4HBLZ-2智能型半喂入花生聯合收獲機的設計與試驗

張守海,李洪遷,李政平,于曉華,楊方景,顧碩文

(山東五征集團有限公司,山東 日照 276800)

0 引言

隨著花生等根莖類收獲機械市場需求的不斷增強,小型自走式花生聯合收獲機保有量逐漸升高,花生收獲機械的研究開發進入了一個高速發展時期,但花生收獲機械智能化裝備集成在國內尚屬空白。為此,本團隊對傳統半喂入花生聯合收獲機進行智能化裝備集成設計,成功研發出4HBLZ-2智能型半喂入花生聯合收獲機。

花生收獲機械在國際上研究起步較早,美國等發達國家在花生機械化收獲研究方面,已從19世紀末發展至今,出現過多種機械化收獲方法的嘗試。20世紀中期以來,美國花生收獲已全面實現兩段式機械化收獲,其花生收獲機技術全球領先[1-2]。國內花生收獲機械研究起步晚,發展水平較為落后。經過50年多的發展,我國已研發出多種花生收獲機械,包括花生收獲機、花生聯合收獲機、花生摘果機等多種機型,如4H-800型、4H-150型及4HLB-2型等收獲機。這些機型的研制在一定程度上緩解了國內對花生收獲機械的強烈需求,改變了我國花生收獲機械的落后局面。但是,從總體上看,國內花生收獲機械裝備發展水平仍不高,面對國內市場的需求,研發出更加可靠、高效的花生收獲機是當前花生收獲機械化發展的當務之急[3-4]。

花生收獲的過程包括挖掘花生、分離泥土、鋪條晾曬、撿拾摘果和分離清選等作業[5]。目前,傳統機型主要靠機手實現對行,對機手的操作技能要求高,輔助人員多;機械式地面仿形結構對地形的適應能力差;國內花生收獲動力平臺導航核心技術全部依賴國外的衛星系統,還缺少工況監測與控制、故障預警與診斷處理、遠程調度及產量監測等功能。

綜上所述,結合我國花生收獲的實際情況,研制與推廣適合我國國情的智能花生收獲機械裝備,對滿足我國現階段廣大花生種植農戶的迫切需求,提升國家綜合實力和國際地位,具有重要的意義。

1 整體結構及工作原理

4HBLZ-2智能型半喂入花生聯合收獲機是在機械式花生半喂入聯合收獲機基礎上進行的智能化改進設計,其主要由行駛系統、收獲系統、智能控制系統及動力總成等構成,如圖1所示。收獲系統主要由挖掘去土總成、夾持摘果總成及清選總成、升運集果總成等組成;智能控制系統主要由液壓傳動系統、北斗衛星導航系統、地面仿形系統、在線測產系統、工況監測與反饋控制系統、遠程優化調度系統等組成。

1、8、19.擺線馬達 2.行駛馬達 3.行走底盤 4.振動篩 5.風機 6.摘果裝置 7.夾持裝置 9.升運裝置 10.測產裝置 11、12、13.導航天線 14.多路比例閥 15.收獲系統控制手柄 16.行走系統控制手柄 17.發動機 18.駕駛臺 20.仿形輪

作業時,收獲機能一次完成對花生的挖掘、去土、摘果、清選、升運及集果等作業過程。智能化集成技術的應用提高了花生收獲機械的自適應性和作業質量:利用北斗衛星系統進行農業生產導航,降低我國農業生產對國外衛星系統的依賴;自動對行技術的應用提高了農業機械對種植模式及作物生長狀況的自適應能力;地面仿形技術的應用提高了復雜地形下農機入土工作部件的工作性能;花生收獲在線產量檢測技術的應用為后續種植及土地管理提供了依據。智能控制方案如圖2所示。

圖2 智能控制方案

2 傳動系統設計

4HBLZ-2智能型半喂入花生聯合收獲機傳動系統由兩套相互獨立的液壓系統組成,行走系統屬于靜液壓傳動系統,工作部件液壓系統屬于開式液壓傳動系統。液壓傳動系統原理如圖3所示。

圖3 液壓系統原理圖

智能花生聯合收獲機行走系統采用靜液壓傳動控制技術,包括液壓系統和電控系統。液壓系統由變量泵和變量馬達組成。變量泵選用兩臺串聯的力士樂A10VG柱塞式變量泵。系統兩驅動輪分別安裝在兩臺力士樂A6VE柱塞式變量馬達。電控系統由控制器、行駛控制手柄及其他電控元器件等部分組成。系統采用電子雙路控制系統(DPCA)加帶電比例(EP)控制的變量泵、變量馬達進行組合控制方案。

DPCA系統通過CAN總線接收速度傳感器發出的實際速度和節流電位計的設定速度,通過對泵、馬達的單獨控制加雙軸手柄的使用,實現整機的前進、后退及轉向,實現了智能花生聯合收獲機行駛速度的無級調節和行駛方向的靈活控制。同時,變量調節方式使智能花生聯合收獲機行駛系統能夠實時根據行駛需要改變泵的輸出流量,使行駛速度保持在合理的范圍內,提高了花生收獲機行駛系統的工作效率。

工作部件驅動系統采用開式液壓傳動控制技術,由液壓系統和電控系統組成。液壓系統由變量泵、變量馬達和多路閥組成,電控系統由控制器、收獲控制手柄、變量控制旋鈕組成。變量泵選用力士樂A10VO柱塞式變量泵,多路閥選用力士樂EDC-P多路閥,工作馬達選用丹佛斯OMP系列帶EMD轉速傳感器的擺線馬達。系統采用了流量共享分配技術(LUDV),控制器根據負載馬達的轉速需求向EDC-P多路閥發出控制信號,調節多路閥中各回路的流量來改變各工作馬達轉速。

3 智能控制系統研制

3.1 基于北斗衛星導航的輔助駕駛和自動對行技術的研制

智能花生聯合收獲機北斗導航系統主要由車載電臺和地面基站組成:車載電臺主要由M600-U主機、AT300 GNSS天線、車載電臺天線、控制器及相關線纜組成;地面基站主要由M300C主機、AT300 GNSS天線、UDL300發射電臺、電臺發射天線、電臺改頻附加線及其他相關線纜組成。地面基站與車載電臺同時接收北斗衛星信號,將智能花生聯合收獲機位置、速度、運行姿態等信息實時傳輸到導航控制器內,經過CAN通信與整機控制器聯系,進而對智能花生聯合收獲機自動行駛進行調整,達到預期目的。智能花生聯合收獲機的自動行駛系統的基本功能是接受北斗衛星定位系統信號,采用實時RTK方法獲取高精度定位信息,根據自動行駛的功能模式,使花生機自動按照設定路線行駛。此功能在田間作業時使用,可達到自動對準作業行的目的。

智能花生聯合收獲機自動駕駛原理如圖4所示。系統工作原理如下:北斗衛星(BDS)定位車載系統固定安裝在花生機車身機械機構8,通過RTK實時測量獲取精確定位信息后,將信息通過RS232通訊傳輸至自動行駛(導航)控制器;自動行駛(導航)控制器接收位置信息數據,并將相關信息(經緯度,車速等)轉發至車輛CAN總線網絡。

圖4 輔助駕駛系統原理圖

當駕駛員通過輸入設備發出自動行駛或自動對行功能請求時,自動行駛(導航)控制器將判斷車輛是否具備進入自動行駛或自動對行功能,若具備條件,自動行駛(導航)控制器將發送進入自動模式的請求至路徑存儲設備、速度控制器及液壓控制器,當所有條件滿足后,自動功能啟動。

自動功能啟動后,根據實際功能需求,路徑存儲設備將存儲的路徑信息通過CAN網絡發送至自動行駛控制器,速度控制器將車速請求通過CAN網絡發送至自動行駛控制器;自動行駛控制器計算出車輛轉向及速度的控制量后,將控制量經CAN總線發送至液壓控制器;液壓控制器對行駛系統液壓系統輸出控制電流,行駛系統液壓系統驅動車身機械結構,使車輛按照功能設定線路自動行駛。

其中,自動行駛功能包括自動定向行駛及自動仿形行駛,功能執行不需要速度控制器及路徑存儲設備參與;自動對行功能需要路徑存儲設備提供預置的作業行位置信息及速度控制器提供的車速請求信息。

花生機自動行駛系統提供3種可選功能,分別是自動定向行駛、自動仿形行駛及自動對行行駛,駕駛員可根據工況需求選擇需要的工作模式。

3.2 基于傳感器的地面仿形控制技術的研制[6]

地面仿形系統是為花生收獲機作業在地面起伏不平的農田而設計的,特別適用于丘陵、山地等特殊工況下的作業環境。該系統把地面起伏信息通過仿形傳感器實時轉換成模擬電壓信號,該信號經過仿形ECU判斷并處理,轉換成CAN信號,發送到上位機;上位機發出控制信號控制比例電磁閥,比例電磁閥打開液壓油流動,隨著液壓油的動作舉升油缸就可以提升或降低挖掘鏟,可靠地保證挖掘鏟與地面的隨動,有效地實現收獲機收獲深度的精確控制。地面仿形系統的設計方案原理方框圖如圖5所示。

圖5 地面仿形自動控制原理

地面仿形技術在程序設計上主要由兩部分組成,即下位機程序和上位機程序。下位機軟件主要包括AD采樣模塊、定時器延時模塊、定時中斷模塊、CAN總線通訊模塊、水平地面判斷模塊、入土模塊、仿形模塊即反饋模塊;上位機軟件主要包括仿形函數模塊、CAN通訊模塊、調試模塊。

3.3 在線測產智能裝置與技術的研制[7-8]

測產系統硬件包括北斗衛星定位系統、單片微處理器及重量傳感器,通過CAN總線接口與上位機連接。該測產系統首次將定量稱重與網格細分技術相結合應用于收獲機測產領域,相較于沖量式測產系統,將極大地降低收獲機振動引起的產量累積誤差。軟件采用跨平臺應用程序,完成了各傳感器數據的實時接收、存儲,以及對任意劃定地塊產量數據的查詢,且能夠實現查詢產量數據的平面及3D立體漸變色顯示。在5種不同工況下對該測產系統進行試驗,測試花生收獲機在工作狀態下測產系統的穩定性。在實驗室情況下,產量相對誤差絕對值小于2%,在田間試驗情況下產量相對誤差絕對值小于5%。

花生收獲機智能測產系統主控單元與稱重控制器之間采用CAN協議進行通信。在花生收獲機安裝的角度傳感器、馬達轉速傳感器,主控系統結合收獲時間、割幅寬度和速度信息計算出花生收獲機的收獲面積。在花生收獲機安裝的稱重傳感器,實時測量收割后花生的質量。該測產軟件對產量數據進行數據采集、誤差處理、統計分析、數據存儲及數據查詢功能并生成小區花生產量圖。測產系統結構圖如圖6所示。

圖6 測產系統構成

3.4 工況監測與反饋控制技術的研制[9]

采用RC30控制器作為主控制器,圖7所示為工況監測與控制流程。

圖7 工況監測與控制流程

工況監測與控制系統能夠針對花生收獲機的工作狀況進行實時準確地監測與控制,花生收獲機每一個工作馬達都安裝有轉速傳感器,且在夾持鏈不同位置安裝有位置傳感器。當用戶選擇自動模式進行收獲作業時,系統可根據當前時刻夾持鏈位移傳感器的狀態值,使扶秧、夾持與摘果馬達在原設定轉速的基礎上提高運行速度直至警告排除。若發出故障信號,通過上位機讀取夾持、摘果與升運馬達轉速傳感器的轉速信息并進行處理,反饋速度的判斷需按照從低速到高速的順序進行。若反饋速度過慢或鎖死,則需要用戶按下反轉按鈕,使得相應馬達低速反轉直至故障排除;若反饋速度低于相應馬達正常轉速范圍的中間值,則自動轉換成高速運行直至故障排除;若反饋速度低于相應馬達正常轉速范圍的最大值,則自動轉換成中速運行直至故障排除。

3.5 遠程優化調度技術及系統的研制

遠程優化調度系統是通過采集安裝在花生聯合收獲機上各種傳感器(如扭矩傳感器、轉速傳感器等)的實時工作數據為基礎進行工作的,所采集的工作數據通過移動通信和互聯網等載體進行實時數據傳輸,最終監控中心的終端平臺將獲取的實時數據反饋給駕駛員和中心調度人員,從而對花生收獲機的工作狀態進行及時調整。平臺以互聯網與瀏覽器-服務器技術為基礎,建立了3層網絡結構,實現了底層控制網絡與互聯網的集成,并建立了花生收獲機械的信息服務平臺。監控中心既可以實時獲取收獲機械的工作數據信息和對收獲機械發送控制命令,又能實現對農業資源信息的共享。

遠程優化調度系統包括花生收獲機與傳感器、機載和機房監控終端、通信的網絡和服務器,如圖8所示。

圖8 遠程優化調度系統組成

4 田間試驗

4.1 試驗條件與指標

為了測試4HBLZ-2智能型半喂入花生聯合收獲機作業性能,于2018年8月在山東省日照市五征集團花生試驗田對樣機進行了試驗測試,如圖9所示。測試時,花生聯合收獲機的行駛速度為3.6km/h。整機技術參數如表1所示。

表1 智能型半喂入花生聯合收獲機技術參數

圖9 4HBLZ-2花生聯合收獲機田間測試

花生聯合收獲機的總損失率、破碎率、含雜率和純工作生產率等是最基本的性能指標,但智能型花生聯合收獲機重要的性能指標還包括作業面積檢測精度、自動導航百米精度、自動對行技術偏移量、產量檢測誤差、挖掘深度誤差變化區間,以及工況預警系統各關鍵運動部件轉速監測誤差和綜合調度系統平臺容量等。具體檢測方法依據Q/1121LWZ033-2016《智能型(半喂入)花生聯合收獲機》及GB/T8097-2008《收獲機械 聯合收割機 試驗方法》等標準執行。

4.2 試驗結果

在田間進行5次試驗后,對試驗結果進行平均值處理,所得結果與標準作業指標要求進行對比,對比結果如表2所示。

表2 4HBLZ-2花生聯合收獲機測試結果

5 結論

1)4HBLZ-2智能型花生聯合收獲機的研制成功是花生收獲機械研究上的一種新的嘗試。收獲機智能化集成程度高,所獲得的各項數據指標并對花生收獲機進一步研究提供有力的技術支持和設計依據。

2)液壓驅動履帶自走式底盤、收獲系統液壓控制技術、北斗導航系統、產量檢測技術、仿形技術、工況監測與反饋控制技術及綜合調度平臺技術等技術的研究應用,在花生收獲領域均屬首次,基于此研制出4HBLZ-2智能型花生聯合收獲機。

3)田間測試結果表明:該試驗樣機的各項性能指標均達到標準中所規定的指標要求,可為花生聯合收獲提供可供選擇的機型。