國內液壓式水果采摘機械的發展現狀

國內液壓式水果采摘機械的發展現狀

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

(1.新疆農業大學機械交通學院，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆農業工程裝備創新設計重點實驗室，新疆烏魯木齊 830052)

摘要水果采摘作業是林果業生產中非常重要的環節。水果采摘機械的使用可以解決人工采摘水果時所出現勞動強度大、效率低、成本高等不足。將液壓技術應用到水果采摘機械設備中，可使設備具有傳遞功率大、結構簡單、傳動平穩等優點。該文對國內現有的液壓式采摘機械的研究現狀進行了分析，指出了不同液壓式采摘設備的不足，并給出了相關的改進建議。提出了要將液壓傳動技術與液壓控制技術緊密結合起來，實現水果采摘設備的自動化和精確化，并研發功能更強大、更合理、更容易操作的液壓系統。

關鍵詞水果采摘；液壓；研究現狀

中圖分類號S225.93

作者簡介宋玲(1971- )，女，工學碩士，副教授，從事農業機械裝備、控制工程和機械制造工藝研究。

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

我國是水果生產大國，每年各類水果產量都保持在一億噸以上。我國果品種植面積大、產量高，但大多數果品仍然采用人工收獲，其勞動強度非常大、效率低、成本高[1]。尤其在新疆地區，水果的收獲期正值棉花、辣椒等經濟作物的收獲期，這會導致勞動力緊缺，不能對水果進行及時收獲，造成水果品質下降，嚴重影響了新疆水果業健康發展[2]。因此，為了水果業的正常健康發展，機械式采摘機械的研究和應用，將是未來果品采摘技術的主流。

目前，液壓傳動技術在水果采摘機械中得到了越來越多的應用。液壓裝置能在同等體積下比電氣裝置產生更大的動力。在同等功率下，液壓裝置的體積和質量更小、傳動更平穩，還能在大范圍內實現無級調速。液壓元件與電氣元件結合使用，能實現水果采摘機械的自動化控制。因此，將液壓技術應用到水果采摘機械中，研究控制性能最佳、結構更合理的液壓系統，對我國果品采摘業的發展具有非常重要的意義。

1液壓式水果采摘機械概況

液壓式水果采摘機械主要依靠液壓系統驅動機械機構完成對不同水果的采摘作業。在國外，振動式液壓采摘機械研究頗多，這類機械主要依靠偏心機構對果樹樹干或樹枝的振動，最終實現林果果實的采摘[3]。而且激振頻率的不同對采收效果影響較大，合理的激振頻率可使杏、核桃、紅棗的最高采凈率達到90%以上。但是這類采摘機械都屬于大型機具，作業空間大，適用于稀疏果園。

國內的液壓式采摘機械的研究起步較晚，但近年來發展迅猛。例如杏、紅棗、核桃的搖振式采摘收獲機及藍莓、黑莓、酒葡萄等接觸式振動收獲機械都被設計創造出來并申請了專利。各類液壓式收獲采摘機通過試驗表明，他能夠對成熟水果進行高效快速地采收，收獲的效率是人工的5～10倍，并且采摘作業不受季節的限制。雖然液壓式采摘機械能降低采摘成本，提高經濟效益，但是國內的大多數機械還是存在體積過大、不適合密植型果園、振動機構的振幅和頻率無法調整、損傷樹干等多種問題。因此，開發新式的液壓采摘機械要以小型化為主，振動機構的振幅和頻率要能實現連續可調，并且參數的設定要與果樹的實際情況相符合，這樣才能實現對果實的合理安全高效的采摘。

2國內液壓式水果采摘機械采摘方式的研究現狀

2.1液壓搖振式水果采摘機械

2.1.1液壓式紅棗采摘機。紅棗屬于矮化密植型植物，成熟果實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械對其進行采摘。石河子大學的付威、坎雜研制了4ZZ-4型全液壓驅動自走式紅棗收獲機(圖1)，該設備主要由行走底盤、采摘裝置、集果裝置、輸送裝置、液壓傳動系統、轉向機構、動力裝置和機架等組成。行走、轉向和采摘都是依靠液壓系統來實現的。該設備在采摘過程中，利用PLC實現電磁換向閥的換向，以此來改變液壓馬達的旋轉方向，使振動機構產生不同的振幅和頻率，利用撥桿對棗樹枝進行擊打作業，使樹枝產生往復性的振動，最終實現紅棗的采摘[4]。該設備采用全液壓傳遞動力，具有傳遞功率大、結構簡單、傳動平穩等優點。不足之處是液壓系統采用的開式回路，無法對振動頻率和振幅進行連續的調節。撥桿擊打樹枝時如果振幅過大還容易造成對果樹的傷害。

注：1-前輪；2-升降油缸；3-激振馬達；4-發動機；5-輸送裝置；6-集果裝置；7-行走馬達；8-后輪；9-立軸采摘滾筒。 圖1　全液壓驅動自走式紅棗收獲機

2.1.2液壓式核桃采摘機械。核桃的營養價值和藥用價值都非常高，深受消費者喜愛。傳統的核桃采摘主要依靠人工敲打以及搖樹來實現，這種采摘方式勞動強度大、效率低。因此，液壓式核桃采摘機械的設計和研發，可滿足采摘過程的農藝要求，從而降低了勞動力，提高了生產率，為核桃產業的健康發展提供了保障。鄭甲紅等人研制了液壓式核桃采摘機，該設備主要由果樹搖振裝置、液壓控制系統、液壓泵、油箱、電機和小推車組成，整個采摘裝置都安裝在手推車上，方便設備移動。該設備同樣采用搖振原理實現核桃采摘，通過換向閥控制油缸的伸縮使搖振裝置夾持在枝干上，再由液壓馬達驅動搖振裝置內的偏心機構，使振動頭振動，并將振幅和頻率傳遞到樹干上，使核桃果實產生加速運動，最后掉落[6-7]。該設備效率采摘效率高，每棵樹從準備夾持到果實脫落用時約為1.5～2 min，采凈率達90%以上，不足之處是無法為振動機構的振幅和頻率進行調節。

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

2.2液壓舉升式水果采摘機械

2.2.1液壓式椰果采摘機械。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，液壓式椰果采摘機的研制和使用，可以實現精確定位，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，該設備的動力源來自拖拉機，由拖拉機的柴油機帶動液壓泵工作。設備在工作過程中，先由4個液壓支腿將整臺機頂起，再由變幅缸控制大臂變幅，接著通過伸縮缸讓大臂逐級伸出，大臂到達一定高度之后，再通過液壓馬達使旋轉臂旋轉和割刀旋轉，最終完成切割椰果果穗的目的[9-11]。該設備的最大特點是所設計的液壓系統為開式系統，執行元件不僅采用了液壓馬達，還采用了液壓缸，通過對整個回路的合理控制，就能順利實現對椰果的采摘。

注：1-基本臂；2-回轉塔；3-支腿；4-變幅缸；5-伸縮臂；6-旋轉臂；7-割刀。 圖3　液壓式椰果采摘機

2.2.2液壓式芒果采摘機械。液壓式芒果采摘機械可以很好地提高采摘效率，解決了人工采摘時存在的勞動強度大、效率低、安全性差等不足。張燕等人設計了一種芒果采摘機，該設備采用液壓傳動系統來傳遞運動并執行相關的采摘工作。該采摘機的主要由液壓支腿、不同用途的液壓缸、液壓剪等部分組成[12]。工作過程中，支腿先將設備支起，然后伸縮缸變幅、伸縮，將執行機構伸到制定位置，最后驅動液壓剪，將芒果的枝條剪短，最終實現采摘。該設備采用液壓系統驅動后，靈活多變，定位精準，并能完成一系列復合動作，很好地解決了大面積芒果收獲時采摘慢、費時費力等問題。

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；8-旋轉臺；9-齒輪泵；10-配重；11-手動液壓泵組件。 圖4　液壓式芒果采摘機

3國內液壓式水果采摘機械液壓系統的研究現狀

國內液壓式水果采摘機械的液壓系統主要分為開式系統和閉式系統，有少數采摘機的液壓系統是這兩種的組合。開式系統能夠利用液壓閥實現對不同執行元件的獨立控制，可滿足多種作業工況及復合動作要求。閉式系統主要用在搖振式液壓采摘機械中，能夠實現對馬達的無級調速，系統的可靠性較好，不僅簡化了操作過程，同時也大大降低了油箱的損耗。

3.1開式液壓系統的水果采摘機開式系統的液壓式水果采摘機能夠完成多種動作，系統中的執行元件常常為液壓缸與液壓馬達的組合，并且液壓馬達的調速通常利用節流閥進行調節。圖5為一種核桃采摘機械的液壓系統示意圖，從圖5可以看出，馬達的轉速利用節流閥進行調節，通過換向閥控制馬達的正反轉就實現對執行裝置的振幅和頻率的調節。采用這種開式系統，需要設計容積較大的油箱，用以滿足系統對油液的需求，另外，該設備提升、夾緊和搖振3個動作可以單獨進行控制。設備的靈活性較好，并能通過調頻和調幅來滿足對不同粗細核桃樹的搖振作業。

3.2閉式液壓系統的水果采摘機械采用閉式液壓系統的水果采摘機械最大的特點就是能夠更好地實現無級調速，可通過調節變量泵或變量馬達的變量機構，最終實現對馬達轉速的調節。在許多小型液壓式水果采摘機中，就常常用到閉式液壓系統。圖6為紅棗采摘機械采摘部分的液壓傳動系統示意圖。該液壓系統由液壓泵直接與液壓馬達連接，通過調節液壓泵的變量機構實現對馬達轉速的調節。由于馬達與搖振式的偏心機構相連，通過對馬達調速，就可以改變偏心機構的激振力，這樣就可以實現對采摘頻率的調節。通過改變泵變量機構的偏轉方向，就可實現馬達的正反轉，最終實現對采摘振幅的調節。這種系統，可以較好地適應果樹的粗細和生長情況，采摘效率更好，還能實現對果樹的保護。

圖5　核桃采摘機開式液壓系統

4液壓式水果采摘機械存在的問題及發展趨勢

4.1存在的問題目前的液壓式水果采摘機械普遍利用液壓系統驅動采摘裝置完成對水果的采摘。通過分析發現，這類設備最大的不足就是設備的行走和轉向比較困難，有的設備采用拖拉機進行牽引，有的需要人工推扶，沒有將液壓系統的優勢用在設備的行走和轉向方面。這類設備另一個最大的不足是自動化程度不高，很多設計人員為了節省成本，通常都選用手動控制閥實現對元件的換向和調速，這樣就無法實現對執行機構的自動控制，反而還增加了操作人員的勞動強度。另外，液壓式采摘機通用性比較差，例如許多紅棗采摘機只能采摘紅棗，而對于枸杞、蘋果、梨等水果就不能實現采摘。因此，液壓式采摘機未來的發展，就需要向著能夠適應各種不同工況、能夠實現對不同種類水果采摘的方向發展。

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

4.2發展趨勢

(1)液壓搖振式采摘機應開發能夠升降的平臺，實現對高處水果的采摘。利用液壓缸和相應的機械機構，實現平臺的升降，當采摘者站在平臺上時，液壓缸帶動平臺升起后，就可以進行高空作業，對果樹高處的沒有被搖下的果實進行采摘。這樣會使采摘機的通用性更強，既能搖振作業，也能實現高空采摘作業。

(2)液壓式采摘機應能夠實現行走、轉向、制動的全液壓化。國內的大多數采摘機不能實現獨立行走，需要拖拉機牽引或人工推扶，這樣在某些松散或不平整的底面，會導致行走困難。因此，將液壓系統用于設備的行走驅動，將會很好地緩解這些問題。

(3)將液壓傳動技術與液壓控制技術相結合，實現采摘機的自動化和智能化。運用液壓控制技術，搖振式采摘機可以根據采摘工況自動調整馬達的轉速和旋轉方向，最終實現對執行機構振幅和頻率的自動調節，這樣會大大提高設備的采凈率，而且對果樹的損傷更小。

(4)開發性能更優越、結構更合理的液壓系統。通過分析國內采摘機的液壓系統，發現多數液壓系統結構不是最合理，最終導致設備的整體性能受到影響。因此，未來在開發這類液壓系統時，應選用更合理的液壓元件、設計更加合理的系統，并利用負載匹配的原理對系統進行優化設計，使設備更加節能高效[13-14]。

5結束語

液壓式水果采摘機械具有傳遞功率大、能夠實現無極調速、易于實現自動化控制等優點。傳統的水果采摘方式已經不能適應經濟社會的迅速發展，因此，在未來的研究工作中，應該充分將液壓技術的優勢合理應用到采摘機械中，開發結構更合理、性能更優異的液壓系統，并將液壓控制技術也融合到設備中去，最終實現采摘設備的智能化和精準化，大大提高采摘精度和效率。

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