牽引式甜菜聯合收獲機自動對行系統設計與臺架試驗

王申瑩 胡志超 CHEN Charles 高學梅 顧峰瑋 吳惠昌

(1.農業農村部南京農業機械化研究所， 南京 210014； 2.農業農村部現代農業裝備重點實驗室， 南京 210014；3.奧本大學農學院， 奧本 AL 36849)

0 引言

為提高甜菜產量，甜菜主產區多采用壟作移栽方式種植。我國甜菜種植機械化水平較低，種植多以半機械化為主，導致出現種植行距不等、收獲期甜菜直線性差、塊根偏離行中心線等問題[1]。挖掘收獲時如挖掘鏟前進方向出現偏差，則造成漏挖、少挖或破損，需要人工再次挖掘，損失大、效率低。自動對行挖掘收獲是解決上述問題的主要技術之一。

國外對甜菜機械化收獲技術研究較早，但多集中在切頂機構及切頂質量影響因素、機械液壓式自動轉向和自動限深等方面[2-12]。國內張國鳳等[13]設計了切割厚度可調的甜菜切頂機構，并通過ADAMS 虛擬樣機進行了試驗驗證。李陽[14]設計分析了甜菜仿形切削裝置。王方艷等[1，15]研究了挖掘深度和挖掘距離對甜菜起拔力的影響，設計了一種機械式液壓對行導向裝置，并分析了導向機構的受力及運動特性。李建東等[16]設計了一種用于甜菜聯合收獲機的自動隨行導向組合式挖掘裝置。茍愛梅[17]設計了一種由帶輪傳輸、“V”形帶和倒“L”形擋板構成的定向裝置及利用固定圓盤式切刀為主要結構的小型甜菜切頂裝置。本團隊近年來提出主動式自動對行挖掘收獲方式，并研發出牽引式甜菜聯合收獲機科研樣機，對切頂裝置、輸送裝置以及自動對行系統進行了初步研究[18-22]。但影響自動對行性能的各因素及其影響趨勢尚不清晰，作業質量提升途徑尚不明確。

為此，本文設計4LT-A型甜菜聯合收獲機和4LTSYT-A型甜菜機械化收獲自動對行田間模擬試驗臺，以漏挖率、破損率和反應時間為自動對行性能指標，研究影響各性能指標的主要因素及影響規律，以期提高自動對行收獲靈敏性和作業性能。

1 結構與工作原理

4LT-A型甜菜聯合收獲機自動對行裝置主要由機架、牽引架、液壓糾偏執行機構、甜菜塊根偏離行中心線距離檢測機構以及挖掘機構等組成[22]，如圖1a所示。主要參數如表1所示。

圖1 甜菜自動對行聯合收獲機結構與原理圖Fig.1 Schematics of beet autofollow row combine harvester structure and principle1.主機架 2.后角度傳感器 3.牽引桿 4.前角度傳感器 5.牽引架 6.液壓缸 7.偏離距離檢測機構 8.挖掘機構 9.輸送鏈 10.行走輪

表1 聯合收獲機主要參數
Tab.1 Major performance parameters of combine harvester

參數數值配套動力/kW>50適應行距/mm500～700作業幅寬/mm1000～1400工作行數2(1行打葉,1行挖掘)挖掘深度/mm0～180作業速度/(m·s-1 )0.5～1.8生產率/(hm2·h -1 )0.12～0.36

聯合收獲機作業時，田間甜菜塊根與挖掘機構的相對位置主要有3種情況，如圖1b所示，當甜菜塊根位于正常區時，會被完好無損地挖起；位于破損區時，則導致少挖或挖破；位于漏挖區時，則會因超出挖掘機構的挖掘范圍而產生漏挖現象。

收獲作業前，手動調整挖掘機構的位置，使其對準壟頂兩側；帶有自動對行系統的甜菜聯合收獲機作業時，由偏離距離檢測機構感知甜菜塊根偏離行中心線的距離并將信息傳送給控制器；控制器分析計算后輸出電磁閥控制信號驅動液壓缸帶動牽引桿偏移，調整主機架的左右前進方向，進而帶動挖掘機構左右偏轉，使挖掘機構對準甜菜塊根收獲；同時，前后角度傳感器和實時監測自動對行機構是否糾偏到位，以確保挖掘收獲前進路線始終與田間壟上甜菜塊根分布一致，使甜菜塊根始終位于正常區，實現自動對行挖掘收獲，以減少漏挖和破損。

2 關鍵部件設計與參數確定

2.1 偏離距離檢測機構

作為自動對行系統關鍵部件的偏離距離檢測機構，主要由四連桿機構、角度傳感器、信號轉換機構、復位彈簧和左右探測桿等組成，如圖2所示。固定架與收獲機連接，掛桿上安裝有左右探測桿，固定架、掛桿與連桿構成平行四連桿機構，彈簧限位板與復位彈簧實現探測桿發生偏移后產生復位力，角度傳感器通過傳感器安裝板與固定架固連，角度傳感器空心軸通過傳感器支板和傳感器連接軸與掛桿固連。

圖2 偏離距離檢測機構結構與原理圖Fig.2 Deviation distance detection mechanism1.傳感器安裝板 2.角度傳感器 3.傳感器連接軸 4.傳感器支板 5.右探測桿 6.右彈簧限位板 7.復位彈簧 8.左彈簧限位板 9.連桿 10.掛桿 11.軸承 12.固定架 13.固定架軸承 14.擺桿

收獲作業時，左右探測桿感知壟上甜菜塊根的左右偏移，通過四連桿機構帶動掛桿、傳感器支板和傳感器連接軸旋轉，信號轉換機構將探測桿的左右位移轉換為角度變化量傳輸給角度傳感器，角度傳感器將角度變化量轉換成數字脈沖信號傳輸給控制器。

其中信號轉換機構是檢測機構的核心部分，主要是將甜菜塊根偏離行中心的左右位移轉換成角度傳感器能識別的角度信號。其結構如圖2b所示，主要由傳感器安裝板、擺桿、傳感器連接軸、掛桿和連桿組成。傳感器外殼與傳感器安裝板固定連接，掛桿的橫軸穿過傳感器安裝板的圓孔與傳感器的轉動軸固定連接，掛桿的豎板上開有長形孔(長形孔有助于擺桿橫軸與傳感器軸對心)，傳感器連接軸穿過長形孔(連接軸外表面與長形孔內表面相切)并與掛桿固定連接，探測桿與掛桿固定連接。

為保證偏離的塊根都能順利通過檢測裝置，且減少探測桿與偏離距離較小的塊根的頻繁碰撞，探測桿設計成后傾倒八字形，且入口、出口寬度(如圖2所示)滿足

w1≥d

(1)

w2≥2(H+d/2)

(2)

式中w1——后傾倒八字形探測桿出口處寬度，mm

w2——后傾倒八字形探測桿入口處寬度，mm

H——甜菜塊根偏離行中心距離，mm

d——甜菜塊根直徑，mm

經對甜菜主產區實地測量，H為0～90 mm，d為50～140 mm。甜菜塊根直徑分布如圖3所示。代入式(1)、(2)并考慮結構尺寸，設計得w2=400 mm，w1=250 mm。

圖3 甜菜塊根直徑分布Fig.3 Diameter distribution of beet root

偏離距離檢測機構運動示意圖如圖4所示，作業時，偏離距離檢測機構左右探測桿分別位于甜菜塊根的兩側，當與偏離的甜菜塊根接觸碰撞產生偏離距離±H時，四連桿機構將位移變化量±H轉換為角度傳感器的角度變化量±Δα(設逆時針為正)。

圖4 檢測機構運動示意圖Fig.4 Schematics of detection mechanism movement

由上述分析和圖4可知，當甜菜塊根偏移量H<(w1-d)/2時，偏離距離檢測機構不響應甜菜塊根的偏移量，這有利于消除偏離距離檢測機構因甜菜塊根的微小偏移而產生頻繁擺動；當甜菜塊根偏移量H≥(w1-d)/2時，探測桿與偏離的甜菜塊根接觸碰撞并產生偏離位移，同時帶動角度傳感器旋轉軸產生旋轉角度，控制器根據角度傳感器輸出的α，計算出甜菜塊根的偏移量(將探測桿擺動的弧線長度近似為直線長度)

H=l+w1/2-d/2

(3)

其中

l=παR/180

(4)

式中l——探測桿產生的偏離位移，mm

α——角度傳感器的轉動角，(°)

R——探測桿擺動半徑，mm

w1=250 mm，設計時取R=350 mm，甜菜塊根直徑取平均值d=120 mm，代入式(3)、(4)可得甜菜塊根偏移量計算公式為

H=6.11α+65

(5)

2.2 液壓糾偏執行機構

圖5 液壓糾偏執行機構結構簡圖Fig.5 Schematic of hydraulic deviation correction actuator1.后傳感器安裝板 2.后角度傳感器 3.旋轉軸套 4.擺桿 5.后傳感器連接軸 6.牽引桿 7.油缸 8.車架

液壓糾偏執行機構主要接收控制器發出的控制信號，通過液壓缸帶動挖掘機構左右移動進行對正挖掘，同時將糾偏轉向機構的轉向角度實時反饋給控制器，防止調整過量。其結構如圖5所示，主要由后傳感器安裝板、擺桿、后傳感器連接軸、牽引桿和液壓油缸等組成。牽引桿一端與拖拉機鉸接，一端與車架鉸接；油缸一端與牽引桿鉸接，一端與車架鉸接，構成三角形轉換機構。后傳感器安裝板與車架固定連接，旋轉軸套安裝在后傳感器安裝板上，后傳感器連接軸焊接在牽引桿上。后傳感器外殼與旋轉軸套固定連接，擺桿的豎軸穿過旋轉軸套與傳感器的轉動軸固定連接，擺桿的橫板上開有長形孔，后傳感器連接軸穿過長形孔(連接軸外表面與長形孔內表面相切；前角度傳感器與后角度傳感器形式和安裝結構相同，圖5中省略)。

根據聯合收獲機整機空間結構(長度、寬度等)，借鑒日本常用的牽引式甜菜聯合收獲機并結合液壓油缸常用規格尺寸，設計檢測機構到前角度傳感器在前進方向上的長度L1=1 160 mm，車架與牽引桿和液壓缸兩鉸接點之間的距離L2=510 mm，牽引桿與液壓油缸和機架兩鉸接點之間的距離L3=410 mm。

液壓油缸作為液壓糾偏執行機構的主要部件，參照文獻[21]和GB/T 2348—1993液壓缸缸內徑和活塞桿直徑系列，設計活塞桿直徑d1=32 mm，油缸內徑d2=63 mm，油缸外徑D=71 mm，行程S=250 mm。

作業時，當偏離距離檢測機構檢測到甜菜塊根的偏移，控制器根據式(5)計算出塊根偏移量H時，為實現自動對行挖掘，控制器應輸出控制信號使液壓缸伸縮一定距離ΔLy，帶動挖掘鏟向相同方向偏移相同的距離。如圖6所示，理想條件下拖拉機牽引甜菜聯合收獲機沿直線行走，牽引桿與前進方向的夾角為β，且β=θ。控制器根據前角度傳感器(圖1)偏移角β的變化量Δβ計算挖掘機構的偏移量。甜菜根塊偏移量H和液壓缸伸縮量ΔLy與Δβ、Δθ的對應關系近似為

圖6 液壓糾偏執行機構運動示意圖Fig.6 Schematic of hydraulic deviation correction actuator

(6)

(7)

式中 Δθ——后角度傳感器角度變化量，(°)

L4——挖掘機構到檢測機構的距離，mm

理想條件下Δβ=Δθ，將設計值L1=1 160 mm、L2=600 mm、L3=410 mm代入式(6)和式(7)，簡化得

Δβ=0.033H

(8)

ΔLy=L3H/(L1+L2)=0.233H

(9)

3 試驗

3.1 試驗材料

選取甜菜主產區之一的內蒙古自治區烏蘭察布市察哈爾右翼前旗的甜菜作為試驗材料，品種為吉甜系列。隨機選取的甜菜塊根直徑為80～120 mm，長度為150～200 mm，單顆質量為0.5～1.5 kg。

3.2 評價指標

由上述分析可知，與甜菜聯合收獲機自動對行相關的收獲質量性能指標主要有漏挖率、破損率及自動對行系統靈敏性(具體為系統反應時間)，參考NY/T 1412—2007《甜菜收獲機作業質量》，定義試驗評價指標為

(10)

(11)

T=T1+T2+T3

(12)

式中ηl——漏挖率，%

ηp——破損率，%

Mlz——漏挖的塊根質量，kg

Mpz——破損的塊根質量，kg

M——試驗塊根總質量，kg

T——自動對行系統反應時間，s

T1——偏離距離檢測系統信號提取時間，s

T2——信號處理控制系統處理時間，s

T3——液壓糾偏執行系統動作時間，s

3.3 試驗設備和儀器

在對甜菜收獲機進行田間試驗時，需要較好的氣象環境，且在試驗過程中需調整挖掘機構與甜菜壟的對中性，以避免產生太大偏差。由于甜菜收獲機體積龐大，操作繁瑣，田間試驗時大多時間消耗在移動、調整收獲機上，而非試驗或數據采集上。由此產生了田間試驗成本高、費時費力且易受天氣環境影響等問題，長期以來一直影響著甜菜收獲機的田間試驗效率和試驗數據的獲取。

為解決上述問題，本文設計了4LTSYT-A型甜菜機械化收獲自動對行田間模擬試驗臺，如圖7所示。該試驗臺可模擬田間甜菜不同株距、不同偏離行中心線距離等種植農藝參數及收獲機不同的前進速度，主要由機架、株距調節裝置、偏離行中心距調節裝置、運行速度調節裝置、傳動裝置、張緊裝置以及傳動鏈的防下垂裝置等組成。主要參數如表2所示。

圖7 4LTSYT-A型甜菜機械化收獲自動對行試驗臺Fig.7 Model 4LTSYT-A beet harvest mechanization autofollow row bench1.變頻電機 2.電機安裝架 3.傳動帶 4.主動鏈輪 5.帶座軸承 6.甜菜安裝桿 7.滑塊 8.滑槽 9.托鏈盒安裝板 10.托鏈盒 11.機架 12.傳動鏈 13.從動鏈輪 14.傳動鏈附板 15.主動鏈輪安裝軸 16.主動帶輪 17.從動帶輪 18.螺母

表2 4LTSYT-A型試驗臺主要技術參數
Tab.2 Main technical parameters of type 4LTSYT-A bench

參數數值外形尺寸(長×寬×高)/(mm×mm×mm)4600×780×240配套電機功率(轉速)/kW(r·min-1)0.55(1430)變頻器功率/kW0.75偏離行中心距離/mm0～350株距/mm25～800前進速度/(m·s-1)0～2.08

偏離行中心距離的調節：可通過調節螺母的松緊使甜菜安裝桿連同滑塊在滑槽上左右滑動，來模擬田間塊根偏離行中心線的距離。株距的調節：可通過改變兩滑槽之間間隔的傳動鏈附板的個數或改變兩塊根固定裝置之間間隔的滑槽個數來模擬田間不同的株距。前進速度的調節：可通過調節變頻電機的轉速來改變從動帶輪的轉速，進而改變傳動鏈的運動速度。

其他主要試驗設備：4LT-A型甜菜聯合收獲機和約翰迪爾1054型拖拉機。主要器材有：TGT-100型臺秤(量程100 kg，精度0.02 kg)、卷尺(量程5 m，精度1 mm)、福祿克931型轉速計(量程1～19 999 r/min，精度±0.02%)、FastecHiSpec 5型高速攝影儀(CMOS探測器，290萬像素, 8 bit黑白或RGB彩色；感光度：1000ISO彩色；光譜帶寬：400～900 nm；拍攝速度：最高分辨率下可達523 f/s，降低分辨率情況下，可達272 135 f/s)、福祿克190～102型示波器(2通道，帶寬100 MHz，垂直分辨率8 bit，最大實時采樣速率1.25 GS/s，每通道27 500點的記錄長度)、BM902型萬用表。

3.4 試驗方法

將4LTSYT-A型甜菜機械化收獲自動對行田間模擬試驗臺置于4LT-A型甜菜聯合收獲機挖掘機構和偏離距離檢測機構的下方，動力由變頻電機提供；4LT-A型甜菜聯合收獲機由約翰迪爾1054型拖拉機牽引掛接并提供動力，如圖8所示。

圖8 收獲機和試驗臺位置關系圖Fig.8 Diagram of harvester and test bench position

為避免挖掘機構與試驗臺上塊根安裝桿剛性接觸碰撞，設計了彈性挖掘機構代替原剛性挖掘機構，如圖9所示，其主要由內外八字形彈性桿、鎖緊螺栓、套筒和安裝螺栓組成。套筒通過安裝螺栓固定在挖掘機構安裝架上，彈性桿裝入套筒中并通過鎖緊螺栓固定。試驗時，當甜菜塊根與彈性桿內八字部分接觸時，代表此塊根破損；當與外八字部分接觸時，代表此塊根漏挖；與彈性桿內、外八字部分均未接觸代表此塊根正常挖起。試驗過程采用高速攝影儀進行監測，以計算漏挖率和破損率。

圖9 彈性挖掘機構Fig.9 Flexible digging mechanism1.套筒 2.鎖緊螺栓 3.安裝螺栓 4.彈性桿內八字部分 5.彈性桿外八字部分

為測量自動對行系統反應時間，將偏離距離檢測系統的傳感器和液壓糾偏執行機構處的反饋傳感器分別接入到示波器的藍、紅兩通道，如圖10所示。通過分析兩傳感器的波形，測量出自動對行系統的反應時間。

圖10 系統反應時間測量Fig.10 System response time measurement

3.5 因素水平選取

根據對牽引式甜菜聯合收獲機自動對行系統工作原理和前期虛擬試驗研究結果[22]，彈簧預緊力Fy、供油壓力ps、液壓流量q、作業前進速度v、株距L和偏離距離H對自動對行作業有較大影響，是影響漏挖率、破損率和反應時間等性能指標的重要參數。因此試驗選擇上述6個因素進行試驗，進一步分析各因素對各性能指標的影響。

彈簧預緊力：選用同一種剛度的彈簧絲制作長度不同的彈簧，并在WDW-10型力學電子萬能試驗機上測量各彈簧拉伸到安裝長度時的實際拉力。液壓流量和供油壓力：通過調節4LT-A型甜菜聯合收獲機液壓系統的流量調節閥和溢流閥來改變液壓流量和供油壓力。其余參數設置見田間模擬試驗臺相關內容。

根據作者前期的設計分析和虛擬仿真試驗結果[22]及對中國甜菜主產區實地調研數據的統計分析結果，設置各因素水平如表3所示。

3.6 試驗結果與分析

3.6.1彈簧預緊力的影響

為研究彈簧預緊力對各性能指標的影響規律，試驗方案采取單因素試驗，根據前期虛擬試驗中自動對行效果較好的各因素水平，取供油壓力ps=18 MPa，液壓流量q=25 L/min，作業前進速度v=1.2 m/s，偏離距離H=60 mm，株距L=300 mm。每個因素水平重復試驗3次，結果如表4所示，對重復試驗取均值，結果如圖11所示。

表3 試驗因素水平Tab.3 Levels of test factors

表4 彈簧預緊力對各指標的影響Tab.4 Influence of spring preload on indexes

圖11 彈簧預緊力對各指標的影響Fig.11 Influence of spring preload on indexes

用SPSS 19.0軟件在顯著性水平α=0.05下對彈簧預緊力進行P檢驗，方差分析如表5所示，結果表明，彈簧預緊力對反應時間的影響極顯著，對漏挖率和破損率的影響顯著。

表5 彈簧預緊力對各指標影響的方差分析Tab.5 Variance analysis of spring preload on indexes

從圖11可以看出，彈簧預緊力在53～346 N變化時，自動對行系統反應時間增加。這是因為隨著復位彈簧預緊力的增加，兩探測桿之間的拉力增大，探測桿的擺動阻力增大，擺動困難，擺動速度變慢，增加了偏離距離檢測系統的信號提取時間，進而增加了反應時間。

預緊力在53～346 N變化時，漏挖率和破損率呈先減小后增大的趨勢。這主要是由于泥土灰塵的存在，偏離距離檢測機構的轉動部分自身存在一定的摩擦力；當探測桿擺動后，需要一定的拉力克服摩擦力使探測桿復位，且拉力越大復位越快；同時為防止收獲過程中由于機器的振動而導致探測桿抖動，及在平衡位置時防止探測桿稍受到力(如雜草、甜菜莖葉、松軟土塊等的擾動)就往復擺動，復位彈簧需要一定的預緊力；當預緊力從小于上述兩個力中的最佳值逐漸增大并超過最佳值時，漏挖率和破損率會先減小后增大；且當預緊力增加到Fy=198 N時，漏挖率和破損率減小到最低，分別為2.34%、3.77%，隨后增加。

3.6.2前進速度的影響

對前進速度進行單因素試驗，彈簧預緊力固定為上述單因素試驗中漏挖率和破損率最小時的較佳值Fy=198 N，其他同3.6.1節。每組試驗重復試驗3次，取均值，試驗結果如圖12所示。

圖12 前進速度對各指標的影響Fig.12 Influence of forward speed on indexes

由圖12可知，隨前進速度的增加，反應時間逐漸減小并趨于穩定，漏挖率和破損率呈逐漸增大趨勢，且在速度超過1.2 m/s時破損率增大加快。

給定顯著性水平α=0.05，方差分析結果如表6所示，結果表明反應時間、破損率和漏挖率均滿足P<0.01，因此前進速度對反應時間、漏挖率和破損率的影響均極顯著。

表6 前進速度對各指標影響的方差分析Tab.6 Variance analysis of forward speed on indexes

隨著前進速度的增加，探測桿與甜菜塊根的碰撞接觸時間減小，從而減少了偏離距離檢測系統的信號提取時間；但當速度大到一定程度后，系統各環節的反應時間將達到“飽和”狀態；所以隨著前進速度的增加，反應時間逐漸減小并趨于穩定。但前進速度的增加和反應時間的減小，使挖掘機構在反應時間內還沒有調整到位就已開始挖掘，所以導致漏挖率和破損率的增加。從圖12中還可以看出，當v<0.8 m/s時，挖掘機構能及時調整到位，漏挖率較低；而當速度增加到v=1.6 m/s后，挖掘機構在反應時間內調整到與目標位置的差距增大，但尚可挖到，所以破損率快速增加，而漏挖率增加緩慢。結合生產效率考慮，取前進速度v=1.2 m/s。

3.6.3液壓流量的影響

固定前進速度v=1.2 m/s，其他因素值同3.6.2節，對液壓流量進行單因素試驗，結果如圖13所示。

圖13 液壓流量對各指標的影響Fig.13 Influence of hydraulic flow on indexes

由圖13所示，液壓流量在15～35 L/min變化時，漏挖率逐漸減小，反應時間和破損率呈先減小后增加的趨勢。

方差分析如表7所示，結果表明，在顯著性水平α=0.05下，反應時間和破損率均滿足P<0.01，漏挖率P<0.05；液壓流量對反應時間和破損率的影響均極顯著，對漏挖率的影響顯著。

表7 液壓流量對各指標影響的方差分析Tab.7 Variance analysis of hydraulic flow on indexes

液壓流量在一定的范圍內增加，液壓糾偏執行機構移動相同距離的時間減小，自動對行系統響應快，所以反應時間、漏挖率和破損率逐漸減小。而當液壓流量增加并超過了系統所需最佳流量后，由于液壓缸的運動過快，液壓糾偏執行機構出現超調，導致往復振動，所以系統反應時間和破損率會先減小后增加，當流量q=25 L/min時,破損率和反應時間最小，分別為3.77%、0.47 s。

3.6.4偏離距離的影響

固定q=25 L/min，Fy=198 N，ps=18 MPa，v=1.2 m/s，L=300 mm，偏離距離對自動對行性能指標影響的試驗結果如圖14所示。

圖14 偏離距離對各指標的影響Fig.14 Influence of deviation distance on indexes

由圖14可知，反應時間、漏挖率和破損率隨偏離距離的增加而逐漸增加，且當偏離距離大于9 cm時，反應時間快速增加。方差分析結果(表8)表明，偏離距離對反應時間、漏挖率和破損率的影響均極顯著。

偏離距離增加，探測桿的擺動角度增加，導致偏離信號檢測系統的信號提取時間增加，同時液壓油缸需運動的距離變大，增加了液壓糾偏執行機構的作用時間，所以系統反應時間增加。偏離距離的增大，使自動對行系統還未糾偏到位，挖掘機構已挖到了或駛過了偏離的甜菜塊根，導致漏挖率和破損率的增加。當偏離距離小于60 mm時，系統糾偏較及時，漏挖率和破損率較小，所以偏離距離H為0～60 mm時，自動對行系統的適應性較好。

表8 偏離距離對各指標影響的方差分析Tab.8 Variance analysis of deviation distance on indexes

3.6.5供油壓力的影響

固定q=25 L/min，Fy=198 N，H=60 mm，v=1.2 m/s，L=300 mm，供油壓力對自動對行性能指標影響的試驗結果如表9所示。

表9 供油壓力對各指標的影響Tab.9 Influence of oil pressure on indexes

對試驗結果進行方差分析(表10)，結果表明，供油壓力對反應時間、漏挖率和破損率的影響均不顯著。

表10 供油壓力對各指標影響的方差分析Tab.10 Variance analysis of oil pressure on indexes

自動對行系統受供油壓力的影響小，在保證液壓糾偏執行機構所需動力的前提下對供油壓力的適應性好，且各指標均在可接受的范圍內。另由理論分析可知，液壓缸的實際工作壓力由工作時的負載決定，供油壓力只表明當液壓缸工作負載增大時，液壓系統可以提供的壓力。所以，后續研究可忽略供油壓力對各性能指標的影響。

3.6.6株距的影響

固定q=25 L/min，Fy=198 N，H=60 mm，v=1.2 m/s，ps=18 MPa，株距對自動對行性能指標影響的試驗結果如表11所示，方差分析結果如表12所示。

表11 株距對各指標的影響Tab.11 Influence of beet spacing on indexes

表12 株距對各指標影響的方差分析Tab.12 Variance analysis of beet spacing on indexes

由表11、12可知，株距對反應時間、漏挖率和破損率的影響均不顯著。自動對行系統受株距的影響小，各指標均在可接受的范圍內；系統對株距的適應性好，后續研究可忽略株距對各性能指標的影響。

3.6.7各因素對性能指標的綜合影響分析

由以上各單因素試驗結果可知，彈簧預緊力、前進速度、偏離距離和液壓流量對各性能指標影響均顯著，供油壓力和株距對各性能指標影響不顯著。隨彈簧預緊力的增加(53～346 N)，自動對行系統反應時間增加，漏挖率和破損率呈先減小后增大的趨勢，且當預緊力為198 N時，漏挖率和破損率較低，分別為2.34%、3.77%；隨前進速度的增加(0.4～2.0 m/s)，反應時間逐漸減小并趨于穩定，漏挖率和破損率呈逐漸增大趨勢；液壓流量在15～35 L/min變化時，漏挖率逐漸減小，反應時間和破損率呈先減小后增加的趨勢，當液壓流量q=25 L/min時,破損率和反應時間較小，分別為3.77%、0.47 s。

根據各單因素試驗結果并結合生產效率綜合考慮，取可控因素前進速度v=1.2 m/s、彈簧預緊力Fy=198 N、液壓流量q=25 L/min時，自動對行系統對田間種植農藝參數在偏離距離H為0～60 mm、株距L為200～400 mm情況下的適應性較好，反應時間、漏挖率和破損率不超過0.471 s、2.36%和3.80%。

4 結論

(1)以4LT-A型甜菜聯合收獲機為研究載體，進行了自動對行系統關鍵部件設計和關鍵參數分析，建立了偏離距離檢測機構角度變化量和液壓糾偏執行機構液壓油缸長度伸縮變化量與甜菜塊根偏移量的數學模型。

(2)以漏挖率、破損率和反應時間為自動對行性能指標，以復位彈簧預緊力、前進速度、偏離距離、液壓流量和供油壓力為試驗因素進行了單因素臺架試驗，研究分析了各因素對各性能指標影響的顯著性及影響規律。

(3)試驗結果表明，彈簧預緊力、前進速度、偏離距離和液壓流量均對各性能指標影響顯著，供油壓力和株距對各性能指標影響不顯著。當前進速度v=1.2 m/s、彈簧預緊力Fy=198 N、液壓流量q=25 L/min時，自動對行系統的適應性較好，反應時間、漏挖率和破損率不超過0.471 s、2.36%和3.80%。