懸掛式多輪支撐旱地激光平地機設(shè)計與試驗

胡 煉 杜 攀 羅錫文 周 浩 唐靈茂 蘇洪毅

(1.華南農(nóng)業(yè)大學南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室， 廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學工程學院， 廣州 510642)

0 引言

平整的農(nóng)田能節(jié)約灌溉用水、提高灌溉效率、有效抑制雜草生長、改善作物成熟均勻性以及提高作物產(chǎn)量[1-3]。激光平地技術(shù)是先進的農(nóng)田平整技術(shù)，采用該技術(shù)平地可節(jié)水47%，較傳統(tǒng)的人工平地節(jié)水15%，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益[4-8]。

激光平地技術(shù)在歐美等國已廣泛應(yīng)用，Topcon、Trimble和John Deer等生產(chǎn)廠商可提供成熟的牽引式旱地激光平地機，同時在進一步拓展平地機功能和開展新技術(shù)研究。IRSEL等[9]設(shè)計了一種能夠自動調(diào)平和牽引力測量的激光平地機，采用雙油缸實現(xiàn)左右調(diào)平，通過測量牽引力實時監(jiān)測平地鏟拉土負載，平地鏟過載時能自動提升，達到節(jié)省時間和燃料的目的。HUSEYIN等[10]通過比較不同幅寬平地鏟工作時間，研究了預(yù)測平地鏟工作時間的數(shù)學模型。此外，基于GNSS的平地技術(shù)也逐步得到應(yīng)用[11-12]。我國于20世紀80年代引進國外機型進行試驗，并開始自主研發(fā)[13-16]，在激光控制系統(tǒng)方面取得了一些成果[17-20]。在我國北方地區(qū)，旱地激光平地機通過大功率拖拉機牽引，大面積農(nóng)田平整效率高，但其轉(zhuǎn)彎半徑較大，對小塊農(nóng)田適應(yīng)性較差。我國水稻種植地塊小，除了幾個平原地區(qū)外，大部分地區(qū)是小地塊，約占水稻種植總面積的70%。農(nóng)戶種植規(guī)模90%以上為0.13～0.33 hm2[21]?，F(xiàn)有的牽引式旱地激光平地機對于這種小塊農(nóng)田適用性較差，采用兩個輪胎作為支撐輪支撐平地鏟升降，在土壤松軟的田塊易出現(xiàn)明顯壓實輪轍[22]，影響平地效果。而無支撐輪支撐的懸掛式平地機難以實現(xiàn)激光控制平地，手動控制平地鏟升降仿形作業(yè)，平地效果差[23]。

本文針對牽引式旱地激光平地機轉(zhuǎn)彎半徑大、兩支撐輪支撐易產(chǎn)生輪轍等問題，研究設(shè)計一種懸掛式多輪支撐旱地激光平地機，并進行平地試驗。

1 懸掛式多輪支撐旱地激光平地機設(shè)計

1.1 整機設(shè)計

圖1 懸掛式多輪支撐旱地激光平地機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of multi-wheel support laser land leveler hanging on tractor1.三點懸掛機架 2.接收器調(diào)節(jié)桅桿 3.平地鏟 4.高程調(diào)節(jié)架 5.高程油缸 6.支撐輪架 7.支撐輪

懸掛式多輪支撐旱地激光平地機如圖1所示，主要由三點懸掛機架、接收器調(diào)節(jié)桅桿、平地鏟、高程調(diào)節(jié)架、高程油缸、支撐輪架和支撐輪組成。通過拖拉機三點懸掛機構(gòu)掛接平地鏟，利用三點懸掛機構(gòu)的浮動功能和多輪支撐實現(xiàn)平地鏟高程運動的調(diào)節(jié)，同時平地鏟可由拖拉機三點懸掛機構(gòu)手動提升。平地鏟與三點懸掛機架相連，高程調(diào)節(jié)架與平地鏟相接，支撐輪通過支撐輪架與高程調(diào)節(jié)架下端鉸接，高程油缸一端與高程調(diào)節(jié)架上端鉸接，另一端與支撐輪架鉸接，構(gòu)成一個兩邊長度不變一邊伸縮的三角形，實現(xiàn)平地鏟與支撐輪的相對運動。支撐輪由多個剛性輪組成，其總寬與平地鏟幅寬一致，增大輪子與田面的接觸面積，分散對田面的應(yīng)力，減少支撐輪壓實輪轍，同時適度均勻壓實表層松軟土壤。

1.2 工作原理

懸掛式多輪支撐旱地激光平地機通過三點懸掛機架與拖拉機三點懸掛機構(gòu)相連，將拖拉機三點懸掛機構(gòu)放至最低點并設(shè)為浮動功能，支撐輪支撐平地鏟升降，激光平地控制器控制高程油缸伸縮調(diào)節(jié)平地鏟高程運動，設(shè)置合適的平地鏟鏟土深度后切換激光平地控制器為“自動模式”。懸掛式多輪支撐旱地激光平地機作業(yè)原理如圖2所示，圖2a狀態(tài)下，農(nóng)田田面高度正好保證平地鏟高度在設(shè)定平地位置，激光接收器零位接收到激光信號，控制器不調(diào)節(jié)；圖2c狀態(tài)田面較高，控制器控制高程油缸縮短，拖拉機三點懸掛機構(gòu)和平地鏟下降至設(shè)定高度，平地鏟鏟土；圖2b狀態(tài)田面較低，通過控制高程油缸伸長驅(qū)動平地鏟上升到設(shè)定平面，平地鏟卸土。因此，在支撐輪支撐和激光平地控制器自動控制作用下，平地鏟鏟底始終以旋轉(zhuǎn)的激光平面為基準設(shè)定鏟土高度，對農(nóng)田表層土壤“挖高填低”，實現(xiàn)精準平地。

圖2 平地機工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of laser land leveler1.拖拉機 2.激光接收器 3.三點懸掛機構(gòu) 4.懸掛式多輪支撐旱地激光平地機 5.激光發(fā)射器

1.3 關(guān)鍵部件設(shè)計

1.3.1平地鏟與浮動調(diào)節(jié)分析

平地鏟鏟刀設(shè)計為切土角37°、拋土角37°、翻土角10°和鏟壁半徑0.25 m，可較好實現(xiàn)平地鏟鏟土、升土、翻土和集土功能，且減小切削阻力和表面沾土[24-26]。為保證平地鏟始終在理想的切土角和翻土角工作，作業(yè)時應(yīng)盡量保持平地鏟上下平動。因此，三點懸掛機架與拖拉機三點懸掛機構(gòu)掛接時，可調(diào)節(jié)三點懸掛機構(gòu)保證上下拉桿向側(cè)面投影呈平行四邊形，從而減小因上下拉桿處于不規(guī)則四邊形轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的高程調(diào)節(jié)平地鏟俯仰姿態(tài)變化，影響平地鏟作業(yè)和激光接收器接收激光信號的精度。

圖3為懸掛式多輪支撐旱地激光平地機平地鏟高程調(diào)節(jié)運動簡圖。黑色實線為平地鏟支撐輪架水平所處位置，藍色中心線表示平地鏟上升高度h后的位置。視拖拉機三點懸掛上下鉸接點處于豎直線上且固定不動，A為支撐輪架轉(zhuǎn)動點，E為高程油缸上鉸接點，AE處于豎直線上。B為高程油缸下鉸接點，C為支撐輪中心點。在平地鏟與拖拉機三點懸掛機構(gòu)浮動連接的情況下，由支撐輪支撐，高程油缸BE作為原動件伸縮驅(qū)動平地鏟的升降。

圖3 平地鏟升降原理圖Fig.3 Lifting principle diagram of leveling shovel

設(shè)計支撐輪與平地鏟放置地面上時，AC平行于地面，AE垂直于AC，當原動件BE伸長l后

(1)

(2)

油缸伸長長度為

l=lB′E′-lBE

(3)

因此，由式(1)～(3)得平地鏟上升高度h與油缸伸長長度l關(guān)系為

(4)

式中α——支撐輪架與高程調(diào)節(jié)架的夾角，(°)

h——平地鏟上升高度,mm

l——原動件BE伸長量,mm

lA′C′——A′C′的長度,mm

lB′E′——B′E′的長度,mm

lA′E′——A′E′的長度,mm

lBE——BE的長度,mm

1.3.2支撐輪與壓實分析

如圖1所示，支撐輪由支撐輪架和兩組剛性輪組成，兩組剛性輪通過支撐軸安裝在軸承座上，支撐輪架轉(zhuǎn)動點與平地鏟高程調(diào)節(jié)架下端鉸接。

農(nóng)田壓實增加土壤機械阻力和能耗[27]，土壤壓實是輪胎與土壤相互作用導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)被破壞的過程[22]，軸載相同時增大接觸面積是減少輪胎壓實的有效措施[28]。輪胎與剛性輪在土壤壓實應(yīng)力傳遞存在差異，由于壓力與載荷呈正比，與接觸面積呈反比，即在軸載相同的情況下，支撐面越大，越能減小支撐輪對田面的壓實影響。如圖4所示，若支撐輪由2組每組6個剛性輪組成，在軸載一定時，與2輪支撐對比，單個輪胎單次所造成的壓實可以深入到土壤中，而單個剛性輪壓實單次影響僅為單個輪胎的1/6，因此，采用多輪支撐可有效減小支撐輪的壓實輪轍。

圖4 壓實應(yīng)力對比示意圖Fig.4 Comparison diagram of compaction stress

2 田間試驗與結(jié)果分析

2.1 試驗方法

試驗于2018年12月在華南農(nóng)業(yè)大學科研基地試驗田進行，試驗現(xiàn)場如圖5所示。試驗樣機長×寬×高為2.25 m×2 m×3 m，質(zhì)量為335 kg，三點懸掛機架立柱高0.5 m，長1 m，鏟高0.5 m，支撐輪架長0.6 m，高程連接架鉸接點間距0.6 m，支撐輪外徑為0.5 m。試驗用久保田704型拖拉機，平地鏟最大上升高度為0.3 m。平地鏟以支撐輪接地處為基準線，高程油缸伸至最長時，平地鏟高于基準線0.3 m；高程油缸縮至最短時，平地鏟低于基準線0.18 m。即在高程油缸行程為0.2 m的情況下，平地鏟高程可升降0.48 m。 路上行走、田間掉頭或田間倒車時，由拖拉機控制三點懸掛機構(gòu)整體升降；田間作業(yè)時，則將拖拉機三點懸掛機構(gòu)放至最低位置并設(shè)置為浮動模式。

圖5 田間試驗Fig.5 Pictures of field experiment

圖6 控制系統(tǒng)原理圖Fig.6 Control system

如圖6所示，平地機激光控制系統(tǒng)[17-18]由激光發(fā)射器、激光接收器和控制器組成，激光發(fā)射器發(fā)射旋轉(zhuǎn)的激光為基準平面，安裝于調(diào)節(jié)桅桿上的激光接收器接收激光信號，控制器依據(jù)激光接收器信號通過液壓系統(tǒng)控制高程油缸伸縮自動調(diào)節(jié)平地鏟高程，始終保持在設(shè)定鏟土高度平地作業(yè)。

試驗田塊長×寬為50 m×35 m，前茬為玉米，試驗前旋耕一遍，含水率為15.93%。為了減少人為因素對田面高程測定的影響，將田塊按5 m×5 m網(wǎng)格劃分，共63個網(wǎng)格點。平地前后均采用全站儀，對試驗田塊中40 m×25 m進行網(wǎng)格化采樣(索佳CX-102LN，精度：(2+2×10-6D) mm)[29]。在田埂上選擇兩個穩(wěn)固的控制點，在其中一點設(shè)站，對中調(diào)平，選取另一點后視定向，手持棱鏡(高1.21 m)立于網(wǎng)格點田面，通過全站儀棱鏡尖粗瞄目標點，調(diào)焦精瞄測量坐標。采用緊實度儀(SC900型，每2.5 cm深度自動記錄一次緊實度，測量范圍：0～7 000 kPa)測量各網(wǎng)格點處0～30 cm緊實度，平整后在各網(wǎng)格點附近(距離小于5 cm)重復(fù)測量。

2.2 試驗結(jié)果與分析

2.2.1平地作業(yè)平整度

采用Matlab軟件處理全站儀測得的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖7所示。圖中黃色表示田面地勢較高，藍色表示田面地勢較低。從圖7a可以看出，平整前田塊高低不平，而圖7b所示顏色分布較均勻且趨向淺藍色，表明懸掛式多輪支撐旱地激光平地機作業(yè)實現(xiàn)了“挖高填低”的平地效果，圖中黃色較高區(qū)域是平地鏟內(nèi)土壤從平地鏟側(cè)面溢出形成的土堆。

圖7 平地前后平整度Fig.7 Flatness before and after leveling

為分析平整質(zhì)量，采用農(nóng)田田面相對高程標準偏差Sd評價土地平整精度[20]，田塊內(nèi)所有采樣測量點高程與期望相對高程絕對差小于3 cm的測量點累計百分比α評價田間地面形狀差異[30]，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 平整質(zhì)量統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Leveling quality statistics

圖8 土壤不同深度平均緊實度Fig.8 Average depth of soil compaction at different depths

田間平地作業(yè)表明，懸掛式多輪支撐旱地激光平地機能夠穩(wěn)定作業(yè)，田面最大高程差從平整前20.8 cm降至平整后7.3 cm，相對高度的標準偏差從平整前4.48 cm下降至平整后1.72 cm，平整后絕對差值小于3 cm的采樣測量點累計百分比為91.94%，懸掛式多輪支撐旱地激光平地機在小田塊作業(yè)效率高，顯著改善了田面平整情況。

2.2.2支撐輪壓實情況

為分析懸掛式多輪支撐旱地激光平地機對作業(yè)田塊的壓實影響，將網(wǎng)格點緊實度按平整后采樣點地勢變化分為地勢降低、地勢升高和整田3組。

田面地勢降低采樣點共40個，平均地勢相對于平地前下降了4.4 cm。為分析平地前后同一深度土壤緊實度變化，平整后地勢降低點的田面對應(yīng)平整前5 cm深處，如圖8a所示，平整后田面土壤緊實度為344.9 kPa，與平整前5 cm深處緊實度相近，緊實度隨深度增加而增大，到17.5 cm土壤深處緊實度基本不受影響。

平整后田面地勢升高采樣點共23個，平均地勢相對于平整前上升了1.8 cm。為分析平地前后同一深度土壤緊實度變化，平整前地勢升高點田面對應(yīng)平整后2.5 cm深處，如圖8b所示。對比平整前地勢升高點緊實度，平整后深度2.5～17.5 cm范圍內(nèi)，緊實度隨深度增加而增大，表明支撐輪對填土在0～17.5 cm處有明顯的壓實作用。填后松軟土壤經(jīng)過適度均勻壓實后，減少了土壤后期的沉降，更真實地反映了田面平整度。

對于整塊田，平整后田面地勢平均下降2.3 cm。為分析平地前后同一深度土壤緊實度變化，平整前地勢升高采用點田面對應(yīng)平整后2.5 cm深處，如圖8c所示。平整后深度2.5～17.5 cm范圍內(nèi)，緊實度隨深度增加而增大，趨勢與地勢升高點和地勢降低點一致。表明懸掛式多輪支撐旱地激光平地機作業(yè)對該田0～17.5 cm處土壤緊實度具有一定的壓實影響，深度達17.5 cm后土壤緊實度基本穩(wěn)定。

由上述分析可知，懸掛式多輪支撐型平地機對農(nóng)田壓實影響深度在0～17.5 cm內(nèi)。通過平地機挖高填低后，不論是高處挖后還是低處填后，表層土壤的緊實度基本一致。但若僅采用2支撐輪胎，與支撐輪接觸的土壤的壓實將超6倍，易出現(xiàn)明顯輪轍。

2.2.3轉(zhuǎn)彎半徑

牽引式旱地激光平地機轉(zhuǎn)彎半徑大，通常不考慮倒車作業(yè)，田角部分區(qū)域難以得到平整。但懸掛式平地機提升方便，能靈活倒車至田頭作業(yè)，如圖9所示。幅寬相同的懸掛式平地機和牽引式平地機田角作業(yè)路徑如圖9所示，圖中網(wǎng)格單位為1 m×1 m，紅色箭頭線表示平地機作業(yè)軌跡，拖拉機長4.5 m，牽引式平地機平地鏟長5 m，懸掛式平地機平地鏟的支撐輪長度1.5 m。圖9a為拖拉機提升懸掛式平地機倒至田角后前進作業(yè)，由于平地鏟后支撐輪長1.5 m，橫向和縱向平整不到的面積均為4.5 m2，橫向和縱向重合平整不到的面積為2.25 m2(圖中紅色斜線陰影部分)；圖9b為拖拉機牽引式平地機田角平整時沿田邊轉(zhuǎn)彎作業(yè)，因轉(zhuǎn)彎半徑大導(dǎo)致平整不到的面積達19.4 m2，是懸掛式平地機的8.6倍。

圖9 平地機田角作業(yè)對比Fig.9 Comparison of hanging and towing leveler in field corner

當田塊面積越小時，牽引式平地機不能平整的面積占比越大，如表2所示。100 m×100 m田塊牽引式平地機不能平整面積占比0.78%，田塊3、4不能平整面積占比分別達到5.8%和19.4%；而懸掛 式平地機不能平整面積占比小，分別是0.09%、0.68%和2.25%。因此，對于小田塊的平整作業(yè)，懸掛式旱地激光平地機優(yōu)勢明顯。

表2 不能平整面積所占百分比Tab.2 Percentage of area that can not be leveled

3 結(jié)論

(1)設(shè)計了懸掛式多輪支撐旱地激光平地機，實現(xiàn)了激光控制懸掛式平地機精準平地作業(yè)。田間試驗結(jié)果表明，田面最大高程差從平整前20.8 cm 降至平整后7.3 cm，相對高程標準偏差從平整前4.48 cm下降到平整后1.72 cm，平整后絕對差值小于3 cm的采樣測量點累計百分比91.94%，顯著改善了田面平整情況。

(2)懸掛式多輪支撐旱地激光平地機的多支撐輪對試驗田塊0～17.5 cm深度范圍的土壤緊實度具有一定壓實影響，深度17.5 cm及以上的土壤緊實度基本穩(wěn)定，整田表層土壤壓實均勻，可減少松軟區(qū)域土壤后期的沉降，保證了田面平整度。

(3)懸掛式平地機可減少不能平整面積占比，采用作圖法對比分析了懸掛式平地機與牽引式平地機在田角不能平整面積的比例，結(jié)果表明，在平整田塊4時，牽引式平地機不能平整面積高達19.4%，而懸掛式平地機僅為2.25%。