻率可使杏、核桃、紅棗的最高采凈率達(dá)到90%以上。但是這類采摘機(jī)械都屬于大型機(jī)具，作業(yè)空間大，適用于稀疏果園。

國內(nèi)的液壓式采摘機(jī)械的研究起步較晚，但近年來發(fā)展迅猛。例如杏、紅棗、核桃的搖振式采摘收獲機(jī)及藍(lán)莓、黑莓、酒葡萄等接觸式振動(dòng)收獲機(jī)械都被設(shè)計(jì)創(chuàng)造出來并申請(qǐng)了專利。各類液壓式收獲采摘機(jī)通過試驗(yàn)表明，他能夠?qū)Τ墒焖M(jìn)行高效快速地采收，收獲的效率是人工的5～10倍，并且采摘作業(yè)不受季節(jié)的限制。雖然液壓式采摘機(jī)械能降低采摘成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，但是國內(nèi)的大多數(shù)機(jī)械還是存在體積過大、不適合密植型果園、振動(dòng)機(jī)構(gòu)的振幅和頻率無法調(diào)整、損傷樹干等多種問題。因此，開發(fā)新式的液壓采摘機(jī)械要以小型化為主，振動(dòng)機(jī)構(gòu)的振幅和頻率要能實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，并且參數(shù)的設(shè)定要與果樹的實(shí)際情況相符合，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的合理安全高效的采摘。

2國內(nèi)液壓式水果采摘機(jī)械采摘方式的研究現(xiàn)狀

2.1液壓搖振式水果采摘機(jī)械

2.1.1液壓式紅棗采摘機(jī)。紅棗屬于矮化密植型植物，成熟果實(shí)在枝干上的密度較大，并且果樹的種植間距較小，需要小巧靈活的采摘機(jī)械對(duì)其進(jìn)行采摘。石河子大學(xué)的付威、坎雜研制了4ZZ-4型全液壓驅(qū)動(dòng)自走式紅棗收獲機(jī)(圖1)，該設(shè)備主要由行走底盤、采摘裝置、集果裝置、輸送裝置、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、動(dòng)力裝置和機(jī)架等組成。行走、轉(zhuǎn)向和采摘都是依靠液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)備在采摘過程中，利用PLC實(shí)現(xiàn)電磁換向閥的換向，以此來改變液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向，使振動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不同的振幅和頻率，利用撥桿對(duì)棗樹枝進(jìn)行擊打作業(yè)，使樹枝產(chǎn)生往復(fù)性的振動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)紅棗的采摘[4]。該設(shè)備采用全液壓傳遞動(dòng)力，具有傳遞功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是液壓系統(tǒng)采用的開式回路，無法對(duì)振動(dòng)頻率和振幅進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)。撥桿擊打樹枝時(shí)如果振幅過大還容易造成對(duì)果樹的傷害。

注：1-前輪；2-升降油缸；3-激振馬達(dá)；4-發(fā)動(dòng)機(jī)；5-輸送裝置；6-集果裝置；7-行走馬達(dá)；8-后輪；9-立軸采摘滾筒。 圖1　全液壓驅(qū)動(dòng)自走式紅棗收獲機(jī)

2.1.2液壓式核桃采摘機(jī)械。核桃的營養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值都非常高，深受消費(fèi)者喜愛。傳統(tǒng)的核桃采摘主要依靠人工敲打以及搖樹來實(shí)現(xiàn)，這種采摘方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。因此，液壓式核桃采摘機(jī)械的設(shè)計(jì)和研發(fā)，可滿足采摘過程的農(nóng)藝要求，從而降低了勞動(dòng)力，提高了生產(chǎn)率，為核桃產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供了保障。鄭甲紅等人研制了液壓式核桃采摘機(jī)，該設(shè)備主要由果樹搖振裝置、液壓控制系統(tǒng)、液壓泵、油箱、電機(jī)和小推車組成，整個(gè)采摘裝置都安裝在手推車上，方便設(shè)備移動(dòng)。該設(shè)備同樣采用搖振原理實(shí)現(xiàn)核桃采摘，通過換向閥控制油缸的伸縮使搖振裝置夾持在枝干上，再由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)搖振裝置內(nèi)的偏心機(jī)構(gòu)，使振動(dòng)頭振動(dòng)，并將振幅和頻率傳遞到樹干上，使核桃果實(shí)產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，最后掉落[6-7]。該設(shè)備效率采摘效率高，每棵樹從準(zhǔn)備夾持到果實(shí)脫落用時(shí)約為1.5～2 min，采凈率達(dá)90%以上，不足之處是無法為振動(dòng)機(jī)構(gòu)的振幅和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

注：1-油箱；2-夾持頭；3-小車支架；4-振動(dòng)機(jī)構(gòu)；5-懸掛繩索；6-懸掛支架；7-液壓油箱及電機(jī)；8-車輪。 圖2　液壓式核桃采摘機(jī)

2.2液壓舉升式水果采摘機(jī)械

2.2.1液壓式椰果采摘機(jī)械。椰子屬于棕櫚科單子葉多年生常綠喬木，是一種典型的熱帶木本油科作物，在我國的海南省得到了大量的種植。目前海南的椰子收獲方法還是采用傳統(tǒng)的人工爬樹采摘，其效率低，安全性差[8]。因此，液壓式椰果采摘機(jī)的研制和使用，可以實(shí)現(xiàn)精確定位，靈活采摘，較好地解決了人工采摘存在的問題。梁棟等人研制了液壓式椰果采摘機(jī)，該設(shè)備的動(dòng)力源來自拖拉機(jī)，由拖拉機(jī)的柴油機(jī)帶動(dòng)液壓泵工作。設(shè)備在工作過程中，先由4個(gè)液壓支腿將整臺(tái)機(jī)頂起，再由變幅缸控制大臂變幅，接著通過伸縮缸讓大臂逐級(jí)伸出，大臂到達(dá)一定高度之后，再通過液壓馬達(dá)使旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)和割刀旋轉(zhuǎn)，最終完成切割椰果果穗的目的[9-11]。該設(shè)備的最大特點(diǎn)是所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，執(zhí)行元件不僅采用了液壓馬達(dá)，還采用了液壓缸，通過對(duì)整個(gè)回路的合理控制，就能順利實(shí)現(xiàn)對(duì)椰果的采摘。

注：1-基本臂；2-回轉(zhuǎn)塔；3-支腿；4-變幅缸；5-伸縮臂；6-旋轉(zhuǎn)臂；7-割刀。 圖3　液壓式椰果采摘機(jī)

2.2.2液壓式芒果采摘機(jī)械。液壓式芒果采摘機(jī)械可以很好地提高采摘效率，解決了人工采摘時(shí)存在的勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、安全性差等不足。張燕等人設(shè)計(jì)了一種芒果采摘機(jī)，該設(shè)備采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)來傳遞運(yùn)動(dòng)并執(zhí)行相關(guān)的采摘工作。該采摘機(jī)的主要由液壓支腿、不同用途的液壓缸、液壓剪等部分組成[12]。工作過程中，支腿先將設(shè)備支起，然后伸縮缸變幅、伸縮，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)伸到制定位置，最后驅(qū)動(dòng)液壓剪，將芒果的枝條剪短，最終實(shí)現(xiàn)采摘。該設(shè)備采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)后，靈活多變，定位精準(zhǔn)，并能完成一系列復(fù)合動(dòng)作，很好地解決了大面積芒果收獲時(shí)采摘慢、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問題。

注：1-液壓支腿；2-伸縮缸；3-伸縮變幅缸；4-剪切變幅缸；5-剪切缸；6-液壓剪；7-液壓馬達(dá)；8-旋轉(zhuǎn)臺(tái)；9-齒輪泵；10-配重；11-手動(dòng)液壓泵組件。 圖4　液壓式芒果采摘機(jī)

3國內(nèi)液壓式水果采摘機(jī)械液壓系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)液壓式水果采摘機(jī)械的液壓系統(tǒng)主要分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)，有少數(shù)采摘機(jī)的液壓系統(tǒng)是這兩種的組合。開式系統(tǒng)能夠利用液壓閥實(shí)現(xiàn)對(duì)不同執(zhí)行元件的獨(dú)立控制，可滿足多種作業(yè)工況及復(fù)合動(dòng)作要求。閉式系統(tǒng)主要用在搖振式液壓采摘機(jī)械中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)馬達(dá)的無級(jí)調(diào)速，系統(tǒng)的可靠性較好，不僅簡(jiǎn)化了操作過程，同時(shí)也大大降低了油箱的損耗。

3.1開式液壓系統(tǒng)的水果采摘機(jī)開式系統(tǒng)的液壓式水果采摘機(jī)能夠完成多種動(dòng)作，系統(tǒng)中的執(zhí)行元件常常為液壓缸與液壓馬達(dá)的組合，并且液壓馬達(dá)的調(diào)速通常利用節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖5為一種核桃采摘機(jī)械的液壓系統(tǒng)示意圖，從圖5可以看出，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速利用節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過換向閥控制馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)就實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行裝置的振幅和頻率的調(diào)節(jié)。采用這種開式系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)容積較大的油箱，用以滿足系統(tǒng)對(duì)油液的需求，另外，該設(shè)備提升、夾緊和搖振3個(gè)動(dòng)作可以單獨(dú)進(jìn)行控制。設(shè)備的靈活性較好，并能通過調(diào)頻和調(diào)幅來滿足對(duì)不同粗細(xì)核桃樹的搖振作業(yè)。

3.2閉式液壓系統(tǒng)的水果采摘機(jī)械采用閉式液壓系統(tǒng)的水果采摘機(jī)械最大的特點(diǎn)就是能夠更好地實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，可通過調(diào)節(jié)變量泵或變量馬達(dá)的變量機(jī)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。在許多小型液壓式水果采摘機(jī)中，就常常用到閉式液壓系統(tǒng)。圖6為紅棗采摘機(jī)械采摘部分的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖。該液壓系統(tǒng)由液壓泵直接與液壓馬達(dá)連接，通過調(diào)節(jié)液壓泵的變量機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。由于馬達(dá)與搖振式的偏心機(jī)構(gòu)相連，通過對(duì)馬達(dá)調(diào)速，就可以改變偏心機(jī)構(gòu)的激振力，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘頻率的調(diào)節(jié)。通過改變泵變量機(jī)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)方向，就可實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘振幅的調(diào)節(jié)。這種系統(tǒng)，可以較好地適應(yīng)果樹的粗細(xì)和生長情況，采摘效率更好，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹的保護(hù)。

圖5　核桃采摘機(jī)開式液壓系統(tǒng)

4液壓式水果采摘機(jī)械存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)

4.1存在的問題目前的液壓式水果采摘機(jī)械普遍利用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)采摘裝置完成對(duì)水果的采摘。通過分析發(fā)現(xiàn)，這類設(shè)備最大的不足就是設(shè)備的行走和轉(zhuǎn)向比較困難，有的設(shè)備采用拖拉機(jī)進(jìn)行牽引，有的需要人工推扶，沒有將液壓系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)用在設(shè)備的行走和轉(zhuǎn)向方面。這類設(shè)備另一個(gè)最大的不足是自動(dòng)化程度不高，很多設(shè)計(jì)人員為了節(jié)省成本，通常都選用手動(dòng)控制閥實(shí)現(xiàn)對(duì)元件的換向和調(diào)速，這樣就無法實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制，反而還增加了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。另外，液壓式采摘機(jī)通用性比較差，例如許多紅棗采摘機(jī)只能采摘紅棗，而對(duì)于枸杞、蘋果、梨等水果就不能實(shí)現(xiàn)采摘。因此，液壓式采摘機(jī)未來的發(fā)展，就需要向著能夠適應(yīng)各種不同工況、能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同種類水果采摘的方向發(fā)展。

注：1-變量泵；2-變量馬達(dá)；3、5-溢流閥；4-補(bǔ)油泵；6、7、8、9-單向閥。 圖6　搖振式紅棗采摘機(jī)閉式液壓搖振系統(tǒng)

4.2發(fā)展趨勢(shì)

(1)液壓搖振式采摘機(jī)應(yīng)開發(fā)能夠升降的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高處水果的采摘。利用液壓缸和相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的升降，當(dāng)采摘者站在平臺(tái)上時(shí)，液壓缸帶動(dòng)平臺(tái)升起后，就可以進(jìn)行高空作業(yè)，對(duì)果樹高處的沒有被搖下的果實(shí)進(jìn)行采摘。這樣會(huì)使采摘機(jī)的通用性更強(qiáng)，既能搖振作業(yè)，也能實(shí)現(xiàn)高空采摘作業(yè)。

(2)液壓式采摘機(jī)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)行走、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)的全液壓化。國內(nèi)的大多數(shù)采摘機(jī)不能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立行走，需要拖拉機(jī)牽引或人工推扶，這樣在某些松散或不平整的底面，會(huì)導(dǎo)致行走困難。因此，將液壓系統(tǒng)用于設(shè)備的行走驅(qū)動(dòng)，將會(huì)很好地緩解這些問題。

(3)將液壓傳動(dòng)技術(shù)與液壓控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)的自動(dòng)化和智能化。運(yùn)用液壓控制技術(shù)，搖振式采摘機(jī)可以根據(jù)采摘工況自動(dòng)調(diào)整馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)振幅和頻率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，這樣會(huì)大大提高設(shè)備的采凈率，而且對(duì)果樹的損傷更小。

(4)開發(fā)性能更優(yōu)越、結(jié)構(gòu)更合理的液壓系統(tǒng)。通過分析國內(nèi)采摘機(jī)的液壓系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)多數(shù)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不是最合理，最終導(dǎo)致設(shè)備的整體性能受到影響。因此，未來在開發(fā)這類液壓系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)選用更合理的液壓元件、設(shè)計(jì)更加合理的系統(tǒng)，并利用負(fù)載匹配的原理對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使設(shè)備更加節(jié)能高效[13-14]。

5結(jié)束語

液壓式水果采摘機(jī)械具有傳遞功率大、能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的水果采摘方式已經(jīng)不能適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，因此，在未來的研究工作中，應(yīng)該充分將液壓技術(shù)的優(yōu)勢(shì)合理應(yīng)用到采摘機(jī)械中，開發(fā)結(jié)構(gòu)更合理、性能更優(yōu)異的液壓系統(tǒng)，并將液壓控制技術(shù)也融合到設(shè)備中去，最終實(shí)現(xiàn)采摘設(shè)備的智能化和精準(zhǔn)化，大大提高采摘精度和效率。

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