通用型寬幅農(nóng)機(jī)作業(yè)平臺(tái)分析與設(shè)計(jì)

馬家祥， 閆洪峰,， 賈雙龍， 田 甜1,， 李蓉萱， 王 志1,

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.北京金輪坤天特種機(jī)械有限公司，北京 100083）

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展至今，農(nóng)機(jī)裝備各式各樣，可以覆蓋耕整、種植、田間管理和收獲等農(nóng)田作業(yè)全過(guò)程，田間生產(chǎn)作業(yè)效率和質(zhì)量得到了極大提升。然而隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)朝著規(guī)模化、精準(zhǔn)化、保護(hù)性耕作的方向發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有的農(nóng)機(jī)裝備提出了更高的要求，如更小的土壤壓實(shí)、更高的作業(yè)效率及更高的經(jīng)濟(jì)性等。為此，考慮探索一種新型的農(nóng)機(jī)作業(yè)模式——通用型、機(jī)器人化及一機(jī)多能的寬幅作業(yè)平臺(tái)。本研究總結(jié)了通用型寬幅作業(yè)平臺(tái)研究現(xiàn)狀，以及其行走模式、分布式獨(dú)立轉(zhuǎn)向與驅(qū)動(dòng)及模塊化作業(yè)機(jī)具3 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)寬幅作業(yè)平臺(tái)3 種設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，提出初步設(shè)計(jì)方案，為通用型寬幅農(nóng)機(jī)作業(yè)平臺(tái)的研究開(kāi)發(fā)提供參考。

1 研發(fā)背景

拖拉機(jī)是使用最廣泛的農(nóng)業(yè)行走動(dòng)力裝備，田間作業(yè)一般采用拖拉機(jī)牽引作業(yè)機(jī)具的方式完成。此外還使用到高地隙自走式噴霧機(jī)、免耕播種機(jī)和聯(lián)合收獲機(jī)等自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械，這些農(nóng)機(jī)裝備往往只完成一種田間作業(yè)，在其他農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)，閑置農(nóng)機(jī)的行走動(dòng)力裝置處于閑置狀態(tài)，造成資源浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性不高。

拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生壓實(shí)作用，過(guò)度的土壤壓實(shí)影響土壤的理化性質(zhì)和生育性狀，從而影響作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量[1]。隨著農(nóng)機(jī)裝備不斷朝著大型化方向發(fā)展，土壤壓實(shí)的負(fù)面影響也日益凸顯，造成土壤退化，不利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展。使用農(nóng)機(jī)具耕作是減少土壤壓實(shí)的一種方式，淺層土壤壓實(shí)通常使用翻耕的方式來(lái)緩解，針對(duì)深層土壤壓實(shí)則通過(guò)深翻、深旋耕和深松等方式修復(fù)，但這些修復(fù)方式實(shí)行起來(lái)不經(jīng)濟(jì)，還造成了能源的浪費(fèi)[2]。

為應(yīng)對(duì)土壤壓實(shí)帶來(lái)的問(wèn)題，固定行走道（CTF）逐漸受到歐洲及澳大利亞等國(guó)家研究人員的重視[3-5]。CTF 指將所有田間作業(yè)車(chē)輛的土壤壓實(shí)限制在盡可能少的永久式行走道上，農(nóng)機(jī)作業(yè)造成的土壤壓實(shí)被限制在耕地中不到10%的區(qū)域以內(nèi)，而未使用CTF 系統(tǒng)的耕種方式則占到90%甚至更多，作物產(chǎn)量及綜合收益將因此得到提高[6]。CTF 系統(tǒng)雖然有效地減少了土壤壓實(shí)，改善了土壤質(zhì)量，然而這種系統(tǒng)一旦建立起來(lái)，受到尺寸的限制，窄輪距的拖拉機(jī)不適合在寬幅行間距的農(nóng)田中行駛，現(xiàn)有可用的與CTF 系統(tǒng)相匹配的農(nóng)機(jī)設(shè)備很少，拖拉機(jī)與作業(yè)機(jī)具需要經(jīng)過(guò)改裝才能應(yīng)用于CTF 系統(tǒng)，改裝優(yōu)化后成本較高。

龍門(mén)式拖拉機(jī)和寬幅作業(yè)平臺(tái)是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵[7]。寬幅作業(yè)平臺(tái)不同于傳統(tǒng)的拖拉機(jī)，底盤(pán)采用龍門(mén)式的梁架結(jié)構(gòu)，跨度在8～12 m 甚至更多，支持掛載耕、種、管、收配套作業(yè)機(jī)具實(shí)現(xiàn)寬幅作業(yè)，減少了農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)對(duì)土壤的往復(fù)碾壓，既提高了農(nóng)田作業(yè)質(zhì)量和效率，也減少了土壤壓實(shí)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 行走模式

傳統(tǒng)拖拉機(jī)縱向行駛，行走模式固定。寬幅作業(yè)平臺(tái)通過(guò)行走模式的轉(zhuǎn)換，不僅可以像拖拉機(jī)一樣在公路上縱向行駛，也可以在田間橫向?qū)挿鳂I(yè)，如圖1所示是傳統(tǒng)拖拉機(jī)與寬幅作業(yè)平臺(tái)在田間和道路上行走模式的對(duì)比。這種既可以縱向也可以橫向的行走模式基本解決了寬幅作業(yè)平臺(tái)道路行駛占道幅度大的問(wèn)題，為寬幅作業(yè)平臺(tái)發(fā)揮其生產(chǎn)作業(yè)優(yōu)勢(shì)提供了前提。

圖1 傳統(tǒng)拖拉機(jī)與寬幅作業(yè)平臺(tái)行走模式對(duì)比Fig.1 Comparison of conventional tractor and wide span operation platform driving pattern

寬幅作業(yè)平臺(tái)具備兩種行走模式：橫行姿態(tài)的田間工作模式，如圖2 所示；縱向姿態(tài)的道路行駛模式，如圖3 所示?；谶@兩種行走模式，全向行走包括前輪轉(zhuǎn)向、后輪轉(zhuǎn)向、四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向、蟹行和向心等轉(zhuǎn)向模式，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同行走模式下的行走轉(zhuǎn)向控制及行走模式間的相互切換。這些轉(zhuǎn)向方式在一定程度上解決了寬幅作業(yè)平臺(tái)因大跨度而造成的掉頭、轉(zhuǎn)向、換行、轉(zhuǎn)場(chǎng)和小地塊作業(yè)困難等問(wèn)題。

圖2 寬幅作業(yè)平臺(tái)田間工作模式Fig.2 Filed operation modes of wide span operation platform

2.2 分布式獨(dú)立轉(zhuǎn)向與驅(qū)動(dòng)技術(shù)

分布式獨(dú)立轉(zhuǎn)向與驅(qū)動(dòng)將各驅(qū)動(dòng)單元分別安裝在驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)或驅(qū)動(dòng)輪附近，驅(qū)動(dòng)單元包含行走驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行四輪獨(dú)立行走轉(zhuǎn)向控制。這種四輪獨(dú)立控制驅(qū)動(dòng)方式傳動(dòng)高效，結(jié)構(gòu)緊湊，容易實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)力學(xué)控制，改善車(chē)輛運(yùn)動(dòng)性能[8]。分布式四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向與驅(qū)動(dòng)如圖4 所示。

2.3 模塊化作業(yè)機(jī)具

傳統(tǒng)拖拉機(jī)牽引農(nóng)機(jī)具工作，牽引作業(yè)適應(yīng)能力好，但行走幅寬小，整個(gè)機(jī)組轉(zhuǎn)向不靈活。從耕整、種植、田間管理到收獲全過(guò)程使用多種類(lèi)的農(nóng)業(yè)裝備聯(lián)合作業(yè)，自走式農(nóng)田作業(yè)機(jī)具互換性及通用性程度不高，并且這也造成了一種農(nóng)機(jī)在作業(yè)時(shí)，動(dòng)力行走裝置處于閑置狀態(tài)，造成了農(nóng)機(jī)資源的浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性較差。耕、種、管、收田間作業(yè)全過(guò)程用到的拖拉機(jī)、自走式噴霧機(jī)和聯(lián)合收獲機(jī)如圖5 所示。

寬幅作業(yè)平臺(tái)采用懸掛的方式掛載農(nóng)機(jī)具，懸掛作業(yè)性能好。配套模塊化作業(yè)機(jī)具主要有耕整、種植、田間管理和收獲4 大類(lèi)，實(shí)現(xiàn)單機(jī)覆蓋耕、種、管、收全部生產(chǎn)過(guò)程，一機(jī)多能，提高了生產(chǎn)作業(yè)效率及行走底盤(pán)動(dòng)力的利用率，并且有效解決了現(xiàn)有小寬幅農(nóng)機(jī)裝備反復(fù)碾壓土壤造成的土壤壓實(shí)問(wèn)題，圖6 描述了搭配模塊化作業(yè)機(jī)具的通用型一體化寬幅作業(yè)平臺(tái)，模塊化作業(yè)機(jī)具包含耕整地裝置、播種裝置、插秧裝置、施肥裝置、噴霧機(jī)植保裝置和收獲裝置。

圖6 通用型一體化寬幅作業(yè)平臺(tái)作業(yè)模式Fig.6 Operation mode of universal integrated wide span operation platform

模塊化作業(yè)機(jī)具是寬幅作業(yè)平臺(tái)能否實(shí)現(xiàn)整機(jī)作業(yè)功能的關(guān)鍵組成部分，針對(duì)耕、種、管、收作業(yè)的特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)優(yōu)化農(nóng)機(jī)具結(jié)構(gòu)和空間布局。

3 方案分析

3.1 固定軌道作業(yè)平臺(tái)

田間寬幅作業(yè)的一種方式是預(yù)先在行間制備鋪設(shè)軌道，大跨度的剛性龍門(mén)架通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)輪組，在固定軌道上往復(fù)行走。橫梁上掛載可沿梁架橫移、升降的作業(yè)機(jī)具。這種固定軌道作業(yè)平臺(tái)行走軌道固定，只能沿軌道往復(fù)移動(dòng)，操作難度低，同時(shí)也在控制作業(yè)高度和深度上有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是這種工作的前提是需要預(yù)先在田地制備固定軌道，對(duì)行走軌道硬直性要求較高，不適用于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，通過(guò)性、機(jī)動(dòng)性較差，并且固定軌道平臺(tái)的田間?？颗c保養(yǎng)也是一個(gè)問(wèn)題。如圖7 所示是一種用于田間作物掃描監(jiān)測(cè)的龍門(mén)式移動(dòng)平臺(tái)Field Scanalyzer。

圖7 Field Scanalyzer 平臺(tái)Fig.7 Field Scanalyzer platform

3.2 兩輪驅(qū)動(dòng)龍門(mén)式拖拉機(jī)

兩輪驅(qū)動(dòng)龍門(mén)式拖拉機(jī)如圖8 所示，車(chē)身主體由一個(gè)大跨度的龍門(mén)架構(gòu)成，車(chē)身兩端有兩個(gè)橫向布置的驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)從動(dòng)腳輪，行走動(dòng)力裝置安裝在龍門(mén)架頂端，由液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，通過(guò)駕駛員在機(jī)身一側(cè)的駕駛座上操控兩個(gè)可轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自由轉(zhuǎn)向，既可以橫向移動(dòng)也可以縱向行駛。但是自由腳輪轉(zhuǎn)向不受控，田間工作牽引力有限。作業(yè)機(jī)具固定在約12 m 寬幅梁架上，橫向行走跨越耕種床作業(yè)。龍門(mén)式拖拉機(jī)對(duì)農(nóng)田固定道改造工作較少，比較容易實(shí)現(xiàn)，一定程度上減少了土壤壓實(shí)。

圖8 David Dowler 設(shè)計(jì)的龍門(mén)式拖拉機(jī)Fig.8 David Dowler’s gantry tractor

3.3 四輪/履帶獨(dú)立轉(zhuǎn)向與驅(qū)動(dòng)寬幅作業(yè)平臺(tái)

德國(guó)卡爾沃坎普創(chuàng)新公司組織研發(fā)了NEXAT 智能自走式作業(yè)平臺(tái)，如圖9 所示。NEXAT 作業(yè)平臺(tái)配有外部環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，駕駛員在可以旋轉(zhuǎn)270°的駕駛室內(nèi)對(duì)車(chē)輛作業(yè)進(jìn)行操作和監(jiān)控。行走系統(tǒng)由對(duì)稱分布在側(cè)向懸架上的4 個(gè)三角履帶輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制，每個(gè)履帶輪有3 個(gè)自由度，驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和底盤(pán)高度調(diào)節(jié)，能實(shí)現(xiàn)多種行走轉(zhuǎn)向模式，具有較高的行走性能和牽引能力。同時(shí)，不對(duì)稱的U 型框架設(shè)計(jì)便于集成的模塊化作業(yè)機(jī)具的安裝和拆卸，這對(duì)復(fù)雜的農(nóng)業(yè)機(jī)組裝備有更好的通用性。目前，動(dòng)力由兩臺(tái)獨(dú)立的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供，配有發(fā)電機(jī)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率404 kW，供電系統(tǒng)可由綠色氫能源電池代替。

圖9 德國(guó)卡爾沃坎普創(chuàng)新公司的NEXAT 自走式作業(yè)平臺(tái)Fig.9 Self-propelled platform NEXAT of German Kalverkamp Innovation GmbH

3.4 對(duì)比分析

表1 從通用性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性3 方面對(duì)固定軌道作業(yè)平臺(tái)、兩輪驅(qū)動(dòng)龍門(mén)式拖拉機(jī)和四輪/履帶獨(dú)立轉(zhuǎn)向與驅(qū)動(dòng)寬幅作業(yè)平臺(tái)3 種寬幅作業(yè)平臺(tái)方案進(jìn)行比較。固定軌道作業(yè)平臺(tái)只能在田間固定軌道使用，道路轉(zhuǎn)運(yùn)及農(nóng)機(jī)具安裝較不方便，實(shí)用性較差；兩輪驅(qū)動(dòng)龍門(mén)式拖拉機(jī)雖是車(chē)輛的形式，但受限于兩輪驅(qū)動(dòng)的形式，牽引力小，作業(yè)能力低，運(yùn)動(dòng)靈活性不高，駕駛操作不方便，影響工作效率；四輪/履帶獨(dú)立轉(zhuǎn)向與驅(qū)動(dòng)寬幅作業(yè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)靈活，自主作業(yè)能力較強(qiáng)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

表1 寬幅作業(yè)平臺(tái)方案綜合比較Tab.1 Comprehensive comparison of wide span working platform options

4 方案設(shè)計(jì)

寬幅農(nóng)機(jī)作業(yè)平臺(tái)有縱向和橫向兩種行走方式，縱向行走可滿足道路轉(zhuǎn)運(yùn)要求，橫向行走可滿足農(nóng)作物種植標(biāo)準(zhǔn)行間距要求，實(shí)現(xiàn)田間寬幅作業(yè)。

（1）具有前輪、后輪、蟹行、向心、四輪轉(zhuǎn)向和橫向等多種轉(zhuǎn)向模式。

（2）具有掛接多種配套作業(yè)機(jī)具的功能，可實(shí)現(xiàn)作業(yè)機(jī)具的整體升降和作業(yè)驅(qū)動(dòng)要求。

寬幅農(nóng)機(jī)作業(yè)平臺(tái)主要由駕駛室、車(chē)架、行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行走動(dòng)力系統(tǒng)、作業(yè)動(dòng)力系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、機(jī)具模塊掛接裝置、前后支撐裝置、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等組成，如圖10 所示。

圖10 寬幅農(nóng)機(jī)作業(yè)平臺(tái)Fig.10 Wide span working platform in agriculture

液壓系統(tǒng)為平臺(tái)的行走、轉(zhuǎn)向、剎車(chē)制動(dòng)、駕駛室位姿調(diào)整、懸掛動(dòng)作及作業(yè)機(jī)具的掛接鎖緊動(dòng)作提供液壓動(dòng)力。駕駛室模塊由駕駛室、底座和位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成，位姿調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)駕駛室的升降、左右旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，使駕駛位置調(diào)整為縱向駕駛、橫向駕駛等，滿足多種作業(yè)模式調(diào)節(jié)駕駛方位的需求。配合寬幅作業(yè)平臺(tái)行走模式的轉(zhuǎn)換，駕駛室做出相應(yīng)的位姿調(diào)整，符合車(chē)輛駕駛習(xí)慣，視野更廣闊，便于駕駛員操控作業(yè)。車(chē)架內(nèi)置行走動(dòng)力系統(tǒng)和作業(yè)動(dòng)力系統(tǒng)，外側(cè)集成作業(yè)機(jī)具掛接裝置，兩端集成懸掛裝置、液壓油箱和電控系統(tǒng)等。車(chē)架采用偏心工字型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成的 U 型區(qū)域便于掛接不同種類(lèi)機(jī)具模塊。

根據(jù)寬幅農(nóng)機(jī)作業(yè)平臺(tái)掛載多種配套作業(yè)機(jī)具的功能要求，機(jī)具掛接裝置采用通用的掛接形式，通過(guò)上掛鉤位置的對(duì)接及提升，實(shí)現(xiàn)下鏈接孔的自動(dòng)對(duì)齊，再通過(guò)鎖緊油缸完成機(jī)具的鎖緊，使機(jī)具掛接和更換更加簡(jiǎn)單、高效。懸掛系統(tǒng)由分布在車(chē)架前后橫向梁架兩端的4 個(gè)懸掛裝置組成。懸掛裝置由液壓懸掛油缸、定向升降筒組成，液壓懸掛油缸內(nèi)置傳感器，可實(shí)時(shí)檢測(cè)懸掛高度，懸掛高度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)可以提高寬幅作業(yè)的多地形、多地貌適應(yīng)能力。

行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由雙液壓馬達(dá)、回轉(zhuǎn)減速器、行走輪架和履帶驅(qū)動(dòng)輪組等4 組行走轉(zhuǎn)向裝置組成，采用分布式獨(dú)立轉(zhuǎn)向與驅(qū)動(dòng)的形式。行走轉(zhuǎn)向裝置作為整機(jī)的承載部件，是整機(jī)行走和轉(zhuǎn)向的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于整機(jī)總質(zhì)量較大，田間土壤較為松軟，為減少土壤壓實(shí)，通過(guò)增大與地面的接觸面積、減小接地比壓的方法，提高通過(guò)性，綜合考慮采用三角履帶作為整機(jī)的行走機(jī)構(gòu)，后期也可采用輪履互換式。前后支撐裝置實(shí)現(xiàn)作業(yè)平臺(tái)的行走模式切換動(dòng)作。行走動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵為整車(chē)提供液壓動(dòng)力，采用4 組獨(dú)立的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)向和行走驅(qū)動(dòng)，并為整機(jī)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)及作業(yè)機(jī)具提供液壓動(dòng)力。作業(yè)動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)為作業(yè)機(jī)具提供作業(yè)動(dòng)力。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程不斷推進(jìn)，農(nóng)機(jī)使用領(lǐng)域越來(lái)越廣，寬幅作業(yè)平臺(tái)應(yīng)用前景廣闊，其寬幅作業(yè)、一機(jī)多能的特點(diǎn)對(duì)于大田規(guī)?；a(chǎn)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，具有更高效的行走模式和作業(yè)模式、更好的通過(guò)性、更小的土壤壓實(shí)率，提高了田間作業(yè)質(zhì)量和效率，減少能源浪費(fèi)，提高了綜合收益，對(duì)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)規(guī)模化、精準(zhǔn)化和保護(hù)性耕作，以及保障糧食安全具有重要意義。國(guó)內(nèi)通用型寬幅農(nóng)機(jī)作業(yè)平臺(tái)的研究尚處于起步階段，針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，一方面需要完善基礎(chǔ)理論研究，另一方面進(jìn)行關(guān)鍵核心技術(shù)的攻關(guān)，集成創(chuàng)制出通用型一體化寬幅農(nóng)機(jī)作業(yè)平臺(tái)及其配套耕、種、管、收模塊化作業(yè)裝備。