通用型寬幅農機作業平臺分析與設計

馬家祥， 閆洪峰,， 賈雙龍， 田 甜1,， 李蓉萱， 王 志1,

（1.中國農業機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083； 2.農業裝備技術全國重點實驗室，北京 100083；3.北京金輪坤天特種機械有限公司，北京 100083）

0 引言

農業機械化發展至今，農機裝備各式各樣，可以覆蓋耕整、種植、田間管理和收獲等農田作業全過程，田間生產作業效率和質量得到了極大提升。然而隨著現代化農業朝著規模化、精準化、保護性耕作的方向發展，對現有的農機裝備提出了更高的要求，如更小的土壤壓實、更高的作業效率及更高的經濟性等。為此，考慮探索一種新型的農機作業模式——通用型、機器人化及一機多能的寬幅作業平臺。本研究總結了通用型寬幅作業平臺研究現狀，以及其行走模式、分布式獨立轉向與驅動及模塊化作業機具3 項關鍵技術，對寬幅作業平臺3 種設計方案的特點進行對比分析，提出初步設計方案，為通用型寬幅農機作業平臺的研究開發提供參考。

1 研發背景

拖拉機是使用最廣泛的農業行走動力裝備，田間作業一般采用拖拉機牽引作業機具的方式完成。此外還使用到高地隙自走式噴霧機、免耕播種機和聯合收獲機等自走式農業機械，這些農機裝備往往只完成一種田間作業，在其他農機作業時，閑置農機的行走動力裝置處于閑置狀態，造成資源浪費，經濟性不高。

拖拉機等農業機械田間作業會對土壤產生壓實作用，過度的土壤壓實影響土壤的理化性質和生育性狀，從而影響作物的生長和產量[1]。隨著農機裝備不斷朝著大型化方向發展，土壤壓實的負面影響也日益凸顯，造成土壤退化，不利于農業可持續性發展。使用農機具耕作是減少土壤壓實的一種方式，淺層土壤壓實通常使用翻耕的方式來緩解，針對深層土壤壓實則通過深翻、深旋耕和深松等方式修復，但這些修復方式實行起來不經濟，還造成了能源的浪費[2]。

為應對土壤壓實帶來的問題，固定行走道（CTF）逐漸受到歐洲及澳大利亞等國家研究人員的重視[3-5]。CTF 指將所有田間作業車輛的土壤壓實限制在盡可能少的永久式行走道上，農機作業造成的土壤壓實被限制在耕地中不到10%的區域以內，而未使用CTF 系統的耕種方式則占到90%甚至更多，作物產量及綜合收益將因此得到提高[6]。CTF 系統雖然有效地減少了土壤壓實，改善了土壤質量，然而這種系統一旦建立起來，受到尺寸的限制，窄輪距的拖拉機不適合在寬幅行間距的農田中行駛，現有可用的與CTF 系統相匹配的農機設備很少，拖拉機與作業機具需要經過改裝才能應用于CTF 系統，改裝優化后成本較高。

龍門式拖拉機和寬幅作業平臺是解決上述問題的關鍵[7]。寬幅作業平臺不同于傳統的拖拉機，底盤采用龍門式的梁架結構，跨度在8～12 m 甚至更多，支持掛載耕、種、管、收配套作業機具實現寬幅作業，減少了農業機械田間作業對土壤的往復碾壓，既提高了農田作業質量和效率，也減少了土壤壓實。

2 關鍵技術

2.1 行走模式

傳統拖拉機縱向行駛，行走模式固定。寬幅作業平臺通過行走模式的轉換，不僅可以像拖拉機一樣在公路上縱向行駛，也可以在田間橫向寬幅作業，如圖1所示是傳統拖拉機與寬幅作業平臺在田間和道路上行走模式的對比。這種既可以縱向也可以橫向的行走模式基本解決了寬幅作業平臺道路行駛占道幅度大的問題，為寬幅作業平臺發揮其生產作業優勢提供了前提。

圖1 傳統拖拉機與寬幅作業平臺行走模式對比Fig.1 Comparison of conventional tractor and wide span operation platform driving pattern

寬幅作業平臺具備兩種行走模式：橫行姿態的田間工作模式，如圖2 所示；縱向姿態的道路行駛模式，如圖3 所示。基于這兩種行走模式，全向行走包括前輪轉向、后輪轉向、四輪獨立轉向、蟹行和向心等轉向模式，驅動控制系統實現不同行走模式下的行走轉向控制及行走模式間的相互切換。這些轉向方式在一定程度上解決了寬幅作業平臺因大跨度而造成的掉頭、轉向、換行、轉場和小地塊作業困難等問題。

圖2 寬幅作業平臺田間工作模式Fig.2 Filed operation modes of wide span operation platform

2.2 分布式獨立轉向與驅動技術

分布式獨立轉向與驅動將各驅動單元分別安裝在驅動輪內或驅動輪附近，驅動單元包含行走驅動和轉向驅動，進行四輪獨立行走轉向控制。這種四輪獨立控制驅動方式傳動高效，結構緊湊，容易實現多種動力學控制，改善車輛運動性能[8]。分布式四輪獨立轉向與驅動如圖4 所示。

2.3 模塊化作業機具

傳統拖拉機牽引農機具工作，牽引作業適應能力好，但行走幅寬小，整個機組轉向不靈活。從耕整、種植、田間管理到收獲全過程使用多種類的農業裝備聯合作業，自走式農田作業機具互換性及通用性程度不高，并且這也造成了一種農機在作業時，動力行走裝置處于閑置狀態，造成了農機資源的浪費，經濟性較差。耕、種、管、收田間作業全過程用到的拖拉機、自走式噴霧機和聯合收獲機如圖5 所示。

寬幅作業平臺采用懸掛的方式掛載農機具，懸掛作業性能好。配套模塊化作業機具主要有耕整、種植、田間管理和收獲4 大類，實現單機覆蓋耕、種、管、收全部生產過程，一機多能，提高了生產作業效率及行走底盤動力的利用率，并且有效解決了現有小寬幅農機裝備反復碾壓土壤造成的土壤壓實問題，圖6 描述了搭配模塊化作業機具的通用型一體化寬幅作業平臺，模塊化作業機具包含耕整地裝置、播種裝置、插秧裝置、施肥裝置、噴霧機植保裝置和收獲裝置。

圖6 通用型一體化寬幅作業平臺作業模式Fig.6 Operation mode of universal integrated wide span operation platform

模塊化作業機具是寬幅作業平臺能否實現整機作業功能的關鍵組成部分，針對耕、種、管、收作業的特點，合理設計優化農機具結構和空間布局。

3 方案分析

3.1 固定軌道作業平臺

田間寬幅作業的一種方式是預先在行間制備鋪設軌道，大跨度的剛性龍門架通過控制驅動輪組，在固定軌道上往復行走。橫梁上掛載可沿梁架橫移、升降的作業機具。這種固定軌道作業平臺行走軌道固定，只能沿軌道往復移動，操作難度低，同時也在控制作業高度和深度上有明顯的優勢。但是這種工作的前提是需要預先在田地制備固定軌道，對行走軌道硬直性要求較高，不適用于非結構化環境，通過性、機動性較差，并且固定軌道平臺的田間停靠與保養也是一個問題。如圖7 所示是一種用于田間作物掃描監測的龍門式移動平臺Field Scanalyzer。

圖7 Field Scanalyzer 平臺Fig.7 Field Scanalyzer platform

3.2 兩輪驅動龍門式拖拉機

兩輪驅動龍門式拖拉機如圖8 所示，車身主體由一個大跨度的龍門架構成，車身兩端有兩個橫向布置的驅動輪和兩個從動腳輪，行走動力裝置安裝在龍門架頂端，由液壓馬達提供動力，通過駕駛員在機身一側的駕駛座上操控兩個可轉向驅動輪，實現車輛的自由轉向，既可以橫向移動也可以縱向行駛。但是自由腳輪轉向不受控，田間工作牽引力有限。作業機具固定在約12 m 寬幅梁架上，橫向行走跨越耕種床作業。龍門式拖拉機對農田固定道改造工作較少，比較容易實現，一定程度上減少了土壤壓實。

圖8 David Dowler 設計的龍門式拖拉機Fig.8 David Dowler’s gantry tractor

3.3 四輪/履帶獨立轉向與驅動寬幅作業平臺

德國卡爾沃坎普創新公司組織研發了NEXAT 智能自走式作業平臺，如圖9 所示。NEXAT 作業平臺配有外部環境實時監測系統，駕駛員在可以旋轉270°的駕駛室內對車輛作業進行操作和監控。行走系統由對稱分布在側向懸架上的4 個三角履帶輪獨立驅動控制，每個履帶輪有3 個自由度，驅動、轉向和底盤高度調節，能實現多種行走轉向模式，具有較高的行走性能和牽引能力。同時，不對稱的U 型框架設計便于集成的模塊化作業機具的安裝和拆卸，這對復雜的農業機組裝備有更好的通用性。目前，動力由兩臺獨立的柴油發動機提供，配有發電機，每臺發動機的輸出功率404 kW，供電系統可由綠色氫能源電池代替。

圖9 德國卡爾沃坎普創新公司的NEXAT 自走式作業平臺Fig.9 Self-propelled platform NEXAT of German Kalverkamp Innovation GmbH

3.4 對比分析

表1 從通用性、實用性和經濟性3 方面對固定軌道作業平臺、兩輪驅動龍門式拖拉機和四輪/履帶獨立轉向與驅動寬幅作業平臺3 種寬幅作業平臺方案進行比較。固定軌道作業平臺只能在田間固定軌道使用，道路轉運及農機具安裝較不方便，實用性較差；兩輪驅動龍門式拖拉機雖是車輛的形式，但受限于兩輪驅動的形式，牽引力小，作業能力低，運動靈活性不高，駕駛操作不方便，影響工作效率；四輪/履帶獨立轉向與驅動寬幅作業平臺運動靈活，自主作業能力較強，具有較高的應用價值。

表1 寬幅作業平臺方案綜合比較Tab.1 Comprehensive comparison of wide span working platform options

4 方案設計

寬幅農機作業平臺有縱向和橫向兩種行走方式，縱向行走可滿足道路轉運要求，橫向行走可滿足農作物種植標準行間距要求，實現田間寬幅作業。

（1）具有前輪、后輪、蟹行、向心、四輪轉向和橫向等多種轉向模式。

（2）具有掛接多種配套作業機具的功能，可實現作業機具的整體升降和作業驅動要求。

寬幅農機作業平臺主要由駕駛室、車架、行走轉向系統、行走動力系統、作業動力系統、懸掛系統、機具模塊掛接裝置、前后支撐裝置、液壓系統及電氣系統等組成，如圖10 所示。

圖10 寬幅農機作業平臺Fig.10 Wide span working platform in agriculture

液壓系統為平臺的行走、轉向、剎車制動、駕駛室位姿調整、懸掛動作及作業機具的掛接鎖緊動作提供液壓動力。駕駛室模塊由駕駛室、底座和位姿調節機構等組成，位姿調節結構可調節駕駛室的升降、左右旋轉動作，使駕駛位置調整為縱向駕駛、橫向駕駛等，滿足多種作業模式調節駕駛方位的需求。配合寬幅作業平臺行走模式的轉換，駕駛室做出相應的位姿調整，符合車輛駕駛習慣，視野更廣闊，便于駕駛員操控作業。車架內置行走動力系統和作業動力系統，外側集成作業機具掛接裝置，兩端集成懸掛裝置、液壓油箱和電控系統等。車架采用偏心工字型結構設計，形成的 U 型區域便于掛接不同種類機具模塊。

根據寬幅農機作業平臺掛載多種配套作業機具的功能要求，機具掛接裝置采用通用的掛接形式，通過上掛鉤位置的對接及提升，實現下鏈接孔的自動對齊，再通過鎖緊油缸完成機具的鎖緊，使機具掛接和更換更加簡單、高效。懸掛系統由分布在車架前后橫向梁架兩端的4 個懸掛裝置組成。懸掛裝置由液壓懸掛油缸、定向升降筒組成，液壓懸掛油缸內置傳感器，可實時檢測懸掛高度，懸掛高度的自適應調節可以提高寬幅作業的多地形、多地貌適應能力。

行走轉向系統由雙液壓馬達、回轉減速器、行走輪架和履帶驅動輪組等4 組行走轉向裝置組成，采用分布式獨立轉向與驅動的形式。行走轉向裝置作為整機的承載部件，是整機行走和轉向的執行機構，由于整機總質量較大，田間土壤較為松軟，為減少土壤壓實，通過增大與地面的接觸面積、減小接地比壓的方法，提高通過性，綜合考慮采用三角履帶作為整機的行走機構，后期也可采用輪履互換式。前后支撐裝置實現作業平臺的行走模式切換動作。行走動力系統由發動機、液壓泵為整車提供液壓動力，采用4 組獨立的轉向驅動單元實現平臺的轉向和行走驅動，并為整機液壓執行機構及作業機具提供液壓動力。作業動力系統由發動機和發電機為作業機具提供作業動力。

5 結束語

隨著農業現代化進程不斷推進，農機使用領域越來越廣，寬幅作業平臺應用前景廣闊，其寬幅作業、一機多能的特點對于大田規模化生產具有明顯的優勢，具有更高效的行走模式和作業模式、更好的通過性、更小的土壤壓實率，提高了田間作業質量和效率，減少能源浪費，提高了綜合收益，對實現現代化農業規模化、精準化和保護性耕作，以及保障糧食安全具有重要意義。國內通用型寬幅農機作業平臺的研究尚處于起步階段，針對現有研究的不足，一方面需要完善基礎理論研究，另一方面進行關鍵核心技術的攻關，集成創制出通用型一體化寬幅農機作業平臺及其配套耕、種、管、收模塊化作業裝備。