張俊杰，張西群，馬 力，高常增，王明濤，焦海濤*

(1.河北省農(nóng)業(yè)機械化研究所有限公司，河北石家莊 050051；2.邱縣駿馬機械有限公司，河北邯鄲 057450；3.邱縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北邯鄲 057450)

由于果園種植為勞動密集型產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)對果園管理機械的研究起步較晚，機械化程度不高。河北省作為果園種植大省，近年隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移，導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用工成本越來越高，制約著該省果園產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，急需發(fā)展機械化、智能化的果園管理機械[1-5]。該研究針對河北省果園發(fā)展現(xiàn)狀和果園作業(yè)環(huán)境，研發(fā)一種履帶自走式遙控旋耕機，其可配套開溝、施肥、起壟、回填、植保等功能部件，實現(xiàn)果園全生產(chǎn)鏈的機械化管理。

1 機具整體設計與組成部分

1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機由底盤行走裝置、動力傳動系統(tǒng)、遙控操作系統(tǒng)、電控油門、液壓動力系統(tǒng)、防撞裝置等組成[6]，整體結構如圖1所示。

圖1 整機結構

1.1 底盤及行走裝置設計底盤行走裝置由車架、驅(qū)動輪、導向輪、支重輪、履帶等組成。車架為車體整體車架，安裝履帶遙控式作業(yè)機的發(fā)動機、變速箱、蓄電池、液壓站、動力輸出裝置等[7-11]。車架結構如圖2所示。驅(qū)動輪固定于車架的后上方，與變速箱連接，與導向輪橫向水平，置于車架前端，車架的底端設有4組支重輪，用于支撐車體，履帶環(huán)繞在驅(qū)動輪、導向輪上，由導向輪后的張緊裝置調(diào)節(jié)履帶的松緊。1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機行走由變速箱傳遞動力至驅(qū)動輪，驅(qū)動輪驅(qū)動履帶轉(zhuǎn)動，導向輪引導車體行走方向，履帶滾動前進，帶動支重輪在履帶上滾動，同時將車體重量分布在履帶上。

圖2 車架結構

1.2 動力及傳動設計1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機動力來源于柴油機，柴油機動力通過V型三角帶傳至變速箱，由離合手柄控制離合帶輪與變速箱的結合分離。設計動力經(jīng)變速箱分兩路傳出：一部分為變速箱動力驅(qū)動單元，其是通過變速箱內(nèi)的齒輪傳動將動力傳輸至車體兩側驅(qū)動輪，驅(qū)動輪驅(qū)動履帶轉(zhuǎn)動，履帶帶動支重輪、導向輪在履帶內(nèi)滾動，實現(xiàn)車體行走，同時，變速箱手柄掛接不同檔位，實現(xiàn)機組不同速度行進以及前進與后退的變換，停車則通過拉動離合手柄使離合帶輪與變速箱分離實現(xiàn)；另一部分為變速箱動力后輸出掛接單元，該作業(yè)機配套功能部件為旋耕裝置，因此變速箱動力后輸出口通過與旋耕機變速箱連接實現(xiàn)旋耕機刀軸旋轉(zhuǎn)，旋耕機刀軸轉(zhuǎn)、停通過離合裝置控制。

1.3 遙控及操作設計遙控履帶自走式旋耕機是在機械操縱的基礎上，采用先進的電子集成控制系統(tǒng)與機械操縱技術相結合[12-14]。遙控控制系統(tǒng)發(fā)射器采用型號F-23BBTX(圖3)，接收器采用型號F23-BBRX，接線方式如圖4所示。

圖3 F-23BBTX發(fā)射器

圖4 F23-BBRX接收器接線方式

發(fā)射器采用點動方式按鍵，發(fā)動機油門大小、車體左右轉(zhuǎn)向、旋耕機具升降、旋耕刀軸轉(zhuǎn)停、離合器分合等均通過發(fā)射器點動按鍵實現(xiàn)，發(fā)射器還設有急停按鈕，以便偶遇緊急狀況時操作，發(fā)射器工作狀態(tài)如長時間不需點動功能按鍵可點動按鍵鎖定，發(fā)射器通電使用需先點動解鎖按鍵。

遙控履帶自走式旋耕機機械操縱部分設計為“工”字型操作檔位，切換檔位時需點動發(fā)射器上的“分”按鍵，接收器接收指令發(fā)送給液壓控制系統(tǒng)，由液壓推桿推動離合器分離，操縱桿手動切換到所需檔位。

1.4 電控油門設計1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機采用SGCD10型電控油門裝置，用于控制機具發(fā)動機油門大小裝置，調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)機具行走或作業(yè)過程中的加減速。其由電機、單片機、內(nèi)置行程調(diào)節(jié)電位器、外接行程調(diào)節(jié)電位器、鋼絲等組成。電控油門通過驅(qū)動內(nèi)置電機旋轉(zhuǎn)帶動鋼絲伸縮實現(xiàn)發(fā)動機油門的控制[12-15]。電動油門控制器接線方式如圖5所示，其安裝接線后對電控油門進行調(diào)試，確保升速信號和降速信號無效，接通電源，鋼絲自動降到下限位置，把發(fā)動機的油門調(diào)節(jié)手柄調(diào)節(jié)到合適的怠速位置，將鋼絲繩固定到發(fā)動機的油門調(diào)節(jié)手柄上。外接行程調(diào)節(jié)電位器調(diào)到最大位置，內(nèi)置行程調(diào)節(jié)電位器調(diào)到較小位置，使升速信號有效，鋼絲繩收縮，油門調(diào)節(jié)手柄慢慢拉至內(nèi)置行程調(diào)節(jié)電位器設定的位置，調(diào)整內(nèi)置行程調(diào)節(jié)電位器，直到油門調(diào)節(jié)手柄調(diào)到合適的高速位置，此時調(diào)整外接行程調(diào)節(jié)電位器，使油門手柄在下限位置和內(nèi)置行程調(diào)節(jié)電位器設定的最大位置之間移動。使升速信號無效，降速信號有效，則油門手柄降到下限位置；使升速信號有效，油門手柄將移動到電位器設置的位置；如果升速信號與降速信號同時有效，將執(zhí)行升速信號。

圖5 電控油門接線方式

1.5 液壓系統(tǒng)設計1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機液壓系統(tǒng)由齒輪泵、電磁換向閥、油缸、油管、濾清器等元件組成，依靠液壓系統(tǒng)的工作，實現(xiàn)配套功能部件的升降[16-17]，其原理如圖6所示，電磁換向閥工作原理如圖7所示。

注：1.油箱；2.濾網(wǎng)；3.液壓泵；4.油缸；5.提升架；6.泵閥油管；7.閥缸油管；8.換向閥；9.操縱手柄；10.安全閥；11.回油管

圖7 電磁換向閥工作原理

車輛在行駛過程中，按下遙控器左(右)按鈕，接收器指示燈亮起。同時主控制閥、左轉(zhuǎn)向閥指示燈亮起，接通左轉(zhuǎn)向油缸油路，活塞桿伸出，推動左轉(zhuǎn)向搖臂，帶動左分離撥叉，分開變速箱內(nèi)部末端主動齒輪，切斷左邊動力，機器實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。松開后，所有指示燈熄滅，油缸回位，末端主動齒輪結合，機器直線行走。停車時則接收器、主控制閥、左轉(zhuǎn)向閥、右轉(zhuǎn)向閥指示燈同時亮起、左右轉(zhuǎn)向油缸同時伸出，推動左右轉(zhuǎn)向搖臂同時分離，實現(xiàn)停車。

2 1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機測試試驗

2.1 試驗條件1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機試驗分最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗、平均接地壓力試驗、旋耕深度及穩(wěn)定性試驗3項內(nèi)容進行[18-20]。試驗于2021年6月21日在中國科學院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站進行，試驗面積100 m×50 m，矩形，地塊規(guī)整，土壤肥力中等，植被覆蓋量2 550 g/m2，土壤堅實度6.9 kg/cm2，土壤含水率19.4%(0～10 cm土層)。

2.2 最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗試驗方法：將1GZDY-120履帶自走式遙控作業(yè)機暫未掛接旋耕機，試驗機開到空曠地面，操縱桿掛接 Ⅰ 檔，油門為最小狀態(tài)，在平齊機具前端和右側劃線，長按發(fā)射器(遙控器)上的“左”按鍵，機具轉(zhuǎn)一整圈，測算轉(zhuǎn)彎半徑，試驗重復5次，計算平均值。由表1可知，1GZDY-120履帶自走式遙控作業(yè)機最小轉(zhuǎn)彎半徑為1.800 m。

表1 最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗

2.3 平均接地壓力試驗平均接地壓力試驗是測定旋耕機重量和行走裝置接地面積，其比值即為整機對土壤的平均接地壓力。試驗方法：1GZDY-120履帶自走式遙控作業(yè)機掛接旋耕機，測定質(zhì)量時，發(fā)動機加滿油、水稱重。在場地上測定履帶的接地長度(第一支重輪中心到張緊輪中心垂線的水平距離)和寬度(履帶寬度)，計算面積。計算公式如下：

(1)

式中，P為平均接地壓力(kPa)；M為自走旋耕機整備質(zhì)量(kg)；b為機具兩側履帶寬度之和(m)；l為履帶的接地長度(m)。

1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機整備質(zhì)量為730 kg(通過稱重得知)，每條履帶寬度為0.230 m，左右2條履帶總寬度為0.460 m，履帶的接地長度為1.005 m，通過計算得平均接地壓力為15.5 kPa。

2.4 旋耕深度及穩(wěn)定性試驗

2.4.1旋耕深度試驗方法。在測區(qū)內(nèi)沿機組前進方向每隔2 m 左右兩側各測1個點，各測10次，計算耕深平均值。計算公式如下：

(2)

式中，a為耕深平均值(cm)；ai為第i點的旋耕深度(cm)；n為測定點數(shù)。

1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機耕深試驗數(shù)據(jù)見表2，數(shù)據(jù)代入公式(2)計算得旋耕深度平均值為12.1 cm。

表2 耕深試驗的旋耕深度

2.4.2耕深穩(wěn)定性系數(shù)。1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機耕深穩(wěn)定性系數(shù)計算方法：由表2耕深試驗數(shù)據(jù)代入耕深標準差S計算公式(3)，由公式(4)和公式(5)推算出耕深變異系數(shù)V為3.9%，耕深穩(wěn)定性系數(shù)U為96.1%。

(3)

(4)

U=1-V

(5)

3 結論

該研究研制了一種1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機，該機集機械技術、電子集成控制技術和液壓控制技術于一體。由發(fā)射器發(fā)送指令，接收器接收指令，實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)、機械傳動等的控制，完成對1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機行走(快、慢)、轉(zhuǎn)向、旋耕機升降、旋耕刀軸轉(zhuǎn)停的遠程操作，減少農(nóng)藥和塵土對操作人員的危害，降低勞動強度。

由1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機測試試驗表明最小轉(zhuǎn)彎半徑小，可原地轉(zhuǎn)向，不受種植條件限制，機具平均接地壓力大，抓地能力強，旋耕深度適宜且穩(wěn)定性好，耕深一致。最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗與試驗時土壤堅實度、含水率有關，所以在不同地況下土壤轉(zhuǎn)彎半徑略有不同。