崔宗霞

（山東省濟(jì)南市長清區(qū)雙泉鎮(zhèn)人民政府， 山東 濟(jì)南 250303）

1 項(xiàng)目概況

當(dāng)前，GPS 衛(wèi)星定位和自動(dòng)導(dǎo)航駕駛技術(shù)在農(nóng)業(yè)收割機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用，有效提高了收割機(jī)工作效率、作業(yè)質(zhì)量、土地利用率，節(jié)本增效效果顯著。同時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)在農(nóng)業(yè)收割機(jī)也得到了應(yīng)用，具有以下優(yōu)勢：在能見度低時(shí)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(qū)域的產(chǎn)量，以便精準(zhǔn)作業(yè)；降低了油耗；減少轉(zhuǎn)彎時(shí)間；降低了駕駛員的壓力使其能更加關(guān)注于收割作業(yè)上[1-2]。

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)收割機(jī)的無人駕駛智能化控制，設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)收割機(jī)自動(dòng)控制新技術(shù)。國內(nèi)農(nóng)業(yè)收割機(jī)液壓行駛系統(tǒng)主要采用兩輪驅(qū)動(dòng)形式或四輪驅(qū)動(dòng)形式，兩者無法進(jìn)行自動(dòng)切換，不太符合當(dāng)前收割機(jī)的行駛和作業(yè)工況，無法將兩驅(qū)和四驅(qū)的優(yōu)勢發(fā)揮出來，基于收割機(jī)節(jié)能性角度，設(shè)計(jì)了一種兩驅(qū)- 四驅(qū)液壓切換裝置，能夠解決傳統(tǒng)收割機(jī)兩驅(qū)、四驅(qū)不能切換的問題。

2 基于智能化自動(dòng)控制新技術(shù)的設(shè)計(jì)

2.1 割臺高度控制方式

利用傳感器改裝收割機(jī)割臺液壓升降裝置，使安裝在收割機(jī)割臺上的傳感器能夠準(zhǔn)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(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析、處理并發(fā)出指令給收割機(jī)割臺液壓升降系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)割臺自動(dòng)升降。當(dāng)前收割機(jī)割臺高度控制方式主要有以下三種模式：

模式一：恢復(fù)到預(yù)先設(shè)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(nóng)作物，收割后的斷桿較長，收割機(jī)進(jìn)行收割作業(yè)時(shí)，需要將割臺控制在一個(gè)較高的高度，而且不同的農(nóng)作物需要的割臺高度也不相同，因此預(yù)先設(shè)定在割臺控制系統(tǒng)中。

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

模式三：保持割臺一個(gè)預(yù)先設(shè)定的對地壓力以收割倒伏的作物。由于大風(fēng)、大雨等原因，農(nóng)田實(shí)際存在農(nóng)作物倒伏的情況。為了收割倒伏的農(nóng)作物，需要割臺緊貼地面作業(yè)，此時(shí)，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(yīng)控制

在傾斜和起伏的山地地形上面，割臺可以根據(jù)地形情況傾斜和升降，以適應(yīng)變化的復(fù)雜地況作業(yè)，同時(shí)整機(jī)的懸掛系統(tǒng)可以保持整機(jī)平衡狀態(tài)，以提高駕駛員的駕駛舒適性和脫粒及清選系統(tǒng)的作業(yè)效率，如圖1 所示。

圖1 山地地形自適應(yīng)控制示意圖

2.3 行駛作業(yè)速度自適應(yīng)控制

采用靜液壓驅(qū)動(dòng)撥禾輪，喂入速度可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，根據(jù)收割機(jī)行走速度自動(dòng)調(diào)節(jié)割臺及喂入的速度，如田間作物密度變稀，收割機(jī)將加速，這時(shí)割臺和喂入的速度將會自動(dòng)調(diào)整，以匹配行走速度，如圖2 所示。

圖2 行駛作業(yè)速度自適應(yīng)控制

2.4 清選系統(tǒng)自動(dòng)找平功能

在斜坡上收割時(shí)，減少谷物的損失及增加生產(chǎn)效率，和在平地上收割效果一樣。整個(gè)清選系統(tǒng)（包括谷物盤、上篩、下篩、風(fēng)機(jī)）能夠自動(dòng)調(diào)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(zhuǎn)彎時(shí)（換行經(jīng)過田便時(shí)），以及在斜坡上收割時(shí)，都能獲得最佳效果。

3 收割機(jī)液壓兩驅(qū)-四驅(qū)切換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 收割機(jī)液壓行駛系統(tǒng)兩驅(qū)方案

收割機(jī)液壓行駛系統(tǒng)兩驅(qū)方案工作原理和特點(diǎn)如下：收割機(jī)兩驅(qū)液壓系統(tǒng)包括1 個(gè)液壓泵和1 個(gè)液壓馬達(dá)，其中，液壓泵與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，液壓馬達(dá)與前輪驅(qū)動(dòng)橋連接，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)過液壓泵、液壓馬達(dá)、前橋到達(dá)2 個(gè)前輪，2 個(gè)前輪驅(qū)動(dòng)收割機(jī)行走。后輪是轉(zhuǎn)向輪，沒有驅(qū)動(dòng)功能。

前輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操縱方便。前輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)為驅(qū)動(dòng)力不足，特別是在爬坡、通過泥寧路段、地面附著力較小時(shí)，收割機(jī)的通過性顯著降低，影響作業(yè)速度和效率。

3.2 收割機(jī)液壓行駛系統(tǒng)四驅(qū)方案

收割機(jī)液壓行駛系統(tǒng)四驅(qū)方案工作原理和特點(diǎn)如下：針對收割機(jī)兩驅(qū)液壓系統(tǒng)的不足，有廠家開發(fā)了四驅(qū)液壓系統(tǒng)，四驅(qū)液壓系統(tǒng)包括1 個(gè)液壓泵和3個(gè)液壓馬達(dá)。液壓泵與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，1 個(gè)液壓馬達(dá)與前輪驅(qū)動(dòng)橋連接，另外2 個(gè)液壓馬達(dá)分別與2 個(gè)后輪連接。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過液壓泵、3 個(gè)液壓馬達(dá)分別傳輸?shù)? 個(gè)前輪和2 個(gè)后輪，實(shí)現(xiàn)了四輪驅(qū)動(dòng)[4-5]。

四輪驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力充足，在爬坡、泥寧路段等工況下，車輛的通過性仍然很強(qiáng)。四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是能量消耗大。無論路面時(shí)好時(shí)壞，車輛都采用四輪驅(qū)動(dòng)，能量消耗大，經(jīng)濟(jì)性差。

收割機(jī)在工作時(shí)，分為作業(yè)工況和行駛工況。在收割機(jī)行駛時(shí)，一般路面條件較好，行駛速度較高，此時(shí)，適合采用兩驅(qū)液壓系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)，達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)；在收割機(jī)進(jìn)行收割作業(yè)時(shí)，如果地面條件較好，可以采用兩驅(qū)系統(tǒng)，如果地面出現(xiàn)上坡、泥寧等情況，則需要四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

收割機(jī)工況特點(diǎn)對行駛系統(tǒng)的要求：兩驅(qū)系統(tǒng)適合收割機(jī)的行駛工況，四驅(qū)系統(tǒng)適合收割機(jī)的作業(yè)工況，因此，理想的收割機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要能夠在兩驅(qū)和四驅(qū)之間進(jìn)行切換。當(dāng)收割機(jī)處于行駛工況時(shí)，行駛系統(tǒng)切換到兩驅(qū)模式，以實(shí)現(xiàn)較高的行駛速度和節(jié)能效果；當(dāng)收割機(jī)處于作業(yè)工況時(shí)，行駛系統(tǒng)切換到四驅(qū)模式，以實(shí)現(xiàn)較高的牽引力和通過性能。

根據(jù)以上對收割機(jī)工況系統(tǒng)的分析，最理想的收割機(jī)液壓行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是兩驅(qū)、四驅(qū)可切換的系統(tǒng)，根據(jù)工況的需要進(jìn)行切換，達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。針對收割機(jī)工況特點(diǎn)對其行駛系統(tǒng)的要求，提出了一種兩驅(qū)-四驅(qū)液壓切換裝置，能夠解決傳統(tǒng)收割機(jī)兩驅(qū)、四驅(qū)不能切換的問題。

3.3 一種兩驅(qū)- 四驅(qū)液壓切換裝置

針對上述問題，設(shè)計(jì)了收割機(jī)液壓行駛系統(tǒng)一種兩驅(qū)- 四驅(qū)液壓切換裝置，切換原理如圖3 所示。

圖3 收割機(jī)液壓行駛系統(tǒng)兩驅(qū)- 四驅(qū)液壓切換原理圖

本方案的工作原理和特點(diǎn)如下：本系統(tǒng)的四驅(qū)液壓系統(tǒng)包括1 個(gè)液壓泵、3 個(gè)液壓馬達(dá)、1 個(gè)切換閥、CAN 總線、控制器和控制手柄。液壓泵與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，1 個(gè)液壓馬達(dá)與前輪驅(qū)動(dòng)橋連接，另外2 個(gè)液壓馬達(dá)分別與2 個(gè)后輪連接。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過液壓泵、3 個(gè)液壓馬達(dá)分別傳輸?shù)? 個(gè)前輪和2 個(gè)后輪，實(shí)現(xiàn)了四輪驅(qū)動(dòng)。CAN 總線與液壓泵控制模塊、馬達(dá)轉(zhuǎn)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(gè)后輪驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)連接。

系統(tǒng)工作時(shí)，控制器采集馬達(dá)轉(zhuǎn)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(jìn)行控制。常態(tài)下，液壓系統(tǒng)工作在兩驅(qū)狀態(tài)，即2 個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)排量處在零位，不工作。只有前輪驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)工作。當(dāng)控制器通過馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器檢測到車速較低時(shí)，通過控制切換閥電磁鐵控制切換閥工作，把2 個(gè)后驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)激活（把馬達(dá)排量從零位推到工作位），從而實(shí)現(xiàn)了從兩驅(qū)模式切換到四驅(qū)模式。反之，當(dāng)控制器檢測到液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速回復(fù)到正常范圍時(shí)，通過控制切換閥電磁鐵控制切換閥回復(fù)原位，2 個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的排量回到零位，車輛又回復(fù)到兩驅(qū)模式。

兩驅(qū)- 四驅(qū)切換的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，更符合收割機(jī)的行駛和作業(yè)工況的要求，可以兼具傳統(tǒng)車輛液壓系統(tǒng)兩驅(qū)和四驅(qū)的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)能性更好。

4 結(jié)語

以農(nóng)業(yè)收割機(jī)為研究對象，對其無人駕駛智能自動(dòng)控制技術(shù)及行駛的節(jié)能性進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。對農(nóng)業(yè)收割機(jī)無人駕駛智能自動(dòng)控制技術(shù)從割臺高度控制方式、山地地形自適應(yīng)控制、行駛作業(yè)速度自適應(yīng)控制、清選系統(tǒng)自動(dòng)找平功能四方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，為農(nóng)業(yè)收割機(jī)的智能化設(shè)計(jì)提供參考?；谑崭顧C(jī)節(jié)能性角度，設(shè)計(jì)了一種兩驅(qū)- 四驅(qū)液壓切換裝置，能夠解決傳統(tǒng)收割機(jī)兩驅(qū)、四驅(qū)不能切換的問題，更符合收割機(jī)的行駛和作業(yè)工況的要求，為農(nóng)業(yè)收割機(jī)的節(jié)能降耗設(shè)計(jì)提供參考。