無軌電動采摘車的研究與應用

卓杰強，周增產(chǎn)，陳立振，卜云龍，曲維民

(1.北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京　100094；2.北京市植物工廠工程技術研究中心，北京　100094)

?

無軌電動采摘車的研究與應用

卓杰強1,2，周增產(chǎn)1,2，陳立振1，卜云龍1,2，曲維民1

(1.北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京100094；2.北京市植物工廠工程技術研究中心，北京100094)

摘要：我國溫室內(nèi)作物采摘收獲主要是人工作業(yè)，沒有輔助的配套設施設備，勞動消耗大、效率低。雖然目前相繼推出有軌道的采摘車，但由于溫室種植面積大，軌道的成本占比重較大。針對以上問題，開發(fā)了無軌道電動采摘車，實現(xiàn)了溫室作業(yè)通道內(nèi)無軌道采摘。該無軌采摘車主要由行走轉(zhuǎn)移底盤、液壓升降機構(gòu)、工作平臺、液壓舉升及控制部分等構(gòu)成。該采摘車在溫室狹窄的作業(yè)通道內(nèi)運行，進行無軌道采摘作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、零排放及無污染等優(yōu)點。經(jīng)過實際生產(chǎn)試驗，相對人工作業(yè)，工作效率可提高6～7倍。

關鍵詞：溫室；采摘車；無軌道；液壓升降；電動

0引言

我國溫室內(nèi)作物采摘收獲主要是人工作業(yè)，沒有輔助的配套設施設備，勞動消耗大、效率低。雖然目前相繼推出有軌道的采摘車[1]，但是由于溫室種植面積大，軌道的成本占比重較大。針對以上問題，開發(fā)了無軌道電動采摘車，實現(xiàn)了溫室作業(yè)通道內(nèi)無軌道采摘。

1無軌電動采摘車結(jié)構(gòu)和組成

無軌電動采摘車主要由行走轉(zhuǎn)移底盤、液壓升降機構(gòu)、工作平臺、液壓舉升及控制部分等構(gòu)成，如圖1所示。

1.1　采摘車行走轉(zhuǎn)移底盤

以蓄電池為動力源，液壓馬達驅(qū)動，剎車制動器制動，采摘車能在溫室栽培通道內(nèi)進行移動行走。

底盤車架為采摘機械承重主體，采用車輪式行走結(jié)構(gòu)。采摘機器在轉(zhuǎn)換工作通道時需要轉(zhuǎn)向，通過液壓驅(qū)動進行方向轉(zhuǎn)換[2]。控制箱和液壓驅(qū)動機構(gòu)等都安裝在底盤車架上。

1.2　采摘車的液壓升降機構(gòu)

溫室內(nèi)一般采摘操作高度從1～5m之間，擬采用剪叉液壓升降結(jié)構(gòu)。

1.3　采摘車的工作臺

工作平臺直接與載荷接觸，操作人員站在工作平臺上采摘果實，且在工作平臺上需要布置操作面板、電路控制柜等物品，所以工作平臺要求結(jié)構(gòu)安全、可靠。

1. 單軸操縱桿控制器(SH-JC100)　2.剪叉升降機構(gòu)

1.4　采摘車的液壓舉升及控制部分

應用液壓系統(tǒng)驅(qū)動溫室采摘車的剪叉式升降臺運動。采摘車的工作平臺可以自動連續(xù)垂直升降，平臺最大舉升高度達到2.8m，并可在升降過程中自動停留在任意高度位置，以適應不同采摘作業(yè)高度[3]。

1.5　采摘車的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要需要完成采摘車在溫室栽培通道內(nèi)的行駛功能、液壓升降臺的上升下降功能及栽培通道之間的轉(zhuǎn)移。

2無軌電動采摘車驅(qū)動設計

采摘車選擇用于工程車輛用的輪驅(qū)動馬達，確定要求的馬達最高轉(zhuǎn)速，要求的最大扭矩和每個馬達必須承擔的最大負載。主要參數(shù)如下：

采摘車描述：4輪采摘車

采摘車驅(qū)動：兩輪驅(qū)動

采摘車總質(zhì)量(帶載)GVW/kg：500

每個驅(qū)動輪上的質(zhì)量/kg：150

輪子滾動半徑/m：0.152 5

要求的加速度/km·h-2(10s內(nèi))：0～1.609

最高速度/kg·h-1(10s內(nèi))：1.609

爬坡能力/%：20

2.1　確定馬達的最高轉(zhuǎn)速

RPM=2.65·KPH·G/rm=28

式中KPH—采摘車最高速度(km/h)；

rm—輪子滾動半徑(m)；

G—減速比(如果沒有，G=1)。

2.2　確定馬達的最大扭矩要求

選擇1臺能產(chǎn)生最夠扭矩去推動采摘車的馬達，必須確定采摘車的總牽引力(TE)?？偁恳?/p>

TE=RR+GR+FA

式中TE—總牽引力；

RR—必須克服滾動阻力的力；

GR—要求爬坡的力；

FA—要求加速度的力。

2.2.1確定滾動阻力

滾動阻力(RR)是一個特定表面上推動采摘車所必須的力。推薦把采摘車可能遇到的最差路面類型系數(shù)代入公式，則有

RR=GVW·R/1000=10kg

式中GVW—采摘車總質(zhì)量(帶載)；

R—路面摩擦因數(shù)(選擇R=20)。

2.2.2確定爬坡阻力

爬坡阻力(GR)是推動采摘車與爬坡所必須的力，則有

GR=坡度·GVW/100=100kg

2.2.3確定加速度力

加速度力(FA)是在要求的時間內(nèi)使采摘車從停止到最高速度所必須的力，則

FA=KPH·GVW/(35.32t)=2.3kg

式中t—達到最高速度的時間(s)。

2.2.4確定總牽引力

牽引力(TE)是以上步驟1～步驟3中計算各項力的和，則

TE=RR+GR+FA=112.3kg

2.2.5確定馬達扭矩

每個馬達要求的馬達扭矩是用總牽引力除以設備中使用馬達的數(shù)目，則

T=TE·rm/(M·G)=8.56N·m(每個馬達)

2.2.6確定輪子滑動

要保證采摘車將按照所設計的牽引力和加速度下運行，必須計算采摘車的輪子滑動(TS)。在特殊情況下，可能實際上需要輪子滑動去防止液壓系統(tǒng)的過熱和元件損壞使采摘車發(fā)生故障。

TS=W·f·rm/G=13.7N·m

式中f—摩擦因數(shù)，取f=0.6；

W—驅(qū)動輪上的加載采摘車的質(zhì)量。

2.3　確定馬達要求的徑向載荷能力

當馬達用于驅(qū)動把輪子或輪轂直接與馬達軸連接的采摘車時，關鍵是馬達的徑向載荷能力要足以支撐采摘車。

3采摘車內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關系

采摘車在轉(zhuǎn)彎行駛過程中，欲保證輪胎與地面間處于純滾動而無滑移現(xiàn)象產(chǎn)生，則每個車輪的運動軌跡都必須完全符合它的自然運動軌跡。對于兩軸采摘車而言，全部車輪繞同一瞬時轉(zhuǎn)向中心回轉(zhuǎn)，瞬時轉(zhuǎn)向中心始終在后輪軸線的延長線上[4]，如圖2所示。

由阿克曼原理確定的內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的關系為

ctgα-ctgβ=K/L

式中α—采摘車前外輪轉(zhuǎn)角；

β—采摘車前內(nèi)輪轉(zhuǎn)角；

K—兩主銷中心延長線到地面交點之間的距離；

L—軸距。

此時，最小的轉(zhuǎn)彎半徑Rmin為

式中αmax—轉(zhuǎn)向輪最大理論轉(zhuǎn)角；

a—輪轉(zhuǎn)臂；

L—軸距。

圖2　采摘車內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關系圖

4采摘車液壓控制系統(tǒng)設計

4.1　升降臺結(jié)構(gòu)形式的分析

4.1.1升降臺結(jié)構(gòu)形式

剪叉升降臺是常用的升降機械設備，由剪叉機構(gòu)、傳動裝置、升降平臺和機座等部件構(gòu)成。剪叉機構(gòu)起著傳力和導向的作用，在傳動裝置的推動下，使升降平臺平穩(wěn)升降。剪叉式升降臺提升高度大，升降平穩(wěn)安全，便于定位，結(jié)構(gòu)簡單。但是，提升高度過高時，為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要加大結(jié)構(gòu)的剛性，導致質(zhì)量偏大。根據(jù)提升高度、承載質(zhì)量及結(jié)構(gòu)尺寸，決定是單叉、雙叉，還是多叉[2]。

4.1.2傳動裝置的選擇

液壓剪叉升降臺有著結(jié)構(gòu)緊湊、運行平穩(wěn)、響應快、傳遞功率大、制造容易、易于操作、價格低廉、堅實耐用及便于維修保養(yǎng)等特點，在民航、交通運輸、冶金、汽車制造等行業(yè)逐漸得到廣泛應用。綜上所述，選擇液壓剪叉升降平臺作為舉升系統(tǒng)的主體。

4.2　液壓系統(tǒng)設計

無軌采摘車液壓控制原理如圖3所示。其控制操作4種作業(yè)工況：一是采摘車轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)移控制；二是采摘車剎車控制；三是采摘車工作平臺舉升控制；四是驅(qū)動液壓馬達行走控制。

1)當采摘車進行轉(zhuǎn)向作業(yè)時，液壓油經(jīng)過齒輪電機泵加壓后經(jīng)過二位四通電磁閥E，再流過流量優(yōu)先閥R1，通過三位四通電磁閥E1來控制轉(zhuǎn)向油缸的轉(zhuǎn)向。

2)當采摘車需要進行剎車停止作業(yè)時，液壓油經(jīng)過齒輪電機泵加壓后經(jīng)過二位四通電磁閥E，再流過流量優(yōu)先閥R1，再進入剎車油口BR。

3)當采摘車進行舉升作業(yè)時，壓油經(jīng)過齒輪電機泵加壓后經(jīng)過二位四通電磁閥E，進入上升油口L0，推動油缸推舉剪叉機構(gòu)上升。

4)當采摘車需要行走時，液壓油經(jīng)過齒輪電機泵加壓后經(jīng)過二位四通電磁閥E，再流過流量優(yōu)先閥R1，再過差動式順手閥R3進入三位四通電磁閥E3進入液壓馬達驅(qū)動行走。

P.進油口　T.回油口　M.測壓油口　BR.剎車油口　L0.上升油口

4.3　無軌采摘車控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用單軸操縱桿控制器(SH-JC100)，采用德國技術的霍爾傳感器設計，結(jié)構(gòu)堅固，外型設計小巧，可提供穩(wěn)定、精確的模擬電壓輸出信號，保證調(diào)速信號的準確與可靠。其采用雙通道模擬電壓輸出，如圖4所示。

主控制器(SH-FCU100)具有12路開關量輸入接口，且都可以承受標準的安全電壓(0.5～36V)；配置有12路電磁閥控制輸出接口，可控制工程車輛中液壓電磁閥，可以和電機速度控制器配合，實現(xiàn)電機速度的比例調(diào)節(jié)；所有連接滿足工程機械應用的EMC要求，開路輸入不影響控制器的正常工作；所有接口都有防止短路及接地保護，高速CAN接口或者485通訊接口。主控制器電路板及外觀如圖5、圖6所示。

圖4　單軸操縱桿控制器(SH-JC100)外觀圖

圖5　主控制器(SH-FCU100)內(nèi)部電路板

圖6　主控制器(SH-FCU100)外觀圖

采摘車電氣原理如圖7和圖8所示。

圖7　電氣原理圖(1)

圖8　電氣原理圖(2)

5結(jié)論

無軌道電動采摘車解決了在溫室狹窄的作業(yè)通道內(nèi)果樹及黃瓜、番茄等高架作物采摘收獲的難題，也可用于高架作物的整枝、人工授粉等多種農(nóng)事作業(yè)。其勞動效率高、體積小、振動和噪音低，可實現(xiàn)無級調(diào)速及無軌道采摘作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、零排放及無污染等優(yōu)點。實際生產(chǎn)試驗表明：相對于人工作業(yè)，其工作效率可提高6～7倍，適用于在溫室行業(yè)大規(guī)模推廣應用。

參考文獻：

[1]宋健,張鐵中，徐麗明，等.果蔬采摘機器人研究進展與展望[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2006,37(5)：158-162.

[2]劉安琦．溫室采摘車的機電液一體化設計[D].北京：北京工業(yè)大學，2009.

[3]王 鴻，顧金梅，李 飛，等. 溫室采摘車的機電液一體化設計[J].科技傳播，2014(11)：170-171.

[4]趙景川. 汽車內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的關系[J]. 汽車研究與開發(fā)，1995(3)：37-39.

Research and Application of the Non Track Electric Picking Vehicle

Zhuo Jieqiang1,2, Zhou Zengchan1,2, Chen Lizhen1, Bu Yunlong1,2, Qu Weimin1

(1.Beijing Kingpeng International Hi-Tech Corporation, Beijing 100094, China; 2. Research Center of Beijing Plant Engineering Technology, Beijing 100094, China)

Abstract：In the greenhouse crop harvest is mainly manual operation, no auxiliary facilities equipment, large consumption of labor, labor efficiency is low currently launched a track of picking cart, but due to the greenhouse planting a large area, accounting for the proportion of the cost of rail larger, in view of the above problems, the development of non rail dynamoelectric picking vehicle, achieve greenhouse operation channel without rail picking. The trolley picking vehicle is mainly composed of hydraulic lifting and control part, walking transfer chassis, control system, hydraulic lifting mechanism, working platform and so on.The picking vehicle running in the greenhouse operations in the narrow channel, the elevated greenhouse fruit and cucumber, tomatoes and other crops are picked, also can be used as elevated crop pruning and artificial pollination various farming operations, with small volume, vibration and noise low, and realize the stepless speed regulation, no track of picking, simple structure, the advantages of easy operation, zero emission, no pollution, etc., after the actual production test, compared with the manual operation, work efficiency can be increased by 6 ~ 7 times.

Key words：greenhouse; picking vehicle; non track; hydraulic lift; electric

中圖分類號：S233.74

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0128-05

作者簡介：卓杰強(1979-)，男，廣西賓陽人，高級工程師，碩士，(E-mail)zhuojq@163.com。通訊作者：周增產(chǎn)(1966-)，男，湖南邵陽人，教授級高級工程師，博士，(E-mail)zengchan@sina.com。

基金項目：北京市科委科技計劃項目(D151100003715002)

收稿日期：2015-09-14