履帶式聯(lián)合收獲機(jī)全向調(diào)平底盤設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

金誠謙 楊騰祥 劉崗微 王廷恩 陳 滿 劉 政

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014； 2.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 淄博 255000)

0 引言

小型履帶式聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、通過性好，在丘陵山區(qū)等惡劣的作業(yè)環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)履帶式聯(lián)合收獲機(jī)底盤為剛性底盤，當(dāng)?shù)乇韮A斜時(shí)，聯(lián)合收獲機(jī)車體會(huì)隨著地表傾斜。在水田等軟地面作業(yè)時(shí)，隨著糧箱重量增加，車體重心會(huì)向糧箱一側(cè)偏移，引起車身傾斜，造成聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)效率降低、駕駛舒適性變差，甚至?xí)l(fā)生側(cè)翻事故，危及駕駛員生命安全[2]。

歐美國家對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)底盤自動(dòng)調(diào)平技術(shù)研究起步較早，大型輪式收獲機(jī)和半履帶式收獲機(jī)自動(dòng)調(diào)平技術(shù)研究與應(yīng)用較多[3]。日本、韓國田塊較小，且潮濕帶水，小型履帶式聯(lián)合收獲機(jī)調(diào)平技術(shù)也有研究與應(yīng)用[4]。國內(nèi)對(duì)于自動(dòng)調(diào)平技術(shù)的研究起步較晚，主要應(yīng)用在工程機(jī)械、軍用坦克車、雷達(dá)車、林業(yè)機(jī)械上。在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，國內(nèi)對(duì)果園升降平臺(tái)[5-8]、農(nóng)機(jī)具調(diào)平控制系統(tǒng)[9-14]、丘陵山地拖拉機(jī)調(diào)平系統(tǒng)[15-20]研究較多，對(duì)履帶式聯(lián)合收獲機(jī)調(diào)平技術(shù)研究相對(duì)較少。徐立章等[21]提出一種聯(lián)合收獲機(jī)可升降履帶式底盤，有效提高了履帶式聯(lián)合收獲機(jī)對(duì)于深泥腳水田的適應(yīng)性。JING等[22]對(duì)履帶底盤提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，為全向調(diào)平底盤的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

本文采用鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)，結(jié)合電液控制技術(shù)，設(shè)計(jì)一種履帶式聯(lián)合收獲機(jī)全向調(diào)平底盤及其電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)底盤橫向與縱向的傾斜調(diào)整，以期提高聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)安全性，減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)效率和對(duì)復(fù)雜地面的適應(yīng)性。

1 底盤結(jié)構(gòu)與調(diào)平原理

1.1 底盤結(jié)構(gòu)

全向調(diào)平底盤結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括底盤上架、底盤下架、提升機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、底盤ECU、顯示器、液壓閥組和控制面板。其中，底盤上架包括車架、驅(qū)動(dòng)輪、托帶輪、姿態(tài)傳感器、位移傳感器。底盤下架包括張緊輪、負(fù)重輪、行走梁。提升機(jī)構(gòu)由前后拐臂、前后油缸、前后搖臂、輔助連桿組成。姿態(tài)傳感器固定于底盤上表面，位移傳感器通過連桿機(jī)構(gòu)與油缸輸出端連接。系統(tǒng)工作時(shí)，底盤控制ECU先采集姿態(tài)傳感器、位移傳感器和控制面板的數(shù)據(jù)，然后ECU根據(jù)當(dāng)前控制模式調(diào)用自動(dòng)或者手動(dòng)控制算法計(jì)算各提升機(jī)構(gòu)的目標(biāo)高度，最后通過控制電磁閥通斷使各提升機(jī)構(gòu)達(dá)到目標(biāo)高度，使底盤保持水平。全向調(diào)平底盤主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 全向調(diào)平底盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Posture controlled chassis structure diagram1.變速箱 2.底盤下架 3.底盤上架 4.升降機(jī)構(gòu) 5.顯示器 6.電子控制單元 7.液壓閥組 8.控制面板

表1 全向調(diào)平底盤主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main design parameters of posture controlled chassis

1.2 底盤調(diào)平原理

根據(jù)四點(diǎn)支撐平臺(tái)調(diào)平原理，全向調(diào)平底盤采用“中心點(diǎn)”不動(dòng)調(diào)平法[23]。建立的底盤坐標(biāo)系如圖2所示，以底盤上架的4個(gè)軸承座外端面圓的圓心連線所構(gòu)成的矩形幾何中心為坐標(biāo)系原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，過原點(diǎn)與底盤軸線垂直的坐標(biāo)軸為x軸，與底盤軸線平行的坐標(biāo)軸為y軸，垂直于底盤平面的坐標(biāo)軸為z軸，以右手法則規(guī)定坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)方向。繞底盤坐標(biāo)系橫軸x旋轉(zhuǎn)的角度α為俯仰角，繞縱軸y旋轉(zhuǎn)的角度β為橫滾角。

圖2 底盤坐標(biāo)系示意圖Fig.2 Diagram of body coordinate specification

如圖3所示，平面A表示底盤處于傾斜位置，平面B表示底盤的目標(biāo)位置，4個(gè)拐臂位置坐標(biāo)為P1、P2、P3、P4，底盤從A平面旋轉(zhuǎn)到B平面，在此過程中，原點(diǎn)保持不動(dòng)，底盤上各點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為

[x′y′z′]=Rx(α)Ry(β)[xyz]T

(1)

其中

(2)

(3)

式中Rx(α)——平面繞x軸的旋轉(zhuǎn)矩陣

Ry(β)——平面繞y軸的旋轉(zhuǎn)矩陣

式(1)轉(zhuǎn)換為

(4)

圖3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型Fig.3 Model of coordinate transformation

所以，A平面上的任意點(diǎn)與其在B平面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的距離為

ΔH=z′-z=-xcosαsinβ+ysinα+z(cosαcosβ-1)

(5)

因底盤的傾斜角比較小，可由極限定理近似認(rèn)為cosα=cosβ=1,sinα=α，sinβ=β。所以，在小角度范圍內(nèi)有

ΔH=αy-βx

(6)

由式(6)可知，平面內(nèi)任意點(diǎn)的升降高度ΔH與該點(diǎn)在原平面內(nèi)的坐標(biāo)有關(guān)，由圖2可知在底盤平面坐標(biāo)系內(nèi)，當(dāng)前底盤4個(gè)拐臂鉸接點(diǎn)到水平面的垂直距離為

(7)

式中 ΔH1——P1點(diǎn)到水平面垂直距離，mm

ΔH2——P2點(diǎn)到水平面垂直距離，mm

ΔH3——P3點(diǎn)到水平面垂直距離，mm

ΔH4——P4點(diǎn)到水平面垂直距離，mm

Lx——P1點(diǎn)到P2點(diǎn)距離，mm

Ly——P1點(diǎn)到P3點(diǎn)距離，mm

2 關(guān)鍵部件及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 底盤升降機(jī)構(gòu)

底盤升降機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要由車架、行走梁、前拐臂、后拐臂、前搖臂、后搖臂、輔助連桿、前液壓缸、后液壓缸、驅(qū)動(dòng)輪、張緊輪、托帶輪和負(fù)重輪組成。其中，液壓缸一端與機(jī)架連接，另一端與搖臂連接。搖臂與拐臂通過花鍵軸連接，同時(shí)繞著機(jī)架上的滑動(dòng)軸承座旋轉(zhuǎn)。前拐臂兩端與機(jī)架、行走梁連接，后拐臂通過輔助連桿連接機(jī)架與行走梁。驅(qū)動(dòng)輪與托帶輪安裝于機(jī)架上，負(fù)重輪與張緊輪安裝在行走梁上。

圖4 底盤升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Diagram of chassis hoisting appliance structure1.車架 2.張緊輪 3.負(fù)重輪 4.輔助連桿 5.后拐臂 6.后搖臂 7.托帶輪 8.后液壓缸 9.行走梁 10.前液壓缸 11.前拐臂 12.前搖臂 13.履帶 14.驅(qū)動(dòng)輪

底盤升降機(jī)構(gòu)屬于雙曲柄鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)[24]，后拐臂、輔助連桿、行走梁、前拐臂、車架構(gòu)成封閉平面鉸鏈五連桿機(jī)構(gòu)，各桿件長度為l1、l2、l3、l4、l5，旋轉(zhuǎn)角為θ1、θ2、θ3、θ4、θ5。該機(jī)構(gòu)有5個(gè)連桿、5個(gè)低副、0個(gè)高副，自由度為2，與原動(dòng)件個(gè)數(shù)相同，所以當(dāng)前拐臂與后拐臂運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定后，其余桿件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也相應(yīng)確定。在圖4基礎(chǔ)上以車架為基準(zhǔn)建立如圖5所示的封閉矢量多邊形，根據(jù)底盤結(jié)構(gòu)，使用作圖法確定各桿件的長度與初始角度，如表2所示。

圖5 鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)矢量圖Fig.5 Vector diagram of five-bar mechanism

表2 底盤升降機(jī)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Chassis hoisting mechanism parameters

如圖5所示的封閉矢量多邊形，若以l1、l2、l3、l4、l5表示各構(gòu)件的矢量，則該機(jī)構(gòu)的矢量方程可表示為

l1+l2+l3+l4+l5=0

(8)

將該矢量方程在坐標(biāo)軸投影，整理后得

(9)

根據(jù)方程(9)、表2中的桿件參數(shù)，使用解析法進(jìn)行求解[25]，可得前拐臂、后拐臂與輔助連桿、行走梁的旋轉(zhuǎn)角曲面如圖6所示。

由圖6a可知，當(dāng)前拐臂在10°～46°、后拐臂在180°～212°范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，輔助連桿旋轉(zhuǎn)角范圍為270°～291°，與后拐臂的最小角度差為58°，可使五桿機(jī)構(gòu)永遠(yuǎn)保持凸多邊形結(jié)構(gòu)，避免機(jī)構(gòu)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。由圖6b可知，行走梁旋轉(zhuǎn)角范圍為-7°～7°(由于機(jī)械限位，實(shí)際旋轉(zhuǎn)角為-5°～7°)。在前拐臂與后拐臂旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，輔助拐臂與行走梁的旋轉(zhuǎn)角曲面均為連續(xù)平滑的曲面，所以前拐臂與后拐臂無論單獨(dú)運(yùn)動(dòng)還是聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，都滿足行走梁角度輸出要求。

圖6 輔助連桿與行走梁旋轉(zhuǎn)角曲面Fig.6 Surface diagrams of connecting rod and working system angular displacement

2.2 底盤最大傾角

如圖7所示，當(dāng)?shù)妆P一側(cè)升降機(jī)構(gòu)降至最低，另一側(cè)升降機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)到最高，得到最大橫向角，其計(jì)算方法為

(10)

式中βmax——底盤最大橫向角，(°)

hmax——底盤最大提升高度，mm

B——履帶底盤軌距，mm

圖7 橫向傾角示意圖Fig.7 Lateral inclination diagram

如圖8所示，以底盤車架為基準(zhǔn)，底盤最大前傾角與最大后傾角計(jì)算方法為

(11)

(12)

圖8 前后傾角示意圖Fig.8 Lengthways inclination diagram

式中αq——底盤最大前傾角，(°)

αh——底盤最大后傾角，(°)

φmax——后拐臂最大轉(zhuǎn)角，(°)

σmax——前拐臂最大轉(zhuǎn)角，(°)

2.3 拐臂升降高度

前后拐臂升降高度用前后拐臂與車架鉸接點(diǎn)的離地高度表示，由圖9可知，前后拐臂升降高度為

(13)

式中h1——前鉸接點(diǎn)離地高度，mm

h3——后鉸接點(diǎn)離地高度，mm

σ——前搖臂轉(zhuǎn)角，(°)

σ0——前搖臂初始角，(°)

σ1——前搖臂旋轉(zhuǎn)角，(°)

φ——后搖臂轉(zhuǎn)角，(°)

φ0——后搖臂初始角，(°)

φ1——后搖臂旋轉(zhuǎn)角，(°)

e3——前拐臂與行走梁鉸接點(diǎn)到輔助拐臂與行走梁鉸接點(diǎn)的距離在行走梁截面上的投影，mm

r——負(fù)重輪半徑，mm

c——履帶厚度，mm

圖9 拐臂升降高度示意圖Fig.9 Diagram of lifting arm lift height

前拐臂與前搖臂固定鏈接，其旋轉(zhuǎn)角為σ，后拐臂與后搖臂固連，其旋轉(zhuǎn)角為φ。根據(jù)余弦定理可得前后拐臂的轉(zhuǎn)角為

(14)

式中r1——前搖臂與油缸鉸接點(diǎn)到車架鉸接點(diǎn)的長度，mm

r3——后搖臂與油缸鉸接點(diǎn)到車架鉸接點(diǎn)的長度，mm

s1——前油缸初始長度，mm

s3——后油缸初始長度，mm

Δs1——前油缸位移增量，mm

Δs3——后油缸位移增量，mm

e1——前油缸與車架鉸接點(diǎn)到前搖臂與車架鉸接點(diǎn)的長度，mm

e2——后油缸與車架鉸接點(diǎn)到后搖臂與車架鉸接點(diǎn)的長度，mm

ψ1——前搖臂與車架的初始夾角，(°)

ψ3——后搖臂與車架的初始夾角，(°)

由于輔助拐臂與行走梁的旋轉(zhuǎn)角范圍較小(小于20°)，搖臂在90°左右擺動(dòng)，根據(jù)極限定理，搖臂與拐臂旋轉(zhuǎn)角可近似為

(15)

所以，前后拐臂升降高度為

(16)

3 電液控制系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)

3.1 電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10(圖中LF、RF、LR、RR表示左前、右前、左后、右后液壓缸)所示。其中液壓系統(tǒng)包括液壓泵、過濾器、溢流閥、電磁換向閥、單向節(jié)流閥和液壓缸。液壓缸是底盤升降機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來源，底盤提升時(shí)，液壓缸克服重力做功，運(yùn)動(dòng)速度較慢，底盤降低時(shí)，液壓缸運(yùn)動(dòng)方向與底盤重力在液壓缸上的作用力同向，導(dǎo)致底盤失重，下降速度過快，在液壓缸回油路設(shè)置單向節(jié)流閥可在回油腔形成背壓，防止失重發(fā)生。在閥塊輸入端并聯(lián)溢流閥可以限制系統(tǒng)最高壓力，防止液壓缸到達(dá)極限位置后造成系統(tǒng)壓力過高。電磁換向閥是三位四通電磁換向閥，滑閥機(jī)能為J型結(jié)構(gòu)，作用是控制液壓缸的啟停以及運(yùn)動(dòng)方向的改變。

圖10 電液控制系統(tǒng)原理圖Fig.10 Diagram of electrohydraulic control system

電氣系統(tǒng)由位移傳感器、姿態(tài)傳感器、底盤姿態(tài)控制器、顯示器以及控制手柄組成。位移傳感器用來采集油缸的位移，并將油缸的位移轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)傳入控制器。底盤橫向與縱向傾斜狀態(tài)使用SINDT雙軸傾角傳感器測量結(jié)果通過RS232傳給底盤姿態(tài)控制器。顯示器用來顯示傳感器數(shù)據(jù)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)。調(diào)節(jié)手柄包括底盤傾斜調(diào)整手柄、底盤升降調(diào)節(jié)手柄和模式切換按鈕，用來手動(dòng)調(diào)節(jié)底盤姿態(tài)。底盤姿態(tài)控制器基于STM32F103C8T6單片機(jī)設(shè)計(jì)，集成了ADC集成轉(zhuǎn)換電路、光電隔離輸入電路、MOSFET輸出電路以及RS232、RS485和CAN通信電路。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

控制程序使用C語言開發(fā)，運(yùn)行平臺(tái)為STMF103C8T6單片機(jī)。系統(tǒng)運(yùn)行后，先讀取位移傳感器的數(shù)據(jù)，通過預(yù)先標(biāo)定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出每個(gè)油缸的目標(biāo)位移。讀取姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)通信協(xié)議從中獲取底盤的俯仰角與橫滾角。讀取面板手柄的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為底盤動(dòng)作指令。然后根據(jù)當(dāng)前的工作模式調(diào)用相應(yīng)的調(diào)平子程序，對(duì)底盤姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后所有數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送到顯示器進(jìn)行顯示與保存。

底盤姿態(tài)調(diào)節(jié)子程序分為自動(dòng)調(diào)節(jié)與手動(dòng)調(diào)節(jié)兩種控制模式。在手動(dòng)調(diào)節(jié)控制模式下，姿態(tài)調(diào)節(jié)必須通過4個(gè)油缸聯(lián)合動(dòng)作才能實(shí)現(xiàn)，在程序中預(yù)先設(shè)置6種姿態(tài)調(diào)節(jié)動(dòng)作，分別是：整體上升、整體下降、前升后降、前降后升、左升右降和左降右升。其中，前2種動(dòng)作由底盤升降搖桿控制，后4種動(dòng)作由底盤傾斜搖桿控制。6種動(dòng)作優(yōu)先級(jí)依次由高到低排列，在一個(gè)程序循環(huán)過程中，若產(chǎn)生多個(gè)動(dòng)作響應(yīng)，只有高優(yōu)先級(jí)的動(dòng)作可以被執(zhí)行到，若無任何動(dòng)作響應(yīng)，則4個(gè)油缸全部停止。

在自動(dòng)調(diào)節(jié)模式下，處理器先將位移傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為油缸的工作狀態(tài)，該狀態(tài)共分為上限位、下限位、正常3種。然后將底盤的傾斜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為液壓缸的位移增量，最后依次對(duì)每個(gè)油缸增量進(jìn)行判斷，輸出油缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，油缸驅(qū)動(dòng)底盤向水平狀態(tài)調(diào)節(jié)。自動(dòng)調(diào)節(jié)流程如圖11所示。

圖11 自動(dòng)調(diào)節(jié)流程圖Fig.11 Flow chart of auto control mode

4 試驗(yàn)

4.1 評(píng)價(jià)方法

由于全向調(diào)平底盤調(diào)平性能缺乏相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文使用底盤傾斜度評(píng)價(jià)全向調(diào)平底盤調(diào)平性能，并針對(duì)靜態(tài)調(diào)平與動(dòng)態(tài)調(diào)平提出相應(yīng)的評(píng)價(jià)參數(shù)。靜態(tài)調(diào)平性能評(píng)價(jià)參數(shù)包括控制器調(diào)節(jié)時(shí)間和傾斜度調(diào)節(jié)誤差，動(dòng)態(tài)調(diào)平性能評(píng)價(jià)參數(shù)包括傾斜度均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

底盤傾斜度由底盤俯仰角與橫滾角計(jì)算得到，計(jì)算公式為

(17)

式中αk——k時(shí)刻測量的底盤俯仰角，(°)

βk——k時(shí)刻測量的底盤橫滾角，(°)

γk——k時(shí)刻的底盤傾斜度，(°)

靜態(tài)調(diào)平評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算公式為

t=10(ke-ks)

(18)

(19)

式中t——控制器調(diào)節(jié)時(shí)間，s

ks——系統(tǒng)調(diào)節(jié)開始時(shí)記錄的俯仰角與橫滾角的采樣點(diǎn)數(shù)

ke——系統(tǒng)調(diào)節(jié)完成時(shí)記錄的俯仰角與橫滾角的采樣點(diǎn)數(shù)

γe——傾斜度調(diào)節(jié)誤差，(°)

動(dòng)態(tài)調(diào)平評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算公式為

(20)

(21)

Sγ——傾斜度標(biāo)準(zhǔn)差，(°)

N——單次試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)總點(diǎn)數(shù)

4.2 靜態(tài)調(diào)平試驗(yàn)

靜態(tài)試驗(yàn)在平坦無傾斜的水泥地上進(jìn)行，主要考察底盤的靜態(tài)調(diào)平性能。試驗(yàn)時(shí)，將底盤調(diào)節(jié)到前最低、后最低、左最低、右最低、左前最低、右前最低、左后最低、右后最低8種傾斜狀態(tài)，然后開啟自動(dòng)調(diào)平功能，底盤開始自動(dòng)從傾斜狀態(tài)調(diào)節(jié)到水平狀態(tài)，待底盤狀態(tài)穩(wěn)定后，關(guān)閉自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。上位機(jī)通USBCAN-E型CAN總線分析儀采集底盤俯仰角αk與橫滾角βk，根據(jù)式(17)計(jì)算底盤傾斜度γk，并繪制如圖12所示傾斜度變化曲線。

由圖12可知，當(dāng)?shù)妆P從前最低、后最低、右最低、左最低、左前最低、右前最低、左后最低、右后最低8種傾斜狀態(tài)開始調(diào)平時(shí)，初始傾斜度分別為5.9°、5.4°、6.0°、5.5°、5.2°、4.9°、4.2°、4.6°，調(diào)節(jié)時(shí)間為4.5、4.0、8.2、6.0、3.0、2.8、1.8、3.2 s，傾斜度調(diào)節(jié)誤差為0.32°、0.25°、0.46°、0.08°、0.61°、0.67°、0.47°、0.67°。調(diào)平時(shí)間最短為1.8 s，最大為8.2 s,平均調(diào)節(jié)時(shí)間4.2 s。傾斜度調(diào)節(jié)誤差最大值為0.67°，最小值為0.08°，均值為0.36°。所有調(diào)節(jié)過程中均未出現(xiàn)超調(diào)與振蕩現(xiàn)象。對(duì)比其他調(diào)節(jié)過程，圖12c調(diào)節(jié)過程中，傾斜度變化曲線存在多個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，是由于底盤上沒有安裝工作部件，重心位于右前方(發(fā)動(dòng)機(jī)附近)，導(dǎo)致左后方無法著地，四點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)破壞，系統(tǒng)多次調(diào)節(jié)與修正才能調(diào)平，使得傾斜度變化曲線出現(xiàn)多個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，增加了系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，底盤后方裝有工作部件與配重塊，不會(huì)出現(xiàn)“虛腿”現(xiàn)象。試驗(yàn)中由于手動(dòng)調(diào)節(jié)誤差，底盤傾斜度初始值只是接近最大值，部分方位并未達(dá)到最大值。

圖12 靜態(tài)調(diào)平試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Static experiment site

4.3 動(dòng)態(tài)調(diào)平試驗(yàn)

圖13 樣機(jī)田間試驗(yàn)Fig.13 Prototype field experiment

對(duì)底盤進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)平試驗(yàn)，主要考察底盤在田間作業(yè)的可靠性。試驗(yàn)于2019年8月在山東臨沂糧民農(nóng)場進(jìn)行(圖13)，試驗(yàn)選取坡地、畦溝田塊、水田等3種常見地面進(jìn)行自動(dòng)調(diào)平控制、手動(dòng)調(diào)平控制、固定地隙調(diào)平控制(手動(dòng)控制模式下將底盤離地間隙調(diào)節(jié)到最高)3種作業(yè)模式的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)坡地傾斜度為10°，試驗(yàn)畦溝田塊長5 m、寬0.8 m、溝深為10～15 cm，試驗(yàn)水田為連續(xù)降雨后的濕軟田，長度為10 m。試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)底盤以作業(yè)擋位從起點(diǎn)行駛至終點(diǎn)，平均速度2.5 km/h，然后不轉(zhuǎn)向原路倒回至起點(diǎn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用組態(tài)屏記錄，并根據(jù)式(20)、(21)計(jì)算出底盤的傾斜度均值與標(biāo)準(zhǔn)差。

如表3所示，在坡地與畦溝田塊試驗(yàn)中，固定地隙調(diào)平模式下傾斜度均值分別為7.1°、6.3°，標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.2°、2.7°，說明地形有傾斜且起伏較大。自動(dòng)調(diào)平控制模式下傾斜度均值分別為1.2°、2.7°，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.9°、1.8°，傾斜度均值與標(biāo)準(zhǔn)差均小于固定地隙調(diào)平模式，表明自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以改善底盤的傾斜狀態(tài)，提高底盤的穩(wěn)定性。手動(dòng)調(diào)平控制模式下，傾斜度標(biāo)準(zhǔn)差與固定地隙調(diào)平模式相比沒有明顯改進(jìn)，傾斜度均值介于自動(dòng)調(diào)平控制與固定地隙調(diào)平控制兩種模式之間，說明手動(dòng)調(diào)平控制模式有一定的調(diào)節(jié)作用，但調(diào)節(jié)穩(wěn)定性較差。在水田試驗(yàn)中，3種調(diào)平控制模式下，底盤傾斜度標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.6°、1.0°、0.9°，差異較小，傾斜度均值為0.8°、2.7°、4.7°，差異較大，說明地表有傾斜，但地形起伏較小，自動(dòng)調(diào)平控制模式下傾斜度均值小于1°，調(diào)平效果優(yōu)于坡地與畦溝田塊，表明在地形起伏較小的條件下，自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)調(diào)平性能更好，田間試驗(yàn)表明全向調(diào)平底盤可以提高聯(lián)合收獲機(jī)對(duì)不平坦地表的適應(yīng)性。

表3 田間試驗(yàn)測試結(jié)果Tab.3 Field experiment results (°)

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種聯(lián)合收獲機(jī)全向調(diào)平底盤，在聯(lián)合收獲機(jī)底盤傾斜時(shí)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)調(diào)平控制。自動(dòng)調(diào)平控制與手動(dòng)調(diào)平控制兩種調(diào)平模式可根據(jù)作業(yè)需求一鍵切換。該底盤縱向調(diào)節(jié)范圍為-5°～7°，橫向調(diào)節(jié)范圍為-6.5°～6.5°，底盤最大提升高度為130 mm。

(2)靜態(tài)調(diào)平試驗(yàn)表明，在前最低、后最低、左最低、右最低、左前最低、右前最低、左后最低、右后最低8種傾斜狀態(tài)下，底盤傾斜度調(diào)節(jié)誤差最大值為0.67°，平均調(diào)節(jié)時(shí)間為4.2 s。

(3)動(dòng)態(tài)調(diào)平試驗(yàn)針對(duì)自動(dòng)調(diào)平控制、手動(dòng)調(diào)平控制和固定地隙調(diào)平控制3種調(diào)平控制模式進(jìn)行了坡地、畦溝田塊、水田等地形下的調(diào)平對(duì)比試驗(yàn)。在坡地與畦溝田塊試驗(yàn)中，自動(dòng)調(diào)平控制模式可以改善底盤的傾斜狀態(tài)，提高底盤的穩(wěn)定性，手動(dòng)調(diào)平控制模式有一定的調(diào)節(jié)作用，但調(diào)節(jié)穩(wěn)定性較差。在水田試驗(yàn)中，自動(dòng)調(diào)平控制模式調(diào)平效果優(yōu)于坡地與畦溝田塊，說明在地形起伏較小的條件下，自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)調(diào)平效果更好。動(dòng)態(tài)調(diào)平試驗(yàn)表明，自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)可以減小底盤的傾斜度，提高底盤的穩(wěn)定性，增強(qiáng)聯(lián)合收獲機(jī)對(duì)不平坦地表的適應(yīng)性。