履帶式自動(dòng)輔助駕駛半喂入收獲機(jī)底盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)介紹

王廷恩，金誠(chéng)謙，2

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

0 引言

在水稻收獲機(jī)里，履帶式半喂入水稻聯(lián)合收獲機(jī)由于作業(yè)負(fù)荷輕，脫粒效果好，最適合搞跨區(qū)作業(yè)，近幾年需求量和社會(huì)保有量逐漸增長(zhǎng)，受到國(guó)內(nèi)外品牌的廠家的高度關(guān)注，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械廠家競(jìng)爭(zhēng)激烈的一個(gè)細(xì)分子行業(yè)。從2010年前的清一色進(jìn)口品牌，行業(yè)充分競(jìng)爭(zhēng)，到2012年，國(guó)產(chǎn)品牌（碧浪、沃得、星光）的強(qiáng)勢(shì)進(jìn)入，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)白熱化，圖1為各品牌廠商2012年市場(chǎng)占有率。再到2016年進(jìn)口品牌（久保田、洋馬、井關(guān)）的強(qiáng)勢(shì)崛起，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局發(fā)生巨變。目前，行業(yè)集中度高，寡頭壟斷明顯，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)智能化技術(shù)是發(fā)展關(guān)鍵[1]。

圖1 各品牌廠商2012年履帶式半喂入聯(lián)合收獲機(jī)市場(chǎng)占有率

目前，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在履帶式收獲機(jī)上推廣應(yīng)用效果較好，大部分半喂入履帶式收獲機(jī)可以升級(jí)具有自動(dòng)輔助駕駛功能。然而目前的履帶式收獲機(jī)普遍采用手動(dòng)調(diào)節(jié)HST斜盤角度進(jìn)行速度大小改變和行走方向改變。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍采用電磁換向閥控制轉(zhuǎn)向油缸單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向。在使用過程中由于各個(gè)地方的土壤條件不同，存在作業(yè)路徑調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確、地頭轉(zhuǎn)彎半徑、地頭行走換向困難等問題。在日本、韓國(guó)等國(guó)家，目前自動(dòng)駕駛的履帶式收獲機(jī)在變速箱內(nèi)部轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)和底盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與中國(guó)存在一定的差異。首先變速的轉(zhuǎn)向部分采用多種轉(zhuǎn)向形式組合，在自動(dòng)駕駛過程中可以根據(jù)作業(yè)情況進(jìn)行功能選擇。其次底盤本身設(shè)計(jì)有自動(dòng)水平系統(tǒng)，整機(jī)在復(fù)雜工況下不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)偏差。他們的自動(dòng)輔助駕駛精度和駕駛操控便利性比國(guó)產(chǎn)品牌要相對(duì)較好。

本文主要分析了目前我國(guó)市場(chǎng)上的履帶式半喂入水稻聯(lián)合收獲機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)對(duì)履帶式自動(dòng)輔助駕駛半喂入聯(lián)合收獲機(jī)在行走驅(qū)動(dòng)部分的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化和下一步的發(fā)展進(jìn)行了歸納和建議，為下一步的發(fā)展和裝備優(yōu)化提出了建議和發(fā)展方向。

1 高效的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

1.1 方向盤+“FDS”變速箱的驅(qū)動(dòng)操控系統(tǒng)

目前市場(chǎng)上的洋馬系列履帶式收獲機(jī)大部分采用了方向盤+“FDS”變速箱的驅(qū)動(dòng)操控系統(tǒng)。（FDS指的是全時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)械變速箱設(shè)計(jì)有“行走、標(biāo)準(zhǔn)、低速”三個(gè)檔位。操作方面洋馬品牌收獲機(jī)采用的是方向盤式的操作，如圖2所示，使用自動(dòng)導(dǎo)航轉(zhuǎn)向電動(dòng)方向盤，較好的對(duì)方向盤進(jìn)行控制。

圖2 洋馬外部操作圖

在轉(zhuǎn)向操作的過程中方向盤左/右轉(zhuǎn)向“6點(diǎn)位控”，分別是左轉(zhuǎn)差速、左轉(zhuǎn)單邊制動(dòng)、左轉(zhuǎn)差逆，右轉(zhuǎn)差速、右轉(zhuǎn)單邊制動(dòng)、右轉(zhuǎn)差逆。多點(diǎn)位的全時(shí)驅(qū)動(dòng)使得整機(jī)操控流暢、平穩(wěn)轉(zhuǎn)向。利用電動(dòng)方向盤進(jìn)行操作，通過多點(diǎn)位的控制可以使導(dǎo)航系統(tǒng)中控制更加細(xì)化，與傳統(tǒng)的單邊制動(dòng)相比，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將調(diào)節(jié)的更加精確[2]。對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向過程中的履帶運(yùn)動(dòng)形式如圖3所示。

該種轉(zhuǎn)向形式在變速箱內(nèi)部的設(shè)計(jì)方面與傳統(tǒng)的變速箱不同，主要原理是該種變速箱采用雙HST，一個(gè)是直行用HST，一個(gè)是轉(zhuǎn)向用HST，通過方向盤的左/右轉(zhuǎn)向“6點(diǎn)位控”，如圖4所示使得兩個(gè)HST根據(jù)信號(hào)協(xié)同作用，讓底部履帶實(shí)現(xiàn)左右履帶驅(qū)動(dòng)速度差的差速轉(zhuǎn)向、一側(cè)履帶停止的垂直轉(zhuǎn)向、兩側(cè)履帶逆轉(zhuǎn)的調(diào)頭轉(zhuǎn)向。

圖4 方向盤+“FDS”變速箱的驅(qū)動(dòng)操控系統(tǒng)工作原理示意圖

1.2 sst差逆驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

在目前久保田和井關(guān)系列收獲機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面，基本上都采用差逆轉(zhuǎn)向（sst）的變速箱結(jié)構(gòu)[3]。可以通過作業(yè)工況需求和轉(zhuǎn)彎半徑要求，適時(shí)的選擇切邊轉(zhuǎn)向、單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向和差逆轉(zhuǎn)向。對(duì)比傳統(tǒng)的單一功能的單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向，尤其收獲機(jī)在土質(zhì)黏重的水稻田間作業(yè)時(shí)，制動(dòng)側(cè)履帶帶來的土壤雍積更加嚴(yán)重，轉(zhuǎn)向阻力急劇增加，極易造成轉(zhuǎn)彎半徑控制不準(zhǔn)確，增加了轉(zhuǎn)向時(shí)間和操作強(qiáng)度，且轉(zhuǎn)向占用面積較大。另一方面，履帶式收獲機(jī)在實(shí)際的作業(yè)過程中，也需要通過頻繁的制動(dòng)對(duì)行進(jìn)方向進(jìn)行微調(diào)，這對(duì)制動(dòng)摩擦片也帶來損害，影響了作業(yè)的流暢性，同時(shí)在車速較高的情況下極易造成車體振動(dòng)。因此，要實(shí)現(xiàn)履帶收獲機(jī)的自動(dòng)駕駛，單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向方式無法滿足轉(zhuǎn)向機(jī)械部分的要求，差逆轉(zhuǎn)向是必選。

當(dāng)中央差速器齒圈不受力時(shí)，兩側(cè)兩股動(dòng)力流是互相獨(dú)立的，中央差速器中的行星齒輪類似于等臂杠桿，一旦中央差速器齒圈被抱死，差速器齒輪上的行星輪就會(huì)起作用，此時(shí)切斷一側(cè)動(dòng)力，另一側(cè)動(dòng)力流經(jīng)過行星齒輪的作用反向加載回去，使得左右兩側(cè)實(shí)現(xiàn)等速反向的差逆運(yùn)轉(zhuǎn)。在工作過程中，先控制撥叉實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)動(dòng)力切斷，再配合相應(yīng)的液壓摩擦片式制動(dòng)器的操作，制動(dòng)動(dòng)力輸出齒輪可實(shí)現(xiàn)單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向，不制動(dòng)動(dòng)力輸出齒輪，利用地面阻力，可實(shí)現(xiàn)切邊轉(zhuǎn)向；同理，制動(dòng)中央齒圈可利用差速原理實(shí)現(xiàn)兩側(cè)履帶輸出等速反向轉(zhuǎn)速的差逆轉(zhuǎn)向（理論上轉(zhuǎn)向半徑R=0）。在控制的轉(zhuǎn)向的過程中，根據(jù)作業(yè)工況的需求，通過手柄上的角度傳感器感知操作信號(hào)，對(duì)切邊轉(zhuǎn)向、單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向和差逆轉(zhuǎn)向進(jìn)行選擇，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)理想的轉(zhuǎn)彎半徑[4-5]。

2 高效準(zhǔn)確的自身路徑修復(fù)系統(tǒng)

目前國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)市場(chǎng)上應(yīng)用的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)基本的誤差是3 cm以內(nèi)。半喂入水稻收獲機(jī)基本上是采用的對(duì)行收獲，對(duì)行不當(dāng)極易造成漏割或者喂入不均勻，市場(chǎng)上大部分的水稻半喂入收獲機(jī)為4行、5行和6行。作業(yè)過程中水稻收獲機(jī)的分禾器是插入到兩行中間的。由于水稻的行距大部分為25～30 cm，因此，在收獲過程中利用自動(dòng)輔助駕駛技術(shù)顯得尤為關(guān)鍵。然而在作業(yè)過程中，導(dǎo)航定位系統(tǒng)存在一定的精度誤差，極易造成整機(jī)在直線行走時(shí)造成作業(yè)效果差和調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)不適時(shí)，對(duì)此問題，一般進(jìn)口機(jī)具普遍設(shè)計(jì)有對(duì)行功能，如圖5所示。

圖5 對(duì)行功能

在分禾器左右兩側(cè)設(shè)計(jì)有多點(diǎn)位的行程開關(guān)，當(dāng)分禾器穿插于水稻兩行正中間時(shí)，分禾器不會(huì)產(chǎn)生模擬信號(hào)；當(dāng)收獲機(jī)左右偏移時(shí)，分禾器上的行程開關(guān)會(huì)采集到不同的信號(hào)，信號(hào)傳遞給控制器后會(huì)根據(jù)信號(hào)自動(dòng)選擇各個(gè)點(diǎn)位的轉(zhuǎn)向形式，自身準(zhǔn)確修正作業(yè)路線。從而有效地避免因?qū)Ш叫盘?hào)的誤差造成整機(jī)的作業(yè)效果差。

3 可靠的底盤水平系統(tǒng)

目前，國(guó)外的履帶收獲機(jī)底盤均配有升降和水平系統(tǒng)。當(dāng)土壤水分較低，土壤硬度高，底盤較低整機(jī)作業(yè)過程中的穩(wěn)定性較高，適宜高速作業(yè)。反之，當(dāng)土壤水分較高，土壤硬度低，底盤較高整機(jī)作業(yè)過程中的穩(wěn)定性較高。但是目前國(guó)內(nèi)的水稻收獲機(jī)底盤普遍采用剛性底盤，在田間極易導(dǎo)致因天線位置誤差而造成路徑規(guī)劃的誤差。因此，采用高度可調(diào)、自動(dòng)水平底盤對(duì)于整機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航設(shè)計(jì)顯得尤為重要，整機(jī)推廣也有較好的前景，如圖6。

圖6 底盤升降與水平調(diào)節(jié)

4 結(jié)語

以上幾項(xiàng)技術(shù)在履帶式自動(dòng)輔助駕駛半喂入水稻聯(lián)合收獲機(jī)的推廣開發(fā)種植領(lǐng)域有較大的應(yīng)用價(jià)值，其中驅(qū)動(dòng)方式、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和控制系統(tǒng)相比于國(guó)內(nèi)的機(jī)型都是領(lǐng)先的，具有精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中能體現(xiàn)出自動(dòng)駕駛技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。在減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，還能保證作業(yè)效率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)智能高效。