收割機智能自動控制及液壓兩驅- 四驅切換裝置的研究

崔宗霞

（山東省濟南市長清區雙泉鎮人民政府， 山東 濟南 250303）

1 項目概況

當前，GPS 衛星定位和自動導航駕駛技術在農業收割機中得到了廣泛應用，有效提高了收割機工作效率、作業質量、土地利用率，節本增效效果顯著。同時自動轉向技術在農業收割機也得到了應用，具有以下優勢：在能見度低時能夠獲得高可靠性及安全性；使割臺寬度能夠得到最大利用；可以很精確地描繪每片區域的產量，以便精準作業；降低了油耗；減少轉彎時間；降低了駕駛員的壓力使其能更加關注于收割作業上[1-2]。

為進一步實現農業收割機的無人駕駛智能化控制，設計了農業收割機自動控制新技術。國內農業收割機液壓行駛系統主要采用兩輪驅動形式或四輪驅動形式，兩者無法進行自動切換，不太符合當前收割機的行駛和作業工況，無法將兩驅和四驅的優勢發揮出來，基于收割機節能性角度，設計了一種兩驅- 四驅液壓切換裝置，能夠解決傳統收割機兩驅、四驅不能切換的問題。

2 基于智能化自動控制新技術的設計

2.1 割臺高度控制方式

利用傳感器改裝收割機割臺液壓升降裝置，使安裝在收割機割臺上的傳感器能夠準確測得割臺與行駛路面之間的距離，利用PLD 工作原理，編輯邏輯程序，對探測到的數據進行收集、分析、處理并發出指令給收割機割臺液壓升降系統，實現割臺自動升降。當前收割機割臺高度控制方式主要有以下三種模式：

模式一：恢復到預先設定的割臺高度以收割切割后斷桿較長的作物。如玉米、青儲飼料等農作物，收割后的斷桿較長，收割機進行收割作業時，需要將割臺控制在一個較高的高度，而且不同的農作物需要的割臺高度也不相同，因此預先設定在割臺控制系統中。

模式二：保持切割后斷桿在一個預先設定的長度，比如使用和地面接觸的機械傳感器。對于地面不是平面的田地，需要收割機的割臺高度能夠隨著地面的起伏進行實時的高度控制。此時，需要在割臺上安裝機械傳感器，檢測地面到割臺的高度。

模式三：保持割臺一個預先設定的對地壓力以收割倒伏的作物。由于大風、大雨等原因，農田實際存在農作物倒伏的情況。為了收割倒伏的農作物，需要割臺緊貼地面作業，此時，割臺與地面之間不是高度控制，而是貼合壓力控制[3]。

2.2 山地地形自適應控制

在傾斜和起伏的山地地形上面，割臺可以根據地形情況傾斜和升降，以適應變化的復雜地況作業，同時整機的懸掛系統可以保持整機平衡狀態，以提高駕駛員的駕駛舒適性和脫粒及清選系統的作業效率，如圖1 所示。

圖1 山地地形自適應控制示意圖

2.3 行駛作業速度自適應控制

采用靜液壓驅動撥禾輪，喂入速度可實現自動調整，根據收割機行走速度自動調節割臺及喂入的速度，如田間作物密度變稀，收割機將加速，這時割臺和喂入的速度將會自動調整，以匹配行走速度，如圖2 所示。

圖2 行駛作業速度自適應控制

2.4 清選系統自動找平功能

在斜坡上收割時，減少谷物的損失及增加生產效率，和在平地上收割效果一樣。整個清選系統（包括谷物盤、上篩、下篩、風機）能夠自動調整水平以獲得最佳的清選效果，不管是在平地，還是在換行轉彎時（換行經過田便時），以及在斜坡上收割時，都能獲得最佳效果。

3 收割機液壓兩驅-四驅切換系統的設計

3.1 收割機液壓行駛系統兩驅方案

收割機液壓行駛系統兩驅方案工作原理和特點如下：收割機兩驅液壓系統包括1 個液壓泵和1 個液壓馬達，其中，液壓泵與發動機連接，液壓馬達與前輪驅動橋連接，發動機輸出的動力經過液壓泵、液壓馬達、前橋到達2 個前輪，2 個前輪驅動收割機行走。后輪是轉向輪，沒有驅動功能。

前輪驅動系統的優點為結構簡單、成本低、操縱方便。前輪驅動系統的缺點為驅動力不足，特別是在爬坡、通過泥寧路段、地面附著力較小時，收割機的通過性顯著降低，影響作業速度和效率。

3.2 收割機液壓行駛系統四驅方案

收割機液壓行駛系統四驅方案工作原理和特點如下：針對收割機兩驅液壓系統的不足，有廠家開發了四驅液壓系統，四驅液壓系統包括1 個液壓泵和3個液壓馬達。液壓泵與發動機連接，1 個液壓馬達與前輪驅動橋連接，另外2 個液壓馬達分別與2 個后輪連接。發動機的動力經過液壓泵、3 個液壓馬達分別傳輸到2 個前輪和2 個后輪，實現了四輪驅動[4-5]。

四輪驅動液壓系統的優點是驅動力充足，在爬坡、泥寧路段等工況下，車輛的通過性仍然很強。四輪驅動系統的缺點是能量消耗大。無論路面時好時壞，車輛都采用四輪驅動，能量消耗大，經濟性差。

收割機在工作時，分為作業工況和行駛工況。在收割機行駛時，一般路面條件較好，行駛速度較高，此時，適合采用兩驅液壓系統來驅動，達到節能的目標；在收割機進行收割作業時，如果地面條件較好，可以采用兩驅系統，如果地面出現上坡、泥寧等情況，則需要四輪驅動系統。

收割機工況特點對行駛系統的要求：兩驅系統適合收割機的行駛工況，四驅系統適合收割機的作業工況，因此，理想的收割機驅動系統要能夠在兩驅和四驅之間進行切換。當收割機處于行駛工況時，行駛系統切換到兩驅模式，以實現較高的行駛速度和節能效果；當收割機處于作業工況時，行駛系統切換到四驅模式，以實現較高的牽引力和通過性能。

根據以上對收割機工況系統的分析，最理想的收割機液壓行駛驅動系統是兩驅、四驅可切換的系統，根據工況的需要進行切換，達到節能的目標。針對收割機工況特點對其行駛系統的要求，提出了一種兩驅-四驅液壓切換裝置，能夠解決傳統收割機兩驅、四驅不能切換的問題。

3.3 一種兩驅- 四驅液壓切換裝置

針對上述問題，設計了收割機液壓行駛系統一種兩驅- 四驅液壓切換裝置，切換原理如圖3 所示。

圖3 收割機液壓行駛系統兩驅- 四驅液壓切換原理圖

本方案的工作原理和特點如下：本系統的四驅液壓系統包括1 個液壓泵、3 個液壓馬達、1 個切換閥、CAN 總線、控制器和控制手柄。液壓泵與發動機連接，1 個液壓馬達與前輪驅動橋連接，另外2 個液壓馬達分別與2 個后輪連接。發動機的動力經過液壓泵、3 個液壓馬達分別傳輸到2 個前輪和2 個后輪，實現了四輪驅動。CAN 總線與液壓泵控制模塊、馬達轉速傳感器、控制器、控制手柄、液壓切換閥電磁鐵連接。液壓切換閥與2 個后輪驅動液壓馬達連接。

系統工作時，控制器采集馬達轉速傳感器的信號和控制手柄的信號，并對液壓泵排量、液壓切換閥進行控制。常態下，液壓系統工作在兩驅狀態，即2 個后輪驅動液壓馬達排量處在零位，不工作。只有前輪驅動液壓馬達工作。當控制器通過馬達轉速傳感器檢測到車速較低時，通過控制切換閥電磁鐵控制切換閥工作，把2 個后驅動液壓馬達激活（把馬達排量從零位推到工作位），從而實現了從兩驅模式切換到四驅模式。反之，當控制器檢測到液壓馬達的轉速回復到正常范圍時，通過控制切換閥電磁鐵控制切換閥回復原位，2 個后輪驅動液壓馬達的排量回到零位，車輛又回復到兩驅模式。

兩驅- 四驅切換的液壓驅動系統，更符合收割機的行駛和作業工況的要求，可以兼具傳統車輛液壓系統兩驅和四驅的優點，節能性更好。

4 結語

以農業收割機為研究對象，對其無人駕駛智能自動控制技術及行駛的節能性進行改造設計。對農業收割機無人駕駛智能自動控制技術從割臺高度控制方式、山地地形自適應控制、行駛作業速度自適應控制、清選系統自動找平功能四方面進行設計，為農業收割機的智能化設計提供參考。基于收割機節能性角度，設計了一種兩驅- 四驅液壓切換裝置，能夠解決傳統收割機兩驅、四驅不能切換的問題，更符合收割機的行駛和作業工況的要求，為農業收割機的節能降耗設計提供參考。