孫景彬 劉志杰 楊福增 孫 群 劉 琪 雒鵬鑫

(1.聊城大學機械與汽車工程學院, 聊城 252000;2.西北農林科技大學機械與電子工程學院, 陜西楊凌 712100;3.農業(yè)農村部北方農業(yè)裝備科學觀測實驗站, 陜西楊凌 712100)

0 引言

我國的丘陵山地面積遼闊,約占國土總面積的70%[1],主要分布在19個省區(qū)市的1 400余個縣市區(qū),其耕地面積、農作物播種面積均占全國的1/3,涉及農業(yè)人口近3億人[2],由此可見該地區(qū)農業(yè)的發(fā)展水平直接關系到我國農業(yè)的整體水平。但是,目前丘陵山區(qū)的農業(yè)機械化水平嚴重滯后,2020年,丘陵山區(qū)縣(市、區(qū))農作物耕種收綜合機械化率為49%,遠遠低于全國綜合機械化率71%的水平[3]。目前,農業(yè)農村部印發(fā)的《“十四五”全國農業(yè)機械化發(fā)展規(guī)劃》[3]中明確指出“積極發(fā)展丘陵山區(qū)農業(yè)生產高效專用農機,推動丘陵山區(qū)通用動力機械裝備研發(fā),增加裝備供給?！薄吨泄仓醒雵鴦赵宏P于做好2022年全面推進鄉(xiāng)村振興重點工作的意見》[4]亦明確指出“全面梳理短板弱項,加強農機裝備工程化協(xié)同攻關,加快丘陵山區(qū)機械研發(fā)制造并納入國家重點研發(fā)計劃予以長期穩(wěn)定支持?！庇纱丝梢?推進丘陵山區(qū)適宜農業(yè)裝備的研發(fā)推廣迫在眉睫。

從農業(yè)耕地開發(fā)的角度來說,必須要有一個適宜開發(fā)的范圍。丘陵山區(qū)耕地從坡度等級情況看:0°～15°的耕地比重最大,占87.5%;15°～25°、25°以上的耕地分別占9.2%和3.3%。從適宜農業(yè)裝備作業(yè)的角度看,2°～6°的緩坡地與 2° 以下的平耕地區(qū)別不大,在該坡度耕地上作業(yè)的農業(yè)裝備基本不需要進行姿態(tài)調平就可以滿足需求;6°～15°的丘陵地更適宜于中小型農機具作業(yè),并且作業(yè)過程中要實現(xiàn)姿態(tài)調平來保證農機具的安全性及作業(yè)質量;而 15°～25°的坡耕地,則只宜使用小型農機具,對姿態(tài)調平系統(tǒng)的需求更為必要;25°以上的陡坡地,不宜開發(fā)為耕地[1]。 故亟需解決的丘陵山區(qū)農業(yè)裝備問題主要是指 6°～15° 丘陵地和 15°～25°坡耕地的機械化問題,即以中小型機械為主的丘陵山區(qū)小田塊機械化問題;此外指的是丘陵山區(qū)特有經(jīng)濟作物如茶葉、水果等的機械化問題[1]。

因此,本文擬綜述國內外山地拖拉機整機及其姿態(tài)調平技術的現(xiàn)狀、山地農機具及其作業(yè)性能的研究進展,結合我國丘陵山區(qū)的實際特點,分析討論現(xiàn)有坡地耕作模式及存在問題、坡地作業(yè)機理研究的先進方法,展望丘陵山區(qū)坡地機械化作業(yè)技術與裝備、山地拖拉機及其配套機具的研究趨勢,以期為我國丘陵山區(qū)先進適用農機裝備的研發(fā)推廣提供借鑒。

1 山地拖拉機國內外研究現(xiàn)狀

1.1 山地拖拉機國外研究現(xiàn)狀

國外企業(yè)和科研院所對丘陵山地拖拉機的研發(fā)起步較早,研發(fā)出各具特點的丘陵山地拖拉機,瑞士Aebi公司生產的TT270型(圖1a)和奧地利Reform公司生產的Mounty100型山地型拖拉機(圖1b)均具有較好的牽引附著性能和越野性能,但缺乏丘陵山地農業(yè)生產所必需的穩(wěn)定性、地形適應性,而且機型偏大,難以適應我國丘陵山地道路窄、地塊小的農業(yè)自然條件。

圖1 國外大型山地拖拉機

意大利安東尼奧卡羅拉公司生產的MACH4R型拖拉機(圖2)采用四輪驅動半履帶,有較好的動力性和緩坡地適應性。但該型拖拉機價格相對昂貴,不具有坡地姿態(tài)調平機構,較大坡度山地適應性差,難以適應我國丘陵山地相對復雜的作業(yè)場景。

圖2 MACH4R型山地拖拉機

意大利BM TRACTORS公司生產的BETTER 180型山地拖拉機(圖3),具有較好的地面適應性,配備獨立軸轉向系統(tǒng),可分別實現(xiàn)前輪、后輪及四輪轉向,裝載電子BETCAM系統(tǒng)、自動減速裝置、自動爬升系統(tǒng),以防止系統(tǒng)中過大的推進壓力。但該機型地面附著性能、坡地自動調平性能欠缺。

圖3 BETTER 180型山地拖拉機

意大利BCS公司生產的Sky-Jump-V950型山地拖拉機[5](圖4),采用前輪胎后橡膠履帶型式,適用于果園、茶廠、苗圃等復雜地形的作業(yè)。并采用DUALSTEER型雙轉向系統(tǒng),將拖拉機底盤中央鉸接系統(tǒng)和前輪機構連接在一起,該技術結構可以使拖拉機的轉彎角度(理論值)達到70°,極大地減小了拖拉機的轉彎半徑。同時,該拖拉機具有短軸距和低重心的特點,使得其在陡峭的斜坡上表現(xiàn)出來的牽引力、穩(wěn)定性、機動性和安全性均較為優(yōu)越。

圖4 Sky-Jump-V950型山地拖拉機

伊朗科技大學及Jahade Keshavarzi科研機構分別對山地拖拉機穩(wěn)定性及行走機構進行了研究,如圖5所示,該拖拉機在24°左右的坡地上具有較好穩(wěn)定性和地形適應性。

圖5 伊朗科技大學研發(fā)的山地拖拉機

綜上,國外的山地拖拉機的研發(fā)較為先進,但大多體積偏大、價格昂貴,不適合我國丘陵山區(qū)道路窄、地塊小的農業(yè)自然條件和山區(qū)農民購買力偏低的經(jīng)濟條件。

1.2 山地拖拉機國內研究現(xiàn)狀

目前國內丘陵山區(qū)作業(yè)的主要機型為手扶山地拖拉機和微耕機,例如:中國農業(yè)大學研制、中國中車集團生產的STI-8型山地拖拉機(圖6a),該拖拉機為小型手扶式拖拉機,可以在小于25°的坡地上保持車身水平,但手扶式拖拉機操作較為困難,對駕駛人員的操作水平要求較高,人員的安全性難以保證;重慶合盛、北京藍天等公司研制的山地微耕機(圖6b),其主要特點是體積小、價格低,被我國許多丘陵山區(qū)農民使用,但存在動力小、操作強度大、功能單一等缺點。

圖6 丘陵山區(qū)主要作業(yè)機型

“十二五”以來,在國家政策和科研項目的支持下,國內的企業(yè)、高校等機構在山地(包括輪式、履帶式)拖拉機的研發(fā)方面開展了系列工作并取得一些成果。輪式山地拖拉機研究方面,上海交通大學和山東五征集團聯(lián)合研制了一種具有姿態(tài)主動調整功能的山地輪式拖拉機,如圖7所示,具有較好的坡地適應性[6-7]。四川川龍拖拉機制造有限公司研發(fā)了可進行姿態(tài)調整的輪式山地拖拉機,如圖8所示,實地試驗表明樣機具有較好的穩(wěn)定性和地形適應性[8]。并且基于電控液壓懸掛、智能控制自主作業(yè)技術等拖拉機前沿技術,該公司自主開發(fā)的重載防脫擋技術和速度匹配液壓驅動技術已應用于其丘陵山地拖拉機。

圖7 山東五征集團的輪式山地拖拉機

圖8 四川川龍拖拉機制造有限公司的輪式山地拖拉機

此外,山東五征集團聯(lián)合山東農業(yè)大學[9]針對目前姿態(tài)調整式丘陵山地拖拉機只能實現(xiàn)靜態(tài)調平和差高調平、調平精度低等問題,設計了一種輪式丘陵山地拖拉機扭腰姿態(tài)調整裝置,結構如圖9所示。該裝置通過調整前后車身的相對轉動來實現(xiàn)山地拖拉機對復雜路面的適應,扭腰輪式山地拖拉機的樣機如圖10所示。

圖9 扭腰姿態(tài)調整裝置結構圖

圖10 扭腰輪式山地拖拉機

履帶式山地拖拉機研發(fā)方面,西北農林科技大學楊福增團隊[10-12]研發(fā)了一種小型山地履帶無人拖拉機(圖11a)。該機采用遙控式液壓差高裝置(圖11b)來保證拖拉機在0°～23°的等高線坡地上完成橫向姿態(tài)調整,使車身在坡地始終處于水平狀態(tài),提高了其抗側滑、抗傾翻等坡地穩(wěn)定性能;同時該機借鑒無人機的設計經(jīng)驗,并依據(jù)黃土高原山地實車試驗,首次設計了無駕駛座的拖拉機遙控操作系統(tǒng),其優(yōu)點是實現(xiàn)了拖拉機的人機分離,徹底消除了操作駕駛人員的坡地安全隱患;需要特別說明的是,操作駕駛人員的坡地安全性是山地拖拉機的安全底線,也是與普通拖拉機的顯著區(qū)別。

圖11 小型山地履帶無人拖拉機

此外,西北農林科技大學楊福增團隊研發(fā)了一種全向姿態(tài)調整山地履帶無人拖拉機[13-14],如圖12所示。該機基于“平行四桿機構”和“雙車架機構”實現(xiàn)機身的橫、縱向姿態(tài)調整(自動式/遙控式),調平原理如圖13、14所示。顯著提高了山地拖拉機坡地作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性,并具備配套農具的坡地自適應仿形作業(yè)功能,試驗結果表明該機在坡地可較好地實現(xiàn)坡地仿形旋耕、播種和噴藥等作業(yè)。此外,整機集成遙控技術,實現(xiàn)人機分離,大大提高了操作人員的安全性和便捷性;基于靜液壓驅動技術實現(xiàn)整機0～8 km/h的無級調速,從而滿足丘陵山區(qū)多工況下的行駛和作業(yè)速度需求。

圖13 山地拖拉機橫向調平原理圖

圖14 山地拖拉機縱向調平原理圖

綜上所述,目前國內的丘陵山地拖拉機研發(fā)大部分處于科研樣機階段,山地農機產品化尚存在不足,有必要進一步優(yōu)化、改進研發(fā)適合我國山區(qū)農業(yè)自然條件、先進適用、價格合理的丘陵山地拖拉機,由具有一定產業(yè)化實力的企業(yè)實現(xiàn)其批量生產、推廣應用,同時最好借助快速換裝模塊,高效便捷地適配耕、種、管、收、運等多種作業(yè)機具,以解決農業(yè)機械化發(fā)展的動力瓶頸和卡脖子短板問題。

1.3 山地農機坡地作業(yè)機身調平技術研究現(xiàn)狀

高效高質量丘陵山地拖拉機的研發(fā)已經(jīng)成為當前農業(yè)裝備研究領域的熱點之一。目前,國內外針對丘陵山地拖拉機的機身姿態(tài)調平、農具坡地仿形作業(yè)等關鍵技術已開展了大量研究,并取得了較多的成果。

國外對于山地農機調平系統(tǒng)的研究起步較早,日本久保田、大同等公司生產的履帶聯(lián)合收獲機,通過履帶升降機構調節(jié)單側履帶的高度來補償機身的橫向傾斜[15-19]。HAUN[20]發(fā)明了適用于割草機的調平機構,可使割草機身始終保持水平狀態(tài)。美國約翰迪爾公司研發(fā)了適用于坡地作業(yè)的聯(lián)合收獲機調平系統(tǒng),具有較好的穩(wěn)定性[21],但上述兩種調平系統(tǒng)均不適用于山地拖拉機的牽引作業(yè),而拖拉機最基本而又繁重的作業(yè)方式是通過牽引實現(xiàn)耕地等基本農藝功能,這意味著拖拉機必須具備承受各種載荷(包括各種土壤環(huán)境和農藝要求相對應的載荷)的牽引特性。AHMADI[22]設計了一種拖拉機動態(tài)調平模型,研究了在位置擾動下,速度、坡度及地輪摩擦系數(shù)對橫向穩(wěn)定性的影響。LEONARD等[23]研究了一種車輛自動調平系統(tǒng),通過采集車身傾角信息來完成車身的姿態(tài)調整,但該系統(tǒng)僅能實現(xiàn)車輛的靜態(tài)調平。

機身調平研究方面:彭賀等[24-25]研制了基于液壓缸驅動的輪式拖拉機車身四點調平機構,完成了運動學和動力學的仿真分析,并設計了一套車身自調平控制系統(tǒng),開展了相關試驗驗證,如圖15所示。劉平義等[26-27]設計了一種適用于丘陵山地的自適應調平底盤,通過動態(tài)調平減小底盤的側傾角和俯仰角,但其動力偏小。文獻[28-29]基于液壓差高機構的微型山地履帶拖拉機,運用PID算法實時控制車身的調平角。齊文超等[6-7]設計的基于雙閉環(huán)PID的山地拖拉機姿態(tài)主動調整控制系統(tǒng),如圖16所示,其精度和穩(wěn)定性基本能夠滿足實際使用需求。劉國輝等[30]為提高山地拖拉機在復雜農田環(huán)境中的作業(yè)平穩(wěn)性,基于 Matlab/Simulink仿真平臺,搭建了半主動懸架拖拉機七自由度時域仿真模型,包括四輪路面激勵模型、半主動懸架振動模型、半主動懸架拖拉機車體受力分析模型、車身姿態(tài)分析模型以及半主動懸架拖拉機時域仿真模型,以車身垂向位移、車身傾斜角和車身俯仰角作為拖拉機的姿態(tài)變化參數(shù)進行仿真試驗,結果表明相比增量式PID控制,基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制的半主動懸架拖拉機,車身平穩(wěn)性得到較好提高。

圖15 拖拉機調平控制系統(tǒng)原理圖

圖16 山地拖拉機姿態(tài)主動調整控制系統(tǒng)原理圖

懸掛系統(tǒng)與農具姿態(tài)調整方面:蔣俊等[31]為滿足配套農機具對坡地地形的適應性,保證農機具作業(yè)質量,針對2個不同負載的懸掛油缸需要同步運動的工況需求,設計了適用于丘陵山地拖拉機的電控液壓懸掛系統(tǒng),通過 AMESim 軟件搭建系統(tǒng)仿真模型,分別對定、變負載 2 種工況進行了仿真分析,結果表明速度、位移誤差控制在5%以內,基本滿足設計要求。范永奎等[32]設計了一款電液懸掛仿形機構,采用帶死區(qū)的經(jīng)典PID算法控制農具的橫向傾角,使其與地面保持平行。翟志強等[33]針對山地拖拉機電液懸掛控制系統(tǒng)田間試驗困難、可重復性差的問題,基于半實物仿真技術開展電液懸掛控制系統(tǒng)試驗研究,對拖拉機和懸掛裝置受力分析,建立拖拉機、懸掛裝置的動力學模型,對懸掛系統(tǒng)橫向仿形控制、位控制、牽引力控制以及力位綜合控制原理進行分析,設計電液懸掛模糊PID控制器,試驗結果表明模糊PID控制性能優(yōu)于經(jīng)典PID控制。周浩等[34]設計了一種旋耕機自動調平系統(tǒng),通過 PID 控制器控制電磁換向閥,油缸動作實現(xiàn)農具的自動調平。劉林[35]設計的農具自動調平系統(tǒng),通過液壓換向閥來控制液壓缸運動,實現(xiàn)農具的自動調平,其控制精度有待提高。

山地拖拉機與農具姿態(tài)協(xié)同調整控制方面:張錦輝等[36]采用神經(jīng)網(wǎng)絡PID同步控制算法,設計了一種山地拖拉機姿態(tài)同步控制系統(tǒng),實現(xiàn)了車身和農具姿態(tài)的同步調整,其控制精度和調整速度均能夠滿足作業(yè)的需求。楊福增等[37]針對山地履帶拖拉機等高線作業(yè)時車身調平和農具仿形作業(yè)不同的姿態(tài)調整需求,在建立車身及農具運動學模型的基礎上,設計了車身與農具姿態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng),如圖17所示,該系統(tǒng)對車身和農具的控制分別采用PID算法和雙閉環(huán)模糊PID算法?；赟imulink對控制算法進行了仿真分析,結果表明采用雙閉環(huán)模糊PID算法實現(xiàn)農具姿態(tài)調整的控制效果優(yōu)于PID算法,機組姿態(tài)協(xié)同調整的靜態(tài)、動態(tài)實地試驗結果表明該姿態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性能夠滿足丘陵山區(qū)坡地等高線作業(yè)需求。

圖17 山地拖拉機與農具姿態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)原理圖

綜上,國內外專家學者針對山地農機在坡地調平技術方面開展了一定的研究工作,主要是通過創(chuàng)制適宜山地環(huán)境的農機調平機構,進而搭建專用的控制系統(tǒng),設計高效精確的控制策略和算法來實現(xiàn)山地拖拉機機身的姿態(tài)調平或者山地動力機與作業(yè)機的協(xié)同姿態(tài)調整。目前,主要完成了室內及坡地試驗,需進一步提高機械本體以及控制系統(tǒng)的可靠性,加快推廣應用。

1.4 山地拖拉機驅動與動力系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

丘陵山區(qū)的農機工作條件相對比較惡劣,機耕道路狹窄、地塊小、坡度大,而拖拉機機身存在體積大、操作困難、穩(wěn)定性差等現(xiàn)實問題,這些因素均限制了丘陵山地拖拉機的發(fā)展,特別是坡地作業(yè)時車輪、履帶滑移滑轉現(xiàn)象導致拖拉機的驅動力不足,會嚴重影響作業(yè)效率和質量。國內外專家針對該問題做了相關研究。

目前國內大多通過構建拖拉機坡地作業(yè)動力學模型,并結合仿真試驗完成驅動與動力系統(tǒng)設計,進而開展相關研究。LIU等[38]針對中型山地履帶拖拉機坡地作業(yè)時調速范圍小、操縱復雜、安全性低等主要問題,設計了一種適用于山地履帶拖拉機的靜壓驅動系統(tǒng)。根據(jù)山地拖拉機的使用要求,在分析拖拉機受力與運動學的基礎上完成驅動系統(tǒng)中的柴油發(fā)動機、靜壓傳動(HST)、驅動后橋等關鍵部件的參數(shù)匹配,搭建了驅動系統(tǒng)性能試驗臺,對驅動系統(tǒng)的牽引性能和起動加速性能進行了測試,臺架試驗結果表明該驅動系統(tǒng)的設計合理,轉速一致性好,有足夠的動力儲備,能滿足坡地作業(yè)的動力需求。李江等[39]針對丘陵山地四輪驅動拖拉機作業(yè)時車輪打滑導致驅動力不足的問題,優(yōu)化設計了拖拉機傳動系統(tǒng)關鍵部件,并建立拖拉機動力學模型,對輪間驅動力進行分析,提出了提高驅動效率最佳條件;設計了新型驅動力分配裝置以對軸間驅動力重新分配,并搭建控制系統(tǒng)完成仿真試驗,結果表明該裝置能明顯改善打滑現(xiàn)象,提高山地拖拉機的驅動性能。扈凱等[40]針對傳統(tǒng)拖拉機難以適應丘陵山地復雜工況的問題,設計了一種丘陵山地拖拉機全液壓驅動系統(tǒng);根據(jù)工況需求,驅動系統(tǒng)采用單泵四馬達的閉式回路,并使用同步馬達防止車輪滑轉,基于AMESim軟件建立液壓系統(tǒng)模型并完成仿真,仿真結果表明液壓系統(tǒng)滿足工作需求;在同步馬達不工作時,拖拉機單個車輪滑轉會使得系統(tǒng)喪失驅動能力,系統(tǒng)工作壓力僅為1.838 MPa,當同步馬達強制分流時,系統(tǒng)工作壓力為19.197 MPa,可使拖拉機重新恢復驅動力,該研究方法為山地農機液壓驅動系統(tǒng)的設計提供參考。范永奎等[41]針對丘陵山地拖拉機工作時需要調平車身,懸掛裝置實時調節(jié)以適應地形變化的具體問題,設計了一種適用于山地拖拉機復合作業(yè)的液壓多點動力輸出系統(tǒng);基于AMESim軟件建立多點動力輸出系統(tǒng)的仿真模型,仿真結果表明系統(tǒng)壓力調整時間約0.1 s,幾乎無超調;室內試驗驗證了液壓系統(tǒng)具有負載反饋、壓力補償和流量分配等功能。

綜上所述,學者針對山地拖拉機驅動與動力系統(tǒng)的研究主要為集成靜液壓無級變速(HST)驅動系統(tǒng)、全液壓驅動、輪間驅動力分配、液壓多點動力輸出等,較多地集成工業(yè)領域的現(xiàn)有技術或者產品。在后續(xù)研究中,急需緊密結合丘陵山區(qū)的地形地貌特點,重點突破高效輕量化液壓機械無級變速器(HMCVT)驅動技術,解決核心部件的技術難點,融合復雜工況與高效傳遞的關系,實現(xiàn)作業(yè)速度的自適應匹配與調控,確保整機工作的動力性、連續(xù)性、經(jīng)濟性和安全性[42-46]。

1.5 山地機具與作業(yè)性能研究現(xiàn)狀

1.5.1坡地作業(yè)機具研究現(xiàn)狀

針對丘陵山區(qū)地塊面積小、機耕道路狹窄,大型農業(yè)裝備運輸難、進地難、轉場難、操作難等現(xiàn)狀,國內的科研機構著重對丘陵山區(qū)坡地中小型作業(yè)機具進行了研究。

坡地耕整地機具方面:有關坡地耕作機具的研究較少,耕整地還是以小型微耕機作業(yè)為主,操縱難度較大,急需研制高效靈便低耕作侵蝕的耕整地機械,從而提高耕作后的坡面平整度,保證后續(xù)播種深度的均勻性。坡地播種作業(yè)機具方面:丘陵山區(qū)地形復雜的小地塊播種雜糧時,主流方式是小型拖拉機與機械式排種器配套使用,但機械式排種器在傾斜條件下作業(yè)會導致種子在型孔中充填性能下降,從而使重播與漏播現(xiàn)象加劇。為解決上述問題,賈洪雷等[47]設計自吸式綠豆精密排種器,該機氣力式排種器坡地作業(yè)抗干擾能力強,無需風機提供負壓,可節(jié)省功耗,滿足丘陵坡地等小地塊精密播種作業(yè)的需求。坡地收獲作業(yè)機具方面:針對丘陵山區(qū)地形和胡麻收獲特點,史瑞杰等[48]設計了一種履帶式丘陵山地胡麻聯(lián)合收獲機,該機采用防纏繞低損割臺、紋桿+桿齒組合式小錐度橫軸流脫粒滾筒、組合式窄柵格凹板等結構實現(xiàn)了胡麻莖稈的防纏繞快速喂入、分段式脫粒與分離、清選等作業(yè),并進行田間驗證試驗。并且,該團隊以丘陵山地胡麻聯(lián)合收獲機初選、精選復式清選系統(tǒng)工作模式為研究對象,分別建立初選系統(tǒng)、精選系統(tǒng) CFD 模型和胡麻脫出物DEM模型,采用 CFD-DEM 聯(lián)合仿真技術,研究丘陵山地胡麻聯(lián)合收獲機復式清選系統(tǒng)最佳工作參數(shù)和脫出物各組分運動軌跡及空間形態(tài)變化,得出丘陵山地胡麻聯(lián)合收獲機脫出物分離規(guī)律,并進行試驗驗證仿真模型的可靠性[49]。針對丘陵山地玉米種植地塊多而碎小制約玉米機械化收獲的現(xiàn)狀,耿端陽等[50]設計了一款履帶式坡地玉米收獲機,實現(xiàn)丘陵山地復雜地形條件下玉米的機械化收獲;該收獲機采用橫輥摘穗技術,解決了傳統(tǒng)摘穗輥喂入性不流暢和復雜地形下玉米植株的喂入問題。

綜上所述,目前國內針對丘陵山區(qū)的主要作業(yè)機具研究有雜糧播種、胡麻收獲、玉米收獲等,坡地耕作機械、坡地田間管理(施肥、施藥等)機械尚缺乏,因此急需針對我國丘陵山區(qū)地域廣、作物種植多樣化的現(xiàn)狀,從區(qū)域性差異、土壤類型差異、作物種類差異、農藝要求差異等方面著手,研發(fā)適宜于區(qū)域性丘陵山區(qū)作業(yè)的專用機具,例如:坡地高效低侵蝕的耕作機械、大豆玉米帶狀復合種植專用機械、果園茶管理機械、油菜低損收獲機、油茶果收獲機、大宗茶自走式收獲機等。

1.5.2山地機具行駛作業(yè)性能研究現(xiàn)狀

根據(jù)山地實際作業(yè)地形特點,對山地動力底盤的坡地通過性、越障性等進行相關理論分析,對于坡地高通過性關鍵結構參數(shù)的確定及關鍵零部件的創(chuàng)新設計具有實質指導意義。

在山地機具行駛作業(yè)性能研究方面,主要的研究思路是針對特定作業(yè)場景中存在的問題,通過對農機具行駛作業(yè)過程構建模型進行理論分析,并結合多體動力學軟件進行仿真,最終開展田間試驗進行探究。韓振浩等[51-52]為了探究山地果園底盤坡地通過性能的關鍵結構參數(shù),提高其在復雜行駛路況下的地形適應性,結合山地果園的地形特點,分別對斜坡平地通過性和斜坡越障通過性進行了理論分析,并基于RecurDyn軟件進行仿真分析,為底盤的優(yōu)化設計提供了理論參考。吉旭等[53]針對貴州山地土質松軟,地塊小、坡度大,現(xiàn)有辣椒收獲機作業(yè)困難等問題,設計了一種適用于丘陵山地的履帶自走式辣椒收獲機,基于RecurDyn軟件對收獲機的橫坡行駛、縱坡上坡、縱坡下坡、翻越垂直壁和跨越壕溝等行駛作業(yè)工況進行動力學仿真,進行田間試驗驗證了收獲機的穩(wěn)定性和通過性。潘冠廷等[54]針對小型山地拖拉機坡地行駛時,常遇臺階、磚頭、石塊、田埂等障礙,嚴重影響通過性及穩(wěn)定性,引發(fā)側滑甚至傾翻等安全問題,選取臺階為越障對象,基于經(jīng)典力學分析、RecurDyn軟件仿真的方法對山地拖拉機的爬坡越障性能進行了研究,并實地試驗驗證了所建立的理論及仿真模型在坡度0°～15°范圍內的有效性。孫景彬等[55]針對山地履帶拖拉機坡地等高線作業(yè)時,坡地土壤內部應力分布規(guī)律不明確以及如何提高應力均勻性緩解土壤壓實等問題,基于EDEM-RecurDyn耦合仿真、土壓力盒埋設法分別開展了仿真試驗、基于小型坡地土槽的靜態(tài)試驗以及坡地動態(tài)試驗;其中,靜態(tài)試驗探究了不同深度土壤在含水率、初始緊實度、加載質量及坡地角等影響下的垂直應力分布規(guī)律;動態(tài)試驗探究了山地履帶拖拉機坡地等高線行駛/旋耕作業(yè)時履帶下方土壤應力隨作業(yè)速度、車身狀態(tài)(調平/未調平)及牽引負載的變化規(guī)律;并分析了履帶張緊力對土壤垂直、水平應力分布的影響。

綜上所述,國內學者對于山地農機具行駛、作業(yè)性能的研究尚處于起步階段,主要是研究直線行駛的穩(wěn)定性、通過性,關于山地農機坡地轉向、農機大負載作業(yè)時的穩(wěn)定性、直線行駛性、牽引附著性等方面的研究相對較少,尤其應注重深入研究山地農機作業(yè)載荷特性與分布規(guī)律,構建山地農機作業(yè)載荷譜,從而有效指導高可靠性調平機構及行走系統(tǒng)的設計。

2 農機土壤壓實與耕作侵蝕研究現(xiàn)狀

2.1 農機土壤壓實研究現(xiàn)狀

土壤壓實是土地退化的一個重要過程,該過程限制根系的生長,影響作物根系對土壤中水分和養(yǎng)分的吸收,進而造成作物減產[56]。土壤壓實的程度取決于農業(yè)機械的輪胎/履帶接觸土壤后應力的傳遞情況,土壤內的應力是機械的重力所引起的垂直(壓縮)應力和水平(剪切)應力的組合[57],當土壤內垂直應力超過土壤抗壓強度發(fā)生壓縮形變,水平應力超過土壤抗剪強度時,土壤發(fā)生剪切形變[58]。

對于輪式拖拉機,輪胎的參數(shù)對土壤的壓實具有顯著的影響, BOTTA等[59]研究了輪胎的參數(shù)對土壤壓實的影響,結果表明:對于表層土壤,子午線型輪胎相較于斜交線型輪胎可降低對土壤的壓實,輪胎的氣壓對表層土壤的壓實影響顯著;深層土壤的壓實與輪胎的參數(shù)、氣壓均無關。LAMANDE 等[60]研究了土壤在荷載作用下的應力和變形,在大型土箱中進行了二維的豎向應力和位移測量,距離地平面4個深度(30、50、70、90 cm)中共設置了21個傳感器,研究了兩種載荷(43、85 kN)、兩種接觸面積(0.45、0.90 m2)對土壤垂直方向應力的分布與傳遞特性的影響。該團隊還從3個維度(不同深度、不同輪胎寬度、不同行駛方向)實測土壤在輪胎尺寸、輪胎充氣壓力和輪胎載荷不同組合影響下的垂直應力,結果表明接觸應力對土體剖面應力傳遞具有顯著影響。王憲良[61]以輪胎為研究對象,基于模型分析、離散元仿真、田間試驗等方法,研究了輪胎運動過程中引起的土壤壓實現(xiàn)象,建立了輪胎壓實影響因素與土壤容重和緊實度之間的關系;結合EDEM-RecurDyn耦合模擬輪胎壓實土壤的過程,分析了輪胎軸載及壓實次數(shù)對土壤應力傳遞的影響規(guī)律,建立了土壤應力傳遞模型。

履帶拖拉機的接地比壓大,對土壤的壓實作用較輪胎小,因此被廣泛采用[58],但是,履帶行走機構是由柔性的履帶將導向輪、支重輪和驅動輪包絡起來,其與地面的接觸關系復雜,會導致接觸面應力和土壤內部應力傳遞的不均勻,進而增大履帶在松軟地面的沉陷程度,影響機械的通過性[56]。KELLER等[62]研究了履帶壓實效應下0.3 m深度范圍土壤中垂直應力在履帶長度方向變化情況,得出垂直應力分布很不均勻,其最大值大約是平均值的3.2倍。LAMANDE等[63]分析了同一車輛分別使用輪式和履帶式行走裝置情況下對土壤的壓實作用,測定了橡膠履帶與土壤接觸面內垂直應力在履帶長度方向的分布規(guī)律,得出在支重輪的軸線處出現(xiàn)峰值。丁肇等[64]通過鉆孔埋設傳感器的方法研究了履帶式行走機構對土壤壓實作用下應力分布規(guī)律,為行走結構優(yōu)化提供理論依據(jù)。趙子涵等[65]分析了地面緊實程度和車輛荷載對垂直應力分布情況的影響,結果表明,在緊實地面環(huán)境中,支重輪間履帶幾乎不受力,應力的分布是非連續(xù)的;松軟地面環(huán)境中,履帶均受力,應力分布連續(xù),支重輪下應力均勻度隨荷載增大而升高。栗浩展等[66]分析了金屬履帶行走系對土壤內垂直應力的影響規(guī)律,得出垂直應力在履帶長度方向的分布形狀近似三角形,支重輪軸線位置出現(xiàn)最大應力。PAN等[67]對坡地工況下土壤壓力-沉陷模型進行了構建與驗證,主要針對經(jīng)典Bekker土壤壓力-沉陷模型中未考慮坡地角度、土壤含水率、土壤密度等參數(shù)的變化問題,進行了平板穿入試驗驗證了土壤含水率及密度對土壤承壓特性的影響顯著;基于二次旋轉正交組合試驗方法,引入坡地角度再次進行平板穿入試驗,計算求得4種土壤的承壓特性參數(shù),將承壓特性參數(shù)回歸方程帶入經(jīng)典的 Bekker 承壓模型進行拓展,得到坡地土壤壓力-沉陷的模型。

由此可見,目前農機土壤壓實方面的研究主要是從輪胎/履帶對土壤接觸應力和土壤內部傳遞應力等方面來展開,并且輪胎對土壤壓實的研究居多。針對履帶壓實土壤的研究主要是拖拉機參數(shù)、履帶參數(shù)、土壤參數(shù)等對土壤內部垂直應力、水平應力的分布均勻性影響規(guī)律,研究工況多為平地工況、坡地工況下的土壤壓實機理和規(guī)律有待進一步探究。

2.2 土壤耕作侵蝕研究現(xiàn)狀

土壤的耕作侵蝕是土壤在耕作機具的直接作用下發(fā)生分散、搬運、沉積的過程[68],專家學者在土壤耕作侵蝕方面做了一定的研究。杜志勇等[69]對耕作土壤侵蝕進行了闡述,經(jīng)試驗得出土壤位移可用3種不同的運動(牽拉、擲跳、翻滾)公式來描述,并可以指導耕作工具的設計。

由于耕作過程中土壤運動較為復雜,目前國內大多采用示蹤技術對土壤顆粒進行標記,進而探究耕作過程中的土壤侵蝕規(guī)律。王占禮等[68,70]以我國黃土區(qū)為研究對象,將小立方塊作為示蹤材料施放于土壤中來示蹤和監(jiān)測土壤的運動,對黃土地區(qū)耕作(牛拉鏵式犁橫坡耕作)侵蝕過程中的土壤再分布規(guī)律進行了研究;采用137Cs示蹤技術研究了耕作(牛拉鏵式犁橫坡耕作)侵蝕過程中土壤中營養(yǎng)成分(全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量)的影響規(guī)律,得出土壤養(yǎng)分含量在耕作侵蝕區(qū)呈減少趨勢、在耕作沉積區(qū)呈增加趨勢[71]。樊紅柱等[72]采用137Cs示蹤技術探究了川北山區(qū)坡耕地土壤再分配對土壤有機碳和團聚體有機碳含量的影響,可有效指導該地區(qū)的施肥管理。殷爽等[73]通過模擬試驗的方法探究了東北黑土區(qū)農田土壤團聚體有機碳受水侵蝕和耕作侵蝕的影響規(guī)律,為黑土質量退化問題的進一步研究提供參考。王勇等[74]采用模擬順坡耕作的方法研究了長期耕作對坡地不同位置土壤水穩(wěn)定團聚體和水分分布的影響規(guī)律,得出坡上側的土壤水貯量明顯降低,坡下側的土壤持水能力明顯升高。蘇正安等[75]通過分析耕作侵蝕對土壤肥力和作物產量的影響研究進展得出,構建精確的耕作侵蝕模型以及深入研究其與其他侵蝕類型(如水蝕、風蝕)等相互作用機制可為我國土壤侵蝕的防治提供指導。趙鵬志等[76]采用物理示蹤法研究了典型坡耕地耕作(鏵式犁耕作)的位移以及土壤的分布狀態(tài),得出坡度對耕作位移的影響顯著,耕作深度和速度影響侵蝕的嚴重程度。李富程等[77]采用磁性示蹤(鈦鐵礦粉)的方法研究旋耕機不同耕作深度下對坡地紫色土的位移影響,得出耕作深度越大,土壤凈位移和耕作侵蝕速率越大;采用磁性示蹤(鈦鐵礦粉)的方法研究耕作速度對等高耕作和向下耕作和向上耕作土壤侵蝕的影響,得出耕作速度對等高和向下耕作的土壤侵蝕有明顯影響,對向上耕作的影響相對較小;采用磁性示蹤(鈦鐵礦粉)的方法研究旋耕機等高耕作對土壤中碳氮分布規(guī)律的影響,得出坡上側土壤中有機碳和全氮含量顯著減少[78-79]。

綜上所述,已有研究主要針對的區(qū)域和作業(yè)工況分別是黃土區(qū)的牛拉鏵式犁橫坡耕作、東北黑土區(qū)典型坡面的鏵式犁耕、川北山區(qū)的順坡耕作及紫色丘陵區(qū)的順坡機耕等。針對我國不同丘陵地區(qū)的不同土壤類型,特定適宜作業(yè)模式下的坡地耕作侵蝕機理研究尚不全面,有必要深入研究不同作物種植區(qū)、不同耕作機械作業(yè)模式下的耕作侵蝕規(guī)律。

3 農機設計及農機-土壤互作機理研究方法

山地農機-土壤-作物互作機理的研究可充分借鑒平原地區(qū)的研究經(jīng)驗。高可靠性先進農機裝備的研發(fā)對于促進我國農業(yè)現(xiàn)代化的實現(xiàn)意義重大,多體動力學已經(jīng)逐步應用到農機的研發(fā)過程中,其可以在農機樣機實現(xiàn)之前就對產品設計進行有效指導,縮短產品開發(fā)周期,減少產品開發(fā)費用[80]。傳統(tǒng)農機作業(yè)性能的評價主要是通過室內臺架、土槽試驗以及田間試驗的驗證來完成的,但是,土槽、田間試驗只能分析土壤的宏觀狀況,不能從微觀的角度去剖析運移特性[81],大量研究表明,離散元法可以模擬分析土壤顆粒與農機具之間的互作用關系,可為先進適用機具的創(chuàng)新設計提供新方法[82]。

3.1 基于多體動力學法

目前,國內有較多學者使用多體動力學軟件構建農機-土壤互作模型,并結合仿真分析及試驗測試結果,開展農機-土壤互作機理研究,為專用農機具的創(chuàng)制提供技術參考。扈凱等[83]以高地隙三角履帶底盤為研究對象,基于多體動力學分析的方法建立履帶底盤各組件及車體的拓撲結構模型;構建承重輪-履帶接觸模型、履帶張緊力模型和履帶軟地面接觸模型;建立三角履帶底盤的三維模型,采用諧波疊加法構建了水泥硬質路面和農田軟質路面的路譜,完成模型仿真與測試驗證,結果表明三角履帶底盤多體動力學模型具有較高的精度。劉妤等[84]以小型農用履帶底盤為對象,運用極限理論和瞬態(tài)運動分析法建立底盤的運動學方程,運用拉格朗日法建立底盤的動力學方程,結合底盤的拓撲結構建立其多體動力學模型,經(jīng)不同路面環(huán)境下直線行駛的實車試驗與仿真結果對比驗證了模型的有效性。陳黎卿等[85]針對秸稈還田機功耗測試難的問題,提出了利用虛擬測試平臺評估還田機功耗的方法,建立秸稈還田機的動力學模型,對秸稈還田機的功率消耗進行了虛擬仿真,構建了田間功耗測試系統(tǒng),通過對比仿真數(shù)據(jù)驗證了該種測試方法的準確性?？到鞯萚86]針對圓盤式開溝機功率消耗測試結果受環(huán)境、設備精度影響較大等問題,基于多體動力學提出了利用虛擬測試平臺評估圓盤式開溝機功率消耗的方法。

由此可見,充分借鑒傳統(tǒng)農機基于多體動力學法開展設計和試驗的經(jīng)驗,將該方法運用到山地農機裝備的研發(fā)當中,將提高產品研發(fā)效率,縮短研發(fā)周期,節(jié)約成本,有助于新型山地農機產品的快速推廣應用。

3.2 基于離散元法

農具部件與土壤之間的相互作用受到土壤性質及土壤動態(tài)作用的影響,對不同類型的土壤,其影響效應差異顯著,因此,在基于離散元法開展農具部件與土壤互作機理研究之前,還需對土壤顆粒間、土壤與觸土部件間的仿真參數(shù)進行標定。

目前,國內外專家學者基于離散元法在土壤等散狀物料參數(shù)標定、土壤與農機互作關系研究方面做了大量工作。UCGUL等[87]綜合Hertz-Mindlin及Hysteretic Spring典型模型研究了土壤顆粒間的粘結力對其塑性形變的影響規(guī)律。AIKINS等[88]整合Hysteretic Spring模型和Linear Cohesion模型對高黏度土壤的靜摩擦因數(shù)和滾動摩擦因數(shù)進行了標定,并經(jīng)開溝試驗驗證了參數(shù)標定的準確性。ZENG等[89]建立了土壤-農具-秸稈殘茬相互作用的離散元仿真模型,并以4種不同的鏟進行仿真試驗和土槽試驗,最終驗證模型的有效性。MILKEVYCH 等[90]基于離散法建立了除草過程中土壤與觸土部件相互作用引起土壤位移的研究模型,模擬試驗和實測試驗表明土壤位移具有一致性。UCGUL等[91]采用離散元法模擬了土壤與板型犁之間的相互作用,經(jīng)仿真試驗與實地試驗比較耕作牽引力以及犁溝剖面,結果表明離散元法精度可靠。石林榕等[92]基于延遲彈性模型和線性粘附模型的優(yōu)點對6種含水率的農田土壤進行模型參數(shù)標定,經(jīng)鴨嘴插穴試驗驗證了模型的有效性。張銳等[93]基于Hertz-Mindlin模型,經(jīng)過堆積角試驗完成沙土顆粒的模型參數(shù)標定。李俊偉等[94]基于Hertz-Mindlin with JKR Cohesion 模型標定了東北黑土顆粒接觸參數(shù)及其與觸土部件間接觸參數(shù),為高含水率黏土參數(shù)標定提供參考。向偉等[95]經(jīng)堆積試驗完成了南方黏壤土的仿真參數(shù)標定,成穴試驗驗證了標定參數(shù)的有效性。邢潔潔等[80]基于Hertz-Mindlin with JKR模型完成含水率7.8%海南磚紅壤顆粒間、磚紅壤與28MnB5板間接觸參數(shù)的標定,為磚紅壤香蕉地觸土作業(yè)部件的研制提供模型。馬帥等[96]綜合延遲彈性模型和線性粘附模型的優(yōu)點,經(jīng)堆積試驗、斜板試驗構建了葡萄藤防寒土離散元仿真模型,為專用刮土機的設計提供數(shù)據(jù)。田辛亮等[97]選用Hertz-Mindlin with JKR接觸模型對黑土區(qū)玉米秸稈-土壤混料的離散元仿真接觸參數(shù)進行標定,試驗驗證了仿真模型參數(shù)的可靠性。孫景彬等[98]針對黃土高原坡地土壤旋耕部件互作機理研究以及坡地專用旋耕機具設計缺乏準確可靠離散元仿真參數(shù)的問題,對坡地土壤與旋耕刀互作的離散元仿真參數(shù)進行了標定,并通過坡地旋耕試驗驗證了參數(shù)標定的可靠性。熊平原等[99]基于離散元的方法建立了旋耕刀與土壤之間的仿真模型,分別完成了旋耕作業(yè)仿真、土槽試驗,測定了作業(yè)過程中所受到的扭矩,對比仿真、土槽試驗結果來驗證所建立的模型準確性。方會敏等[100]對旋耕刀與高秸稈含量土壤相互作用下土壤運動行為進行了宏觀與細觀的分析及對比。胡建平等[101]構建了雙軸旋耕-秸稈-土壤的耕作仿真模型,分析了雙軸配置參數(shù)對功耗的影響。

綜上可知,離散元法在農機設計和虛擬試驗中發(fā)揮著極為重要的作用,目前已經(jīng)成為解決與散粒體相關的問題主要研究方法之一,凡涉及顆粒流動、破碎、混合等現(xiàn)象的應用都可以采用離散元法得到較好的仿真分析結果[81]。因此,丘陵山區(qū)農機裝備與土壤的互作機理研究問題同樣可以采用離散元法得以解決。但是,實際農業(yè)生產過程中涉及復雜的幾何體運動和多相流問題,單純依靠離散元法分析軟件已不能達到復雜的仿真要求[81],多軟件耦合已經(jīng)成為離散元法發(fā)展的一個重要方向,因此,在大型或結構復雜農機裝備應用中,離散元軟件與其他 CAE 工具耦合使用,如 CFD(計算流體動力學)、FEA(有限元分析)、RBD(剛體動力學)、MBD(多體動力學)等分析方法。

4 展望

我國丘陵山區(qū)農業(yè)機械化水平是國家實現(xiàn)農業(yè)農村現(xiàn)代化的重要基礎,近些年在國家和政府部門的政策鼓勵與支持下,企業(yè)、科研院所等機構的共同努力下,丘陵山區(qū)農機裝備的研發(fā)具備了一定的基礎,專家學者也在種植制度宜機化、生產裝備配套性適宜性等方面提出了系列合理化建議。但目前丘陵山區(qū)農業(yè)生產發(fā)展存在的短板問題仍較為突出,相關裝備機具與作業(yè)技術仍處于實驗階段,耕、種、管、收、運各生產環(huán)節(jié)中高效低損智能化機具研發(fā)推廣仍有很大提升空間。建議未來丘陵山地農機裝備及坡地作業(yè)技術圍繞圖18所示幾方面展開重點研究。

4.1 山地農機-坡地土壤-作物(養(yǎng)分)互作機理研究

丘陵山區(qū)地形地貌復雜,坡地土壤的類型及物理性質、地貌的幾何特性等均影響到山地農機裝備的爬坡、越障、制動、側滑、傾翻等行駛性能和耕作、播種、田間管理、收獲等作業(yè)性能,因此為了研發(fā)適應于丘陵山區(qū)自然條件的專用山地拖拉機及配套機具,首先必須研究該地域土壤的物理特性及其與農機行走機構的相互作用關系,研究山地農機裝備行駛及作業(yè)對坡地土壤理化成分的影響機制與效應,開展系統(tǒng)全面的山地農機-坡地土壤-作物(養(yǎng)分)互作機理研究。

4.1.1山地農機載荷譜構建

載荷對山地農機裝備的性能影響最大,原因在于農機零部件最基本的功能是承受載荷。載荷條件對山地農機的設計、分析、制造及試驗起重要作用。山地農機所承受的載荷為較大的隨機載荷,與其作業(yè)的環(huán)境、土壤特性及作物類型、農藝特點關系巨大,隨機載荷極易引發(fā)疲勞失效,影響農機裝備的安全性及作業(yè)效率。然而,這種隨機載荷的性質、載荷來源、載荷分析與載荷確定方法等較平原地區(qū)更加復雜,國內尚未進行深入研究。因此,重點研究山地農機作業(yè)載荷特性與分布規(guī)律對于指導關鍵部件設計、預測零部件壽命、產品可靠性分析具有重要意義。

4.1.2坡地耕作降蝕技術

耕作侵蝕對地形的演化、土壤性質的改變、土壤養(yǎng)分的流失與重新分布、地表生產力的降低均有重要影響。坡地工況的耕作侵蝕會導致坡高側的土壤耕作層變淺,坡低側土壤嚴重堆積,改變原始坡地形貌,影響后續(xù)機械化仿形作業(yè),而且會降低土壤的肥力,影響作物產量。然而,等高線耕作是山區(qū)農業(yè)生產最基本、最重要的耕作方式之一,耕作侵蝕現(xiàn)象也隨之產生,威脅到坡地土壤的質量以及水土流失的防治工作。因此,在丘陵山區(qū)坡耕地的實際作業(yè)過程中,應從降低土壤侵蝕、水土流失的思路出發(fā),基于農藝要求及當?shù)剞r業(yè)高效生產方式,在傳統(tǒng)的耕作方式(旋耕、犁耕、深松等)中選擇更為適宜的模式,并深入開展耕作減蝕技術研究,揭示不同耕作模式下山地農機-坡地土壤的互作耦合機理,為高效低侵蝕坡地農機具的研發(fā)提供理論支撐。

4.1.3坡地保護性耕作與生態(tài)沃土技術

保護性耕作技術目前在平原地區(qū)已經(jīng)有了較長時間的發(fā)展,其主要內容是以秸稈覆蓋、少耕或免耕播種、深松和地表害蟲綜合治理為主要內容的現(xiàn)代科學耕作技術體系。保護性耕作技術不僅具有改善土壤結構、增加土壤有機質、節(jié)水保墑、提高農田生產力的功能,還具有減少溫室氣體排放、降低能源消耗、抑制農田退化等環(huán)境效益。因此,丘陵山區(qū)大力提倡保護性耕作及生態(tài)沃土技術對我國實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標具有實際推動作用。重點應從坡地農田的規(guī)模化建設、保護性耕作替代傳統(tǒng)翻耕、智能化替代機械化、綠色農藥替代傳統(tǒng)化學農藥、有機肥替代化肥等方面開展,以達到改善土壤結構,培肥地力之目的。

4.1.4坡地養(yǎng)分再分布及精準調控技術

無論是傳統(tǒng)耕作方式,還是保護性耕作,在耕作后土壤的養(yǎng)分分布情況會發(fā)生較大的變化,這一變化對坡地種植作物的生產差異性具有更加嚴重的影響。因此,針對坡地農田的種植農藝要求,研究坡地耕作后土壤養(yǎng)分重新分布規(guī)律,對于坡地土壤的綜合地力提升具有實際指導意義。目前丘陵山區(qū)存在大量中低產坡耕地,其特征表現(xiàn)為土壤結構不良,有機質貧乏,保水保肥能力差,抗侵蝕能力弱等,應充分借鑒平原大田中土壤碳氮調控及主要農作物有機無機養(yǎng)分精準調控的先進技術,開展中低產坡耕地土壤流失阻控、土壤障礙消減、土壤有機質快速提升、耕層結構優(yōu)化、土壤有機碳庫容提升等關鍵技術研究,進而構建中低產坡耕地農業(yè)體系“點-線-面”立體防蝕與多源增碳綠色生產技術模式,助推丘陵山區(qū)農業(yè)高質量發(fā)展。

4.2 山地農機高效可靠姿態(tài)調整機構與協(xié)同控制策略

姿態(tài)調整機構與控制策略是山地農機裝備較為重要的理論,原因在于山地農機所行駛的路面、作業(yè)的條件復雜多變,會導致較大的功率消耗和車身失穩(wěn),甚至引發(fā)安全事故。研究山地農機的姿態(tài)調整原理,有助于設計更加合理的姿態(tài)調整裝置以提高山地農機的行駛、作業(yè)穩(wěn)定性,從而保證安全性。目前,國內該方面的研究尚未成熟,需要全面、系統(tǒng)地運用數(shù)學、力學、運動學等理論對山地農機裝備在山地行駛、作業(yè)的運動學及動力學規(guī)律展開分析研究,為設計、制造高質高效的姿態(tài)調整裝置提供理論指導。

4.2.1山地農機行駛作業(yè)全過程姿態(tài)調整原理

基于理論推導、仿真分析、臺架試驗及實地試驗相結合的方法研究山地拖拉機在坡地多工況(爬坡、下坡、等高行駛與作業(yè)、順逆坡行駛與作業(yè)、坡地轉向、越障等)全場景下的機組動力學,分析創(chuàng)新機構姿態(tài)調整過程的平順性、穩(wěn)定性以及強度可靠性,尤其要確保動力機械姿態(tài)調整后仍然具備較好的牽引附著性能,避免出現(xiàn)輪胎或履帶“線”接觸于地面的情形。

4.2.2山地農機機組協(xié)同姿態(tài)調平控制策略

丘陵山區(qū)地形復雜,地面差高大,坡度特征明顯,致使山地農機作業(yè)時發(fā)生不連續(xù)的姿態(tài)變化,尤其是動力機進行牽引作業(yè)時,懸掛農機具的位姿會隨動力機械位姿的變化而改變,導致農具姿態(tài)不能始終與坡地保持平行,嚴重影響坡地作業(yè)質量,難以滿足坡地作業(yè)要求。因此,在實現(xiàn)機身姿態(tài)自適應調控的同時,著重探究實時高效的機組(動力機械+作業(yè)機械)姿態(tài)協(xié)同控制策略,攻克協(xié)調控制智能算法,為坡地高效高質量作業(yè)提供保障。

4.3 山地農機動力高效傳遞與靈便轉向驅動

鑒于丘陵山區(qū)地塊碎小的現(xiàn)狀,山地農機整機布局應盡可能緊湊,根據(jù)山區(qū)農業(yè)要求,重點突破高效輕量化 HMCVT 驅動技術,解決核心部件的“卡脖子”問題,融合復雜工況與高效傳遞的關系,實現(xiàn)作業(yè)速度的自適應匹配與調控,確保整機工作的動力性、連續(xù)性、經(jīng)濟性和安全性。突破電液比例動力輸出關鍵技術,提升動力機與農具適配性。以動力機轉向時的整車速度、行駛驅動力及轉向驅動力矩為約束,優(yōu)化轉向機構的特性參數(shù)[102],研發(fā)高效靈便的轉向驅動系統(tǒng),設計不同工況下的轉向控制策略,實現(xiàn)復雜多變工況的可變半徑轉向,以滿足碎小地塊作業(yè)轉向需求。

4.4 山地農機作業(yè)智能化監(jiān)測與精確自主導航

丘陵山區(qū)農業(yè)裝備的推廣應用會極大提高農業(yè)生產的效率和質量,但是該地域地形復雜多變性給操縱人員、農機本身帶來了一定的安全隱患。為更好地保證安全性,急需創(chuàng)制動力機行駛速度、機身姿態(tài)、液壓系統(tǒng)壓力流量、山區(qū)作業(yè)環(huán)境、作業(yè)負載等傳感信息以及發(fā)動機轉速、PTO轉矩轉速等發(fā)動機 ECU 工況信號采集傳輸終端與遠程監(jiān)測系統(tǒng);開發(fā)遠程實時故障診斷系統(tǒng)。為了實現(xiàn)高效低損作業(yè),急需研究丘陵山區(qū)非標準地塊復雜場景下的精確自主導航技術、精準識別避障技術。

4.5 山地農機設計與農藝及坡地作業(yè)場景深度融合

針對丘陵山區(qū)不同地域的作物生產差異,作物的耕作、播種、施肥施藥管理、收獲(采摘)、運輸?shù)茸鳂I(yè)環(huán)節(jié)的“無機可用”、“無好機用”的普遍現(xiàn)實問題,突破高效低侵蝕耕作技術、機械化覆膜精量播種技術、小型智能施肥(施藥)機械化作業(yè)技術、小地塊低損機械化聯(lián)合收獲技術、山區(qū)坡地高穩(wěn)定性運輸技術,創(chuàng)制核心零部件,開發(fā)相應的農機裝備,實現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)的機械化和一定程度的智能化。山地農機具應盡可能小型化;動力機盡可能通用化,并具備作業(yè)裝置模塊化快速換裝功能,配套靈活,實現(xiàn)一機多用,提高動力機的適應性和利用率。

我國丘陵山區(qū)廣泛分布于我國西北、西南、 華北和東南等區(qū)域,各地地形、土壤類型、作物種類、種植模式等差異較大,現(xiàn)有山地農機針對性不足,難以適應各地生產需求。因此,山地農機裝備的整機開發(fā)應立足于不同的地域條件,緊密結合當?shù)剞r藝要求,根據(jù)區(qū)域土壤類型、氣候特點、種植規(guī)模、專用作物生產機具的性能,優(yōu)化專用適用型農機裝備整機開發(fā)方案,并研究制定區(qū)域性主推耕作模式和技術標準。并重點推進丘陵山區(qū)適用農機的專項鑒定,落實農機新產品購置補貼試點政策,加快適宜型農機具研發(fā)成果的轉化應用。

對于農業(yè)作業(yè)環(huán)境極其惡劣的丘陵山區(qū),應該考慮通過農田宜機化改造來為農機裝備提供條件,即“改地適機”,宜機改造工作經(jīng)過科學、客觀的分析判斷,對適宜于機械化作業(yè)的土地進行整治,針對不同地域、不同坡度及獨特生態(tài)環(huán)境,形成各地域獨有的丘陵山地農田宜機化改造技術方案。