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）

0 引言

我國(guó)三分之二以上的國(guó)土面積是丘陵山地，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)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(gè)（包含臺(tái)灣）[1]。同時(shí)，全國(guó)50%左右的油料作物和糧食來(lái)自高原、山地和丘陵地區(qū)的耕地[2]。據(jù)《2016 年廣東統(tǒng)計(jì)年鑒》的數(shù)據(jù)，2015 年廣東省水果種植面積達(dá)113.66 萬(wàn)hm2，水果總產(chǎn)量為1 519.89 萬(wàn)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(lái)源。在果園的經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)過(guò)程中，果實(shí)采摘、果樹(shù)修剪、肥料和果實(shí)的運(yùn)輸是生產(chǎn)過(guò)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(shí)收獲期集中，因而及時(shí)采摘的同時(shí)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(dòng)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(dòng)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(tái)，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(chǎng)前景。

1 升降作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)原理

履帶自走式升降作業(yè)平臺(tái)由行走底盤(pán)、剪叉式升降機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、作業(yè)平臺(tái)和控制系統(tǒng)等組成，行走底盤(pán)的動(dòng)力為29.4 kW 的發(fā)動(dòng)機(jī)。剪叉式升降機(jī)構(gòu)的固定支架通過(guò)轉(zhuǎn)軸固定在履帶式行走底盤(pán)上，上面與作業(yè)平臺(tái)聯(lián)接，如圖1 所示。工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)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(guò)2 個(gè)液壓油缸的伸縮推動(dòng)剪叉式提升臂，帶動(dòng)作業(yè)平臺(tái)的起升和下降，從而滿(mǎn)足不同的作業(yè)高度。

圖1 履帶自走式升降作業(yè)平臺(tái)

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

升降作業(yè)平臺(tái)參數(shù)如表1 所示。

表1 升降作業(yè)平臺(tái)參數(shù)

1.2 行走底盤(pán)

升降作業(yè)平臺(tái)主要針對(duì)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(pán)采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，動(dòng)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(dòng)輪、支重輪、導(dǎo)向輪、浮動(dòng)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(diǎn)[5]，克服了輪式結(jié)構(gòu)易在驅(qū)動(dòng)行走過(guò)程的易打滑問(wèn)題?？紤]到機(jī)具的實(shí)際使用和通過(guò)性，選取履帶軌距為1 060 mm。履帶的主要參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 履帶式行走裝置

表2 履帶主要參數(shù)

1.3 剪叉式升降機(jī)構(gòu)

剪叉式升降機(jī)構(gòu)由固定支架、舉升裝置、作業(yè)平臺(tái)、升降油缸等組成。固定支架是整個(gè)升降機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，支撐舉升裝置和工作平臺(tái)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(tái)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(shí)，通過(guò)油缸的伸縮來(lái)推動(dòng)剪叉的展開(kāi)與折疊，并利用剪叉式提升臂的展開(kāi)與折疊完成作業(yè)平臺(tái)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(diǎn)，它的上升與下降都是平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的，安全性較高，可以滿(mǎn)足不同作業(yè)高度的升降需求[6]。

1.4 固定支架調(diào)平系統(tǒng)

當(dāng)作業(yè)平臺(tái)在坡地進(jìn)行高位升降作業(yè)時(shí)，隨著作業(yè)平臺(tái)的不平穩(wěn)升運(yùn)，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(guò)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(shí)現(xiàn)橫向調(diào)平，以抵消由于傾斜地面引起的工作平臺(tái)傾斜，確保工作平臺(tái)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(dòng)裝置、調(diào)平控制器和傾斜檢測(cè)裝置等組成，固定支架通過(guò)轉(zhuǎn)軸固定在行走底盤(pán)上，如圖4 所示。傾斜檢測(cè)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(shí)角度傳感器給調(diào)平控制器發(fā)送信號(hào)，調(diào)平控制器校核信號(hào)后，向電磁液壓閥輸出調(diào)平執(zhí)行信號(hào)，由電磁液壓閥控制調(diào)平油缸的伸縮[8]來(lái)推動(dòng)固定支架進(jìn)行自動(dòng)調(diào)平，從而完成自動(dòng)調(diào)平動(dòng)作。固定支架設(shè)置有制動(dòng)固定裝置，在固定支架調(diào)平后，對(duì)固定支架進(jìn)行制動(dòng)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

1.5 升降平臺(tái)的液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)由齒輪泵、平臺(tái)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(tái)的升降由升降控制閥控制，通過(guò)單向節(jié)流閥可調(diào)整升降平臺(tái)的上升或下降速度，保證升降平臺(tái)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠。單向節(jié)流在遇到故障時(shí)能夠?qū)ι灯脚_(tái)起保護(hù)作用，防止平臺(tái)意外下降，增加了升降平臺(tái)的可靠性。

圖5 升降平臺(tái)的液壓原理圖

2 升降作業(yè)平臺(tái)的性能檢測(cè)

升降作業(yè)平臺(tái)的性能檢測(cè)主要是檢驗(yàn)機(jī)器是否達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。檢驗(yàn)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(tái)可升降高度、行走速度、上升和下降速度等。

2.1 作業(yè)平臺(tái)性能指標(biāo)

作業(yè)平臺(tái)主要性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 作業(yè)平臺(tái)主要性能指標(biāo)

2.2 性能檢測(cè)的條件

樣機(jī)的性能檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖6 所示。檢測(cè)時(shí)滿(mǎn)足的條件如下。

圖6 性能檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖

1）試驗(yàn)前，樣機(jī)處于正常工作狀態(tài)。試驗(yàn)樣機(jī)技術(shù)狀態(tài)良好，操作人員技術(shù)熟練。

2）試驗(yàn)地選擇為平整、光潔、硬實(shí)、周?chē)鸁o(wú)障礙物的地面，作業(yè)平臺(tái)的周?chē)鸁o(wú)影響其運(yùn)動(dòng)的障礙物。

3）橫向自動(dòng)調(diào)節(jié)水平試驗(yàn)場(chǎng)地，試驗(yàn)樣機(jī)應(yīng)能方便進(jìn)入到斜坡上。

2.3 舉升負(fù)載量測(cè)定

升降作業(yè)平臺(tái)舉升工作時(shí)，作業(yè)平臺(tái)承受不小于額定舉升負(fù)載量進(jìn)行試驗(yàn)，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(cè)定承載最大量。

2.4 可升降高度測(cè)定

樣機(jī)在承載最大量試驗(yàn)時(shí)同時(shí)進(jìn)行可升降高度測(cè)定。將升降作業(yè)平臺(tái)回落到最低位置，測(cè)量作業(yè)平臺(tái)離地高度，然后將作業(yè)平臺(tái)升高到最高位置，并再次測(cè)量升降作業(yè)平臺(tái)的高度，試驗(yàn)3 次,取平均值。

2.5 橫向可調(diào)節(jié)水平角度測(cè)定

橫向可調(diào)節(jié)水平角度測(cè)定在坡度角為12°的坡道上進(jìn)行。12°的坡道長(zhǎng)度不小于5 m，寬度不小于10 m。測(cè)定時(shí)作業(yè)平臺(tái)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(kāi)調(diào)平開(kāi)關(guān)，作業(yè)平臺(tái)應(yīng)能橫向自動(dòng)調(diào)平，其調(diào)平誤差應(yīng)小于等于2°，樣機(jī)應(yīng)在2 個(gè)方向各測(cè)試3 次以上。同時(shí)，在作業(yè)平臺(tái)調(diào)平后，啟動(dòng)制動(dòng)固定裝置鎖住固定支架，然后對(duì)作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行升降試驗(yàn)，升降過(guò)程應(yīng)平穩(wěn)安全。

2.6 行走速度測(cè)定

在平整的硬路面上進(jìn)行，測(cè)試距離為50 m，測(cè)定在額定載荷下以最高行駛速度勻速通過(guò)測(cè)區(qū)的時(shí)間，計(jì)算行駛速度。按照公式（1）計(jì)算，分別測(cè)定3 次取平均值。

式中：

vg——行走速度，m/s；

sg——測(cè)試距離，m；

tg——所用時(shí)間，s。

2.7 上升、下降速度的測(cè)定

將作業(yè)平臺(tái)下降到最低位置，在額定舉升負(fù)載狀態(tài)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，調(diào)整油門(mén)至標(biāo)定轉(zhuǎn)速，升起作業(yè)平臺(tái)，測(cè)試作業(yè)平臺(tái)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(shí)間，并觀察升降的平穩(wěn)性。按照式（2）和式（3）計(jì)算，分別測(cè)試3 次取平均值。

式中：

v1——平臺(tái)上升速度，m/s；

v2——平臺(tái)下降速度，m/s；

Hmax——工作臺(tái)最高位置，m；

Hmin——工作臺(tái)最低位置，m；

t1——平臺(tái)起升所用時(shí)間，s；

t2——平臺(tái)下降所用時(shí)間，s。

2.8 最大沉降量測(cè)定

樣機(jī)在額定舉升負(fù)載量下進(jìn)行試驗(yàn)，將作業(yè)平臺(tái)升到最大高度處后切斷動(dòng)力，測(cè)量其作業(yè)平臺(tái)的高度，10 min 后再次測(cè)量升降作業(yè)平臺(tái)的高度，計(jì)算沉降量，試驗(yàn)3 次，取平均值。

3 結(jié)語(yǔ)

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(tái)，并增加了平臺(tái)作業(yè)高度、傾斜角度可調(diào)節(jié)功能，對(duì)升降作業(yè)平臺(tái)的的承載能力、行走性能、坡地自動(dòng)調(diào)平功能進(jìn)行了測(cè)試。該升降作業(yè)平臺(tái)具有以下特征：

1）采用履帶式行走底盤(pán)，提高了底盤(pán)在不平路面的行走通過(guò)性，滿(mǎn)足丘陵山區(qū)緩坡的爬坡越障需求。同時(shí)，履帶的接地面積大，可避免對(duì)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(diǎn)。

3）該工作平臺(tái)具有側(cè)傾角度可調(diào)平功能，底盤(pán)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(shí)采摘、運(yùn)輸作業(yè)，還可以作為噴藥、施肥等管理類(lèi)作業(yè)功能的基礎(chǔ)載體，綜上所述，升降作業(yè)平臺(tái)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。