胡 煉 杜 攀 羅錫文 周 浩 唐靈茂 蘇洪毅

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)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， 廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642)

0 引言

平整的農(nóng)田能節(jié)約灌溉用水、提高灌溉效率、有效抑制雜草生長、改善作物成熟均勻性以及提高作物產(chǎn)量[1-3]。激光平地技術(shù)是先進(jìn)的農(nóng)田平整技術(shù)，采用該技術(shù)平地可節(jié)水47%，較傳統(tǒng)的人工平地節(jié)水15%，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[4-8]。

激光平地技術(shù)在歐美等國已廣泛應(yīng)用，Topcon、Trimble和John Deer等生產(chǎn)廠商可提供成熟的牽引式旱地激光平地機(jī)，同時(shí)在進(jìn)一步拓展平地機(jī)功能和開展新技術(shù)研究。IRSEL等[9]設(shè)計(jì)了一種能夠自動(dòng)調(diào)平和牽引力測(cè)量的激光平地機(jī)，采用雙油缸實(shí)現(xiàn)左右調(diào)平，通過測(cè)量牽引力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平地鏟拉土負(fù)載，平地鏟過載時(shí)能自動(dòng)提升，達(dá)到節(jié)省時(shí)間和燃料的目的。HUSEYIN等[10]通過比較不同幅寬平地鏟工作時(shí)間，研究了預(yù)測(cè)平地鏟工作時(shí)間的數(shù)學(xué)模型。此外，基于GNSS的平地技術(shù)也逐步得到應(yīng)用[11-12]。我國于20世紀(jì)80年代引進(jìn)國外機(jī)型進(jìn)行試驗(yàn)，并開始自主研發(fā)[13-16]，在激光控制系統(tǒng)方面取得了一些成果[17-20]。在我國北方地區(qū)，旱地激光平地機(jī)通過大功率拖拉機(jī)牽引，大面積農(nóng)田平整效率高，但其轉(zhuǎn)彎半徑較大，對(duì)小塊農(nóng)田適應(yīng)性較差。我國水稻種植地塊小，除了幾個(gè)平原地區(qū)外，大部分地區(qū)是小地塊，約占水稻種植總面積的70%。農(nóng)戶種植規(guī)模90%以上為0.13～0.33 hm2[21]。現(xiàn)有的牽引式旱地激光平地機(jī)對(duì)于這種小塊農(nóng)田適用性較差，采用兩個(gè)輪胎作為支撐輪支撐平地鏟升降，在土壤松軟的田塊易出現(xiàn)明顯壓實(shí)輪轍[22]，影響平地效果。而無支撐輪支撐的懸掛式平地機(jī)難以實(shí)現(xiàn)激光控制平地，手動(dòng)控制平地鏟升降仿形作業(yè)，平地效果差[23]。

本文針對(duì)牽引式旱地激光平地機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑大、兩支撐輪支撐易產(chǎn)生輪轍等問題，研究設(shè)計(jì)一種懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī)，并進(jìn)行平地試驗(yàn)。

1 懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)設(shè)計(jì)

圖1 懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of multi-wheel support laser land leveler hanging on tractor1.三點(diǎn)懸掛機(jī)架 2.接收器調(diào)節(jié)桅桿 3.平地鏟 4.高程調(diào)節(jié)架 5.高程油缸 6.支撐輪架 7.支撐輪

懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī)如圖1所示，主要由三點(diǎn)懸掛機(jī)架、接收器調(diào)節(jié)桅桿、平地鏟、高程調(diào)節(jié)架、高程油缸、支撐輪架和支撐輪組成。通過拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)掛接平地鏟，利用三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)的浮動(dòng)功能和多輪支撐實(shí)現(xiàn)平地鏟高程運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)，同時(shí)平地鏟可由拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)手動(dòng)提升。平地鏟與三點(diǎn)懸掛機(jī)架相連，高程調(diào)節(jié)架與平地鏟相接，支撐輪通過支撐輪架與高程調(diào)節(jié)架下端鉸接，高程油缸一端與高程調(diào)節(jié)架上端鉸接，另一端與支撐輪架鉸接，構(gòu)成一個(gè)兩邊長度不變一邊伸縮的三角形，實(shí)現(xiàn)平地鏟與支撐輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。支撐輪由多個(gè)剛性輪組成，其總寬與平地鏟幅寬一致，增大輪子與田面的接觸面積，分散對(duì)田面的應(yīng)力，減少支撐輪壓實(shí)輪轍，同時(shí)適度均勻壓實(shí)表層松軟土壤。

1.2 工作原理

懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī)通過三點(diǎn)懸掛機(jī)架與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)相連，將拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)放至最低點(diǎn)并設(shè)為浮動(dòng)功能，支撐輪支撐平地鏟升降，激光平地控制器控制高程油缸伸縮調(diào)節(jié)平地鏟高程運(yùn)動(dòng)，設(shè)置合適的平地鏟鏟土深度后切換激光平地控制器為“自動(dòng)模式”。懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī)作業(yè)原理如圖2所示，圖2a狀態(tài)下，農(nóng)田田面高度正好保證平地鏟高度在設(shè)定平地位置，激光接收器零位接收到激光信號(hào)，控制器不調(diào)節(jié)；圖2c狀態(tài)田面較高，控制器控制高程油缸縮短，拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)和平地鏟下降至設(shè)定高度，平地鏟鏟土；圖2b狀態(tài)田面較低，通過控制高程油缸伸長驅(qū)動(dòng)平地鏟上升到設(shè)定平面，平地鏟卸土。因此，在支撐輪支撐和激光平地控制器自動(dòng)控制作用下，平地鏟鏟底始終以旋轉(zhuǎn)的激光平面為基準(zhǔn)設(shè)定鏟土高度，對(duì)農(nóng)田表層土壤“挖高填低”，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)平地。

圖2 平地機(jī)工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of laser land leveler1.拖拉機(jī) 2.激光接收器 3.三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu) 4.懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī) 5.激光發(fā)射器

1.3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.3.1平地鏟與浮動(dòng)調(diào)節(jié)分析

平地鏟鏟刀設(shè)計(jì)為切土角37°、拋土角37°、翻土角10°和鏟壁半徑0.25 m，可較好實(shí)現(xiàn)平地鏟鏟土、升土、翻土和集土功能，且減小切削阻力和表面沾土[24-26]。為保證平地鏟始終在理想的切土角和翻土角工作，作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量保持平地鏟上下平動(dòng)。因此，三點(diǎn)懸掛機(jī)架與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)掛接時(shí)，可調(diào)節(jié)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)保證上下拉桿向側(cè)面投影呈平行四邊形，從而減小因上下拉桿處于不規(guī)則四邊形轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的高程調(diào)節(jié)平地鏟俯仰姿態(tài)變化，影響平地鏟作業(yè)和激光接收器接收激光信號(hào)的精度。

圖3為懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī)平地鏟高程調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。黑色實(shí)線為平地鏟支撐輪架水平所處位置，藍(lán)色中心線表示平地鏟上升高度h后的位置。視拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛上下鉸接點(diǎn)處于豎直線上且固定不動(dòng)，A為支撐輪架轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)，E為高程油缸上鉸接點(diǎn)，AE處于豎直線上。B為高程油缸下鉸接點(diǎn)，C為支撐輪中心點(diǎn)。在平地鏟與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)浮動(dòng)連接的情況下，由支撐輪支撐，高程油缸BE作為原動(dòng)件伸縮驅(qū)動(dòng)平地鏟的升降。

圖3 平地鏟升降原理圖Fig.3 Lifting principle diagram of leveling shovel

設(shè)計(jì)支撐輪與平地鏟放置地面上時(shí)，AC平行于地面，AE垂直于AC，當(dāng)原動(dòng)件BE伸長l后

(1)

(2)

油缸伸長長度為

l=lB′E′-lBE

(3)

因此，由式(1)～(3)得平地鏟上升高度h與油缸伸長長度l關(guān)系為

(4)

式中α——支撐輪架與高程調(diào)節(jié)架的夾角，(°)

h——平地鏟上升高度,mm

l——原動(dòng)件BE伸長量,mm

lA′C′——A′C′的長度,mm

lB′E′——B′E′的長度,mm

lA′E′——A′E′的長度,mm

lBE——BE的長度,mm

1.3.2支撐輪與壓實(shí)分析

如圖1所示，支撐輪由支撐輪架和兩組剛性輪組成，兩組剛性輪通過支撐軸安裝在軸承座上，支撐輪架轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)與平地鏟高程調(diào)節(jié)架下端鉸接。

農(nóng)田壓實(shí)增加土壤機(jī)械阻力和能耗[27]，土壤壓實(shí)是輪胎與土壤相互作用導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)被破壞的過程[22]，軸載相同時(shí)增大接觸面積是減少輪胎壓實(shí)的有效措施[28]。輪胎與剛性輪在土壤壓實(shí)應(yīng)力傳遞存在差異，由于壓力與載荷呈正比，與接觸面積呈反比，即在軸載相同的情況下，支撐面越大，越能減小支撐輪對(duì)田面的壓實(shí)影響。如圖4所示，若支撐輪由2組每組6個(gè)剛性輪組成，在軸載一定時(shí)，與2輪支撐對(duì)比，單個(gè)輪胎單次所造成的壓實(shí)可以深入到土壤中，而單個(gè)剛性輪壓實(shí)單次影響僅為單個(gè)輪胎的1/6，因此，采用多輪支撐可有效減小支撐輪的壓實(shí)輪轍。

圖4 壓實(shí)應(yīng)力對(duì)比示意圖Fig.4 Comparison diagram of compaction stress

2 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2018年12月在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)科研基地試驗(yàn)田進(jìn)行，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。試驗(yàn)樣機(jī)長×寬×高為2.25 m×2 m×3 m，質(zhì)量為335 kg，三點(diǎn)懸掛機(jī)架立柱高0.5 m，長1 m，鏟高0.5 m，支撐輪架長0.6 m，高程連接架鉸接點(diǎn)間距0.6 m，支撐輪外徑為0.5 m。試驗(yàn)用久保田704型拖拉機(jī)，平地鏟最大上升高度為0.3 m。平地鏟以支撐輪接地處為基準(zhǔn)線，高程油缸伸至最長時(shí)，平地鏟高于基準(zhǔn)線0.3 m；高程油缸縮至最短時(shí)，平地鏟低于基準(zhǔn)線0.18 m。即在高程油缸行程為0.2 m的情況下，平地鏟高程可升降0.48 m。 路上行走、田間掉頭或田間倒車時(shí)，由拖拉機(jī)控制三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)整體升降；田間作業(yè)時(shí)，則將拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)放至最低位置并設(shè)置為浮動(dòng)模式。

圖5 田間試驗(yàn)Fig.5 Pictures of field experiment

圖6 控制系統(tǒng)原理圖Fig.6 Control system

如圖6所示，平地機(jī)激光控制系統(tǒng)[17-18]由激光發(fā)射器、激光接收器和控制器組成，激光發(fā)射器發(fā)射旋轉(zhuǎn)的激光為基準(zhǔn)平面，安裝于調(diào)節(jié)桅桿上的激光接收器接收激光信號(hào)，控制器依據(jù)激光接收器信號(hào)通過液壓系統(tǒng)控制高程油缸伸縮自動(dòng)調(diào)節(jié)平地鏟高程，始終保持在設(shè)定鏟土高度平地作業(yè)。

試驗(yàn)田塊長×寬為50 m×35 m，前茬為玉米，試驗(yàn)前旋耕一遍，含水率為15.93%。為了減少人為因素對(duì)田面高程測(cè)定的影響，將田塊按5 m×5 m網(wǎng)格劃分，共63個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。平地前后均采用全站儀，對(duì)試驗(yàn)田塊中40 m×25 m進(jìn)行網(wǎng)格化采樣(索佳CX-102LN，精度：(2+2×10-6D) mm)[29]。在田埂上選擇兩個(gè)穩(wěn)固的控制點(diǎn)，在其中一點(diǎn)設(shè)站，對(duì)中調(diào)平，選取另一點(diǎn)后視定向，手持棱鏡(高1.21 m)立于網(wǎng)格點(diǎn)田面，通過全站儀棱鏡尖粗瞄目標(biāo)點(diǎn)，調(diào)焦精瞄測(cè)量坐標(biāo)。采用緊實(shí)度儀(SC900型，每2.5 cm深度自動(dòng)記錄一次緊實(shí)度，測(cè)量范圍：0～7 000 kPa)測(cè)量各網(wǎng)格點(diǎn)處0～30 cm緊實(shí)度，平整后在各網(wǎng)格點(diǎn)附近(距離小于5 cm)重復(fù)測(cè)量。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1平地作業(yè)平整度

采用Matlab軟件處理全站儀測(cè)得的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖7所示。圖中黃色表示田面地勢(shì)較高，藍(lán)色表示田面地勢(shì)較低。從圖7a可以看出，平整前田塊高低不平，而圖7b所示顏色分布較均勻且趨向淺藍(lán)色，表明懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī)作業(yè)實(shí)現(xiàn)了“挖高填低”的平地效果，圖中黃色較高區(qū)域是平地鏟內(nèi)土壤從平地鏟側(cè)面溢出形成的土堆。

圖7 平地前后平整度Fig.7 Flatness before and after leveling

為分析平整質(zhì)量，采用農(nóng)田田面相對(duì)高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd評(píng)價(jià)土地平整精度[20]，田塊內(nèi)所有采樣測(cè)量點(diǎn)高程與期望相對(duì)高程絕對(duì)差小于3 cm的測(cè)量點(diǎn)累計(jì)百分比α評(píng)價(jià)田間地面形狀差異[30]，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 平整質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Leveling quality statistics

圖8 土壤不同深度平均緊實(shí)度Fig.8 Average depth of soil compaction at different depths

田間平地作業(yè)表明，懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī)能夠穩(wěn)定作業(yè)，田面最大高程差從平整前20.8 cm降至平整后7.3 cm，相對(duì)高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差從平整前4.48 cm下降至平整后1.72 cm，平整后絕對(duì)差值小于3 cm的采樣測(cè)量點(diǎn)累計(jì)百分比為91.94%，懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī)在小田塊作業(yè)效率高，顯著改善了田面平整情況。

2.2.2支撐輪壓實(shí)情況

為分析懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī)對(duì)作業(yè)田塊的壓實(shí)影響，將網(wǎng)格點(diǎn)緊實(shí)度按平整后采樣點(diǎn)地勢(shì)變化分為地勢(shì)降低、地勢(shì)升高和整田3組。

田面地勢(shì)降低采樣點(diǎn)共40個(gè)，平均地勢(shì)相對(duì)于平地前下降了4.4 cm。為分析平地前后同一深度土壤緊實(shí)度變化，平整后地勢(shì)降低點(diǎn)的田面對(duì)應(yīng)平整前5 cm深處，如圖8a所示，平整后田面土壤緊實(shí)度為344.9 kPa，與平整前5 cm深處緊實(shí)度相近，緊實(shí)度隨深度增加而增大，到17.5 cm土壤深處緊實(shí)度基本不受影響。

平整后田面地勢(shì)升高采樣點(diǎn)共23個(gè)，平均地勢(shì)相對(duì)于平整前上升了1.8 cm。為分析平地前后同一深度土壤緊實(shí)度變化，平整前地勢(shì)升高點(diǎn)田面對(duì)應(yīng)平整后2.5 cm深處，如圖8b所示。對(duì)比平整前地勢(shì)升高點(diǎn)緊實(shí)度，平整后深度2.5～17.5 cm范圍內(nèi)，緊實(shí)度隨深度增加而增大，表明支撐輪對(duì)填土在0～17.5 cm處有明顯的壓實(shí)作用。填后松軟土壤經(jīng)過適度均勻壓實(shí)后，減少了土壤后期的沉降，更真實(shí)地反映了田面平整度。

對(duì)于整塊田，平整后田面地勢(shì)平均下降2.3 cm。為分析平地前后同一深度土壤緊實(shí)度變化，平整前地勢(shì)升高采用點(diǎn)田面對(duì)應(yīng)平整后2.5 cm深處，如圖8c所示。平整后深度2.5～17.5 cm范圍內(nèi)，緊實(shí)度隨深度增加而增大，趨勢(shì)與地勢(shì)升高點(diǎn)和地勢(shì)降低點(diǎn)一致。表明懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī)作業(yè)對(duì)該田0～17.5 cm處土壤緊實(shí)度具有一定的壓實(shí)影響，深度達(dá)17.5 cm后土壤緊實(shí)度基本穩(wěn)定。

由上述分析可知，懸掛式多輪支撐型平地機(jī)對(duì)農(nóng)田壓實(shí)影響深度在0～17.5 cm內(nèi)。通過平地機(jī)挖高填低后，不論是高處挖后還是低處填后，表層土壤的緊實(shí)度基本一致。但若僅采用2支撐輪胎，與支撐輪接觸的土壤的壓實(shí)將超6倍，易出現(xiàn)明顯輪轍。

2.2.3轉(zhuǎn)彎半徑

牽引式旱地激光平地機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑大，通常不考慮倒車作業(yè)，田角部分區(qū)域難以得到平整。但懸掛式平地機(jī)提升方便，能靈活倒車至田頭作業(yè)，如圖9所示。幅寬相同的懸掛式平地機(jī)和牽引式平地機(jī)田角作業(yè)路徑如圖9所示，圖中網(wǎng)格單位為1 m×1 m，紅色箭頭線表示平地機(jī)作業(yè)軌跡，拖拉機(jī)長4.5 m，牽引式平地機(jī)平地鏟長5 m，懸掛式平地機(jī)平地鏟的支撐輪長度1.5 m。圖9a為拖拉機(jī)提升懸掛式平地機(jī)倒至田角后前進(jìn)作業(yè)，由于平地鏟后支撐輪長1.5 m，橫向和縱向平整不到的面積均為4.5 m2，橫向和縱向重合平整不到的面積為2.25 m2(圖中紅色斜線陰影部分)；圖9b為拖拉機(jī)牽引式平地機(jī)田角平整時(shí)沿田邊轉(zhuǎn)彎作業(yè)，因轉(zhuǎn)彎半徑大導(dǎo)致平整不到的面積達(dá)19.4 m2，是懸掛式平地機(jī)的8.6倍。

圖9 平地機(jī)田角作業(yè)對(duì)比Fig.9 Comparison of hanging and towing leveler in field corner

當(dāng)田塊面積越小時(shí)，牽引式平地機(jī)不能平整的面積占比越大，如表2所示。100 m×100 m田塊牽引式平地機(jī)不能平整面積占比0.78%，田塊3、4不能平整面積占比分別達(dá)到5.8%和19.4%；而懸掛 式平地機(jī)不能平整面積占比小，分別是0.09%、0.68%和2.25%。因此，對(duì)于小田塊的平整作業(yè)，懸掛式旱地激光平地機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯。

表2 不能平整面積所占百分比Tab.2 Percentage of area that can not be leveled

3 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī)，實(shí)現(xiàn)了激光控制懸掛式平地機(jī)精準(zhǔn)平地作業(yè)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，田面最大高程差從平整前20.8 cm 降至平整后7.3 cm，相對(duì)高程標(biāo)準(zhǔn)偏差從平整前4.48 cm下降到平整后1.72 cm，平整后絕對(duì)差值小于3 cm的采樣測(cè)量點(diǎn)累計(jì)百分比91.94%，顯著改善了田面平整情況。

(2)懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī)的多支撐輪對(duì)試驗(yàn)田塊0～17.5 cm深度范圍的土壤緊實(shí)度具有一定壓實(shí)影響，深度17.5 cm及以上的土壤緊實(shí)度基本穩(wěn)定，整田表層土壤壓實(shí)均勻，可減少松軟區(qū)域土壤后期的沉降，保證了田面平整度。

(3)懸掛式平地機(jī)可減少不能平整面積占比，采用作圖法對(duì)比分析了懸掛式平地機(jī)與牽引式平地機(jī)在田角不能平整面積的比例，結(jié)果表明，在平整田塊4時(shí)，牽引式平地機(jī)不能平整面積高達(dá)19.4%，而懸掛式平地機(jī)僅為2.25%。