果園作業(yè)平臺現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

劉麗星 劉洪杰 裴曉康

摘要? ? 針對我國果園地形特點以及在進行果樹修剪、果實采摘與運輸?shù)茸鳂I(yè)時勞動強度大等問題，分析了國內(nèi)外果園作業(yè)平臺的發(fā)展歷程，研究了國內(nèi)部分現(xiàn)有果園作業(yè)平臺的特點，最后總結(jié)出我國果園作業(yè)平臺的發(fā)展趨勢為電動、多工位、可調(diào)平、機電液一體化、融合導(dǎo)航技術(shù)和遙控技術(shù)、操作簡便。

關(guān)鍵詞? ? 果園作業(yè)平臺;現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

中圖分類號? ? S224.4? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼? ? A

Abstract? ? In a view of the characteristics of orchard topography and the problems of high labor intensity in fruit tree pruning，fruit picking and transportation，the development process of orchard platform at home and abroad was analyzed，and the characteristics of some existing orchard operating platforms in China were analyzed.Finally，the development trend of the orchard operating platform in China was summarized as follows：electromechanics，multi-position，adjustability，hydraulic integration，fusion navigation technology，remote control technology and simple operation.

Key words? ? orchard operating platform;current situation;development trend

伴隨我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，林果業(yè)成為越來越多農(nóng)民的選擇[1]。我國的果園種植模式以家庭為單位分散種植為主，截至到2015年，我國蘋果種植面積達到232.8萬hm2，居世界第1位[2-4]。果園經(jīng)濟已成為我國農(nóng)村的重要經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展對提高農(nóng)民收入非常重要。在對現(xiàn)代果園進行修剪、疏花疏果、果實采摘等作業(yè)時，工作人員往往需要到距離地面一定高度的地方作業(yè)，勞動難度大，安全性難以保障。同時，隨著城市化進程的加快，果農(nóng)老齡化現(xiàn)象嚴(yán)重，勞動力身體素質(zhì)下降。而蘋果的成熟期集中，收獲時間重要，在農(nóng)忙時期，勞動力極為匱乏。矮砧、密植、寬行距成為現(xiàn)代果園的主要種植模式，較大的行株距有利于進行機械化管理[5]。基于此，果園作業(yè)平臺得到了廣泛的研究討論。

1? ? 國內(nèi)外果園作業(yè)平臺發(fā)展現(xiàn)狀

1.1? ? 國外果園作業(yè)平臺發(fā)展現(xiàn)狀

國外對果園作業(yè)平臺的研究較早，美國和澳大利亞最先研究生產(chǎn)果園作業(yè)平臺[6]。20世紀(jì)50年代末，北美最先在果園內(nèi)應(yīng)用高空作業(yè)平臺輔助作業(yè)[7]，其機械設(shè)備類似于現(xiàn)在的車載式高空作業(yè)平臺（圖1）。20世紀(jì)60年代中期，美國研制出第1臺液壓式升降作業(yè)平臺，該平臺可與采摘工具相配合，大幅度提高了作業(yè)效率[8]。由于國外果園規(guī)劃合理，平整度和通過性較好，果園作業(yè)平臺行走機構(gòu)一般采用輪式機構(gòu)，相較于履帶式行走機構(gòu)，輪式機構(gòu)具有行走速度快、操作簡單、后期維護成本低等優(yōu)點[9]。升降機構(gòu)主要有剪叉式、折臂式、階梯式和伸縮臂式等類型。

除了美國和澳大利亞，日本對果園管理機械也有獨特的研究[10-12]。日本的丘陵和山地面積占國土總面積的70%以上，果園也多分布于丘陵山區(qū)，苗木行株距設(shè)置小。因此，其研發(fā)的作業(yè)平臺尺寸小且多用履帶式行走機構(gòu)。20世紀(jì)90年代，日本著手開發(fā)山地陡坡果園作業(yè)平臺，如四國農(nóng)業(yè)試驗場開發(fā)的采用樞軸式擺動懸掛機構(gòu)作為行走裝置的履帶底盤自走式采摘車。該車特點是輪距寬、重心低、爬坡能力強、行走穩(wěn)定性高，適用于15°～30°的坡地。筑水農(nóng)機公司開發(fā)的BP和BY系列的小型果園運輸管理機械（圖2、3），均采用履帶式行走機構(gòu)。該行走機構(gòu)的優(yōu)點是與地面接觸面積大、接地比壓小、爬坡性能和越溝性能較好[13-16]。

1.2? ? 國內(nèi)果園作業(yè)平臺發(fā)展現(xiàn)狀

相較于歐美地區(qū)，我國對果園作業(yè)平臺的研究起步較晚，并且因為果園種植模式分散、苗木分布復(fù)雜，最初發(fā)展也并不迅速[17]。適用于我國地形的果園作業(yè)平臺極為匱乏，機械化程度低，作業(yè)人員勞動強度大。

自20世紀(jì)90年代起，市場帶動需求，小種植戶對果樹種植的熱情高漲[18]。此后，輔助升降作業(yè)平臺也開始進入市場。1992年，浙江金華農(nóng)機所開發(fā)出了專門用于采摘水果的升降機，其上升高度最大可達到7 m。2007年新疆機械研究所開發(fā)了國內(nèi)第1臺自走（手扶）履帶式多功能果園作業(yè)平臺（圖4），命名為LG-1型多功能果園作業(yè)機[19]。該機特點是一機多用（采摘、修剪、噴藥、運輸、動力發(fā)電等）、1.5 m內(nèi)自由升降、配備的可拆卸式發(fā)電機可為平臺作業(yè)或照明提供用電、低地隙底盤保證其通過性好、可實現(xiàn)360°原地轉(zhuǎn)向。該機的成功研制標(biāo)志著我國果園機械進入多功能作業(yè)時代。

此后，隨著我國果園向矮砧密植寬行距模式發(fā)展，國內(nèi)對多功能作業(yè)平臺的研究也越來越廣泛[20]。如北京市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣站開發(fā)的小型多功能遙控動力平臺，首次采用手動與無線遙控相結(jié)合的模式，可通過遙控器在60 m范圍內(nèi)控制平臺轉(zhuǎn)向、前進和停車。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)、森海機械公司等研發(fā)的可左右伸展的果園作業(yè)平臺，該平臺可加大作業(yè)人員采收范圍、提高作業(yè)效率[21]。

2? ? 國內(nèi)現(xiàn)有機型分析

近年來，各高校和企業(yè)單位都對果園作業(yè)平臺進行了深入研究。2013年，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)王鵬飛[22]以現(xiàn)代蘋果產(chǎn)業(yè)體系果園機械崗位所研制的3GTD-2000為研究對象，設(shè)計研究了該平臺進行升降和行進作業(yè)時的機電液一體化控制策略，即電動控制、液壓傳動、機械執(zhí)行。軟件方面，該平臺采用液壓傳動、電液比例技術(shù)以及模糊PID控制方案為整體控制策略，并采用MSP430單片機為核心控制芯片。硬件方面，該平臺采用了適當(dāng)?shù)膫鞲衅鲗舨媸缴禉C構(gòu)進行實時監(jiān)控，提高了作業(yè)安全性，并且采用合適的液壓元件搭建了升降模塊的液壓回路。該設(shè)計的優(yōu)點是操作簡單，可實時監(jiān)控保證平臺運行穩(wěn)定，具有自適應(yīng)能力和故障診斷能力，可減少機器損耗、延長機器使用壽命。

2016年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)張花哲[23]設(shè)計了電動履帶式多功能果園舉升平臺（圖5）。該設(shè)計在確定采用履帶式行走機構(gòu)的基礎(chǔ)上，對液壓系統(tǒng)主要零部件進行選型，并對液壓缸推力及關(guān)鍵參數(shù)進行確定計算，保證平臺工作時的穩(wěn)定性。該平臺體型小，適用于丘陵山地，可輔助完成果樹修剪、果實采摘、運輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

2018年，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)王永振[24]研制出了果園多功能遙控作業(yè)平臺（圖6）。該平臺采用平行四連桿升降機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，升降過程平穩(wěn)，但升降高度有限，最大舉升高度為1.5 m。該平臺的特點是可通過遙控控制平臺在丘陵山地靈活作業(yè)，采用雙向調(diào)平模式保證平臺始終處于水平位置，可對整機部分進行拆卸并完成噴藥、開溝施肥的功能。

2019年，江蘇大學(xué)江世界等[25]研制出了果園單人操控式小型升降管理機（圖7）。該設(shè)計根據(jù)苗木高度以及人體尺寸，對平臺進行小型化處理。該平臺長1 200 mm、寬800 mm，質(zhì)量350 kg，僅為現(xiàn)有平臺質(zhì)量的1/6～1/2，可更好地滿足丘陵果園的現(xiàn)有需求。此外，該平臺僅由單人操控，解放了勞動力，提高了工作效率。2019年10月，濰坊沃林機械設(shè)備有限公司研制的四輪自走式作業(yè)管理平臺（圖8）。該平臺的特點是可左右伸展增加作業(yè)范圍且在采摘完成后無需人工搬運，提高了工作效率，降低了勞動強度。2019年，濰坊森海機械制造有限公司自主研發(fā)的4PZ-120型自走式果園采摘平臺（圖9）。該平臺特點是具有左、右 2個工位，且均可以向兩側(cè)展開，平臺總展開寬度可達2.6 m，處于2個工位的工作人員可同時作業(yè)，大幅提高了勞動效率。

3? ? 果園作業(yè)平臺的發(fā)展趨勢

3.1? ? 電動

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電動作業(yè)平臺已經(jīng)成為發(fā)展趨勢，主要因其有以下幾方面優(yōu)勢：一是電動車依托電機驅(qū)動，不需要中冷系統(tǒng)散熱，因而不需要大面積進氣格柵為冷卻液散熱。二是電動車依托電機驅(qū)動，底盤上不需要安裝排氣筒和油箱，節(jié)省出大面積的底盤空間。節(jié)省出的部分空間被電池組占據(jù)，其他空間可提高作業(yè)平臺的通過性。三是與柴油車相比，電動車的高效區(qū)間更加寬泛，無需增設(shè)變速箱，有較好的操控性能。

3.2? ? 多工位

隨著電子信息技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，果園作業(yè)平臺能夠融合單片機或PLC等控制技術(shù)實現(xiàn)2個甚至多個工位同時作業(yè)，不斷提高作業(yè)效率。

3.3? ? 可調(diào)平

根據(jù)我國果園的分布特點，對于可調(diào)平式果園作業(yè)平臺的需求越來越迫切。目前已經(jīng)生產(chǎn)出的可調(diào)平式作業(yè)平臺尚不能準(zhǔn)確無誤完成調(diào)平功能，主要原因可能有以下幾個方面：一是地面起伏不平，影響角度傳感器對信號的采集;二是升降速度過快導(dǎo)致工作臺出現(xiàn)慣性擺動;三是安裝的各種零部件之間存在摩擦，影響調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性。

3.4? ? 機電液一體化

伴隨液壓和電液比例技術(shù)的不斷完善發(fā)展[26-28]，果園作業(yè)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)無極變速，通過改變傳動比，使平臺的傳動系數(shù)與發(fā)動機工況達到最佳匹配，從而提高工作效率。

3.5? ? 融入導(dǎo)航與遙控技術(shù)

通過在果園作業(yè)平臺中加入導(dǎo)航技術(shù)，果園作業(yè)平臺可自動感知外部環(huán)境進而對行進路線自動導(dǎo)航。通過加入遙控技術(shù)，操作人員可遠距離控制平臺前進、后退、轉(zhuǎn)向和平臺升降等。

3.6? ? 操作簡便

果園的操作者多為農(nóng)民，文化程度普遍偏低，這就要求平臺操作方法簡單、可靠性高、便于維護修理。

4? ? 發(fā)展建議

針對我國果園平臺發(fā)展現(xiàn)狀，提出以下建議。一是目前，我國果園種植模式多為以家庭為單位分散種植，果園作業(yè)平臺價格昂貴，小農(nóng)戶無法負擔(dān)，政府應(yīng)提供相應(yīng)補貼政策。二是我國尚未有統(tǒng)一的果園種植模式，給研發(fā)果園作業(yè)平臺帶來困難。因此，政府應(yīng)出臺統(tǒng)一的種植模式，即行株距設(shè)置規(guī)范化[29-30]。

5? ? 結(jié)語

針對我國果園管理作業(yè)勞動量大、勞動難度大等問題，優(yōu)化現(xiàn)有果園作業(yè)平臺和研發(fā)適合新種植模式的作業(yè)平臺十分有必要。通過增加工位、提高作業(yè)平臺行進時的穩(wěn)定性可提高工作效率。通過加裝或更換不同的配套器具可使平臺完成不同的工作，實現(xiàn)一機多用，從而提高果農(nóng)收入。

6? ? 參考文獻

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