果园作业平台现状及发展趋势

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　　摘要    针对我国果园地形特点以及在进行果树修剪、果实采摘与运输等作业时劳动强度大等问题，分析了国内外果园作业平台的发展历程，研究了国内部分现有果园作业平台的特点，最后总结出我国果园作业平台的发展趋势为电动、多工位、可调平、机电液一体化、融合导航技术和遥控技术、操作简便。
　　关键词    果园作业平台;现状;发展趋势
　　中图分类号    S224.4        文献标识码    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
　　伴随我国农业产业结构的调整，林果业成为越来越多农民的选择[1]。我国的果园种植模式以家庭为单位分散种植为主，截至到2015年，我国苹果种植面积达到232.8万hm2，居世界第1位[2-4]。果园经济已成为我国农村的重要经济产业，其发展对提高农民收入非常重要。在对现代果园进行修剪、疏花疏果、果实采摘等作业时，工作人员往往需要到距离地面一定高度的地方作业，劳动难度大，安全性难以保障。同时，随着城市化进程的加快，果农老龄化现象严重，劳动力身体素质下降。而苹果的成熟期集中，收获时间重要，在农忙时期，劳动力极为匮乏。矮砧、密植、宽行距成为现代果园的主要种植模式，较大的行株距有利于进行机械化管理[5]。基于此，果园作业平台得到了广泛的研究讨论。
　　1    国内外果园作业平台发展现状
　　1.1    国外果园作业平台发展现状
　　国外对果园作业平台的研究较早，美国和澳大利亚最先研究生产果园作业平台[6]。20世纪50年代末，北美最先在果园内应用高空作业平台辅助作业[7]，其机械设备类似于现在的车载式高空作业平台（图1）。20世纪60年代中期，美国研制出第1台液压式升降作业平台，该平台可与采摘工具相配合，大幅度提高了作业效率[8]。由于国外果园规划合理，平整度和通过性较好，果园作业平台行走机构一般采用轮式机构，相较于履带式行走机构，轮式机构具有行走速度快、操作简单、后期维护成本低等优点[9]。升降机构主要有剪叉式、折臂式、阶梯式和伸缩臂式等类型。
　　除了美国和澳大利亚，日本对果园管理机械也有独特的研究[10-12]。日本的丘陵和山地面积占国土总面积的70%以上，果园也多分布于丘陵山区，苗木行株距设置小。因此，其研发的作业平台尺寸小且多用履带式行走机构。20世纪90年代，日本着手开发山地陡坡果园作业平台，如四国农业试验场开发的采用枢轴式摆动悬挂机构作为行走装置的履带底盘自走式采摘车。该车特点是轮距宽、重心低、爬坡能力强、行走稳定性高，适用于15°～30°的坡地。筑水农机公司开发的BP和BY系列的小型果园运输管理机械（图2、3），均采用履带式行走机构。该行走机构的优点是与地面接触面积大、接地比压小、爬坡性能和越沟性能较好[13-16]。
　　1.2    国内果园作业平台发展现状
　　相较于欧美地区，我国对果园作业平台的研究起步较晚，并且因为果园种植模式分散、苗木分布复杂，最初发展也并不迅速[17]。适用于我國地形的果园作业平台极为匮乏，机械化程度低，作业人员劳动强度大。
　　自20世纪90年代起，市场带动需求，小种植户对果树种植的热情高涨[18]。此后，辅助升降作业平台也开始进入市场。1992年，浙江金华农机所开发出了专门用于采摘水果的升降机，其上升高度最大可达到7 m。2007年新疆机械研究所开发了国内第1台自走（手扶）履带式多功能果园作业平台（图4），命名为LG-1型多功能果园作业机[19]。该机特点是一机多用（采摘、修剪、喷药、运输、动力发电等）、1.5 m内自由升降、配备的可拆卸式发电机可为平台作业或照明提供用电、低地隙底盘保证其通过性好、可实现360°原地转向。该机的成功研制标志着我国果园机械进入多功能作业时代。
　　此后，随着我国果园向矮砧密植宽行距模式发展，国内对多功能作业平台的研究也越来越广泛[20]。如北京市农业机械试验鉴定推广站开发的小型多功能遥控动力平台，首次采用手动与无线遥控相结合的模式，可通过遥控器在60 m范围内控制平台转向、前进和停车。河北农业大学、森海机械公司等研发的可左右伸展的果园作业平台，该平台可加大作业人员采收范围、提高作业效率[21]。 　　2    国内现有机型分析
　　近年来，各高校和企业单位都对果园作业平台进行了深入研究。2013年，河北农业大学王鹏飞[22]以现代苹果产业体系果园机械岗位所研制的3GTD-2000为研究对象，设计研究了该平台进行升降和行进作业时的机电液一体化控制策略，即电动控制、液压传动、机械执行。软件方面，该平台采用液压传动、电液比例技术以及模糊PID控制方案为整体控制策略，并采用MSP430单片机为核心控制芯片。硬件方面，该平台采用了适当的传感器对剪叉式升降机构进行实时监控，提高了作业安全性，并且采用合适的液压元件搭建了升降模块的液压回路。该设计的优点是操作简单，可实时监控保证平台运行稳定，具有自适应能力和故障诊断能力，可减少机器损耗、延长机器使用寿命。
　　2016年，华南农业大学张花哲[23]设计了电动履带式多功能果园举升平台（图5）。该设计在确定采用履带式行走机构的基础上，对液压系统主要零部件进行选型，并对液压缸推力及关键参数进行确定计算，保证平台工作时的稳定性。该平台体型小，适用于丘陵山地，可辅助完成果树修剪、果实采摘、运输等工作。
　　2018年，山东农业大学王永振[24]研制出了果园多功能遥控作业平台（图6）。该平台采用平行四连杆升降机构，结构简单，升降过程平稳，但升降高度有限，最大举升高度为1.5 m。该平台的特点是可通过遥控控制平台在丘陵山地灵活作业，采用双向调平模式保证平台始终处于水平位置，可对整机部分进行拆卸并完成喷药、开沟施肥的功能。
　　2019年，江苏大学江世界等[25]研制出了果园单人操控式小型升降管理机（图7）。该设计根据苗木高度以及人体尺寸，对平台进行小型化处理。该平台长1 200 mm、宽800 mm，质量350 kg，仅为现有平台质量的1/6～1/2，可更好地满足丘陵果园的现有需求。此外，该平台仅由单人操控，解放了劳动力，提高了工作效率。2019年10月，潍坊沃林机械设备有限公司研制的四轮自走式作业管理平台（图8）。该平台的特点是可左右伸展增加作业范围且在采摘完成后无需人工搬运，提高了工作效率，降低了劳动强度。2019年，潍坊森海机械制造有限公司自主研发的4PZ-120型自走式果园采摘平台（图9）。该平台特点是具有左、右 2个工位，且均可以向两侧展开，平台总展开宽度可达2.6 m，处于2个工位的工作人员可同时作业，大幅提高了劳动效率。
　　3    果园作业平台的发展趋势
　　3.1    电动
　　随着科学技术的不断发展，电动作业平台已经成为发展趋势，主要因其有以下几方面优势：一是电动车依托电机驱动，不需要中冷系統散热，因而不需要大面积进气格栅为冷却液散热。二是电动车依托电机驱动，底盘上不需要安装排气筒和油箱，节省出大面积的底盘空间。节省出的部分空间被电池组占据，其他空间可提高作业平台的通过性。三是与柴油车相比，电动车的高效区间更加宽泛，无需增设变速箱，有较好的操控性能。
　　3.2    多工位
　　随着电子信息技术的不断完善和发展，果园作业平台能够融合单片机或PLC等控制技术实现2个甚至多个工位同时作业，不断提高作业效率。
　　3.3    可调平
　　根据我国果园的分布特点，对于可调平式果园作业平台的需求越来越迫切。目前已经生产出的可调平式作业平台尚不能准确无误完成调平功能，主要原因可能有以下几个方面：一是地面起伏不平，影响角度传感器对信号的采集;二是升降速度过快导致工作台出现惯性摆动;三是安装的各种零部件之间存在摩擦，影响调节的准确性。
　　3.4    机电液一体化
　　伴随液压和电液比例技术的不断完善发展[26-28]，果园作业平台能够实现无极变速，通过改变传动比，使平台的传动系数与发动机工况达到最佳匹配，从而提高工作效率。
　　3.5    融入导航与遥控技术
　　通过在果园作业平台中加入导航技术，果园作业平台可自动感知外部环境进而对行进路线自动导航。通过加入遥控技术，操作人员可远距离控制平台前进、后退、转向和平台升降等。
　　3.6    操作简便
　　果园的操作者多为农民，文化程度普遍偏低，这就要求平台操作方法简单、可靠性高、便于维护修理。
　　4    发展建议
　　针对我国果园平台发展现状，提出以下建议。一是目前，我国果园种植模式多为以家庭为单位分散种植，果园作业平台价格昂贵，小农户无法负担，政府应提供相应补贴政策。二是我国尚未有统一的果园种植模式，给研发果园作业平台带来困难。因此，政府应出台统一的种植模式，即行株距设置规范化[29-30]。
　　5    结语
　　针对我国果园管理作业劳动量大、劳动难度大等问题，优化现有果园作业平台和研发适合新种植模式的作业平台十分有必要。通过增加工位、提高作业平台行进时的稳定性可提高工作效率。通过加装或更换不同的配套器具可使平台完成不同的工作，实现一机多用，从而提高果农收入。
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