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摘要:針對當前果園規?;N植背景下對果樹各項作業和生產實現高效機械化的實際需求,研究人員研發了一種電動自走雙臂獨立三維空間果園多功能作業裝備,實現了打頂、抹芽、剪枝、噴藥和果實采摘等作業多功能一體化。該裝備能夠提供雙人同時、連續以及安全作業的自走式作業平臺,并配備自動監測與操控系統以及采摘弧形柔性旋轉運輸滾道,達到降低勞動強度并保證人身安全,同時提高作業效率與果品質量的目的。
關鍵詞:多功能;監控系統;弧形柔性旋轉運輸滾道;自動計量裝置
1背景分析
1.1國內
根據觀研報告網發布的《2021年中國水果種植產業分析報告-產業規?,F狀與發展趨勢分析》,目前我國是全球水果第一生產大國[1],果園面積不斷擴大,2020年我國果園面積穩定在1333.333萬公頃左右,2021年果園面積可達1369.846萬公頃。果園機械化是果業高質量發展的重要組成部分[2],而現階段我國果園總體機械化水平相對較低,大部分果園還是依賴人工種植管理作業[3]。人工采摘管理作業不僅效率低下,還要來回搬運采摘工具上下攀爬,造成危險系數高、水果易損壞等問題,制約著水果產業的發展。因此,果業采摘作業與機械化的有效融合,不僅能夠顯著提高采摘效率[4-5],節約生產成本,而且最大限度地降低了水果的損耗,提高了種植戶的經濟效益,對實現果園全機械化具有現實意義[6]。
1.2國外
相比國外,我國的采摘機械起步較晚[7]。歐美國家在20世紀40年代便開始進行對采摘機械的研究。20世紀60年代中期,美國針對不同果樹的高度采摘,設計出了輔助水果采摘的水果采摘升降平臺車[8]。20世紀90年代,日本研究出自走式采摘車,自走式采摘車具有較好的爬坡能力與回轉能力,且機體擺動小、行走穩定。但只適合在坡度15°~30°的地區使用,不適合大規模自然生長的果園種植模式,實際應用十分受限。因此,結合上述果園采摘管理作業的發展現狀,急需研究設計一款具有果樹打頂、抹芽、剪枝、噴藥以及果實采摘作業等多種用途的果園多功能裝備,實現打頂、抹芽、剪枝、噴藥、果實采摘等作業多功能一體化。
2整機設計方案
2.1主要設計內容
1)針對當前規?;N植果園作業機械化程度不足的問題進行分析,確定了一種果園多功能裝備的總體最優方案,實現對果園果樹的高效、高質、多功能與安全作業。2)設計了自走式電動底盤搭載可獨立控制的三維空間雙臂旋轉升降工作臺,平行四桿機構控制升降平臺往垂直方向移動,液壓系統控制平臺升降旋轉,實現不同高度多維度果園作業。3)設計了雷達自動監測系統,監測作業狀態,并顯示在駕駛室里,以適應果園復雜作業環境,保證了作業者安全作業,協助駕駛員完成協同作業。4)針對果實采摘作業,設計了弧形柔性旋轉輸送滾道、風機清選裝置以及自動稱重系統等,保證果實的品相和采摘質量。
2.2系統組成和功能
2.2.1駕駛行走轉向系統。駕駛行走轉向系統包括驅動電機、轉向器、離合器等。通過驅動電機使小車獲得在地面行走的動力,實現小車的行駛。當小車需要變速時,駕駛員踩下離合器可以阻止動力的傳輸來實現換擋;當小車換向時,轉向器會使左右車輪實現差速,保證順利轉向。2.2.2動力驅動系統。動力驅動系統包括電瓶、動力輸出機構、充電器等。電瓶向發動機提供動力源,通過動力輸出機構可以將動力傳輸到車輪,而電瓶可以通過充電器進行電量的補充。2.2.3作業系統作業系統主要由旋轉液壓缸、平行四桿機構、作業平臺、弧形柔性旋轉運輸滾道、控制平臺、清選裝置、自動計量裝置、升降液壓缸和液壓控制裝置組成。作業者進入作業平臺,通過控制平臺操作旋轉液壓缸和升降液壓缸,完成作業平臺的旋轉和升降,到達作業位置。作業者可以通過弧形柔性旋轉運輸滾道、清選裝置和自動計量裝置完成對果實的采摘和除雜。2.2.4監控系統。監控系統主要由攝像頭和顯示裝置組成。通過攝像頭拍攝作業者作業情況和環境,將拍攝到的情況顯示到駕駛室的顯示裝置上。方便駕駛員移動果園多功能管理機,完成協同作業,同時保障作業者安全作業。
3關鍵技術設計
3.1雙臂旋轉升降工作臺
雙臂旋轉升降工作臺由旋轉液壓缸、平行四桿機構、升降液壓缸、液壓控制系統以及旋轉支座組成。項目研發的果園多功能裝備采用了果樹多種作業通用的雙臂旋轉升降平臺,在結構上采用電動自走底盤搭載雙臂液壓雙人獨立旋轉升降平臺,配置作業人員安全保障機構,旋轉升降平臺的操縱裝置位于作業平臺一側,由作業人員獨立操縱;搭載電動自動底盤,可實現整機自走式連續雙人作業,能夠取代果農反復攀爬梯凳或者借助普通升降平臺斷點式作業的煩瑣工況:裝備的單臂外側旋轉可以達到90°,能夠實現果樹樹冠打頂、抹芽、剪枝、噴藥、嫁接扦插、人工授粉,以及寬幅、無死角的果實采摘作業;平行四桿機構則能保證作業平臺始終為垂直地面狀態,協同平臺實時監測系統確保作業安全。旋轉升降工作臺如圖1所示。圖1旋轉升降工作臺
3.2振動輸送道
振動輸送道由作業平臺、弧形柔性旋轉滾道、清選裝置、收集箱支架組成。在水果采摘期,將采摘下的果實通過弧形柔性旋轉滾道輸送,經除雜后進入收集箱,果實受到來自樹葉雜質和果實果柄的阻力而停止。輸送道通過內層的振動使它們的相對位置發生變化,使得雜質不再影響果實的通過,從而繼續運動,到達收集箱??梢暂p松實現較高效率的果實采摘和去雜工作,極大節省人力資源。振動輸送道如圖2所示。
3.3監控系統
監控系統由控制平臺、自動計量裝置系統等組成。裝備集成了自動化的工作監控系統,作業平臺的站立筒上方設置操控系統,方便作業人員自行控制調節平臺升降和旋轉到最佳作業位置;針對采摘作業平臺還設置有自動稱重計量系統,可以實現達到既定重量后報警,實現減少果實損傷、便于后期延長存儲時間以及提高果實品相的目的。同時,裝備設有多處監控裝置,監控果樹周圍環境,保障作業人員人身安全。并將整機行走路線、整機工作狀態顯示于駕駛監控屏,包括整機行走狀態、工作臺位置與作業狀況等,以方便控制工作路線和前進速度,完成協同作業,同時監測作業環境,確保作業人員人身安全??刂破脚_如圖3所示,計量托盤如圖4所示。
4主要技術指標
主要技術指標如表1所示。
5優勢分析
5.1功能多
本文研發的果園多功能裝備,是一種電動自走雙臂獨立三維空間運動果園多功能裝備,采用電動自走底盤設計,實現雙臂液壓雙人獨立旋轉升降。雙臂旋轉升降工作臺通過液壓系統獨立實現旋轉,液壓缸控制平行四桿機構。實現了打頂、抹芽、剪枝、噴藥、果實采摘、人工授粉等一系列精密作業的多功能一體化,解決了果農作業時需反復攀爬梯凳的問題。
5.2作業范圍廣
液壓系統外側可旋轉180°,同時旋轉升降工作臺可以緊貼樹干進行作業,實現半球面作業。在果樹樹冠打頂、抹芽、剪枝、噴藥、果實采摘、人工授粉等作業實現無死角,控制平臺升降旋轉,實現不同高度多維度果園作業。液壓系統提高了作業平臺的穩定性,保證了作業的精密程度。雙臂旋轉升降工作臺作業時均可獨立控制,實現自主作業,提高了作業效率。
5.3自動化
設置弧形柔性旋轉運輸滾道、變速清選裝置、自動稱重計量、報警系統等。在水果采摘期將采摘下的果實通過弧形柔性旋轉運輸滾道,經篩選除雜后進入收集箱,避免了果實的磕碰,果實損傷小,便于延長存儲期。同時,大大降低了后期果實清選的難度,減少了后期清選果實所需的人力物力。
5.4智能化
智能化顯示工作狀態。該機工作狀態利用多個攝像頭和傳感器,通過不同位置的監控裝置,將圖像顯示在駕駛室前方的顯示屏上,顯示變速清選狀況、果箱中水果狀態、自動稱重計量、工作臺位置及工作狀況,使駕駛者更好地了解作業情況,便于控制工作線路和前進速度。
5.5效率高
整機在果園作業中取得了良好的效果,解決了以往果園作業存在的問題,大大提高了果園作業的工作效率。使用操作簡單、應用范圍廣,可以應用于不同種類的果園,提高果園作業的機械化程度。同時,作業平臺上搭載了作業站立桶,合理設置旋轉臂高度和半徑,在不影響果農作業便捷性的同時,為果農作業安全提供了保障。作業平臺上可以放置果農的作業工具,為果農進行多項作業提供便利。
6結語
本研究介紹了一款可實現打頂、抹芽、剪枝、噴藥、果實采摘等作業多功能一體化的裝置,可以有效地解決果農在采摘管理作業過程反復上下登高、攀爬梯凳或普通升降平臺,導致生產效率低、勞務成本高且人身安全得不到保障的問題,改善采摘過程以及采摘倒運過程出現的水果破損以及含雜率高等現象。本文所設計的裝置具有多功能作業平臺、安全作業站立桶、自動運輸篩選裝置,可三維空間作業、高空作業,能很好地適應果園特殊作業環境。隨著高新技術的發展與國家政策支持,我國果園機械化及果園機械裝備轉型升級,果園機械采摘不斷朝著自動化和智能化方向發展,果園采摘裝備的應用將極大地提高采摘效率,促進果業經濟的發展,推動鄉村振興的發展,更是增加果農收入、實現全面小康、助力鄉村振興的有效途徑[9]。隨著農業從業者的減少及老齡化趨勢不斷加大,采摘機械的開發利用具有巨大的經濟效益和廣闊的市場前景[10]。因此該設備的設計對于果園采摘機械具有很大的意義。
作者:高磊 趙昕昱 謝雨軒 閆什 李京謙 蔡善儒 單位:山東理工大學