无轨电动采摘车的研究与应用

卓杰强，周增产，陈立振，卜云龙，曲维民

(1.北京京鹏环球科技股份有限公司，北京　100094；2.北京市植物工厂工程技术研究中心，北京　100094)



无轨电动采摘车的研究与应用

卓杰强1,2，周增产1,2，陈立振1，卜云龙1,2，曲维民1

(1.北京京鹏环球科技股份有限公司，北京100094；2.北京市植物工厂工程技术研究中心，北京100094)

摘要：我国温室内作物采摘收获主要是人工作业，没有辅助的配套设施设备，劳动消耗大、效率低。虽然目前相继推出有轨道的采摘车，但由于温室种植面积大，轨道的成本占比重较大。针对以上问题，开发了无轨道电动采摘车，实现了温室作业通道内无轨道采摘。该无轨采摘车主要由行走转移底盘、液压升降机构、工作平台、液压举升及控制部分等构成。该采摘车在温室狭窄的作业通道内运行，进行无轨道采摘作业，具有结构简单、操作容易、零排放及无污染等优点。经过实际生产试验，相对人工作业，工作效率可提高6～7倍。

关键词：温室；采摘车；无轨道；液压升降；电动

0引言

我国温室内作物采摘收获主要是人工作业，没有辅助的配套设施设备，劳动消耗大、效率低。虽然目前相继推出有轨道的采摘车[1]，但是由于温室种植面积大，轨道的成本占比重较大。针对以上问题，开发了无轨道电动采摘车，实现了温室作业通道内无轨道采摘。

1无轨电动采摘车结构和组成

无轨电动采摘车主要由行走转移底盘、液压升降机构、工作平台、液压举升及控制部分等构成，如图1所示。

1.1　采摘车行走转移底盘

以蓄电池为动力源，液压马达驱动，刹车制动器制动，采摘车能在温室栽培通道内进行移动行走。

底盘车架为采摘机械承重主体，采用车轮式行走结构。采摘机器在转换工作通道时需要转向，通过液压驱动进行方向转换[2]。控制箱和液压驱动机构等都安装在底盘车架上。

1.2　采摘车的液压升降机构

温室内一般采摘操作高度从1～5m之间，拟采用剪叉液压升降结构。

1.3　采摘车的工作台

工作平台直接与载荷接触，操作人员站在工作平台上采摘果实，且在工作平台上需要布置操作面板、电路控制柜等物品，所以工作平台要求结构安全、可靠。

1. 单轴操纵杆控制器(SH-JC100)　2.剪叉升降机构

1.4　采摘车的液压举升及控制部分

应用液压系统驱动温室采摘车的剪叉式升降台运动。采摘车的工作平台可以自动连续垂直升降，平台最大举升高度达到2.8m，并可在升降过程中自动停留在任意高度位置，以适应不同采摘作业高度[3]。

1.5　采摘车的控制系统

控制系统主要需要完成采摘车在温室栽培通道内的行驶功能、液压升降台的上升下降功能及栽培通道之间的转移。

2无轨电动采摘车驱动设计

采摘车选择用于工程车辆用的轮驱动马达，确定要求的马达最高转速，要求的最大扭矩和每个马达必须承担的最大负载。主要参数如下：

采摘车描述：4轮采摘车

采摘车驱动：两轮驱动

采摘车总质量(带载)GVW/kg：500

每个驱动轮上的质量/kg：150

轮子滚动半径/m：0.152 5

要求的加速度/km·h-2(10s内)：0～1.609

最高速度/kg·h-1(10s内)：1.609

爬坡能力/%：20

2.1　确定马达的最高转速

RPM=2.65·KPH·G/rm=28

式中KPH—采摘车最高速度(km/h)；

rm—轮子滚动半径(m)；

G—减速比(如果没有，G=1)。

2.2　确定马达的最大扭矩要求

选择1台能产生最够扭矩去推动采摘车的马达，必须确定采摘车的总牵引力(TE)。总牵引力为

TE=RR+GR+FA

式中TE—总牵引力；

RR—必须克服滚动阻力的力；

GR—要求爬坡的力；

FA—要求加速度的力。

2.2.1确定滚动阻力

滚动阻力(RR)是一个特定表面上推动采摘车所必须的力。推荐把采摘车可能遇到的最差路面类型系数代入公式，则有

RR=GVW·R/1000=10kg

式中GVW—采摘车总质量(带载)；

R—路面摩擦因数(选择R=20)。

2.2.2确定爬坡阻力

爬坡阻力(GR)是推动采摘车与爬坡所必须的力，则有

GR=坡度·GVW/100=100kg

2.2.3确定加速度力

加速度力(FA)是在要求的时间内使采摘车从停止到最高速度所必须的力，则

FA=KPH·GVW/(35.32t)=2.3kg

式中t—达到最高速度的时间(s)。

2.2.4确定总牵引力

牵引力(TE)是以上步骤1～步骤3中计算各项力的和，则

TE=RR+GR+FA=112.3kg

2.2.5确定马达扭矩

每个马达要求的马达扭矩是用总牵引力除以设备中使用马达的数目，则

T=TE·rm/(M·G)=8.56N·m(每个马达)

2.2.6确定轮子滑动

要保证采摘车将按照所设计的牵引力和加速度下运行，必须计算采摘车的轮子滑动(TS)。在特殊情况下，可能实际上需要轮子滑动去防止液压系统的过热和元件损坏使采摘车发生故障。

TS=W·f·rm/G=13.7N·m

式中f—摩擦因数，取f=0.6；

W—驱动轮上的加载采摘车的质量。

2.3　确定马达要求的径向载荷能力

当马达用于驱动把轮子或轮毂直接与马达轴连接的采摘车时，关键是马达的径向载荷能力要足以支撑采摘车。

3采摘车内外轮转角关系

采摘车在转弯行驶过程中，欲保证轮胎与地面间处于纯滚动而无滑移现象产生，则每个车轮的运动轨迹都必须完全符合它的自然运动轨迹。对于两轴采摘车而言，全部车轮绕同一瞬时转向中心回转，瞬时转向中心始终在后轮轴线的延长线上[4]，如图2所示。

由阿克曼原理确定的内外转向轮转角的关系为

ctgα-ctgβ=K/L

式中α—采摘车前外轮转角；

β—采摘车前内轮转角；

K—两主销中心延长线到地面交点之间的距离；

L—轴距。

此时，最小的转弯半径Rmin为

式中αmax—转向轮最大理论转角；

a—轮转臂；

L—轴距。

图2　采摘车内外轮转角关系图

4采摘车液压控制系统设计

4.1　升降台结构形式的分析

4.1.1升降台结构形式

剪叉升降台是常用的升降机械设备，由剪叉机构、传动装置、升降平台和机座等部件构成。剪叉机构起着传力和导向的作用，在传动装置的推动下，使升降平台平稳升降。剪叉式升降台提升高度大，升降平稳安全，便于定位，结构简单。但是，提升高度过高时，为了保证结构的稳定性，需要加大结构的刚性，导致质量偏大。根据提升高度、承载质量及结构尺寸，决定是单叉、双叉，还是多叉[2]。

4.1.2传动装置的选择

液压剪叉升降台有着结构紧凑、运行平稳、响应快、传递功率大、制造容易、易于操作、价格低廉、坚实耐用及便于维修保养等特点，在民航、交通运输、冶金、汽车制造等行业逐渐得到广泛应用。综上所述，选择液压剪叉升降平台作为举升系统的主体。

4.2　液压系统设计

无轨采摘车液压控制原理如图3所示。其控制操作4种作业工况：一是采摘车转向转移控制；二是采摘车刹车控制；三是采摘车工作平台举升控制；四是驱动液压马达行走控制。

1)当采摘车进行转向作业时，液压油经过齿轮电机泵加压后经过二位四通电磁阀E，再流过流量优先阀R1，通过三位四通电磁阀E1来控制转向油缸的转向。

2)当采摘车需要进行刹车停止作业时，液压油经过齿轮电机泵加压后经过二位四通电磁阀E，再流过流量优先阀R1，再进入刹车油口BR。

3)当采摘车进行举升作业时，压油经过齿轮电机泵加压后经过二位四通电磁阀E，进入上升油口L0，推动油缸推举剪叉机构上升。

4)当采摘车需要行走时，液压油经过齿轮电机泵加压后经过二位四通电磁阀E，再流过流量优先阀R1，再过差动式顺手阀R3进入三位四通电磁阀E3进入液压马达驱动行走。

P.进油口　T.回油口　M.测压油口　BR.刹车油口　L0.上升油口

4.3　无轨采摘车控制系统

控制系统采用单轴操纵杆控制器(SH-JC100)，采用德国技术的霍尔传感器设计，结构坚固，外型设计小巧，可提供稳定、精确的模拟电压输出信号，保证调速信号的准确与可靠。其采用双通道模拟电压输出，如图4所示。

主控制器(SH-FCU100)具有12路开关量输入接口，且都可以承受标准的安全电压(0.5～36V)；配置有12路电磁阀控制输出接口，可控制工程车辆中液压电磁阀，可以和电机速度控制器配合，实现电机速度的比例调节；所有连接满足工程机械应用的EMC要求，开路输入不影响控制器的正常工作；所有接口都有防止短路及接地保护，高速CAN接口或者485通讯接口。主控制器电路板及外观如图5、图6所示。

图4　单轴操纵杆控制器(SH-JC100)外观图

图5　主控制器(SH-FCU100)内部电路板

图6　主控制器(SH-FCU100)外观图

采摘车电气原理如图7和图8所示。

图7　电气原理图(1)

图8　电气原理图(2)

5结论

无轨道电动采摘车解决了在温室狭窄的作业通道内果树及黄瓜、番茄等高架作物采摘收获的难题，也可用于高架作物的整枝、人工授粉等多种农事作业。其劳动效率高、体积小、振动和噪音低，可实现无级调速及无轨道采摘作业，具有结构简单、操作容易、零排放及无污染等优点。实际生产试验表明：相对于人工作业，其工作效率可提高6～7倍，适用于在温室行业大规模推广应用。

参考文献：

[1]宋健,张铁中，徐丽明，等.果蔬采摘机器人研究进展与展望[J].农业机械学报，2006,37(5)：158-162.

[2]刘安琦．温室采摘车的机电液一体化设计[D].北京：北京工业大学，2009.

[3]王 鸿，顾金梅，李 飞，等. 温室采摘车的机电液一体化设计[J].科技传播，2014(11)：170-171.

[4]赵景川. 汽车内外转向轮转角的关系[J]. 汽车研究与开发，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

中图分类号：S233.74

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0128-05

作者简介：卓杰强(1979-)，男，广西宾阳人，高级工程师，硕士，(E-mail)zhuojq@163.com。通讯作者：周增产(1966-)，男，湖南邵阳人，教授级高级工程师，博士，(E-mail)zengchan@sina.com。

基金项目：北京市科委科技计划项目(D151100003715002)

收稿日期：2015-09-14