高地隙履帶自走式中間條鋪油菜割曬機設計與試驗

萬星宇 舒彩霞,2 廖慶喜,2 樊 偉 周啟凡 廖宜濤,2

(1.華中農業大學工學院， 武漢 430070； 2.農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

油菜機械化收獲是保障油菜高質量生產的重要環節，對提高種植面積、產量、籽粒與菜籽油品質等有顯著影響[1-3]。油菜機械化收獲方式有分段收獲和聯合收獲兩種，其中分段收獲是在油菜適收期提前將植株割倒、晾曬，充分利用后熟作用保證籽粒成熟度基本一致后，再進行撿拾脫粒清選作業，具有適收期長、籽粒飽滿、收獲損失小等優點[4-8]。

美國、加拿大、澳大利亞等農業發達國家已基本實現油菜規?；N植，形成了寬幅、大功率、專用化、智能化的油菜割曬裝備[9-12]，如John Deere公司JD A400系列割曬機、加拿大MacDon公司M200型割曬機等。為實現側邊條鋪需在田間作業前提前人工收割讓道，且機具需按特定路徑行駛[13]，這類機具主要采用高地隙輪式動力底盤，割曬后中間集中條鋪。國內佳木斯聯合收割機廠研制的4SZ-4.0型、4SZ-5.0型寬幅割曬機也采用高地隙輪式動力底盤，在我國北方春油菜區應用較多。但由于我國長江流域冬油菜產區普遍采用稻-油輪作種植模式，受田塊面積小、土壤黏濕松軟、廂面不平整、廂間開有畦溝等客觀條件制約，現有大型油菜割曬機存在作業行走、田間轉移困難等問題，不適應該區域的油菜割曬作業。

近年來，國內學者針對長江中下游地區油菜機械化割曬技術與裝備的迫切需求，開展了一系列研究。廖宜濤等[14]研制了與手扶輪式拖拉機動力配套的油菜割曬機，采用中間分禾，兩側鋪放的割曬工藝；李海同等[15]以手扶履帶式拖拉機為動力，設計了側邊鋪放的手扶立式割臺油菜割曬機；這類以手扶拖拉機為動力的割曬機操作勞動強度較大，主要依靠植株運動的慣性力被動鋪放，對油菜植株間的相互牽連缺乏有效處理。曹震等[16]以高地隙輪式拖拉機為配套動力，設計了一種前懸掛作業中間條鋪油菜割曬機；文獻[17-22]對該割曬機的輸送系統進行改進，通過兩側的橫向輸送裝置和縱向輸送裝置相配合，主動有序鋪放，但機具縱向尺寸大，前輪負載大，田間行走、轉彎不便。聯合收獲機履帶式動力底盤在田間具有較好通過性，文獻[23-26]以聯合收獲機作為動力底盤，研制了側邊條鋪油菜割曬機，并對油菜植株的輸送和鋪放過程開展了理論分析和試驗驗證，關卓懷等[27]研制的側鋪傾斜輸送式油菜割曬機在多地的應用試驗都表明具有較好的適應性并實現整齊側邊鋪放，但需人工收割讓道并按要求規劃收獲路徑，增加了生產負擔。

本文在前期研究基礎上，基于長江中下游地區油菜作畦開溝農藝栽培模式，設計一種全液壓驅動的履帶自走式油菜割曬機，采用中間條鋪、茬上晾曬的工藝方案，簡化傳統油菜割曬機結構，減少人工開道工序。對高地隙履帶式動力底盤、橫向輸送裝置、切割系統、液壓驅動系統等進行設計與選型，結合重心分布開展高地隙履帶式動力底盤通過性能分析與驗證；分析中間植株與兩側植株的主動鋪放過程，明確割曬機參數對鋪放質量的影響，通過田間試驗驗證其鋪放質量，為油菜割曬機結構設計與參數優化提供參考。

1 割曬機基本結構與工作過程

1.1 油菜栽培農藝與割曬機通過性影響因子

我國長江中下游地區油菜生長時期降水量較大，而油菜為根系忌水作物，種植時需要廂面平整并開好畦溝，以便雨水及時排出，避免雨水集于廂面低洼處，影響油菜種子生長發芽。因此，油菜種植耕整地機具作業后，細碎土層深度需達80 mm以上，地表平整度在50 mm之內，碎土率大于50%，對于南方冬油菜主產區，畦溝的溝寬與溝深一般為200～400 mm和150～300 mm[28](圖1a)。

圖1 油菜栽培農藝與割曬機通過性影響因子Fig.1 Rape cultivation agronomy and factors that affected trafficability of windrower

割曬機通過性分析的過程實際為判斷割曬機田塊間轉移和田間作業2個主要過程中能否順利通過前方區域，即對行駛作業環境進行障礙判斷。經調研分析可知，因田間耕作可消除大部分水系、雜余植被等自然障礙，影響收獲機通過性的障礙因素按其性質可劃分為高程障礙、人為障礙和路面障礙(圖1b)。高程障礙可分為割曬機田塊間轉移過程中的坡道障礙和階梯障礙，人為障礙包括田間作業畦溝、田塊間田埂等，路面障礙主要指地面性質(水泥路面、松軟土壤等)，直接影響行駛穩定性，可通過割曬機上下坡道穩定性、克服地面高度差、不同地面性質下的直行偏移度、轉彎半徑等綜合考察割曬機的通過性。

1.2 割曬機基本結構

履帶自走式中間條鋪油菜割曬機采用中間條鋪形式，主要由高地隙履帶式動力底盤、割臺、操縱臺、三聯泵多馬達液壓驅動系統等組成，如圖2所示。高地隙履帶式動力底盤采用龍門式結構以保證中間條鋪輸送通道，形成割茬未被碾壓的鋪放區，實現茬上架空晾曬；割臺主要包括撥禾輪、橫向往復式切割器、橫向輸送裝置、兩側分禾裝置、機架等。

圖2 油菜割曬機結構簡圖Fig.2 Structure diagram of rape windrower1.撥禾輪 2.機架 3.操縱室 4.三聯泵多馬達液壓驅動系統 5.柴油機 6.高地隙履帶式動力底盤 7.分禾裝置 8.橫向輸送裝置 9.橫向往復式切割器

1.3 工作過程

油菜割曬機采用中間輸送、有序鋪放、茬上晾曬的工藝方案，在充分晾曬的基礎上利用離地高度差有效避漬水，其工作過程如圖3所示。田間作業時，兩側分禾裝置切斷分枝并將油菜劃分為收割區與待割區，收割區油菜在撥禾輪和機組前進推力的共同作用下，向割臺內傾斜，被橫向往復式切割器切斷；正對輸送通道的中間油菜植株直接向后傾倒鋪放于割茬上；左右兩側植株則與橫向傾斜輸送裝置接觸并向中間輸送，實現主動鋪放；由于兩側植株橫向輸送與中間植株傾倒存在時間差，可將中間與兩側油菜依次鋪放，實現首尾銜接的有序條鋪，整機主要技術參數如表1所示。

圖3 油菜割曬機作業示意圖Fig.3 Schematic of operation of rape windrower

表1 油菜割曬機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of rape windrower

割曬機作業過程中，行走系統與工作部件均由三聯泵多馬達液壓驅動系統提供動力，液壓原理圖如圖4所示。行走系統由三聯泵中一對定量泵進行驅動，由兩條開式回路分別對左右履帶行走總成進行驅動。割曬機工作部件由三聯泵中的變量泵進行驅動，由6條并聯支路組成，分別為分禾裝置、橫向往復式切割器、橫向輸送裝置、撥禾輪提供動力。各工作部件轉速、割臺高度、撥禾輪高度等均可通過對應閥塊調節。

圖4 液壓驅動系統原理圖Fig.4 Schematic of hydraulic transmission system

2 關鍵部件設計與參數分析

2.1 高地隙履帶式動力底盤通過性能分析

2.1.1動力底盤基本結構

為增加油菜中間條鋪空間，高地隙履帶式動力底盤采用龍門架式結構，主要由機架、履帶行走總成和行走液壓馬達等組成，其中履帶行走總成采用四輪一帶結構，包括橡膠履帶、履帶大梁、驅動輪、張緊輪裝置和支重輪等，基本結構及結構參數如圖5和表2所示。

圖5 高地隙履帶式動力底盤結構示意圖Fig.5 Schematics of high ground clearance crawler1.前機架 2.龍門架 3.驅動輪 4.行走液壓馬達 5.支重輪 6.橡膠履帶 7.張緊輪裝置 8.右載物平臺 9.左載物平臺

表2 高地隙履帶式動力底盤結構參數Tab.2 Structural parameters of high ground clearance crawler mm

割曬機重心是影響其田間作業和田塊間轉移通過性的關鍵。高地隙履帶式動力底盤機架以高度較低的左右載物平臺實現負載，中間連接樞紐龍門架以提供鋪放通道，有效降低了重心的高度，使得在滿足油菜中間條鋪作業的同時，更好適應松軟土壤條件下的小田塊作業，高地隙履帶式動力底盤相關結構參數如表2所示?；贑reo 5.0軟件建立了油菜割曬機三維模型，賦予各零部件相應的材料屬性，通過Creo 5.0軟件分析功能的質量屬性模塊計算得到了履帶自走式油菜割曬機的重心位置，進一步得到重心相對于高地隙履帶式動力底盤接地區域幾何中心的縱向和橫向偏移量，由于偏移量相對較小，可認為割曬機重心與接地區域幾何中心重合。

2.1.2坡道穩定性分析

割曬機田塊間轉移和田間作業過程大多需正對坡道進出田塊，坡道是主要高程障礙之一，對整機上、下坡行駛過程中的穩定性提出要求。坡道穩定性是指割曬機在坡道上正常行駛時不發生傾翻的能力，以割曬機在坡道上縱向上行或下行不發生傾翻的最大坡度角(縱向極限傾翻角)來衡量[29]，縱向極限傾翻角越大，割曬機坡道穩定性越好，駕駛機具作業時的安全性和穩定性越高。

割曬機在坡道上縱向行駛過程如圖6所示，當割曬機的重力延長線在履帶接地長度范圍內時，不會發生傾翻；當重力延長線位于履帶接地范圍外時，割曬機則會發生傾翻。因此當重力延長線與履帶接地長度端點相交時，恰好不發生傾翻，此時的坡道角為縱向極限傾翻角，機具的縱向上行極限傾翻角αu和縱向下行極限傾翻角αd計算公式為

圖6 割曬機坡道縱向行駛示意圖Fig.6 Schematics of windrower when driving longitudinally on a ramp

(1)

(2)

式中L——履帶接地長度，mm

ex——割曬機重心與底盤中心的縱向偏移量，mm

H0——履帶式動力底盤中心高度，mm

計算得割曬機的縱向上、下行極限傾翻角分別為36.25°和38.02°，均在35°以上，滿足田塊間轉移過程中的上、下坡道需求。

2.1.3克服地面高度差

割曬機在田塊間轉移與田間作業過程中可能需要克服階躍障礙和田埂等人為障礙，完成翻越路面階梯和田埂等動作，本質為克服地面高度差的過程，如圖7所示。

圖7 克服地面高度差過程示意圖Fig.7 Schematic of overcoming ground height difference

當割曬機通過地面高度差形成的垂直階梯時，若機具重力線能越過垂直階梯的垂直面，則機具前部在重力作用下會恢復水平，實現翻越；若機具的重力線恰好無法越過垂直階梯的垂直面，則機具無法翻越階梯并恢復水平[29]，此時的階梯高度為高地隙履帶式動力底盤可克服的地面高度差Hk，計算式為

(3)

式中αk——不能翻越路面階梯或田埂時機具臨界傾斜角，(°)

αk應小于極限傾翻角，即αk≤αu。計算可得，割曬機可克服的最大地面高度差Hk≈104 mm。

2.1.4跨越畦溝

畦溝是油菜種植過程中為避免漬水在廂面聚集而人為形成的典型障礙，能夠順利跨越畦溝是割曬機田間作業越障能力的重要體現之一，根據履帶式動力底盤的行駛方式及相關參數，割曬機跨越畦溝的過程如圖8所示。割曬機勻速跨越畦溝時，應保證履帶式動力底盤不墜入畦溝內，當履帶式動力底盤前支重輪觸碰到畦溝的另一側時其重心應未越過近側畦溝邊界線(圖8a)；當履帶式動力底盤后支重輪離開畦溝邊界線時，其重心應已越過畦溝的近側邊界線(圖8b)，否則認定割曬機跨越畦溝失敗[30]。

圖8 割曬機跨越畦溝過程Fig.8 Process of windrower when crossing furrow

根據以上分析，割曬機可跨越畦溝的最大壕溝寬度為min(LA,LB)[30]，其中LA為割曬機接觸畦溝時重心與畦溝前邊緣的橫向距離；LB為割曬機離開畦溝時重心與畦溝后邊緣的橫向距離。根據割曬機重心位置可知，可跨越畦溝的最大壕溝寬度為625 mm，大于油菜種植農藝要求的畦溝寬度。

2.2 莖稈切割與分禾

莖稈的切割與分禾主要通過橫向往復式切割器和分禾裝置實現，是完成莖稈鋪放的首要環節。橫向往復式切割器包括割刀及其傳動裝置，采用谷物、油菜和玉米收獲機械常用的單刀距行程型(圖9a)，割刀行程、動刀片節距、護刃器均為76.2 mm；傳動裝置為曲柄滑塊機構，曲柄長度約為割刀行程的一半，即38 mm，由液壓馬達直接驅動。為降低油菜分枝牽扯導致的落粒損失，利用橫向往復式切割器左右兩側的分禾裝置區分待割區和收割區。分禾裝置由被動分禾器、豎割刀和傳動裝置傳動組成(圖9b)。

圖9 橫向往復式切割器與分禾裝置結構示意圖Fig.9 Structure diagrams of transverse reciprocating cutter and plant separating device1.往復式割刀 2.液壓馬達 3.曲柄滑塊機構 4.被動分禾器 5.豎割刀

田間作業時，被動分禾器將待割區和收割區的油菜植株底部擠壓分開，隨后豎割刀切割未分開的油菜分枝。豎割刀采用往復式切割器，由液壓馬達通過曲柄滑塊機構直接驅動；依據《農業機械設計手冊》，動刀為50 mm寬的光刃刀片，曲柄長度為25 mm；為滿足先分禾再切割的作業要求，豎割刀需相對于切割裝置水平適當前伸，前伸距離為150 mm，依據割茬高度調節范圍，豎割刀底部相對于地面的安裝高度為350 mm。

前期研究表明，當橫向往復式割刀平均切割速度為0.8～1.6 m/s時，可一次性割斷油菜莖稈并避免拉扯，不平衡慣性力導致的振動相對較小；豎割刀主要是切割直徑較小的分枝，可選取較小的平均切割速度，在保證切斷分枝的基礎上，減少割刀往復式運動沖擊，進而降低損失。橫向往復式割刀和豎割刀曲柄轉速計算式為

(4)

式中n1——曲柄轉速，r/min

vr——割刀平均切割速度，橫向往復式割刀取0.8～1.6 m/s，豎割刀取0.5～1.0 m/s

r1——曲柄長度，橫向往復式割刀為38 mm，豎割刀為25 mm

計算得橫向往復式割刀與豎割刀曲柄轉速分別為315～630 r/min和300～600 r/min。

2.3 中間植株鋪放過程分析

油菜自然生長狀態下，分枝及角果層集中于植株上部，植株及收獲作業參數如圖10a所示(圖中O為未切割植株與地表交點；A為植株主莖頂點；B為切割后油菜主莖下端點；C為切割后植株重心)。在忽略莖稈牽扯過程的理想條件下，中間植株鋪放過程為縱軸向垂直面內的平面運動，如圖10b所示，包括切斷后的莖稈平拋過程和與地面碰撞之后繞下端點B的定軸轉動過程，鋪放時間與撥禾輪轉速、安裝位置、機組前進速度等有關。

圖10 植株參數與中間植株鋪放過程分析Fig.10 Plant parameters and analysis of intermediate plant windrowing process

撥禾輪無回帶條件下，油菜植株被切斷后脫離割曬機約束，以與撥禾輪撥齒線速度相同的速度作平拋運動，初速度為

(5)

式中v0——中間植株平拋運動初速度，m/s

vd——撥禾輪撥齒線速度，m/s

Rd——撥禾輪半徑，取0.45 m

nd——撥禾輪轉速，r/min

為保證偏心撥禾輪的有效推送[28]，撥禾輪速比需滿足λd>1，即

(6)

式中λd——撥禾輪速比，結合前期研究取λd=2

計算可得v0=vd，為1.12～1.68 m/s，則撥禾輪轉速nd為23.7～35.6 r/min。

在垂直方向，植株下落時間、落地瞬時速度與莖稈夾角滿足

(7)

式中h0——割茬高度，取0.25～0.50 m

g——重力加速度，取9.81 m2/s

t1——下落時間，s

vz——莖稈垂直方向分速度，m/s

v1——莖稈速度，m/s

βz——莖稈速度與莖稈夾角，(°)

θz0——莖稈初始相位角，(°)

莖稈初始相位角θz0受撥禾輪軸的安裝高度Hb和撥禾輪軸前后移動距離Bb的影響，撥禾輪軸的安裝高度需滿足作業時撥齒垂直插入油菜植株，減少撥禾輪撥動對油菜角果的沖擊，即

(8)

式中l——油菜植株高度，一般為1.5～2.0 m

計算得撥禾輪安裝高度范圍為1.225～1.975 m。

撥禾輪軸前后移動距離Bb影響著撥禾輪對油菜莖稈推送方向，為避免干擾傾斜配置的橫向輸送裝置，撥禾輪相對于橫向往復式切割器適當前置。

在水平方向上，莖稈落地前平移距離ΔS1為

ΔS1=v0t1

(9)

由式(5)、(7)、(9)可得

(10)

油菜下落至與地面土壤接觸瞬間發生完全非彈性碰撞，碰撞后油菜植株由平拋運動變為繞莖稈下端B的定軸轉動[14]。由植株的動量守恒可知

Jωz0-m0v1lBCcosβz=0

(11)

式中J——植株對點B的轉動慣量，kg·m2

ωz0——植株初始角速度，rad/s

m0——單株油菜質量，kg

lBC——植株重心高度，m

植株轉動至與留茬接觸過程中，由動能定理得

(12)

式中ωz1——植株落地瞬時角速度，rad/s

hC——植株重心下落高度，m

植株停止運動后，在角果層直徑最大處落至割茬上的概率較大，在此狀態下主莖與地面的夾角αz為

(13)

式中hz——角果層直徑最大處離地高度，m

Rz——角果層半徑，m

γ——油菜角果層壓縮系數

重心下落高度為

hC=lBC(cosθz0-sinαz)

(14)

由式(11)～(14)計算得

(15)

由轉動過程角動量定理得

(16)

式中θz——莖稈轉動過程相位角，(°)

由式(13)、(14)可得，植株定軸轉動時間[14]為

(17)

由式(10)、 (17)可知，中間油菜植株鋪放至田間運動總時間tz為

(18)

由上述分析可知，中間植株被切割后雖然脫離割曬機約束，但落地前平移距離受撥禾輪轉速和留茬高度影響，因撥禾輪速比間接受機組前進速度影響；鋪放姿態受留茬高度、植株高度、重心高度、角果層厚度等影響。

2.4 單側植株鋪放過程分析

對稱布置的橫向輸送裝置是實現兩側油菜植株向中間輸送、主動鋪放的關鍵，核心部件為左、右輸送帶總成。輸送帶總成由主動輥、輸送帶、彈性撥齒、從動輥、上下安裝座和仿形防堵板等組成，如圖11a所示。

圖11 橫向輸送裝置結構示意圖Fig.11 Structure schematics of transverse conveying device1.輸送帶總成 2.從動輥 3.主動輥 4.安裝座 5.彈性撥齒 6.仿形防堵板 7.V型防脫軌槽 8.輸送帶

結合油菜收割后晾曬的農藝要求與割臺空間約束，主、從動輥筒體直徑設計為90 mm，輸送帶寬為900 mm，有效工作帶長1 100 mm。輸送帶內側裝有一對PVC防脫軌條，與主、從動輥上的V型防脫軌槽(圖11b)配合可防止輸送帶跑偏；為提高油菜莖稈的輸送能力，在輸送帶外側間隔安裝一定數量的彈齒，根據油菜種植的農藝要求(油菜行距0.28～0.3 m)，取每行5個彈齒，間距為0.2 m，縱向均布5行，共25個彈齒。

當單邊履帶寬度為350 mm、履帶輪距為1 500 mm時，鋪放通道寬度不超過1 150 mm；前期研究表明，當有效割幅為1 800 mm，條鋪最大橫截面面積約為0.66 m2[16-17]，履帶離地高度為960 mm時，鋪放通道寬度大于687.5 mm，即可滿足鋪放要求，為保證輸送順暢，結合機架尺寸設定排禾口寬度為920 mm。

兩側油菜植株鋪放過程包括切斷后隨割曬機一同前進時繞點B的定軸轉動過程、在橫向輸送裝置作用下的橫向運動、脫離橫向輸送裝置后垂直平面的平拋運動、落地后繞點B的定軸轉動，如圖12所示。在橫向輸送裝置約束下，兩側油菜主動向中間運動，降低了莖稈之間牽扯對鋪放質量的影響，保證植株鋪放姿態基本一致。

圖12 兩側植株鋪放過程分析Fig.12 Analysis of lateral plant windrowing process

隨機組前進轉動傾倒過程中，由動量守恒可得

Jωb0-m0v0lBCsinθz0=0

(19)

式中ωb0——側邊植株初始角速度，rad/s

植株轉動至與輸送帶接觸過程中，由動能定理得

(20)

式中ωb1——側邊植株與輸送帶接觸瞬時角速度，rad/s

αs——輸送帶傾角，(°)

同樣由轉動過程角動量定理得轉動時間為

(21)

轉動過程中，植株隨機組前進移動的距離為

(22)

轉動停止后莖稈角度θb1為

θb1=π/2-αs-arctan(γRz/hz)

(23)

假設莖稈與輸送帶接觸后即與輸送帶線速度同速運動，則植株橫向輸送時間為

t4=lh/vs≤ls/vs

(24)

式中vs——輸送帶線速度，m/s

lh——植株水平輸送距離，m

ls——輸送帶主、被動輥軸線距離，m

為保證輸送帶上的油菜可順暢輸送至中間條鋪通道，輸送帶速比β(輸送帶線速度和機具作業速度的比值)一般取1.4～1.6[31]，本文輸送帶速比β取1.5。由

(25)

式中ns——橫向輸送裝置轉速，r/min

Rs——輸送帶主動輥半徑，mm

計算可得橫向輸送裝置轉速ns為191.1～286.6 r/min。

植株隨同機組前進的距離為

(26)

式中t4——植株橫向輸送時間，s

側邊植株進入中間鋪放通道后，在垂直平面內做平拋運動，即

(27)

式中t5——側邊莖稈下落時間，s

v2——側邊莖稈速度，m/s

βb——側邊莖稈速度與莖稈夾角，(°)

ΔS4——側邊莖稈落地前平移距離，m

植株落地后，其運動同樣轉變為繞點B的定軸轉動，由動量守恒與動能定理可知

(28)

式中ωb2——側邊莖稈落地后的定軸轉動初始角速度，rad/s

ωb3——側邊莖稈定軸轉動至角果層觸地的瞬時角速度，rad/s

轉動時間t6為

(29)

綜上所述，側邊植株鋪放過程運動總時間tb與落地后前進總距離ΔSz分別為

(30)

由上述分析可知，兩側植株橫向輸送過程中處于與機組隨動狀態，植株前進方向位移和鋪放完成時間存在差距，暫未考慮鋪放角的情況下，同一時間切割的兩側植株與中間植株的位移差ΔS0盡量保持為株距s0的整數倍，以確保兩種鋪放過程結束后植株姿態基本一致，即

(31)

由式(31)可知，直接影響鋪放質量的植株參數主要為株高、重心高度、角果層半徑、轉動慣量、單株質量等，收獲作業技術參數主要為撥禾輪轉速、機組前進速度、留茬高度、橫向輸送裝置轉速等，部分植株參數、割曬機技術參數和農藝參數等則間接影響鋪放質量，如撥禾輪安裝位置主要影響植株切割時的姿態、農藝要求中種植行距主要影響兩側植株與橫向輸送裝置的接觸時間等。

3 通過性能試驗

油菜割曬機田塊間轉移與田間作業過程中需要克服坡道和階梯等高程障礙、田埂和畦溝等人為障礙與不同路面材質表征的路面障礙，在生產過程中常見的水泥或松軟土壤路面條件下，通過開展坡道行駛、翻越階梯與田埂、跨越畦溝等的穩定性分析和直行偏移度、轉彎半徑等的參數測試綜合考察割曬機的通過性能。

3.1 上下坡道試驗

割曬機運輸裝載、進出田塊過程中存在上、下坡動作，以華中農業大學現代農業試驗基地機具裝卸平臺坡道(坡度12°)為載體，測試割曬機前進上坡、倒退下坡、倒退上坡、前進下坡4種常規上下坡姿態下的穩定性，如圖13所示。

圖13 上下坡試驗Fig.13 Uphill and downhill tests

參照試驗前保持發動機處于額定工作轉速范圍，標記低速(0.1～0.2 m/s)前進或后退時的操縱桿開度范圍，將割曬機正向停放于坡道起點處，履帶前端與坡道起點保持200 mm的緩沖距離，在標記的操縱桿范圍內啟動割曬機并前進上坡，待割曬機前進至坡道終點水平平臺處停止；前進上坡完成后調整割曬機位置，使履帶后端與坡道終點保持200 mm的緩沖距離，隨后啟動割曬機倒退至坡道起點，完成倒退下坡；采用相同步驟完成倒退上坡和前進下坡過程，所有上下坡道測試開展3次。結果表明：4種姿態下割曬機行駛速度較穩定，未出現急啟急停、卡頓、抖動等現象，滿足運輸裝載、進出田塊等上下坡要求。

3.2 越障試驗

以華中農業大學現代農業試驗基地垂直階梯、田埂、畦溝等為翻越對象，通過觀察機具越障狀態判斷機具是否運行平穩，驗證割曬機越障性能，如圖14所示。

圖14 越障試驗Fig.14 Obstacle tests

路面越障時，在同一高度的垂直階梯間隔10 m取3個長2.5 m的測試區間，標記測試區間兩側邊緣，在測試區間內隨機選取3個測點測量垂直高度差，測得2種高度垂直階梯的平均高度分別為156.0 mm與98.0 mm；翻越前調整割曬機位置使其正對垂直階梯并保持在測試區間內，履帶前端與垂直階梯起點之間預留200 mm緩沖距離，保持發動機轉速在額定工作轉速范圍內并低速前進，機具翻越垂直階梯恢復水平后即停止。結果表明：路面越障過程中，割曬機可輕松翻越地面高度差為100 mm左右的垂直階梯，與理論計算結果基本一致，當地面高度差為156 mm時，割曬機翻越過程中存在輕微打滑，恢復水平時機具存在輕微沖擊感，但能完成垂直階梯的翻越。

田間越障時，適度清理田埂與畦溝周邊高大雜草以便觀察和標記，采用相同方法選取3個測試區間，測得田埂平均高度與平均寬度分別為133.2 mm和1 030.8 mm，畦溝平均溝深與平均溝寬分別為160.75 mm和346.75 mm；當割曬機正向低速翻越田埂與畦溝后恢復水平姿態即完成越障過程，結果表明：田間越障過程中，跨越畦溝較為順暢，且因土壤緩沖作用，割曬機翻越田埂時沖擊不顯著，可滿足田間作業行駛基本要求。

3.3 直行偏移試驗

根據GB/T 15370.4—2012《農業拖拉機通用技術條件 第4部分 履帶拖拉機》要求，履帶拖拉機保持直線行駛能力由直行偏移程度表征，在坡度不大于1%的硬質地面上偏移程度要求不大于6%。

割曬機直行偏移試驗于華中農業大學現代農業試驗基地硬質路面和田間松軟土壤進行，為準確控制割曬機直線行駛速度，保持發動機轉速處于額定工作轉速范圍內，分別標記割曬機在硬質路面和田間松軟土壤條件下保持常規作業速度0.8 m/s時的操縱桿位置；試驗前將割曬機停放于測試起點處，與履帶平行放置卷尺以作基準線，測量基準線與割曬機履帶側邊的垂直距離S1，在起點前方50 m設置并標記直線行駛終點；試驗時前推操縱桿于標記位置，割曬機以0.8 m/s速度前行至終點處停止，途中不對方向做出任何調整，測量終點處機具側邊與基線的垂直距離S2，S1和S2的差值即為直行偏移量；試驗重復3次取平均值，試驗現場如圖15所示。

圖15 直行偏移試驗Fig.15 Straight travel tests

割曬機直行偏移度γs為

(32)

硬質路面和松軟土壤的直行平均偏移量分別為0.37 m和0.65 m，平均偏移度分別為0.73%和1.30%，小于許用要求的6%，表明雙泵驅動雙馬達的驅動方式可保證高地隙履帶式動力底盤的直行性能。

3.4 轉向試驗

割曬機轉彎性能通過轉彎半徑表征，割曬機進行極限轉向時，履帶在硬質路面或田間松軟土壤劃出的最大圓形路徑(最小轉彎圓)的半徑即為轉彎半徑。參照GB/T 3871.5—2006《農業拖拉機試驗規程 第5部分 轉向圓和通過圓直徑》選取在任何方向坡度均不大于3%且可清晰標記履帶痕跡的硬質路面和田間松軟土壤為試驗場地，試驗時保持割曬機發動機處于額定工作轉速范圍，前推單側操縱桿至極限位置使割曬機以不超過2 km/h的速度向前轉向行駛360°并形成最小轉向圓；轉向完畢后記錄轉向時間，在轉向圓上間隔45°作標記，在對應標記處測量4次轉向圓直徑，計算轉彎半徑并取平均值，試驗重復3次，如圖16所示。

圖16 轉彎半徑測量Fig.16 Steering tests

試驗結果表明：相同速度下機具單邊制動轉向時硬質路面與松軟土壤條件下平均轉彎半徑分別為1.91 m和 2.03 m，滿足油菜田間割曬作業時的轉向要求。

4 田間試驗

4.1 試驗材料與方法

為檢驗油菜割曬機田間作業性能，于2021年4月在華中農業大學現代農業試驗基地開展田間功能性試驗，作業對象為機械直播“華油雜62”油菜，平均種植密度為29株/m2，平均株高1 593.3 mm，土壤堅實度范圍為370.6～785.8 kPa。

試驗前調節液壓驅動系統，設置撥禾輪轉速為30 r/min、橫向輸送裝置轉速為240 r/min、割刀曲柄轉速為320 r/min，割臺高度為300 mm，均保持在各部件運行參數范圍內。試驗過程中，控制機組前進速度為0.7 m/s，每組試驗行駛25 m后停止，選擇中間15 m為測試區域，間隔1 m選定測點，累計共15個測點。

4.2 評價指標

以反映割曬機作業性能的鋪放角、上下層鋪放角度差、平均鋪放寬度、鋪放寬度變異系數、平均鋪放高度、鋪放高度變異系數等為鋪放質量評價指標[26]，以收獲后左、右兩側履帶行走區域與廂面平均高度差表征割曬機履帶式動力底盤的負載平衡性。

鋪放角為鋪放后油菜莖稈與機組前進方向的夾角，上下層鋪放角度差為鋪放后上、下層莖稈鋪放角的最大差值，反映莖稈相互牽扯作用下的鋪放效果一致性[31]。在測點處油菜鋪放層上、下層各選一株油菜，角度尺測量上層鋪放角θiu和下層鋪放角θid，則鋪放角計算方法為

(33)

式中θ——鋪放角，(°)

上下層鋪放角度差計算方法為

(34)

式中 Δθ——上下層鋪放角度差，(°)

鋪放寬度為油菜鋪層的最大寬度，鋪放高度為油菜鋪層垂直于地面的最大高度，兩者的一致性影響撿拾收獲作業質量。測量各測點鋪放寬度li和鋪放厚度hi，鋪放寬度與鋪放高度的變異系數計算式為

(35)

(36)

式中Cl——鋪放寬度變異系數，%

Ch——鋪放厚度變異系數，%

收獲作業后，因履帶式動力底盤對土壤的碾壓，履帶行走區域高度與收獲前廂面高度存在落差，測量并計算左右兩側高度差(圖17)可反映割曬機兩側負載質量分布的均勻性。

圖17 行走后廂面高度差Fig.17 Height difference after windrower working

4.3 試驗結果與分析

試驗過程與割曬效果如圖18所示，試驗結果表明：割曬機收獲不同適收期油菜時作業順暢，可滿足不同工況下的油菜割曬作業要求；綠熟期油菜平均鋪放寬度與寬度變異系數分別為968.7 mm和6.35%，平均鋪放高度與高度變異系數分別為389.4 mm和16.97%，平均鋪放角為13.3°，上下層鋪放角度差為3.5°，收獲后左、右側履帶行走區域與廂面平均高度差分別為88.67 mm和91.33 mm；黃熟期油菜平均鋪放寬度與寬度變異系數分別為956.8 mm和4.78%，平均鋪放高度與高度變異系數分別為468.3 mm和12.19%，平均鋪放角為13.6°，上下層鋪放角度差為4.4°，收獲后左、右側履帶行走區域與廂面平均高度差分別為62.50 mm和66.00 mm；收獲不同成熟期油菜的鋪放質量基本滿足實際生產需求，履帶式動力底盤左右兩側對廂面碾壓程度基本一致，說明整機左右質量分配相對合理。

圖18 油菜割曬機田間試驗Fig.18 Field tests of rape windrower

5 結論

(1)針對常規油菜割曬機結構復雜，機具通過性和鋪放質量有待提高等問題，設計了一種全液壓驅動的履帶自走式中間條鋪油菜割曬機，可實現油菜植株的中間條鋪和茬上晾曬。

(2)結合油菜栽培農藝，開展了高地隙履帶自走式割曬機克服高程障礙、人為障礙和路面障礙的通過性能試驗，結果表明割曬機縱向上、下行極限傾翻角分別為36.25°和38.02°，可克服地面高度差約為104 mm，硬質路面和松軟土壤條件下直行平均偏移程度分別為0.73%和1.28%，平均轉彎半徑分別為1.91 m和2.03 m，田塊間轉移與田間作業上下坡道、翻越田埂、跨越畦溝等過程較為流暢，行走與工作部件未發現明顯干涉。

(3)分析了中間植株與兩側植株的鋪放過程，明確了直接影響鋪放質量的因素主要為株高、重心高度、角果層半徑、轉動慣量、單株質量、撥禾輪轉速、機組前進速度、留茬高度、橫向輸送裝置轉速等。

(4)割曬機田間試驗結果表明，當機組前進速度為0.7 m/s、撥禾輪轉速為30 r/min、橫向輸送裝置轉速為240 r/min、割刀曲柄轉速為320 r/min時，收獲綠熟期、黃熟期油菜的平均鋪放寬度分別為968.7 mm和956.8 mm，平均鋪放高度分別為389.4 mm和468.3 mm，平均鋪放角分別為13.3°和13.6°，收獲不同成熟期油菜的鋪放質量基本滿足實際生產需求，履帶式動力底盤左右兩側對廂面碾壓程度基本一致，整機左右質量分配相對合理。