陳智鍇，張 沖，胡志超，吳惠昌，張延化，彭寶良，王 冰，游兆延

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

0 引言

土下果實(shí)是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，主要包括花生、甘薯、大蒜及馬鈴薯等20余種。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)主要土下果實(shí)花生、甘薯、大蒜和馬鈴薯的種植面積和產(chǎn)量均位居世界前列，是世界上舉足輕重的土下果實(shí)生產(chǎn)大國(guó)[1-8]。雖然我國(guó)土下果實(shí)生產(chǎn)規(guī)模大，但機(jī)械化水平和智能化水平較低，機(jī)械化收獲時(shí)果實(shí)漏挖率和破損率較高。限深技術(shù)是降低破損率和漏挖率，提高土下果實(shí)收獲機(jī)械性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。田間地面連續(xù)起伏變化，如果挖掘收獲機(jī)械不能及時(shí)作出響應(yīng)，有效控制挖掘深度，將導(dǎo)致收獲過(guò)程中挖掘深度不穩(wěn)定，果實(shí)破損、漏挖嚴(yán)重。同時(shí)，精確控制挖掘深度也是減阻降耗、降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵措施之一。在挖掘收獲過(guò)程中，如果挖掘深度過(guò)深，將增大挖掘鏟的挖掘阻力，從而增大了收獲機(jī)的功耗，降低了收獲機(jī)的經(jīng)濟(jì)性；相反，如果實(shí)際挖掘深度小于目標(biāo)挖掘深度，將增大果實(shí)破損率和漏挖率，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，亦達(dá)不到機(jī)械化收獲的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，土下果實(shí)機(jī)械化過(guò)程中實(shí)時(shí)控制合理的挖掘深度是保證作業(yè)質(zhì)量的重要前提。當(dāng)前，我國(guó)土下果實(shí)收獲機(jī)械設(shè)備采用的限深措施大多較為粗放落后，已成為制約土下果實(shí)機(jī)械化收獲作業(yè)性能的主要瓶頸之一，亟待突破和提升。因此，研析國(guó)內(nèi)外挖掘限深技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)提升我國(guó)土下果實(shí)機(jī)械化收獲水平具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 國(guó)內(nèi)外挖掘限深技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

土下果實(shí)收獲由最初的人力、畜力收獲發(fā)展到今天的機(jī)械化收獲，極大地提高了生產(chǎn)效率，降低了人類的勞動(dòng)強(qiáng)度。其中，挖掘是收獲過(guò)程中非常關(guān)鍵的作業(yè)環(huán)節(jié)，很大程度上決定了土下果實(shí)的整體收獲質(zhì)量。挖掘作業(yè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵在于確保土下果實(shí)被充分挖掘，果實(shí)漏挖和破損比例小，同時(shí)盡量減少挖土量以減小工作阻力。為此，農(nóng)機(jī)研究人員發(fā)明了挖掘限深技術(shù)，以保證挖掘深度穩(wěn)定，提高土下果實(shí)機(jī)械化收獲質(zhì)量。

1.1 國(guó)外挖掘限深技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)挖掘限深技術(shù)研究較早，加上傳感器、微電子和計(jì)算機(jī)等技術(shù)發(fā)展迅速、基礎(chǔ)實(shí)力強(qiáng)，目前已開(kāi)發(fā)出多種先進(jìn)的機(jī)電液一體化挖掘限深技術(shù)，并朝著集成化程度、自動(dòng)化程度和智能化程度更高的方向發(fā)展。在國(guó)外，挖掘限深技術(shù)的研發(fā)主力是各大農(nóng)機(jī)公司，如美國(guó)的KMC和AMADAS公司、德國(guó)ROPA和Grimme公司等，這些公司成立時(shí)間早，研發(fā)生產(chǎn)歷史長(zhǎng)，技術(shù)積淀深厚，具有很強(qiáng)的技術(shù)研發(fā)能力[9-12]。目前，已經(jīng)將挖掘限深技術(shù)應(yīng)用在花生收獲機(jī)、馬鈴薯收獲機(jī)和甜菜收獲機(jī)等土下果實(shí)挖掘收獲機(jī)上，進(jìn)一步提升了挖掘收獲機(jī)的收獲性能。

美國(guó)的KMC公司是世界知名的花生收獲機(jī)生產(chǎn)商，擁有46年花生收獲機(jī)械的生產(chǎn)歷史，技術(shù)先進(jìn)，實(shí)力雄厚。其生產(chǎn)的KMC2002型牽引式花生挖掘收獲機(jī)，針對(duì)美國(guó)兩段式花生收獲模式研制，具有先進(jìn)的無(wú)極調(diào)速挖掘鏟控制機(jī)構(gòu)[13]。工作時(shí)，隨地面起伏變化實(shí)時(shí)調(diào)整挖掘鏟高度，保證工作過(guò)程中挖掘深度穩(wěn)定；而且收獲機(jī)還配有扭桿彈簧懸掛設(shè)置，確保在挖掘作業(yè)過(guò)程中的平穩(wěn)和順暢，有利于更精確地控制挖掘深度。

德國(guó)ROPA公司是著名的甜菜聯(lián)合收獲機(jī)制造商，其生產(chǎn)的Euro-tiger V8-3大型甜菜收獲機(jī)是一款智能化程度很高的高效收獲機(jī)，如圖1所示。該型收獲機(jī)的挖掘鏟左右兩側(cè)配有直徑為900mm的限深輪，能有效碾壓覆蓋菜葉以及雜草等殘?jiān)?；同時(shí)，收獲臺(tái)前端裝有4個(gè)仿形輪，經(jīng)油泵緩壓系統(tǒng)控制。收獲機(jī)工作時(shí)，限深輪對(duì)地面進(jìn)行仿形，并實(shí)時(shí)將工作狀態(tài)顯示在駕駛室內(nèi)的液晶顯示器上；通過(guò)屏幕上兩個(gè)坡度分級(jí)圖表及油泵緩壓系統(tǒng)、挖掘鏟工作狀態(tài)顯示,操作者能準(zhǔn)確地使用操縱桿單獨(dú)或同時(shí)控制液壓缸伸縮以調(diào)整挖掘鏟，使挖掘鏟調(diào)整至合理的高度，保證挖掘深度一致。該系統(tǒng)最大特點(diǎn)是系統(tǒng)工作狀態(tài)可視化效果好。

1.犁架 2.機(jī)架 3.液壓缸 4.滾筒輸送系統(tǒng) 5.挖掘鏟 6.限深輪圖1 Euro-tiger V8-3型甜菜收獲機(jī)挖掘裝置Fig.1 Euro-tiger V8-3 beet combine harvester

德國(guó)Grimme農(nóng)業(yè)機(jī)械公司是全球領(lǐng)先的馬鈴薯生產(chǎn)機(jī)械專業(yè)制造商，旗下產(chǎn)品覆蓋了馬鈴薯生產(chǎn)全程機(jī)械化，其中GT170系列馬鈴薯挖掘收獲機(jī)是一種大型牽引式挖掘收獲機(jī)，裝有最新發(fā)明的挖掘深度控制系統(tǒng)TERRA-CONTROL。該系統(tǒng)具有精準(zhǔn)度和自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，如圖2所示。該系統(tǒng)由限深仿形輪、位移傳感器及液壓系統(tǒng)和控制器等組成，工作時(shí)限深輪隨地面起伏繞其與支架的鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而通過(guò)擺臂拉伸或壓縮位移傳感器，位移傳感器將位移信號(hào)傳遞給控制器，然后控制器發(fā)送控制信號(hào)至液壓缸，由液壓缸伸縮直接調(diào)整挖掘鏟高度，維持挖掘深度穩(wěn)定不變[14-16]；而且，工作過(guò)程中駕駛員可通過(guò)駕駛室內(nèi)的顯示屏實(shí)時(shí)監(jiān)控挖掘鏟的工作狀態(tài)。

1.顯示屏 2.ECU 3.位移傳感器 4.機(jī)架 5.挖掘鏟 6.液壓缸 7.限深輪 8.搖臂圖2 TERRA-CONTROL自動(dòng)深度控制系統(tǒng)Fig.2 TERRA-CONTROL automatic depth-controlled system

1.2 國(guó)內(nèi)挖掘限深技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)挖掘限深技術(shù)的研究較晚，相關(guān)農(nóng)機(jī)企業(yè)成立時(shí)間短，生產(chǎn)規(guī)模有限，技術(shù)積淀單薄，研發(fā)能力較弱，目前主要依托于科研院所和高校的研發(fā)成果。

農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所是我國(guó)農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)歷史最為悠久的國(guó)家級(jí)科研單位，在土下果實(shí)機(jī)械化收獲技術(shù)領(lǐng)域擁有深厚的技術(shù)沉淀。研究所建有中國(guó)農(nóng)科院土下果實(shí)機(jī)械化收獲創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和國(guó)家產(chǎn)業(yè)化技術(shù)體系花生、甘薯機(jī)械化研究室，多年來(lái)對(duì)花生、大蒜、甜菜和甘薯等土下果實(shí)機(jī)械化收獲關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了持續(xù)攻關(guān)和深入研究，取得了一大批研究成果[17]。在挖掘限深技術(shù)方面，先后開(kāi)發(fā)了可調(diào)節(jié)限深輪和限深板裝置、液壓式限深裝置以及日益成熟的自動(dòng)限深裝置。

開(kāi)封茂盛機(jī)械公司與江蘇宇成動(dòng)力集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的4HLB-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)采用農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所的早期研究成果[18](見(jiàn)圖3)，收獲機(jī)的限深裝置由調(diào)節(jié)螺桿和限深板組成。非工作狀態(tài)時(shí)，駕駛員根據(jù)收獲地面實(shí)際情況，手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿來(lái)調(diào)整限深板的支撐高度，挖掘鏟高度隨之改變以調(diào)整挖掘深度。

農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所與常州漢森機(jī)械有限公司聯(lián)合研制的4LT-A型牽引式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)采用了液壓式限深裝置，如圖4所示。工作時(shí)，由駕駛員觀察地面起伏變化，判斷挖掘裝置的挖深修正量，然后通過(guò)操縱桿手動(dòng)控制液壓系統(tǒng)帶動(dòng)牽引臂，抬高或降低挖掘裝置的高度，控制挖掘深度。

圖3 4HLB-2花生聯(lián)合收獲機(jī)Fig.3 4HLB-2 combine harvester

圖4 4LT-A甜菜聯(lián)合收獲機(jī)Fig.5 4LT-A beet combine harvester

隨著限深技術(shù)控制精度要求的提高，農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所在自行研制的4HLB-2和4HLB-4型花生聯(lián)合收獲機(jī)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了兩種自動(dòng)控制限深技術(shù)。其中，針對(duì)4HLB-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)研制的是基于超聲波測(cè)距的自動(dòng)限深系統(tǒng)，此系統(tǒng)由地面仿形機(jī)構(gòu)、單片機(jī)控制系統(tǒng)和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成[19-20]。仿形裝置上裝有基準(zhǔn)板，通過(guò)測(cè)量超聲波傳感器發(fā)射端到基準(zhǔn)板的距離，間接獲得地面起伏變化，然后將測(cè)得的深度值送入控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)控制液壓缸調(diào)整挖掘鏟，維持挖掘深度穩(wěn)定。4HLB-4型花生聯(lián)合收獲機(jī)(見(jiàn)圖5)是一款智能、高效的四行花生聯(lián)合收獲機(jī)，裝有基于雙軸傾角傳感器的自動(dòng)限深系統(tǒng)，由雙軸傾角傳感器感知底盤、左右收獲臺(tái)及挖掘機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的最佳收獲姿態(tài)，計(jì)算出實(shí)時(shí)角度修正量，驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)構(gòu)調(diào)整挖掘機(jī)構(gòu)，控制挖掘深度[21]。4HLB-4型花生聯(lián)合收獲機(jī)技術(shù)日趨成熟，目前已與山東東泰機(jī)械有限公司完成成果轉(zhuǎn)讓，很快將批量進(jìn)入市場(chǎng)。

圖5 4HLB-4型花生聯(lián)合收獲機(jī)Fig.5 4HLB-4 peanut combine harvester

此外，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)在花生機(jī)械化收獲領(lǐng)域也具有較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力，其分別與臨沭東泰機(jī)械公司和山東五征集團(tuán)聯(lián)合研制的4HBL-2、4HBL-4型花生聯(lián)合收獲機(jī)也設(shè)計(jì)有限深裝置。4HBL-2花生聯(lián)合收獲機(jī)采用了液壓式限深裝置，由液壓缸和限深輪組成，通過(guò)液壓缸伸縮調(diào)節(jié)限深輪支撐高度即收獲架的高度，從而調(diào)整挖掘鏟高度，控制挖掘深度，如圖6所示。4HBL-4型花生聯(lián)合收獲機(jī)則采用了懸浮式限深機(jī)構(gòu)，將聯(lián)合收獲機(jī)挖掘鏟與限深輪機(jī)構(gòu)固定連接，再與車架懸臂梁鉸接[22]。工作時(shí)，限深輪隨地面起伏變化繞鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)挖掘鏟轉(zhuǎn)動(dòng)以改變挖掘鏟入土角度，從而控制挖掘深度。

圖6 臨沭東泰公司4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)Fig.6 4HBL-2 peanut combine harvester,Linshu Dongtai Co.Ltd.

從國(guó)內(nèi)外挖掘限深技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，我國(guó)挖掘收獲機(jī)械廣泛采用機(jī)械式的限深輪、限深板及液壓式限深裝置，應(yīng)用自動(dòng)控制限深技術(shù)的成熟挖掘收獲機(jī)械產(chǎn)品目前還較少。而國(guó)外土下果實(shí)收獲機(jī)械普遍具有大型、高效和智能的特點(diǎn)，廣泛采用機(jī)電液一體化限深技術(shù)?？傮w上看，我國(guó)挖掘限深技術(shù)在產(chǎn)品化和實(shí)際應(yīng)用方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在明顯差距。

2 挖掘限深技術(shù)的主要類型及特點(diǎn)

目前，國(guó)內(nèi)外所采用的限深技術(shù)可分為機(jī)械式、液壓式和自動(dòng)控制式。

2.1 機(jī)械式限深技術(shù)

1)機(jī)械式限深技術(shù)的工作部件主要為限深輪或限深板：限深輪滾動(dòng)阻力小，但質(zhì)量較大，在松軟地面上容易下陷；而限深板接地面積較大，質(zhì)量相對(duì)較輕，在松軟的土壤表面工作時(shí)不易下陷，但其前行阻力較限深輪大。限深輪或限深板一般安裝在挖掘鏟的兩側(cè)，安裝高度可以通過(guò)機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。挖掘深度由挖掘鏟至限深輪或限深板底部的距離決定。挖掘收獲機(jī)工作前，調(diào)節(jié)限深輪或限深板的高度來(lái)設(shè)定挖掘作業(yè)深度。工作時(shí)，限深輪或限深板對(duì)地面進(jìn)行仿形，當(dāng)?shù)孛嫱蛊饡r(shí)，限深輪或限深板在地面的反作用力作用下帶動(dòng)懸浮的收獲架提升從而提高挖掘鏟的高度；當(dāng)?shù)孛嫦掳紩r(shí)，限深輪或限深板受到的地面反作用力減小，收獲架在其重力的作用下逐漸下降從而降低挖掘鏟的高度。挖掘鏟的高度調(diào)節(jié)過(guò)程中，總是以土地表面作為挖掘深度基準(zhǔn)，使挖掘鏟離土地表面的距離保持基本不變，從而保證挖掘深度穩(wěn)定。

2)機(jī)械式限深裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，安裝、維護(hù)容易，但限深輪和限深板實(shí)時(shí)仿形能力差，仿形精度低，挖掘鏟調(diào)整速度慢，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，深度控制穩(wěn)定性差。

3)機(jī)械式限深裝置因技術(shù)要求低、經(jīng)濟(jì)性好，目前已被國(guó)內(nèi)挖掘收獲設(shè)備廣泛采用，如青島宏盛集團(tuán)生產(chǎn)的金果王花生聯(lián)合收獲機(jī)。亦有部分企業(yè)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械式限深裝置進(jìn)行了改進(jìn)，如山東五征集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的4HLB-4型花生聯(lián)合收獲機(jī)采用的懸浮式限深機(jī)構(gòu)。

2.2 液壓式限深技術(shù)

1)液壓式限深裝置的關(guān)鍵部件為液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓缸活塞桿端直接與限深輪或限深板連接，另一端與收獲架鉸接，液壓缸的伸縮可以調(diào)節(jié)收獲架的高度，進(jìn)而調(diào)節(jié)挖掘鏟的高度。挖掘收獲時(shí)，由駕駛員觀察地面起伏變化，判斷挖掘鏟入土深度，然后通過(guò)操縱桿手動(dòng)控制液壓系統(tǒng)的液壓缸伸縮以提高或降低收獲架的高度從而調(diào)整挖掘鏟的高度，保證挖掘深度一致。

2)液壓式限深技術(shù)在機(jī)械式限深裝置的基礎(chǔ)上安裝了液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，發(fā)揮液壓系統(tǒng)大功率、低慣量的特點(diǎn)，提高了挖掘鏟調(diào)整速度，降低了響應(yīng)時(shí)間。但挖掘鏟的實(shí)時(shí)修正量由駕駛員觀察地面起伏主觀判斷所得，實(shí)時(shí)性差，控制誤差較大，且駕駛員需要時(shí)刻觀察地面，容易疲勞，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

3)液壓限深技術(shù)是一種粗放的主動(dòng)限深技術(shù)，目前在國(guó)內(nèi)被廣泛采用，如常州漢森機(jī)械有限公司生產(chǎn)的4LT-A型甜菜聯(lián)合收獲機(jī)。廣東科利亞現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備有限公司生產(chǎn)的4HB-2A型花生聯(lián)合收獲機(jī)采用了液壓式限深板機(jī)構(gòu)，江蘇宇成動(dòng)力集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的4HLB-2A型花生聯(lián)合收獲機(jī)及山東臨沭東泰機(jī)械有限公司生產(chǎn)的4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)采用了液壓式限深輪機(jī)構(gòu)。

2.3 自動(dòng)控制式限深技術(shù)

1)自動(dòng)控制限深技術(shù)是目前最先進(jìn)的主動(dòng)式限深技術(shù)，主要包括深度檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分。深度檢測(cè)系統(tǒng)按傳感器工作方式可分為接觸式和非接觸式：接觸式深度檢測(cè)系統(tǒng)由機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)和電子傳感器(一般為位移傳感器、力傳感器和角度傳感器等)組成，且目前的機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)的預(yù)緊力和恢復(fù)力大多僅由彈簧提供。工作時(shí)，機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)對(duì)地面進(jìn)行仿形，并將地面起伏變化傳遞給傳感器，然后傳感器將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)挖掘鏟進(jìn)行調(diào)整。非接觸式深度檢測(cè)則由電子傳感器(一般為超聲波傳感器、紅外線傳感器等)直接檢測(cè)地面起伏變化。工作時(shí)，傳感器直接感知地面起伏變化并將信號(hào)傳遞給控制器，然后由控制器發(fā)出調(diào)整信號(hào)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對(duì)挖掘鏟的控制，保證挖掘深度一致。

2)自動(dòng)控制限深系統(tǒng)融合了機(jī)電液一體化技術(shù)，具有自動(dòng)化程度高、信號(hào)采集速度快，精度和靈敏度高及挖掘深度控制穩(wěn)定等特點(diǎn)；但工作時(shí)存在接觸式深度檢測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)可能發(fā)生振動(dòng)以及非接觸式傳感器的信號(hào)容易受到干擾等方面的問(wèn)題影響挖掘深度的控制精度。

3)自動(dòng)控制限深技術(shù)在國(guó)外被廣泛采用，如美國(guó)KMC公司生產(chǎn)的KMC2002型花生收獲機(jī)，采用獨(dú)立電機(jī)單獨(dú)控制挖掘鏟；德國(guó)Grimme公司生產(chǎn)的GT170型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，裝有TERRA-CONTROL挖深控制系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)自動(dòng)限深技術(shù)大多處于理論或者試驗(yàn)階段，尚未運(yùn)用到批量化產(chǎn)品上。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種基于位移測(cè)量機(jī)構(gòu)的自動(dòng)限深裝置，申請(qǐng)了發(fā)明專利，但目前并未投入市場(chǎng)，應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中[23]。目前，僅農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的世界首臺(tái)4HLB-4半喂入花生聯(lián)合收獲機(jī)上采用了基于雙軸傾角傳感器的自動(dòng)限深技術(shù)，并與臨沭東泰機(jī)械有限公司進(jìn)行產(chǎn)品化開(kāi)發(fā)。

3 我國(guó)自動(dòng)限深技術(shù)存在的問(wèn)題

目前，機(jī)電液一體化自動(dòng)控制限深技術(shù)是我國(guó)農(nóng)機(jī)科研人員正在大力研究的方向，就已經(jīng)公開(kāi)的階段性成果來(lái)看，還存在著一些問(wèn)題，制約了挖深控制精度的進(jìn)一步提高[23-25]。

3.1 深度檢測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題

對(duì)于接觸式深度檢測(cè)機(jī)構(gòu)，地面起伏變化信息由機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)獲得再傳遞給電子傳感器。機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)一般與電子傳感器機(jī)械連接，能保證這一環(huán)節(jié)信息傳遞完整，但是機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)獲得地面起伏變化信息的精度卻不穩(wěn)定，隨著挖掘收獲機(jī)行駛速度的提高，地面起伏變化速度加快或地面堅(jiān)實(shí)度發(fā)生變化，僅在彈簧的恢復(fù)力作用下機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)可能發(fā)生振動(dòng)而不能實(shí)時(shí)精確仿形；同時(shí)，機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)相對(duì)于挖掘鏟的位置不同也會(huì)產(chǎn)生不同的影響，如機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)大多位于挖掘鏟的前方或者后方，從而導(dǎo)致機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)仿形超前或者滯后，超前或滯后的程度隨仿形機(jī)構(gòu)至挖掘鏟的距離增大而增大[26]。如果控制系統(tǒng)未能將限深仿形裝置與挖掘鏟位置差與機(jī)器前行速度實(shí)現(xiàn)互鎖，將導(dǎo)致挖掘深度調(diào)整超前或滯后，從而增大挖掘鏟的深度控制誤差。

對(duì)于非接觸式自動(dòng)限深技術(shù)，地面起伏變化信息由非接觸式傳感器直接獲得，信息采集速度快、靈敏度高，能夠保證信息獲取的實(shí)時(shí)性。目前的非接觸式傳感器主要為超聲波傳感器和紅外傳感器，紅外傳感器易受溫度、水分等因素的影響，超聲波傳感器受干擾因素少相對(duì)穩(wěn)定，但田間地面有大量作物、雜草植株，可能導(dǎo)致超聲波與紅外線未到達(dá)地面就被反射回去，使測(cè)量距離變小，造成挖掘鏟的誤調(diào)整[27]。

3.2 控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

目前，我國(guó)挖掘收獲機(jī)械整體智能化水平低，自動(dòng)控制限深技術(shù)處在研發(fā)階段，其所用的控制器一般是專為自動(dòng)限深系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)成本低，經(jīng)濟(jì)性好，但抗干擾能力弱，故障率高且不易排除，不易擴(kuò)展。田間作業(yè)情況復(fù)雜、環(huán)境和工作條件苛刻，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的工作是一個(gè)考驗(yàn)。而且挖掘收獲機(jī)的發(fā)展方向是高效化和智能化，控制器必將集成更多的不同的子功能控制系統(tǒng)，如行走速度自動(dòng)控制系統(tǒng)、產(chǎn)量監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)和自動(dòng)對(duì)行控制系統(tǒng)等，專門設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)的功能稍顯單一，集成不便，不適合應(yīng)用于集成度高的智能化聯(lián)合收獲機(jī)。

3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在的問(wèn)題

執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般有液壓缸執(zhí)行系統(tǒng)和電動(dòng)推桿系統(tǒng)，實(shí)際使用最多的為液壓缸執(zhí)行系統(tǒng)，其具有功率發(fā)揮大、低慣量的特點(diǎn)。目前，我國(guó)液壓缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用點(diǎn)普遍位于挖掘收獲機(jī)的收獲架上，距挖掘鏟的距離較遠(yuǎn)。因此，收獲架形成了一個(gè)外伸梁結(jié)構(gòu)，其自由端即挖掘鏟處在液壓缸作用瞬間的擾度和振動(dòng)都會(huì)給挖掘鏟挖深控制帶來(lái)誤差，且液壓缸伸縮的誤差將成倍地放大到挖掘鏟的深度控制上。

4 我國(guó)挖掘限深技術(shù)的發(fā)展方向

4.1 深度檢測(cè)機(jī)構(gòu)的發(fā)展方向

深度檢測(cè)機(jī)構(gòu)將由傳統(tǒng)的機(jī)械式發(fā)展為機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)加傳感器采集系統(tǒng)的機(jī)電組合式機(jī)構(gòu)，如機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)加位移傳感器、力傳感器或角度傳感器等，并朝著采集速度更快、精度更高的非接觸式傳感器(如超聲波傳感器等)信息采集系統(tǒng)發(fā)展。兩種自動(dòng)控制限深技術(shù)存在的問(wèn)題將隨著系統(tǒng)的優(yōu)化和新技術(shù)的出現(xiàn)得到有效解決，接觸式的自動(dòng)限深技術(shù)關(guān)鍵在于機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和彈性元件并可引入阻尼元件，增強(qiáng)仿形機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性和附著性能，提高其實(shí)時(shí)仿形能力；對(duì)于非接觸式自動(dòng)限深技術(shù)，將傳感器以一定陣列方式安裝在機(jī)架上，為控制系統(tǒng)提供平均作業(yè)深度，可有效減小信息采集誤差[28]。而且，隨著微電子和傳感器技術(shù)的發(fā)展以及成本的降低，經(jīng)過(guò)改良以及更先進(jìn)的傳感器將應(yīng)用到深度檢測(cè)系統(tǒng)上?？傊ㄟ^(guò)不斷提高深度檢測(cè)系統(tǒng)的速度和精度，以適應(yīng)聯(lián)合收獲機(jī)高效化的發(fā)展方向。

4.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

自動(dòng)限深技術(shù)的控制系統(tǒng)將朝著數(shù)據(jù)傳遞通道多樣化、處理速度更快、抗干擾能力更強(qiáng)及集成度更高的方向發(fā)展。隨著聯(lián)合收獲機(jī)的高效化、通用化，控制系統(tǒng)要處理的數(shù)據(jù)越來(lái)越多樣化和復(fù)雜化，因此控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞通道多樣化和數(shù)據(jù)高速處理是保證聯(lián)合收獲機(jī)高效作業(yè)的重要前提條件，由此增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性以及田間環(huán)境的干擾，也需要控制系統(tǒng)具備良好的抗干擾性和可靠性。收獲機(jī)智能化水平的提高意味著更多子功能控制系統(tǒng)集成在收獲機(jī)的控制系統(tǒng)上，抗干擾能力強(qiáng)、模塊化結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展容易的PLC控制器在聯(lián)合挖掘收獲機(jī)上應(yīng)用是未來(lái)的發(fā)展方向[29-30]。

4.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展方向

限深系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)朝著執(zhí)行速度更快、穩(wěn)定性更好的方向發(fā)展。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有液壓缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電動(dòng)推桿機(jī)構(gòu)，液壓系統(tǒng)具有發(fā)揮大功率、低慣量的特點(diǎn)，適合工作阻力大的場(chǎng)合；電動(dòng)推桿機(jī)構(gòu)，反應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高，適合精度要求高且負(fù)載較小的場(chǎng)合，可根據(jù)工作條件合理運(yùn)用。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用點(diǎn)對(duì)挖掘深度的誤差控制非常關(guān)鍵，目前的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用點(diǎn)一般位于收獲架中部，增大了挖掘鏟的控制誤差。為提高挖掘深度控制精度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接控制挖掘鏟是重要的發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的獨(dú)立電機(jī)控制挖掘鏟機(jī)構(gòu)是重要的發(fā)展方向。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)挖掘收獲機(jī)上廣泛采用的限深技術(shù)主要為機(jī)械式和液壓式限深技術(shù)，相對(duì)落后，而自動(dòng)限深控制技術(shù)處于研發(fā)階段，投入市場(chǎng)的自動(dòng)限深技術(shù)極少。在實(shí)際挖掘收獲作業(yè)過(guò)程中，主要靠人的目測(cè)和機(jī)械限深裝置來(lái)控制挖掘深度，效率低、效果差，漏挖率和破損率高，制約了我國(guó)挖掘收獲機(jī)作業(yè)性能。

自動(dòng)限深技術(shù)是提高土下果實(shí)聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)性能，降低漏挖率和破損率的關(guān)鍵技術(shù)之一，是目前我國(guó)土下果實(shí)機(jī)械化收獲的迫切需要。本文在介紹了國(guó)內(nèi)外限深技術(shù)的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了目前限深技術(shù)存在的一些問(wèn)題以及發(fā)展方向，以期對(duì)我國(guó)科研人員提供借鑒和參考。