再生稻收獲機的底盤設計

顧 偉，王占飛，顧 杰，章呈杰，陸利強，王 杰

（1.星光農機股份有限公司，浙江湖州 313017；2.蘇州久富農業機械有限公司，江蘇蘇州 215200；3.湖州豐源農業裝備制造有限公司，浙江湖州 313017）

0 引言

再生稻是通過特有栽培管理措施使割過的稻茬繼續萌發生長成穗而再次收獲的一種水稻種植模式。再生稻具有一種兩收、省工省種、能充分利用光溫資源、實現增糧增收且稻米品質好等優點，近年來在長江中下游適宜種植地區得到迅速推廣。此外，種植再生稻可大幅降低生產投入，頭季可超過一季稻的產量，可抵兩季成本。因此，發展再生稻對適應當前國家供給側結構性改革、提高我國糧食總產量、保障國家糧食安全，具有重要的意義。

為提高再生季產量，降低對稻茬的碾壓，再生稻頭季均依靠人工收獲，隨著種植面積的不斷增大，勞動力短缺與生產規模過大的矛盾逐漸顯現出來了。頭季稻采用人工收割雖降低了對稻茬的碾壓，但人工成本投入較大。再生水稻收獲機能否適應頭季收獲，除作業性能應滿足再生水稻易脫、草谷比小的特性外，底盤結構也非常重要，其主要指標除了直線碾壓率要小于28%外，平均接地壓力、最小離地間隙等都要符合大綱所提要求，同時還要考慮田頭轉向方式、道路通過性、坡地行走安全性等大綱沒有涉及的丘陵山區適應性問題。同時，不同于單季稻，再生稻頭季機械收割時地塊濕軟、曬田時間不足、土壤含水率較高，若為降低碾壓僅減小履帶寬度勢必會造成沉陷量進一步加大，收獲機行走、轉彎困難，故需平衡履帶寬度、軌距以及機具質量三者的關系，減小沉陷量保證機動性的同時達到低于20%的低碾壓率。

然而，目前市場上符合大綱的再生水稻頭季收獲要求的機具非常缺乏，為盡快投放市場，大部分企業都選用了將傳統履帶式全喂入聯合收割機按“寬割臺配窄履帶”方案進行改制，其40%～50%的直線碾壓率雖可直接降至28%或以下，但因割臺的大幅加寬而降低了道路通過性、丘陵山區行走安全性。所配的窄履帶又增加了接地比壓，不僅影響了水田通過性，還會因過深的碾壓對品種為第二第三節位分糵的頭季再生稻的二次萌芽造成過多傷害。

作者所在的研究團隊于2019年開始關注再生水稻收獲機的研發，并與華南農業大學合作研發了采用雙滾筒脫粒、全液壓驅動、差速轉向、常規割臺配窄履帶方案的首臺試驗樣機。經試驗，其直線碾壓率、作業性能、最小離地間隙、道路通過性均能滿足再生水稻頭季收獲要求，但平均接地壓力、田頭轉向碾壓率、秸稈排放方式等效果并不令人滿意。為此研發團隊在該機的基礎上又研發了新一輪采用縱軸流脫粒、全液壓驅動、差速轉向、常規割臺配窄履帶的再生水稻聯合收割機，其效果見摘要所述技術指標。

1 總體思路

衡量再生水稻收獲機能否適應或評價是否優秀，除盡可能低的直線碾壓率、良好的水田通過性是我們首先需關注的重點外，作業質量、操控性、履帶碾壓深度、坡道行走安全性等指示也非常關鍵。2022年7月底由農業農村部組織的，在湖南省汨羅再生水稻收獲機綜合測評和技術研討會上，有來自國內的5款樣機參與了測評，除作者所在研究團隊研發的采用雙泵雙馬達驅動、差速轉向的“常規割臺配窄履帶”技術路線樣機外，主流機型均采用了“寬割臺配窄履帶”技術路線，測評結果顯示：所有機型的作業性能都沒有問題，但對比直線碾壓率、接地比壓、最小離地間隙等具體指標，除直線碾壓率都滿足小于28%外，最小離地間隙和轉向掉頭方式與傳統全喂入聯合收割機相比并沒有實質變化，但道路及水田通過性卻都有所下降。演示后院士、專家對各機型進行了點評，初步認可了兩款機，其中就有作者研發團隊研發的樣機，當然，通過測評我們也發現樣機還是有待進一步優化的空間，明確了產品不僅要符合再生稻收獲所必須滿足的基本技術特點，也要從再生水稻種植區自然條件的角度思考，在水田通過性、操控方便性、行走安全性等底盤設計上有所突破。

2 主要結構及工作原理

2.1 機型大小確定

再生水稻種植區主要在南方丘陵山區，相對田塊較小，高低差大，1 334 m2以下占比較大，機型太大下不了地，且沿山道路較多，坡度大，路面窄，機型太寬通過性差。當然，機型也不能太小，機型太小功效低，喂入量小，且結構還受尺寸限制，大中型機好的結構無安裝空間等影響適應性和作業質量。故機型大小的選擇應根據當地地理條件、用戶習慣與需求來考慮。本研究團隊按調研結果，選擇了以喂入量4.0 kg/s，工作幅寬2 100 mm為本輪樣機。

2.2 直線碾壓率確定

按大綱要求再生水稻收獲機的直線碾壓率應不大于28%，也就是選用的2條履帶寬度與割幅的比值要不大于28%。因上面已經確定了工作幅寬為2 100 m，則履帶寬度也基本確定了應小于310 mm。綜合各種因素，本輪樣機選履帶寬為280 mm，則直線碾壓率26.7%，滿足大綱要求。

2.3 履帶接地長度確定

履帶主要由橡膠履帶、驅動輪、負重輪、張緊輪、張緊裝置以及支撐結構等組成。履帶齒均勻分布在履帶表面，履帶齒能夠使履帶產生更大的附著力，使其在惡劣的土壤環境下擁有更好的行走能力；驅動輪處于履帶結構一側頂點，與液壓行走馬達通過螺栓固定連接，與橡膠履帶嚙合，驅動輪用于傳遞驅動力矩或制動力矩；負重輪位于履帶結構的底部，負重輪支撐將橡膠履帶緊壓在下方，能增大與土壤接觸面積，增強履帶附著力；張緊輪位于履帶結構另一側頂點，可用來調節履帶張緊力大小，避免履帶脫軌的發生。履帶寬度確定后，接下來就得考慮平均接地比壓了，按計算公式，決定接地比壓的主要參數是質量和接地面積。通常傳統工作幅寬2 000～2 300 mm的全喂入聯合收割機質量普遍在3 000～3 600 kg之間，考慮到采用輕量化處理后產品質量可減少至2 800～3 400 kg?，F以本輪樣機質量為2 800 kg計算，280 mm寬履帶對應大綱要求平均接地比壓小于30 kPa的接地面積應不少于0.933 m2，即履帶接地長度應在1.67 m及以上。

2.4 驅動方式確定

相比于常規水稻，再生稻頭季機械收割時地塊濕軟，土壤含水率較高，淤泥嚴重，為解決履帶式再生稻收獲機水田打滑現象的發生，可通過兩種方案解決：一是通過增大履帶接地面積或充氣輪胎降低胎壓等方式提高附著性能，本文須保證較低的碾壓率，增大履帶接地面積勢必增大碾壓損失率；二是通過調整液壓系統配置方式，如適當降低系統壓力，減少馬達排量與合理分配前、后輪驅動力等措施實現，要徹底解決履帶打滑、提升牽引性能，必須采用防滑系統，考慮到成本及防滑效果，提出以下幾種解決防滑系統的方案。

2.4.1采用串并聯回路。普通全液壓收獲機的驅動系統大多采用單泵雙馬達并聯回路系統，這種方式優點在于可有效發揮兩側液壓馬達的驅動力，其缺點在于當其中某一側驅動輪出現打滑時，系統流量會全部流向打滑側的馬達，致使另一側驅動輪喪失驅動力。針對上述問題，可將行走液壓系統改進為串并聯驅動系統。正常情況下控制閥兩驅動馬達并聯，一旦輪邊傳感器檢測到某個馬達出現打滑，則控制閥得電，換至右位工作，使得液壓回路切換為串聯回路，兩側液壓馬達可以根據自身的負載進行匹配，保障系統不會出現打滑狀態。

2.4.2采用分流集流閥。將行走泵提供的高壓油通過分流集流閥的重新分流再進入前、后行走馬達，當其中某一驅動輪滑轉時，通過分流閥的強制節流避免液壓油全部流入滑轉輪馬達，保證2個驅動馬達都有流量輸入和扭矩輸出。如果采用電比例分流集流閥，通過馬達傳感器的反饋和電控技術，使分流閥進行更精細分流，能取得更好的防滑效果。

2.4.3采用單泵雙馬達電液比例控制驅動系統。在單泵雙馬達并聯的系統基礎上，對于行走泵，兩側液壓馬達采用電比例控制方式，并且給驅動馬達配備傳感反饋和控制器裝置。當一側履帶出現滑轉或有滑轉趨勢時，通過馬達傳感器的反饋，控制器的輸出信號適時調節前、后馬達的排量，使得液壓系統重新分配驅動力，保障兩側驅動輪的驅動力都小于其附著力，避免出現滑轉而喪失驅動性能。

2.4.4采用雙泵雙馬達驅動系統。直接采用雙泵雙馬達液壓回路，使得兩側驅動輪都有獨立的液壓驅動回路，并將電比例控制泵、馬達的技術與傳感技術相結合。當某一驅動輪出現打滑時，通過傳感器的反饋，系統會調節其馬達的排量來適應工況的變化，使得液壓系統輸出的驅動力小于其附著力，保證驅動輪不會出現滑轉，避免了單側履帶打滑時造成另一側履帶驅動能力喪失現象的發生。

基于田間實際作業情況及轉向設計要求，為解決履帶式再生稻收獲機田間泥濘路面打滑嚴重、轉向困難的問題，液壓驅動系統需保證結構布置合理，惡劣環境下擁有良好的穩定性，因此，本文采用雙泵雙馬達液壓驅動系統，兩側驅動輪擁有獨立的液壓驅動回路，使履帶驅動力與田間附著力相匹配，確保驅動輪始終保持有驅動性，使再生稻收獲機水田機動性得到進一步保證。目前市場上履帶式全喂入機的驅動方式基本采用“HST+機械變速箱”的組合結構，該結構因驅動輪與第一個支重輪外包連線與地面的夾角α均在40°以上，見圖1。接地長度是按第一個支重輪中心垂線至履帶張緊輪中心的距離計算的，即1.67 m接地長度所對應的履帶節數至少需53節。再說，該結構在田頭轉向時因采用的是單邊制動方式，即被制動的1.67 m履帶所產生的旋轉滑動碾壓比直線行走的滾動碾壓將對稻茬產生更為嚴重的損傷，這對再生水稻收獲機來說顯然是不合適的。為解決這一難題，本項目樣機將不采用“HST+機械變速箱”的驅動方式而選用具有左右履帶可差速運轉甚至反轉功能的“雙泵雙馬達靜液壓驅動”，即將部分滑動碾壓轉化成滾動碾壓。該結構除轉向方式不同外，還有一點不同是，相同履帶接地長度所對應的履帶節數更少，見圖2。由于該結構的驅動輪與第一個支重輪外包連線與地面的夾角α和履帶張緊輪與最后一個支重輪外包連線與地面的夾角β的設計均小于10°，即履帶接地長度可按GB/T 30965-2014《土方機械 履帶式機器平均接地比壓的確定》3.3條款按驅動輪中心垂線至履帶張緊輪中心垂線的距離來計算（最近報批的GB/T 20790-202X《半喂入聯合收割機 技術條件》8.3.1 平均接地壓力已按此標準修改）。也就是說，采用該結構后相同節數履帶的接地長度將比采用“HST+機械變速箱”驅動結構長約10%以上。本輪樣機采用280 mm寬、51節履帶，驅動輪離地仰角6.7°，張緊輪離地仰角8.8°，實際接地長度1 750 mm，接地比壓28.02 kPa。

圖1

圖2

3 履帶軌距的確定

確定了驅動方式和履帶接地長度后，就需要確定履帶軌距了，因軌距大小與接地長度之間是有比例關系的，接地長度越長，軌距也需相應越寬，不然會增加產品的轉向阻力的。關注了目前市場上履帶機型兩者的比例普遍在1.4∶1左右，即1 750 mm的接地長度軌距應選擇1 250 mm及以上的軌距，若軌距增加則轉向阻力減小，履帶轉彎時產生的滑動碾壓也相對減少，但考慮到樣機是在丘陵山區使用，即也不能太寬，需考慮道路通過性等諸多因素，決定樣機的軌距為1 300 mm，即軌距與履帶接地長實際之比為1.346∶1。

4 有利于智能化升級

由于采用了雙泵雙馬達的靜液壓驅動，操控也由傳統機的手柄操控升級為方向盤操控，方向盤720°轉向行程及轉向后自動回位等功能，更有利于產品無人駕駛功能的升級。

5 作業路徑規劃

為盡可能降低碾壓損失率，本文設計低損失收獲方法。作業時采用順時針環形收獲方法，逐行進行再生稻收獲作業，并保證每次收獲作業左側窄履帶行走于前次履帶壓痕位置，搭配此低損收獲方法，綜合碾壓損失率大幅降低，由傳統的收2次產生4條履帶壓痕減少為收2次產生3條壓痕，碾壓損失率降低為13%；秸稈等經粉碎后在雜余導向板的導向作用下排入右側履帶壓痕內，不會覆蓋在割茬上方。

6 結論

從以上分析可以得出，本研究團隊推出的新型再生稻收獲機底盤采用了以下相關技術，見圖3。

圖3

高地隙、差速轉向、方向盤操控的雙泵雙馬達的靜液壓驅動，即“全液壓驅動+常規割幅+窄履帶”的技術路線方案。

考慮到水田適應性，采用大直徑驅動輪和大直徑履帶張緊輪，以使履帶前后仰角均小于10°，從而增加履帶接地長度且降低平均接地比壓。

考慮到道路通過性、坡道安全性及盡可能小的轉向阻力，履帶軌距為1 300 mm，其軌距與接地長度之比小于傳統機型普遍采用的1.4∶1。

對應工作幅寬2 100 mm、機重2 800 kg的產品，履帶選280 mm寬、51節，則直線碾壓率26.7%，接地比壓28.02 kPa，均優于大綱要求。