鮑玉冬，楊 杰，趙彥玲，劉獻禮，郭艷玲，李志鵬，向敬忠

（1. 哈爾濱理工大學(xué)機械動力工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2. 哈爾濱理工大學(xué)先進制造智能化技術(shù)教育部重點實驗室，哈爾濱 150080；3. 東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，哈爾濱 150040；4. 東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱 150040）

0 引 言

藍莓不僅具有很好的營養(yǎng)價值，還具有防止腦神經(jīng) 老化、強心、抗癌、軟化血管、增強機體免疫等生理功能，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織列為人類“五大健康食品之一”，世界衛(wèi)生組織也將藍莓列為“最佳營養(yǎng)價值水果”[1]。中國藍莓種植形成了以山東、江蘇、江西、云南為代表的特色種植區(qū)，全國種植區(qū)域約有27 個省市區(qū)，截至2015年中國藍莓種植面積約為31 210 hm2，平均產(chǎn)量約為1.35 t/hm2。中國人口眾多，對藍莓需求基數(shù)龐大，消費潛力巨大，藍莓種植面積還會持續(xù)增加。藍莓是勞動密集型產(chǎn)業(yè)，果實的采收是產(chǎn)業(yè)鏈中成本最高、耗時最多的環(huán)節(jié)，嚴重影響藍莓產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益[1-2]。

目前中國藍莓采收主要依靠人工采收，藍莓采收機的研究仍處于起步階段，尚未形成高效機械化采收鏈條。國外藍莓機械化采收研究起步較早，技術(shù)成熟，藍莓種植基地規(guī)模較大，果樹間距大，壟間路面平整，農(nóng)機與農(nóng)藝匹配；中國藍莓種植基地多為高密度種植模式，地表形態(tài)規(guī)整度差，國外技術(shù)成熟的藍莓采收機即使引進也無法高效使用[3-4]。由于藍莓采收時間主要集中在全年降水量最多的7、8 月份，采收機作業(yè)路面質(zhì)量差，車輪容易發(fā)生打滑和沉陷，整機通過性差直接影響果實采收效率，阻礙藍莓采收機有效發(fā)揮其自身優(yōu)良性能，制約中國藍莓種植產(chǎn)業(yè)規(guī)模化效益，以及中國藍莓機械化采收進程的快速發(fā)展。

藍莓采收機車輪與路面土壤接觸性能是影響整機驅(qū)動系統(tǒng)及其通過性的重要因素之一，近些年關(guān)于輪壤接觸特性的研究主要集中于輪壤接觸機理、接觸模型和模型修正等方面。Mohsenimanesh 等通過非線性三維單元建立了充氣輪胎與土壤相互作用有限元模型[5]；Xia 對土壤塑形采用了Drucker-Prager/Cap 模型研究，建立了三維條件下的輪壤相互作用有限元模型[6]；Pruiksma 等利用連續(xù)歐拉方程建立表征沙子大變形的模型，簡化了輪胎模型，并采用拉格朗日方程進行建模[7]；Shoop 等利用有限元法在輪胎測試和建模方面提供新思路，研究了輪壤間的相互作用[8]；Yamakawa 等建立了簡單的輪胎模型并分析車輛在干砂上的運動，輪胎模型可用側(cè)滑角和下沉度等簡單函數(shù)表示，并在均勻平整砂土上進行了四輪模型車輛轉(zhuǎn)向試驗，與數(shù)值模擬結(jié)果比較，驗證了模型的準確性[9]；周兵等利用ADMAS 研究了軟地面車輛的平順性和基于地面力學(xué)分析了月球車的移動性能[10]；Nakashima 等將離散元和有限元法簡易耦合，輪胎與深層土壤建模有限元化，土壤表層建模離散元化，解決了牽引輪胎-土壤簡易接觸問題[11]；鄧宗全等通過試驗對傳統(tǒng)車輛輪地相互作用應(yīng)力分布模型進行修正，分析了車輪輪刺高度對應(yīng)力分布的影響[12]；鄒猛等給出了剛性輪-月壤相互作用預(yù)測模型，設(shè)計研制了月壤-車輪土槽試驗系統(tǒng)[13-14]。本文在此基礎(chǔ)上要解決中國藍莓采收機入園作業(yè)通過性差的難題，藍莓采收機屬農(nóng)業(yè)設(shè)備，田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，建立符合農(nóng)業(yè)機械田間作業(yè)的輪壤接觸模型，得到藍莓采收機車輪通過性影響因素，可以更準確地描述輪壤接觸過程中的力學(xué)行為變化，為自走式藍莓采收機行走驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。本文根據(jù)自走式藍莓采收機作業(yè)原理，研究藍莓采收機輪壤接觸力學(xué)行為特性，對輪壤接觸特性進行離散元仿真，研制出適應(yīng)中國作業(yè)工況的自走式藍莓采收機行走驅(qū)動系統(tǒng)，提高自走式藍莓采收機作業(yè)通過性，促進中國以藍莓為代表的小漿果采收機械整體水平的提升。

1 車輪與土壤接觸力學(xué)行為分析

1.1 自走式藍莓采收機作業(yè)行走原理

自走式藍莓采收機入園作業(yè)時，整機跨騎在待采藍莓果樹上，車輪落在果樹兩側(cè)壟溝里，整機直線行走，完成果實的采摘和收獲，行走原理如圖1 所示。藍莓采收機的車輪在松軟的土壤中運行時，容易發(fā)生滑轉(zhuǎn)沉陷，導(dǎo)致整機牽引效率降低，偏離預(yù)定直線行走軌跡，甚至使車輪陷入土壤造成整機非目的性偏移，影響果實采收效率、果樹采凈率，造成果樹擦傷，嚴重影響藍莓采收機作業(yè)性能。

圖1 自走式藍莓采收機作業(yè)行走原理 Fig.1 Walking principle of self-propelled blueberry harvester

1.2 車輪與土壤接觸力學(xué)模型

車輪在松軟的土壤中行走時，車輪與土壤的接觸過程是持續(xù)變化的，分析輪壤接觸力學(xué)特性；考慮車輪在土壤中的滑轉(zhuǎn)沉陷對車輪牽引效率的影響，分析影響車輪通過性的因素，并以影響因素為試驗指標(biāo)進行各參數(shù)仿真，為行走系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)，則土壤對單個車輪作用簡化模型如圖2 所示。

圖2 車輪與地面土壤接觸作用模型 Fig.2 Contact model between wheel and ground soil

由于松軟土壤無法滿足變形固體的假設(shè)條件，所以輪壤接觸不能用集中力形式表達，土壤對車輪的作用力表現(xiàn)為連續(xù)應(yīng)力形式，包括正應(yīng)力σ 和切應(yīng)力τ，REECE理論考慮了不同輪壤接觸角度對正應(yīng)力分布影響，JANOSI 理論則廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的切應(yīng)力研究，因此根據(jù)REECE 正應(yīng)力分布模型和JANOSI 切應(yīng)力計算模型[15]，土壤對車輪的作用應(yīng)力為

式中σ1為車輪進入?yún)^(qū)域接觸正應(yīng)力，MPa；σ2為車輪離去區(qū)域接觸正應(yīng)力，MPa；θ 為輪壤接觸作用角，（°）；θ1為車輪進入角，（°）；θ2為車輪離去角，（°）；θm為最大應(yīng)力角，（°）；b 為車輪寬度，m；c 為土壤內(nèi)聚力，N；ck′、kφ′分別為無量綱土壤內(nèi)聚和摩擦變形模量；γs為土壤容重，kg/m3；n 為土壤的沉陷變形指數(shù)；φ 為土壤內(nèi)摩擦角，（o）；z 為車輪最大沉陷量，m。

式中τ 為車輪切應(yīng)力總和，MPa；τ1為車輪進入?yún)^(qū)域接觸切應(yīng)力，MPa；τ2車輪離去區(qū)域接觸切應(yīng)力，MPa；j 為土壤的剪切位移，m；K 為土壤的剪切變形模量，MPa。

由式（1）、（2）可知，接觸應(yīng)力σ1、σ2，τ 與車輪進入角θ1、車輪離去角θ2、最大應(yīng)力角θm有關(guān)，由于輪壤接觸過程具有不確定性，所以車輪行進過程中輪壤接觸應(yīng)力是持續(xù)變化的。

1.3 車輪通過性能分析

藍莓采收機田間作業(yè)時的行走速度相對較低，設(shè)車輪與地面土壤接觸作用過程中的力與力矩平衡，則

式中r 為車輪半徑，m。

由式（3）、（4）可知，車輪載荷W 和驅(qū)動力矩T與土壤參數(shù)和車輪結(jié)構(gòu)有關(guān)。

輪壤接觸過程中的車輪沉陷量z，根據(jù)Bekker 沉陷經(jīng)驗公式有

車輪通過性可由掛鉤牽引力Fd表征，有

式中Ft為土壤對車輪的圓周力，N；Fr為土壤阻力，N。

式中Kpc、Kpr都為與土壤內(nèi)摩擦角φ 相關(guān)的無量綱系數(shù)，為

將式（7）、（8）代入式（6）得

根據(jù)上述驅(qū)動力T、車輪負載W 及沉陷量z 的分析，由式（11）可知影響車輪通過性的因素為土壤屬性、車輪結(jié)構(gòu)和采收機行走速度。

2 輪壤接觸力學(xué)行為離散元仿真

同一采收環(huán)境下的藍莓種植土壤屬性不變，所以需要分析車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)與采收機行走速度對車輪通過性的影響，選擇離散元法[16]研究輪壤接觸過程力學(xué)行為變化規(guī)律。

2.1 離散元仿真模型建立

2.1.1 土壤接觸模型顆粒

藍莓種植土壤屬于黃壤土，土壤質(zhì)地深厚，濕潤，透氣性和透水性較好，參照黃壤土屬性如表1 所示[17]。

表1 土壤屬性 Table 1 Soil property

選取采收季節(jié)的高叢藍莓種植基地土壤，測得80%的土壤顆粒尺寸在0.25～5 mm，含水率為22%，通過土壤堆積角試驗[18]測得堆積角α1約為42°，如圖3a、3b 所示。將測得的土壤堆積角、顆粒尺寸及含水率輸入至GEMM 顆粒屬性數(shù)據(jù)庫得到表征顆粒間黏附效應(yīng)的表面能數(shù)值為10.1 J/m3，表明所取土壤樣本存在黏附效應(yīng)[19]。由于土壤具有黏附效應(yīng)，顆粒間容易產(chǎn)生黏結(jié)，而且土壤樣本的實體結(jié)構(gòu)形態(tài)特點是呈球形的粒狀或多個顆粒黏結(jié)而成的小團狀，所以為了縮短運算時間，以半徑為5 mm 的球形顆粒作為土壤基體，球徑倍率分布設(shè)置為0.95～1.05，利用建立的球形顆粒模型通過EDEM 軟件進行土壤堆積角仿真試驗，如圖3c 所示，測得仿真堆積角α2約為 40o，仿真堆積角與實測堆積角值誤差率為4.7%，因此建立的土壤顆粒模型有效，可以應(yīng)用于仿真。土壤顆粒的接觸力學(xué)模型選擇為Hertz-Mindlin with JKR 模型。

圖3 土壤堆積角測量 Fig.3 Measurement of soil accumulation angle

2.1.2 藍莓采收機模型

為提高仿真效率，對自走式藍莓采收機的車體結(jié)構(gòu)簡化，考慮采摘過程中人員質(zhì)量的配置，根據(jù)藍莓采收機結(jié)構(gòu)參數(shù)和質(zhì)心位置，后輪負載大于前輪，后輪負載約3 000 N，同時考慮到采收機底盤最低部位與地面的間隙失效，所以對于采收機車輪結(jié)構(gòu)類型選擇如表2 所示，建立藍莓采收機仿真模型，如圖4 所示。

表2 車輪結(jié)構(gòu)類型及參數(shù) Table 2 Type and parameters of wheel structure

圖4 整機結(jié)構(gòu) Fig.4 Whole structure of harvester

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置及方案設(shè)計

在EDEM 前處理器中，仿真參數(shù)設(shè)置如表3 所示，對選擇的Hertz-Mindlin with JKR 接觸模型參數(shù)設(shè)置[20]。藍莓采收機行走包括非作業(yè)行走和作業(yè)行走，非作業(yè)行走主要在規(guī)整平坦路面上行進，根據(jù)設(shè)計和使用要求[21]，擬對自走式藍莓采收機行走驅(qū)動系統(tǒng)改進，提高車輪沉陷時的通過性，設(shè)改進后的采收機行走速度可達到極限速度11 km/h；作業(yè)行走時，采收機在多變非規(guī)整的田間地表土壤行進，為保證駕駛安全、果實采收質(zhì)量及效率，藍莓采收機的行進速度一般控制在3.1 km/h 左右，因此輪壤接觸仿真方案設(shè)計如表4 所示。

表3 離散元仿真參數(shù) Table 3 Simulation parameters of DEM

表4 仿真試驗方案 Table 4 Simulation test scheme

設(shè)置仿真步長為1×10-5s，數(shù)據(jù)保存間隔為0.01 s，仿真時間為5 s，仿真開始時生成土壤顆粒，顆粒生成總數(shù)為在土壤顆粒生成沉降穩(wěn)定后[22]，采收機開始運動，直至仿真完成。

2.3 仿真結(jié)果分析

藍莓采收機以11 km/h 速度行駛時，在其輪壤接觸仿真過程動畫中截取代表性時刻的畫面：截取0.5 s 時的畫面，如圖5a 所示，該時刻路面土壤模型正在生成；截取1.5 s 時的畫面，如圖5b 所示，該時刻所示為路面土壤模型生成完畢，采收機處于待行走；截取4 s 時的畫面，如圖5c 所示，此時采收機正在行走；截取4.5 s 時的畫面，如圖5d 所示，此時采收機制動。

圖5 輪壤接觸仿真過程 Fig. 5 Contact simulation process between wheel and soil

通過輪壤接觸仿真過程可知，采收機在行進過程中，輪壤接觸壓力是時刻變化的，采收機起動時輪壤接觸壓力峰值為5 380 N，平穩(wěn)行走時輪壤接觸壓力峰值為5 570 N，制動時輪壤接觸壓力峰值為6 170 N，由圖5b～5d 中各區(qū)域顏色占比對比知，輪壤接觸壓力最大波動范圍出現(xiàn)在采收機制動時，輪壤接觸壓力在采收機行進過程中，以輪壤接觸點為中心向四周減小，且對于采收機行駛過的路面，輪壤接觸壓力值逐漸歸0，采收機即將行駛的路面，輪壤接觸壓力值開始上升。

不同車輪結(jié)構(gòu)和采收機行走速度下的車輪阻力矩曲線如圖6 所示。由圖6 可知，車輪結(jié)構(gòu)和采收機行走速度的變化對于輪壤接觸力學(xué)行為影響明顯，從圖6a、6c 和6e 及圖6b、6d 和6f 對比分析可知，采收機具有相同的行走速度時，隨車輪半徑和車輪寬度的增加，輪壤接觸過程的車輪阻力矩增加，方案5 與方案1相比，阻力矩最大峰值增長幅度最大為271.6 N·m，是由于車輪尺寸增加，增加了車輪與地面的接觸摩擦面積，導(dǎo)致車輪阻力矩增加；從圖6a 和6b、圖6c 和6d及圖6e 和6f 的對比分析可知，采收機車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)固定時，行走速度由3.1 km/h 上升到11 km/h 時，輪壤接觸過程的車輪阻力矩增加，方案2 與方案1 相比，阻力矩最大峰值增長幅度最大為452.3 N·m，是由于車輪轉(zhuǎn)速增加，增加了土壤波動速度，使車輪沉陷量增加，增大了車輪阻力矩；正常行駛階段采收機后輪阻力矩普遍大于前輪阻力矩，主要是由于藍莓采收機后輪負載大于前輪；另外車輪在平穩(wěn)行進的阻力矩變化范圍值小于采收機制動階段，制動完成后，車輪阻力矩急劇減小。

圖6 車輪阻力矩變化曲線 Fig.6 Changing curves of wheel resistance torque

輪壤接觸過程中，土壤波動速度如圖7 所示。0～1 s 為土壤顆粒生成時間段，土壤顆粒生成過程中發(fā)生碰撞，產(chǎn)生波動行為，隨著全部顆粒生成結(jié)束，波動行為逐漸下降；1～1.5 s 為土壤顆粒沉淀穩(wěn)定階段，顆粒逐漸沉淀堆積，趨近于穩(wěn)定，直至在1.5 s 土壤顆粒無波動行為產(chǎn)生；1.5 s 后，土壤顆粒波動行為是由輪壤接觸導(dǎo)致，在采收機行走速度不變，車輪半徑和車輪寬度增大時，土壤的波動速率峰值由0.033 m/s 上升至0.319 m/s，峰值差值為0.276 m/s，土壤波動行為加劇，這是由于車輪半徑和車輪寬度的增加，增大了車輪與土壤的接觸面積，使得更多顆粒發(fā)生碰撞；在車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，采收機行走速度由3.1 km/h 增加到11 km/h 時，土壤波動速度峰值由0.033 m/s 上升至0.276 m/s，峰值差值為0.243 m/s，土壤波動行為加劇，這是由于車輪行走速度增加，輪壤接觸運動變得劇烈，土壤顆粒碰撞加劇。

圖7 土壤波動速度 Fig. 7 Soil fluctuation velocity

輪壤接觸力學(xué)行為在輪壤接觸過程中始終變化，在土壤屬性一致時，車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)或采收機行走速度的增加，使輪壤接觸阻力矩最大峰值增長幅度為452.3 N·m，土壤波動速度最大峰值增長幅度為0.276 m/s，阻力矩和土壤波動速度的增加，減小了車輪通過性，降低了采收機田間通過性能，因此自走式藍莓采收機行走驅(qū)動系統(tǒng)性能需適應(yīng)輪壤接觸力學(xué)行為的變化。

3 行走驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

為保證藍莓采收機作業(yè)過程中通過性能始終處于良好狀態(tài)，根據(jù)上述各狀態(tài)車輪阻力矩分析，設(shè)計藍莓采收機行走驅(qū)動系統(tǒng)，設(shè)計要求為四輪驅(qū)動，滿足行駛速度要求，車輪輸出具有一致性，整機可以平穩(wěn)行走；車輪發(fā)生沉陷時，可以快速越障。

3.1 行走驅(qū)動系統(tǒng)原理

藍莓集中成熟季節(jié)，雨季土壤濕潤蓬松及路面質(zhì)量差，輪壤接觸阻力矩變化復(fù)雜，車輪容易發(fā)生沉陷，為確保行駛驅(qū)動有效，采用四輪行走液壓驅(qū)動系統(tǒng)[23-24]。閉式液壓回路具有高功率重量比、無級調(diào)速和控制精確的優(yōu)點，本文基于閉式容積調(diào)速液壓驅(qū)動技術(shù)對行走驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計，工作原理圖如8 所示。

柴油發(fā)動機1 為整個驅(qū)動系統(tǒng)的動力源，帶動變量泵2 工作；變量泵2 為軸向柱塞變量泵，通過調(diào)節(jié)缸3可以調(diào)節(jié)變量泵2 的斜盤傾角，實現(xiàn)泵的正反轉(zhuǎn)，三位四通換向閥4 可鎖緊調(diào)節(jié)缸3 的位置；安全閥5、6 防止液壓系統(tǒng)超載，保證安全；沖洗閥7 使系統(tǒng)中的液壓油循環(huán)冷卻、過濾，分流閥8、9 可在土壤阻力引起各車輪負載變化時自動分配流量，解決了四輪驅(qū)動不同步的問題；液壓馬達10、11、12、13 為雙排量馬達，實現(xiàn)車輪的正反轉(zhuǎn)，馬達驅(qū)動形式為單輪獨立驅(qū)動方式；液壓馬達連接形式為對角連接，該連接形式能夠解決左右車輪負載不一致時，采收機非目的性轉(zhuǎn)向問題。

圖8 行走驅(qū)動系統(tǒng)工作原理圖 Fig.8 Working principle diagram of walking driving system

根據(jù)圖6 中各車輪的阻力矩變化范圍約為0～690 N·m，同時考慮到車輪沉陷時，未沉陷車輪的輸出性能表現(xiàn)，對行走驅(qū)動系統(tǒng)的執(zhí)行元件-液壓馬達和動力元件-液壓泵進行相應(yīng)的參數(shù)選擇[25]，如表5 所示。

表5 液壓元件技術(shù)參數(shù) Table 5 Technical parameters of hydraulic components

3.2 行走驅(qū)動系統(tǒng)多物理場模型

行走驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)完成車輪同步驅(qū)動及車輪沉陷等多種工況，因此為驗證所設(shè)計的四輪行走驅(qū)動系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的適應(yīng)情況，參考圖8 驅(qū)動系統(tǒng)工作原理圖，利用多物理系統(tǒng)建模和仿真平臺—AMESIM 建立如圖9 所示的四輪行走驅(qū)動系統(tǒng)AMESim 模型[26]。

圖8 與圖9 相比，以斜盤傾角控制信號23 代替了調(diào)節(jié)缸和三位四通換向閥，實現(xiàn)變量泵2 的斜盤傾角控制和位置固定；旋轉(zhuǎn)負載7、10、13、16 用來施加車輪轉(zhuǎn)動時所承受的負載力矩，車輪力矩控制信號8、9、14、15 可以分別調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)負載7、10、13、16 上的負載力矩大小，模擬采收機行走過程中車輪所受的不同阻力矩。

3.3 行走驅(qū)動系統(tǒng)適應(yīng)性工況分析

行走驅(qū)動系統(tǒng)在藍莓采收機田間作業(yè)過程中，在保證實現(xiàn)車輪同步平穩(wěn)行走的基礎(chǔ)上，還要克服車輪卡死或車輪沉陷等工況，確保行駛穩(wěn)定性，因此需要對建立的AMESim 行走驅(qū)動模型進行工況適應(yīng)性仿真分析。

根據(jù)輪壤接觸仿真分析，設(shè)置4 個車輪的阻力矩為300 N·m，通過分流閥5、18 調(diào)節(jié)流量，運行AMESim 軟件，仿真時間為10 s，數(shù)據(jù)輸出間隔為0.1 s，仿真完成后，導(dǎo)出液壓馬達6、11、12、17 的輸出力矩和轉(zhuǎn)速曲線，如圖10 所示，分析可知4 個車輪克服阻力矩300 N·m后，輸出力矩快速升至為86.8 N·m，輸出轉(zhuǎn)速快速增至83.6 r/min，若以輪胎205/60R15 行走，該轉(zhuǎn)速使藍莓采收機以約10 km/h 速度行走，表明4 個車輪行走輸出具有一致性，滿足采收機平穩(wěn)行走需要。

圖9 行走驅(qū)動系統(tǒng)AMESim 模型 Fig.9 AMESim model of walking driver system

圖10 平穩(wěn)工況馬達輸出特性 Fig.10 Output characteristic of motor in stable condition

輪壤接觸仿真可知后輪所受阻力矩普遍大于前輪，設(shè)后輪發(fā)生沉陷，阻力矩為700 N·m，其他仿真設(shè)置條件不變，液壓馬達6、11、12、17 的輸出力矩和轉(zhuǎn)速曲線如圖11 所示，分析可知當(dāng)藍莓采收機遭遇車輪沉陷時，4 個車輪的驅(qū)動馬達輸出力矩同時升高，以克服阻力矩的提高，前車輪的馬達輸出力矩上升幅度約為25.5 N·m，后車輪的馬達輸出力矩上升幅度約為44.1 N·m，約3 s 后恢復(fù)至初始值；前車輪的馬達輸出轉(zhuǎn)速由平穩(wěn)行進的75.6 r/min 分別提升至120.3 r/min 和103.4 r/min，后車輪的馬達輸出轉(zhuǎn)速由于阻力矩變大，由平穩(wěn)行進的75.6 r/min 分別下降至44.3 r/min 和24.8 r/min，沉陷工況發(fā)生約3 s 后，各車輪轉(zhuǎn)速恢復(fù)至初始值，表明藍莓采收機克服車輪沉陷工況。

圖11 沉陷工況馬達輸出特性 Fig.11 Output characteristic of motor in subsidence condition

綜上所述，所設(shè)計的行走驅(qū)動系統(tǒng)在車輪遭遇沉陷時，4 個車輪的驅(qū)動力矩不同程度的提高來克服阻力矩的增大，遭遇沉陷的車輪轉(zhuǎn)速降低，未沉陷車輪轉(zhuǎn)速增加幫助沉陷車輪快速越障，且在沉陷車輪越障成功后，車輪輸出力矩和轉(zhuǎn)速回歸到平穩(wěn)行走數(shù)值，則所設(shè)計的行走驅(qū)動系統(tǒng)能夠適應(yīng)平穩(wěn)行走和車輪沉陷的工況要求。

4 田間試驗與分析

4.1 樣機搭建

為驗證設(shè)計的行走驅(qū)動系統(tǒng)性能及與藍莓采收機采收系統(tǒng)的匹配性，依據(jù)行走系統(tǒng)原理圖搭建行走驅(qū)動系統(tǒng)，考慮底盤離地間隙，輪胎型號選擇為205/60R15，并裝配到自走式藍莓采收機上，完成樣機搭建和調(diào)試，試驗樣機如圖12 所示。

圖12 試驗樣機 Fig.12 Experimental prototype

4.2 試驗方案與結(jié)果

選擇藍莓成熟季節(jié)進行樣機測試，于2017 年7 月在南京藍莓種植基地進行田間試驗，試驗條件如表6 所示。參照GB/T5667—2008《農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)試驗方法》[27]確定測試方法如下：

1）行走驅(qū)動系統(tǒng)平穩(wěn)路面行駛性能：在平整的路面上畫長為100 m 的直線段，藍莓采收機一側(cè)車輪沿直線段以約10 km/h 速度行駛，行駛過程中駕駛?cè)藛T不得糾正采收機行進軌跡，通過路面上的車輪軌跡測量車輪中心線偏離直線段最大距離，測試10 次取平均值，通過最大距離值判斷四輪驅(qū)動一致性；測試行走驅(qū)動系統(tǒng)行駛速度范圍，前進和后退功能。

2）行走驅(qū)動系統(tǒng)沉陷越障性能：在高叢藍莓種植基地中選擇10 處坑洼路況或人工制造10 處坑洼路況，在采收機經(jīng)過各處坑洼路況時，觀察每處坑洼處的車輪轉(zhuǎn)動狀態(tài)及采收機越障過程，分別記錄每處坑洼路況下的采收機越障時間，人工處理取平均值，并詢問駕駛?cè)藛T操作體感。

3）行走驅(qū)動系統(tǒng)與采收系統(tǒng)匹配性能：隨機選擇 10壟為測試區(qū)，藍莓采收機以3.1 km/h 速度作業(yè)，分別記錄每壟果實采收效率、果樹采凈率及果樹損傷率，人工處理記錄10 壟的各項指標(biāo)平均值。

① 果實采收效率

式中P1為果實采收效率，%；M 為采收質(zhì)量，kg；t 為采收用時，s。

② 果樹采凈率

式中P2為果樹采凈率，%；N1為采收前估測的成熟果實總數(shù)量；N2為采收后估測的成熟果實總數(shù)量。

③ 果樹損傷率

式中P3為果樹損傷率，%；Q1為采收前隨機選擇標(biāo)記完好的枝條總數(shù)；Q2為采收后擦傷的枝條總數(shù)。

試驗過程如圖13 所示，試驗結(jié)果如表7 所示。

表6 試驗條件 Table 6 Experimental condition

圖13 試驗過程 Fig.13 Experimental process

表7 試驗結(jié)果 Table 7 Experimental result

由表7 可知，藍莓采收機行駛速度范圍為0～11 km/h，行走驅(qū)動系統(tǒng)工作狀態(tài)正常，車輪前進和后退操作控制自如，系統(tǒng)安全，滿足設(shè)計技術(shù)要求；直線行駛時，駕駛員無糾正車輪軌跡，單側(cè)車輪中心線最大偏移量為180 mm，驗證行走系統(tǒng)四輪輸出具有一致性，整機可以平穩(wěn)行駛，偏移量的產(chǎn)生是由于路面引起的顛簸等因素造成。整機越障平均時間為3.3 s，越障過程整機無非目的性轉(zhuǎn)向偏移，與仿真結(jié)果基本一致，駕駛?cè)藛T操作體感正常，驗證行走驅(qū)動系統(tǒng)可以使整機安全越障。柴油發(fā)動機作為行走驅(qū)動系統(tǒng)和采收系統(tǒng)的動力源，動力使用滿足要求；整機采收效率7.01 kg/min，果樹采凈率為92%，滿足藍莓機械化采收需要，表明采收系統(tǒng)工作正常；由于機械化采收果實，不可避免地造成機械對果樹枝條的擦傷，果樹損傷率為11.5%；上述結(jié)果都表明行駛系統(tǒng)與采收系統(tǒng)匹配性良好。試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的行走驅(qū)動系統(tǒng)滿足自走式藍莓采收機行駛系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)要求，行走驅(qū)動系統(tǒng)能夠保證藍莓采收機田間作業(yè)通過性和穩(wěn)定性，行走驅(qū)動系統(tǒng)性能滿足藍莓機械化采收需要。

5 結(jié) 論

1）建立了藍莓采收機作業(yè)條件下的輪壤接觸力學(xué)模型，分析了輪壤接觸過程中驅(qū)動力矩、車輪負載、車輪沉陷量和表征車輪通過性的掛鉤牽引力，得到了車輪通過性影響因素為車輪結(jié)構(gòu)、土壤屬性和行走速度。

2）提出了以離散元法對藍莓采收機作業(yè)條件下的輪壤接觸力學(xué)特性數(shù)值模擬，建立了藍莓采收機輪壤接觸離散元仿真模型，仿真得到輪壤接觸壓力以接觸點為中心向四周減小，行駛過的路面，輪壤接觸壓力逐漸歸0，即將行駛的路面，接觸壓力開始上升；后輪阻力矩普遍大于前輪阻力矩，當(dāng)車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)和行走速度增加時，車輪所受阻力矩增加，阻力矩最大峰值差的最大值為452.3 N·m，土壤波動速率也隨之增加，峰值差的最大值為0.276 m/s。

3）基于閉式容積調(diào)速液壓驅(qū)動回路設(shè)計了自走式藍莓采收機四輪行走液壓驅(qū)動系統(tǒng)，建立了該系統(tǒng)的多物理場AMESIM 仿真模型，仿真得到阻力矩為300 N·m 時，4 個車輪克服阻力矩后升至86.8 N·m，轉(zhuǎn)速為83.6 r/min，車輪輸出具有一致性，若以輪胎205/60R15 行走，該轉(zhuǎn)速使采收機以約10 km/h 平穩(wěn)行走；后車輪沉陷時，阻力矩為 700 N·m 時，前車輪馬達輸出力矩上升幅度約為25.5 N·m，后車輪馬達輸出力矩上升幅度約為44.1 N·m；前車輪的馬達輸出轉(zhuǎn)速由 75.6 r/min 分別提升至120.3 r/min 和103.4 r/min，后車輪的馬達輸出轉(zhuǎn)速分別下降至44.3 r/min 和24.8 r/min，沉陷工況發(fā)生約3 s 后，各車輪輸出力矩和轉(zhuǎn)速恢復(fù)至初始值，后輪越過沉陷區(qū)。通過樣機田間試驗驗證行走驅(qū)動系統(tǒng)4 個車輪輸出具有一致性，整機直線行駛輪胎中心線最大偏移量為180 mm；沉陷越障時間約3.3 s，整機無非目的性轉(zhuǎn)向偏移，行駛系統(tǒng)與采收系統(tǒng)匹配性良好，采收效率為7.01 kg/min，果樹采凈率為92%，果樹損傷率為11.5%。

藍莓采收機輪壤接觸力學(xué)行為及行走驅(qū)動系統(tǒng)的研究可提高中國藍莓采收機作業(yè)的適應(yīng)性和高效性，對促進中國小漿果采收機械的整體水平提升具有理論意義和實用價值。