周祖岳，涂清柳，曾力，曾山

（1.廣州市匯奧機(jī)電有限公司，廣東 廣州 510520；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院/南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642）

0 引言

水稻作為我國三大主要糧食作物之首，在我國糧食生產(chǎn)中處于重要地位，穩(wěn)定和提高水稻總產(chǎn)對保障我國糧食安全意義重大[1-3]。再生稻是根據(jù)水稻的再生特性，采用特定的栽培管理措施，頭季水稻收割后利用稻樁上的休眠芽萌發(fā)生長成穗再收割的一季水稻[4-7]。相比于常規(guī)水稻，再生稻具有生育期短、一種兩收、省種、節(jié)水、能充分利用光溫資源、稻米品質(zhì)高和經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)[8]。再生稻種植模式與常規(guī)水稻不同，為了增加再生季的產(chǎn)量，必須盡可能減少收割頭季稻時對留茬造成的碾壓，同時盡可能保證留茬完整以及高度適宜[9-11]，而普通履帶式收獲機(jī)履帶寬度為350～550 mm，履帶接地長度為2 000～2 300 mm，田頭轉(zhuǎn)向碾壓面積大，極大影響了再生季水稻產(chǎn)量。

本文設(shè)計的履帶式再生稻收獲機(jī)采用履帶式底盤，履帶接地長度2 290 mm，履帶寬度250 mm，大幅降低了直線碾壓率與轉(zhuǎn)向碾壓面積。

1 履帶式再生稻收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

履帶式再生稻收獲機(jī)由履帶式底盤、脫粒清選裝置、輸送槽、割臺裝置、撥禾輪、糧箱、卸糧滾筒等部件組成。底盤采用全液壓驅(qū)動，變量泵將發(fā)動機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，兩側(cè)液壓泵將液壓油傳遞至液壓行走馬達(dá)，驅(qū)動兩側(cè)履帶輪行走，完成前進(jìn)及后退動作。

1.1 履帶底盤主要參數(shù)確定

為盡可能減小對稻茬的碾壓，割幅、履帶寬度以及軌距均取再生稻種植行距的整數(shù)倍，再生稻種植株距通常為250 mm，故將履帶寬度設(shè)定為250 mm，每次收割9 行，割幅設(shè)定為2 000 mm，軌距為1 750 mm。為使整機(jī)接地比壓≤24 kPa，履帶接地長度設(shè)定為2 290 mm。為保證機(jī)器水田行走時縱向穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向性能和減少下陷，履帶接地長度L與軌距B 的比值應(yīng)在1.1～1.5 之間，若比值過大再生稻收獲機(jī)田間轉(zhuǎn)向困難；比值過小影響再生稻收獲機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性，經(jīng)計算本文再生稻收獲機(jī)履帶接地長度與軌距比值為1.308，底盤參數(shù)設(shè)計合理，滿足穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)彎條件，再生稻收獲機(jī)可在田間順利完成轉(zhuǎn)彎。

1.2 收獲作業(yè)路徑規(guī)劃

為盡可能降低碾壓損失率，本文設(shè)計低損失收獲方法，如圖1 所示。作業(yè)時采用逆時針環(huán)形收獲方法[12]，再生稻收獲機(jī)進(jìn)入田塊后，從田塊右下方開始收獲作業(yè)，首先收獲田塊右側(cè)第1 行水稻，而后跨越田塊行駛至田塊左上方收獲第2 行水稻，第2行收獲完成后跨越田塊行駛至田塊右側(cè)收獲第3 行水稻，進(jìn)入時，收獲機(jī)右側(cè)履帶準(zhǔn)確壓入第1 行收獲時形成的左側(cè)壓痕內(nèi)，并碾壓于壓痕內(nèi)雜余之上，右側(cè)田塊的2 次收獲作業(yè)（第1 行和第3 行）僅形成3條壓痕，相較于傳統(tǒng)收獲方式形成4 條壓痕，以履帶寬度250 mm 進(jìn)行計算，碾壓損失率降低12.5%。

圖1 作業(yè)路徑規(guī)劃

預(yù)期田塊綜合碾壓損失率為13%，直行碾壓損失率、綜合碾壓損失率計算公式為

式中：

Q1——直行碾壓損失率，%；

Q2——綜合碾壓損失率，%；

b——履帶寬度，mm；

Z——割臺寬度，mm；

S0——田塊總碾壓面積，m2；

S1——田塊面積，m2。

1.3 工作部件設(shè)計布局

工作部件的合理布局可使整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、降低重心、運(yùn)行穩(wěn)定性好，能夠很好地實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)各項(xiàng)功能指標(biāo)[13]。重心位置是再生稻收獲機(jī)重要參數(shù)之一，對再生稻收獲機(jī)的動力學(xué)性能有著重要影響，主要體現(xiàn)在動力性、越埂穩(wěn)定性等方面，例如加速、越埂、轉(zhuǎn)向時機(jī)身的姿態(tài)、轉(zhuǎn)向特性都會受到重心位置的影響；特別是在田間轉(zhuǎn)彎時，重心位置偏移可能導(dǎo)致側(cè)翻事故[14]。

鑒于重心位置對再生稻收獲機(jī)穩(wěn)定性的重要影響，需對割臺、輸送裝置、脫粒分選裝置、柴油箱、液壓油箱、糧箱以及卸糧裝置等部件進(jìn)行合理布局：割臺布置于整機(jī)正前方；輸送裝置布置于一側(cè)并與割臺相連；考慮收獲機(jī)整機(jī)寬度，駕駛室布置于輸送裝置旁；脫粒分選裝置布置于輸送裝置后方；糧箱以及卸糧裝置布置于駕駛室后方。為降低整機(jī)重心，柴油發(fā)動機(jī)布置于駕駛室下方，對柴油箱、液壓油箱設(shè)計3 種布局方式：（a）液壓油箱前置、柴油箱后置（居左）；（b）液壓油箱前置、柴油箱后置（居右）；（c）液壓油箱/柴油箱后置，如圖2 所示。

圖2 工作部件布局方式

再生稻收獲機(jī)底盤離地間隙600 mm，重心位置對動力性、越埂穩(wěn)定性以及通過性均有重要影響。如重心橫向偏移，將直接影響履帶與田面接觸的壓力分布情況，從而影響再生稻收獲機(jī)的牽引附著性能；如重心縱向偏移，將直接影響再生稻收獲機(jī)橫向穩(wěn)定性。在CATIA 中建立三維模型，將模型導(dǎo)入到RecurDyn 中，對重心位置進(jìn)行計算，結(jié)果如表1 和表2 所示。

表1 再生稻收獲機(jī)重心位置偏移量

表2 再生稻收獲機(jī)極限傾翻角 （°）

再生稻收獲機(jī)的上坡極限傾角αx1、下坡極限傾角αx2和橫向側(cè)翻極限傾角αx3計算公式為

式中：

lc——履帶最前支重輪和最后支重輪間的距離，mm ；

B——履帶的間距，mm。

經(jīng)計算液壓油箱/柴油箱后置再生稻收獲機(jī)的上坡極限傾角為14.1°，這是由于柴油箱和液壓油箱均布置于收獲機(jī)后方，重心橫向偏移量較大造成的；比較3 種布局的橫向側(cè)翻極限傾角，液壓油箱前置、柴油箱后置時再生稻收獲機(jī)的橫向側(cè)翻極限傾角最大，布局合理，故以此建立履帶式再生稻收獲機(jī)三維模型，如圖3 所示。

圖3 履帶式再生稻收獲機(jī)三維模型

1.4 行走裝置設(shè)計及選型

履帶主要由橡膠履帶、驅(qū)動輪、負(fù)重輪、張緊輪、張緊裝置以及支撐結(jié)構(gòu)等組成。履帶齒均勻分布在履帶表面，履帶齒能夠使履帶產(chǎn)生更大的附著力，使其在惡劣的土壤環(huán)境中擁有更好的行走能力；驅(qū)動輪處于履帶結(jié)構(gòu)一側(cè)頂點(diǎn)，與液壓行走馬達(dá)通過螺栓固定連接，與橡膠履帶嚙合，驅(qū)動輪用于傳遞驅(qū)動力矩或制動力矩；負(fù)重輪位于履帶結(jié)構(gòu)的底部，負(fù)重輪支撐將橡膠履帶緊壓在下方，增大與土壤接觸面積，增強(qiáng)履帶附著力；張緊輪位于履帶結(jié)構(gòu)另一側(cè)頂點(diǎn)，可用來調(diào)節(jié)履帶張緊力大小，避免履帶發(fā)生脫軌。

1.4.1 履帶選型

相比鋼鐵履帶，橡膠履帶質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)動慣量小，噪聲低，接地面積更大，履齒更大，具有更好的水田通過性。

根據(jù)履帶節(jié)距計算公式

式中：

m0——履帶輪承載質(zhì)量，kg。

參照履帶規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，將參數(shù)代入式（6），得節(jié)距p=90 mm。

1.4.2 驅(qū)動輪設(shè)計

驅(qū)動輪產(chǎn)生的驅(qū)動力矩Ms計算公式為

式中：

Fs——驅(qū)動力，N；

rs——驅(qū)動輪節(jié)圓半徑，m。

由式（7）可知，Ms與rs成正相關(guān)，為了降低馬達(dá)受力，提高馬達(dá)可靠性，應(yīng)盡量減小驅(qū)動輪節(jié)圓半徑，但驅(qū)動輪過小會使履帶彎曲撓性應(yīng)力加大，影響其使用壽命，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊》，驅(qū)動輪齒數(shù)一般取奇數(shù)，本文驅(qū)動輪的齒數(shù)Zs選定為13。驅(qū)動輪節(jié)圓直徑ds的計算公式為

式中：

p——履帶節(jié)距，mm；

Zs——驅(qū)動輪的齒數(shù)。

經(jīng)計算可得ds=376 mm。

1.4.3 張緊輪設(shè)計

本文采用靜態(tài)張緊裝置，即螺栓張緊法，橡膠履帶在運(yùn)動過程中經(jīng)反復(fù)拉伸變形，履帶周長會增大，通過調(diào)節(jié)張緊螺栓可對張緊輪位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證履帶有足夠的張緊力。

張緊輪節(jié)圓計算公式為

式中：

dt——張緊輪節(jié)圓直徑，mm；

ds——驅(qū)動輪節(jié)圓直徑，mm。

經(jīng)計算，張緊輪節(jié)圓直徑為330 mm。

1.4.4 負(fù)重輪設(shè)計

負(fù)重輪的作用是承受整機(jī)的質(zhì)量，所以負(fù)重輪應(yīng)具有強(qiáng)耐磨性和高強(qiáng)度。再生稻收獲機(jī)在水田作業(yè)時，負(fù)重輪長期浸在泥水中，為防止泥水進(jìn)入負(fù)重輪損壞軸承，負(fù)重輪還需具有良好的密封性能。負(fù)重輪的節(jié)圓直徑計算公式為

式中：

dz——負(fù)重輪節(jié)圓直徑，mm。

經(jīng)計算，負(fù)重輪節(jié)圓直徑為185 mm。綜合上述分析設(shè)計，確定履帶的參數(shù)如表3 所示。

表3 履帶底盤參數(shù)

2 工作原理

再生稻收獲機(jī)作業(yè)時，撥禾輪轉(zhuǎn)動，將穗頭及部分秸稈撥入割臺，割刀將稻株切斷，由螺旋輸送器喂入輸送槽中，通過鏈?zhǔn)捷斔推魉腿牒蠓矫摿７诌x系統(tǒng)。在脫粒分選系統(tǒng)中經(jīng)脫粒、分離后送入糧倉，秸稈雜余通過位于脫粒分選系統(tǒng)后方的秸稈粉碎裝置排出，秸稈粉碎裝置出口處安裝雜余導(dǎo)向板，使雜余落入右側(cè)履帶壓痕內(nèi)，最后由卸糧裝置將糧倉內(nèi)稻谷運(yùn)出，完成收獲作業(yè)。

履帶式再生稻收獲機(jī)底盤采用全液壓驅(qū)動，柴油發(fā)動機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器帶動液壓泵，液壓泵將柴油發(fā)動機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，液壓油經(jīng)多路換向閥使行走液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動，驅(qū)動履帶行走；通過控制手柄控制再生稻收獲機(jī)前進(jìn)、后退和急停；2 臺液壓泵分別安裝操作手柄1、操作手柄2，二者與方向盤聯(lián)動，通過對操作手柄1、2 的控制，實(shí)現(xiàn)再生稻收獲機(jī)的轉(zhuǎn)彎動作。

3 基于RecurDyn的虛擬樣機(jī)仿真

基于CATIA 和RecurDyn 建立再生稻收獲機(jī)虛擬樣機(jī)模型，在履帶子系統(tǒng)中，對驅(qū)動輪、支撐輪、履帶支架等施加固定及約束來確定各構(gòu)件間的受力及運(yùn)動關(guān)系[15]，單側(cè)履帶設(shè)置1個驅(qū)動輪、6 組負(fù)重輪、1個托帶輪和1個張緊輪，驅(qū)動輪半徑188 mm，履帶接地長度2 290 mm，履帶軌距1 750 mm，履帶寬度250 mm，履帶子系統(tǒng)構(gòu)建完成。虛擬樣機(jī)模型除履帶子系統(tǒng)外其余部分不參與運(yùn)動計算，將其余部分作為一個剛體系統(tǒng)直接從CATIA 導(dǎo)入RecurDyn 中，所有輪系、支撐及履帶組成履帶子系統(tǒng)，左、右側(cè)履帶子系統(tǒng)可以分別設(shè)置路面接觸參數(shù)[16-17]。為旋轉(zhuǎn)副中的驅(qū)動輪添加MOTION，通過STEP（TIME，t0，y0，t1，y1 ）函數(shù)定義驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，通過分別調(diào)整左、右側(cè)驅(qū)動輪的STEP 函數(shù)來控制再生稻收獲機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑，托帶輪以轉(zhuǎn)動副與機(jī)體相連，通過移動張緊輪相對位置調(diào)節(jié)履帶張緊力，虛擬樣機(jī)模型如圖4 所示。

圖4 虛擬樣機(jī)模型

圖5 為履帶式再生稻收獲機(jī)越障履帶張緊力變化情況，再生稻收獲機(jī)在堅(jiān)實(shí)地面行駛時機(jī)體平穩(wěn)，水平方向速度波動?。辉谔镩g行駛時，由于下陷量加大，使機(jī)體姿態(tài)波動較大，水平方向速度變化明顯。從仿真結(jié)果看，水田行駛時履帶平均沉陷量194.57 mm，機(jī)身俯仰變化較為復(fù)雜，在上坡及到達(dá)坡底后沉陷量進(jìn)一步加大，這是由于再生稻收獲機(jī)在上下坡過程中合力方向突然發(fā)生變化，履帶對土壤破壞加劇，使沉陷量進(jìn)一步加大，甚至?xí)谄碌滋幇l(fā)生陷車。觀察履帶張緊力波動曲線，在田間路面仿真過程中，履帶張緊力變化曲線震蕩幅度較大，張緊力變化程度加劇，履帶震動加劇，多次出現(xiàn)瞬時張緊力波峰波谷，仿真現(xiàn)象與實(shí)際試驗(yàn)情況相符。

圖5 虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果

4 田間試驗(yàn)

采用本團(tuán)隊(duì)自主研制的再生稻收獲機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)于2022 年3 月20 日在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城教學(xué)試驗(yàn)基地試驗(yàn)田進(jìn)行，土壤質(zhì)地為壤土，含水率27.3%，堅(jiān)實(shí)度83.4 kPa。

收獲試驗(yàn)參照國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 498-2013《水稻聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》，對收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行評定。選取相鄰田塊作為試驗(yàn)組與對照組。2 臺收獲機(jī)同時作業(yè)，收獲速度、方向均相同，收獲完成后對比本文履帶式再生稻收獲機(jī)和洋馬YH1180 稻麥聯(lián)合收獲機(jī)收獲情況。測量項(xiàng)目包括①留茬高度。收獲完成后，采用卷尺對稻株留茬高度測量，共取20 點(diǎn)并取平均值；②履帶壓痕寬度。以未被壓到的土壤表層為基準(zhǔn)面，測量履帶壓痕寬度，任取每條車轍軌跡內(nèi)10個位置，測量履帶壓痕寬度，并取平均值；③綜合碾壓率。測量整塊田碾壓面積，計算田塊綜合碾壓率。

圖6 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示，通過對比發(fā)現(xiàn)履帶式再生稻收獲機(jī)在碾壓率及通過性等方面均優(yōu)于普通收獲機(jī)，可有效提高再生季產(chǎn)量。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

1）針對普通履帶式收獲機(jī)碾壓率大的問題，設(shè)計了一種履帶式再生稻收獲機(jī)，確定了底盤結(jié)構(gòu)并規(guī)劃設(shè)計路線，進(jìn)一步降低了碾壓率；對再生稻收獲機(jī)工作部件布局方式進(jìn)行設(shè)計計算，確定了最優(yōu)布局方式。

2）使用RecurDyn 進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真分析，仿真結(jié)果表明，底盤結(jié)構(gòu)合理，在田間復(fù)雜環(huán)境中具有較強(qiáng)的通過性。

3）與洋馬YH1180 稻麥聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)果表明，碾壓率降低40%，優(yōu)勢明顯，可為再生稻收獲機(jī)研究提供一定參考。