鮑玉冬，楊 杰，趙彥玲，劉獻(xiàn)禮，郭艷玲，李志鵬，向敬忠

（1. 哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2. 哈爾濱理工大學(xué)先進(jìn)制造智能化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080；3. 東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040；4. 東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱 150040）

0 引 言

藍(lán)莓不僅具有很好的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，還具有防止腦神經(jīng) 老化、強(qiáng)心、抗癌、軟化血管、增強(qiáng)機(jī)體免疫等生理功能，被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織列為人類“五大健康食品之一”，世界衛(wèi)生組織也將藍(lán)莓列為“最佳營(yíng)養(yǎng)價(jià)值水果”[1]。中國(guó)藍(lán)莓種植形成了以山東、江蘇、江西、云南為代表的特色種植區(qū)，全國(guó)種植區(qū)域約有27 個(gè)省市區(qū)，截至2015年中國(guó)藍(lán)莓種植面積約為31 210 hm2，平均產(chǎn)量約為1.35 t/hm2。中國(guó)人口眾多，對(duì)藍(lán)莓需求基數(shù)龐大，消費(fèi)潛力巨大，藍(lán)莓種植面積還會(huì)持續(xù)增加。藍(lán)莓是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，果實(shí)的采收是產(chǎn)業(yè)鏈中成本最高、耗時(shí)最多的環(huán)節(jié)，嚴(yán)重影響藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

目前中國(guó)藍(lán)莓采收主要依靠人工采收，藍(lán)莓采收機(jī)的研究仍處于起步階段，尚未形成高效機(jī)械化采收鏈條。國(guó)外藍(lán)莓機(jī)械化采收研究起步較早，技術(shù)成熟，藍(lán)莓種植基地規(guī)模較大，果樹(shù)間距大，壟間路面平整，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝匹配；中國(guó)藍(lán)莓種植基地多為高密度種植模式，地表形態(tài)規(guī)整度差，國(guó)外技術(shù)成熟的藍(lán)莓采收機(jī)即使引進(jìn)也無(wú)法高效使用[3-4]。由于藍(lán)莓采收時(shí)間主要集中在全年降水量最多的7、8 月份，采收機(jī)作業(yè)路面質(zhì)量差，車輪容易發(fā)生打滑和沉陷，整機(jī)通過(guò)性差直接影響果實(shí)采收效率，阻礙藍(lán)莓采收機(jī)有效發(fā)揮其自身優(yōu)良性能，制約中國(guó)藍(lán)莓種植產(chǎn)業(yè)規(guī)?；б?，以及中國(guó)藍(lán)莓機(jī)械化采收進(jìn)程的快速發(fā)展。

藍(lán)莓采收機(jī)車輪與路面土壤接觸性能是影響整機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其通過(guò)性的重要因素之一，近些年關(guān)于輪壤接觸特性的研究主要集中于輪壤接觸機(jī)理、接觸模型和模型修正等方面。Mohsenimanesh 等通過(guò)非線性三維單元建立了充氣輪胎與土壤相互作用有限元模型[5]；Xia 對(duì)土壤塑形采用了Drucker-Prager/Cap 模型研究，建立了三維條件下的輪壤相互作用有限元模型[6]；Pruiksma 等利用連續(xù)歐拉方程建立表征沙子大變形的模型，簡(jiǎn)化了輪胎模型，并采用拉格朗日方程進(jìn)行建模[7]；Shoop 等利用有限元法在輪胎測(cè)試和建模方面提供新思路，研究了輪壤間的相互作用[8]；Yamakawa 等建立了簡(jiǎn)單的輪胎模型并分析車輛在干砂上的運(yùn)動(dòng)，輪胎模型可用側(cè)滑角和下沉度等簡(jiǎn)單函數(shù)表示，并在均勻平整砂土上進(jìn)行了四輪模型車輛轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，與數(shù)值模擬結(jié)果比較，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性[9]；周兵等利用ADMAS 研究了軟地面車輛的平順性和基于地面力學(xué)分析了月球車的移動(dòng)性能[10]；Nakashima 等將離散元和有限元法簡(jiǎn)易耦合，輪胎與深層土壤建模有限元化，土壤表層建模離散元化，解決了牽引輪胎-土壤簡(jiǎn)易接觸問(wèn)題[11]；鄧宗全等通過(guò)試驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)車輛輪地相互作用應(yīng)力分布模型進(jìn)行修正，分析了車輪輪刺高度對(duì)應(yīng)力分布的影響[12]；鄒猛等給出了剛性輪-月壤相互作用預(yù)測(cè)模型，設(shè)計(jì)研制了月壤-車輪土槽試驗(yàn)系統(tǒng)[13-14]。本文在此基礎(chǔ)上要解決中國(guó)藍(lán)莓采收機(jī)入園作業(yè)通過(guò)性差的難題，藍(lán)莓采收機(jī)屬農(nóng)業(yè)設(shè)備，田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，建立符合農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)的輪壤接觸模型，得到藍(lán)莓采收機(jī)車輪通過(guò)性影響因素，可以更準(zhǔn)確地描述輪壤接觸過(guò)程中的力學(xué)行為變化，為自走式藍(lán)莓采收機(jī)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。本文根據(jù)自走式藍(lán)莓采收機(jī)作業(yè)原理，研究藍(lán)莓采收機(jī)輪壤接觸力學(xué)行為特性，對(duì)輪壤接觸特性進(jìn)行離散元仿真，研制出適應(yīng)中國(guó)作業(yè)工況的自走式藍(lán)莓采收機(jī)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提高自走式藍(lán)莓采收機(jī)作業(yè)通過(guò)性，促進(jìn)中國(guó)以藍(lán)莓為代表的小漿果采收機(jī)械整體水平的提升。

1 車輪與土壤接觸力學(xué)行為分析

1.1 自走式藍(lán)莓采收機(jī)作業(yè)行走原理

自走式藍(lán)莓采收機(jī)入園作業(yè)時(shí)，整機(jī)跨騎在待采藍(lán)莓果樹(shù)上，車輪落在果樹(shù)兩側(cè)壟溝里，整機(jī)直線行走，完成果實(shí)的采摘和收獲，行走原理如圖1 所示。藍(lán)莓采收機(jī)的車輪在松軟的土壤中運(yùn)行時(shí)，容易發(fā)生滑轉(zhuǎn)沉陷，導(dǎo)致整機(jī)牽引效率降低，偏離預(yù)定直線行走軌跡，甚至使車輪陷入土壤造成整機(jī)非目的性偏移，影響果實(shí)采收效率、果樹(shù)采凈率，造成果樹(shù)擦傷，嚴(yán)重影響藍(lán)莓采收機(jī)作業(yè)性能。

圖1 自走式藍(lán)莓采收機(jī)作業(yè)行走原理 Fig.1 Walking principle of self-propelled blueberry harvester

1.2 車輪與土壤接觸力學(xué)模型

車輪在松軟的土壤中行走時(shí)，車輪與土壤的接觸過(guò)程是持續(xù)變化的，分析輪壤接觸力學(xué)特性；考慮車輪在土壤中的滑轉(zhuǎn)沉陷對(duì)車輪牽引效率的影響，分析影響車輪通過(guò)性的因素，并以影響因素為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行各參數(shù)仿真，為行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，則土壤對(duì)單個(gè)車輪作用簡(jiǎn)化模型如圖2 所示。

圖2 車輪與地面土壤接觸作用模型 Fig.2 Contact model between wheel and ground soil

由于松軟土壤無(wú)法滿足變形固體的假設(shè)條件，所以輪壤接觸不能用集中力形式表達(dá)，土壤對(duì)車輪的作用力表現(xiàn)為連續(xù)應(yīng)力形式，包括正應(yīng)力σ 和切應(yīng)力τ，REECE理論考慮了不同輪壤接觸角度對(duì)正應(yīng)力分布影響，JANOSI 理論則廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的切應(yīng)力研究，因此根據(jù)REECE 正應(yīng)力分布模型和JANOSI 切應(yīng)力計(jì)算模型[15]，土壤對(duì)車輪的作用應(yīng)力為

式中σ1為車輪進(jìn)入?yún)^(qū)域接觸正應(yīng)力，MPa；σ2為車輪離去區(qū)域接觸正應(yīng)力，MPa；θ 為輪壤接觸作用角，（°）；θ1為車輪進(jìn)入角，（°）；θ2為車輪離去角，（°）；θm為最大應(yīng)力角，（°）；b 為車輪寬度，m；c 為土壤內(nèi)聚力，N；ck′、kφ′分別為無(wú)量綱土壤內(nèi)聚和摩擦變形模量；γs為土壤容重，kg/m3；n 為土壤的沉陷變形指數(shù)；φ 為土壤內(nèi)摩擦角，（o）；z 為車輪最大沉陷量，m。

式中τ 為車輪切應(yīng)力總和，MPa；τ1為車輪進(jìn)入?yún)^(qū)域接觸切應(yīng)力，MPa；τ2車輪離去區(qū)域接觸切應(yīng)力，MPa；j 為土壤的剪切位移，m；K 為土壤的剪切變形模量，MPa。

由式（1）、（2）可知，接觸應(yīng)力σ1、σ2，τ 與車輪進(jìn)入角θ1、車輪離去角θ2、最大應(yīng)力角θm有關(guān)，由于輪壤接觸過(guò)程具有不確定性，所以車輪行進(jìn)過(guò)程中輪壤接觸應(yīng)力是持續(xù)變化的。

1.3 車輪通過(guò)性能分析

藍(lán)莓采收機(jī)田間作業(yè)時(shí)的行走速度相對(duì)較低，設(shè)車輪與地面土壤接觸作用過(guò)程中的力與力矩平衡，則

式中r 為車輪半徑，m。

由式（3）、（4）可知，車輪載荷W 和驅(qū)動(dòng)力矩T與土壤參數(shù)和車輪結(jié)構(gòu)有關(guān)。

輪壤接觸過(guò)程中的車輪沉陷量z，根據(jù)Bekker 沉陷經(jīng)驗(yàn)公式有

車輪通過(guò)性可由掛鉤牽引力Fd表征，有

式中Ft為土壤對(duì)車輪的圓周力，N；Fr為土壤阻力，N。

式中Kpc、Kpr都為與土壤內(nèi)摩擦角φ 相關(guān)的無(wú)量綱系數(shù)，為

將式（7）、（8）代入式（6）得

根據(jù)上述驅(qū)動(dòng)力T、車輪負(fù)載W 及沉陷量z 的分析，由式（11）可知影響車輪通過(guò)性的因素為土壤屬性、車輪結(jié)構(gòu)和采收機(jī)行走速度。

2 輪壤接觸力學(xué)行為離散元仿真

同一采收環(huán)境下的藍(lán)莓種植土壤屬性不變，所以需要分析車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)與采收機(jī)行走速度對(duì)車輪通過(guò)性的影響，選擇離散元法[16]研究輪壤接觸過(guò)程力學(xué)行為變化規(guī)律。

2.1 離散元仿真模型建立

2.1.1 土壤接觸模型顆粒

藍(lán)莓種植土壤屬于黃壤土，土壤質(zhì)地深厚，濕潤(rùn)，透氣性和透水性較好，參照黃壤土屬性如表1 所示[17]。

表1 土壤屬性 Table 1 Soil property

選取采收季節(jié)的高叢藍(lán)莓種植基地土壤，測(cè)得80%的土壤顆粒尺寸在0.25～5 mm，含水率為22%，通過(guò)土壤堆積角試驗(yàn)[18]測(cè)得堆積角α1約為42°，如圖3a、3b 所示。將測(cè)得的土壤堆積角、顆粒尺寸及含水率輸入至GEMM 顆粒屬性數(shù)據(jù)庫(kù)得到表征顆粒間黏附效應(yīng)的表面能數(shù)值為10.1 J/m3，表明所取土壤樣本存在黏附效應(yīng)[19]。由于土壤具有黏附效應(yīng)，顆粒間容易產(chǎn)生黏結(jié)，而且土壤樣本的實(shí)體結(jié)構(gòu)形態(tài)特點(diǎn)是呈球形的粒狀或多個(gè)顆粒黏結(jié)而成的小團(tuán)狀，所以為了縮短運(yùn)算時(shí)間，以半徑為5 mm 的球形顆粒作為土壤基體，球徑倍率分布設(shè)置為0.95～1.05，利用建立的球形顆粒模型通過(guò)EDEM 軟件進(jìn)行土壤堆積角仿真試驗(yàn)，如圖3c 所示，測(cè)得仿真堆積角α2約為 40o，仿真堆積角與實(shí)測(cè)堆積角值誤差率為4.7%，因此建立的土壤顆粒模型有效，可以應(yīng)用于仿真。土壤顆粒的接觸力學(xué)模型選擇為Hertz-Mindlin with JKR 模型。

圖3 土壤堆積角測(cè)量 Fig.3 Measurement of soil accumulation angle

2.1.2 藍(lán)莓采收機(jī)模型

為提高仿真效率，對(duì)自走式藍(lán)莓采收機(jī)的車體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，考慮采摘過(guò)程中人員質(zhì)量的配置，根據(jù)藍(lán)莓采收機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和質(zhì)心位置，后輪負(fù)載大于前輪，后輪負(fù)載約3 000 N，同時(shí)考慮到采收機(jī)底盤(pán)最低部位與地面的間隙失效，所以對(duì)于采收機(jī)車輪結(jié)構(gòu)類型選擇如表2 所示，建立藍(lán)莓采收機(jī)仿真模型，如圖4 所示。

表2 車輪結(jié)構(gòu)類型及參數(shù) Table 2 Type and parameters of wheel structure

圖4 整機(jī)結(jié)構(gòu) Fig.4 Whole structure of harvester

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置及方案設(shè)計(jì)

在EDEM 前處理器中，仿真參數(shù)設(shè)置如表3 所示，對(duì)選擇的Hertz-Mindlin with JKR 接觸模型參數(shù)設(shè)置[20]。藍(lán)莓采收機(jī)行走包括非作業(yè)行走和作業(yè)行走，非作業(yè)行走主要在規(guī)整平坦路面上行進(jìn)，根據(jù)設(shè)計(jì)和使用要求[21]，擬對(duì)自走式藍(lán)莓采收機(jī)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)，提高車輪沉陷時(shí)的通過(guò)性，設(shè)改進(jìn)后的采收機(jī)行走速度可達(dá)到極限速度11 km/h；作業(yè)行走時(shí)，采收機(jī)在多變非規(guī)整的田間地表土壤行進(jìn)，為保證駕駛安全、果實(shí)采收質(zhì)量及效率，藍(lán)莓采收機(jī)的行進(jìn)速度一般控制在3.1 km/h 左右，因此輪壤接觸仿真方案設(shè)計(jì)如表4 所示。

表3 離散元仿真參數(shù) Table 3 Simulation parameters of DEM

表4 仿真試驗(yàn)方案 Table 4 Simulation test scheme

設(shè)置仿真步長(zhǎng)為1×10-5s，數(shù)據(jù)保存間隔為0.01 s，仿真時(shí)間為5 s，仿真開(kāi)始時(shí)生成土壤顆粒，顆粒生成總數(shù)為在土壤顆粒生成沉降穩(wěn)定后[22]，采收機(jī)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，直至仿真完成。

2.3 仿真結(jié)果分析

藍(lán)莓采收機(jī)以11 km/h 速度行駛時(shí)，在其輪壤接觸仿真過(guò)程動(dòng)畫(huà)中截取代表性時(shí)刻的畫(huà)面：截取0.5 s 時(shí)的畫(huà)面，如圖5a 所示，該時(shí)刻路面土壤模型正在生成；截取1.5 s 時(shí)的畫(huà)面，如圖5b 所示，該時(shí)刻所示為路面土壤模型生成完畢，采收機(jī)處于待行走；截取4 s 時(shí)的畫(huà)面，如圖5c 所示，此時(shí)采收機(jī)正在行走；截取4.5 s 時(shí)的畫(huà)面，如圖5d 所示，此時(shí)采收機(jī)制動(dòng)。

圖5 輪壤接觸仿真過(guò)程 Fig. 5 Contact simulation process between wheel and soil

通過(guò)輪壤接觸仿真過(guò)程可知，采收機(jī)在行進(jìn)過(guò)程中，輪壤接觸壓力是時(shí)刻變化的，采收機(jī)起動(dòng)時(shí)輪壤接觸壓力峰值為5 380 N，平穩(wěn)行走時(shí)輪壤接觸壓力峰值為5 570 N，制動(dòng)時(shí)輪壤接觸壓力峰值為6 170 N，由圖5b～5d 中各區(qū)域顏色占比對(duì)比知，輪壤接觸壓力最大波動(dòng)范圍出現(xiàn)在采收機(jī)制動(dòng)時(shí)，輪壤接觸壓力在采收機(jī)行進(jìn)過(guò)程中，以輪壤接觸點(diǎn)為中心向四周減小，且對(duì)于采收機(jī)行駛過(guò)的路面，輪壤接觸壓力值逐漸歸0，采收機(jī)即將行駛的路面，輪壤接觸壓力值開(kāi)始上升。

不同車輪結(jié)構(gòu)和采收機(jī)行走速度下的車輪阻力矩曲線如圖6 所示。由圖6 可知，車輪結(jié)構(gòu)和采收機(jī)行走速度的變化對(duì)于輪壤接觸力學(xué)行為影響明顯，從圖6a、6c 和6e 及圖6b、6d 和6f 對(duì)比分析可知，采收機(jī)具有相同的行走速度時(shí)，隨車輪半徑和車輪寬度的增加，輪壤接觸過(guò)程的車輪阻力矩增加，方案5 與方案1相比，阻力矩最大峰值增長(zhǎng)幅度最大為271.6 N·m，是由于車輪尺寸增加，增加了車輪與地面的接觸摩擦面積，導(dǎo)致車輪阻力矩增加；從圖6a 和6b、圖6c 和6d及圖6e 和6f 的對(duì)比分析可知，采收機(jī)車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)固定時(shí)，行走速度由3.1 km/h 上升到11 km/h 時(shí)，輪壤接觸過(guò)程的車輪阻力矩增加，方案2 與方案1 相比，阻力矩最大峰值增長(zhǎng)幅度最大為452.3 N·m，是由于車輪轉(zhuǎn)速增加，增加了土壤波動(dòng)速度，使車輪沉陷量增加，增大了車輪阻力矩；正常行駛階段采收機(jī)后輪阻力矩普遍大于前輪阻力矩，主要是由于藍(lán)莓采收機(jī)后輪負(fù)載大于前輪；另外車輪在平穩(wěn)行進(jìn)的阻力矩變化范圍值小于采收機(jī)制動(dòng)階段，制動(dòng)完成后，車輪阻力矩急劇減小。

圖6 車輪阻力矩變化曲線 Fig.6 Changing curves of wheel resistance torque

輪壤接觸過(guò)程中，土壤波動(dòng)速度如圖7 所示。0～1 s 為土壤顆粒生成時(shí)間段，土壤顆粒生成過(guò)程中發(fā)生碰撞，產(chǎn)生波動(dòng)行為，隨著全部顆粒生成結(jié)束，波動(dòng)行為逐漸下降；1～1.5 s 為土壤顆粒沉淀穩(wěn)定階段，顆粒逐漸沉淀堆積，趨近于穩(wěn)定，直至在1.5 s 土壤顆粒無(wú)波動(dòng)行為產(chǎn)生；1.5 s 后，土壤顆粒波動(dòng)行為是由輪壤接觸導(dǎo)致，在采收機(jī)行走速度不變，車輪半徑和車輪寬度增大時(shí)，土壤的波動(dòng)速率峰值由0.033 m/s 上升至0.319 m/s，峰值差值為0.276 m/s，土壤波動(dòng)行為加劇，這是由于車輪半徑和車輪寬度的增加，增大了車輪與土壤的接觸面積，使得更多顆粒發(fā)生碰撞；在車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，采收機(jī)行走速度由3.1 km/h 增加到11 km/h 時(shí)，土壤波動(dòng)速度峰值由0.033 m/s 上升至0.276 m/s，峰值差值為0.243 m/s，土壤波動(dòng)行為加劇，這是由于車輪行走速度增加，輪壤接觸運(yùn)動(dòng)變得劇烈，土壤顆粒碰撞加劇。

圖7 土壤波動(dòng)速度 Fig. 7 Soil fluctuation velocity

輪壤接觸力學(xué)行為在輪壤接觸過(guò)程中始終變化，在土壤屬性一致時(shí)，車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)或采收機(jī)行走速度的增加，使輪壤接觸阻力矩最大峰值增長(zhǎng)幅度為452.3 N·m，土壤波動(dòng)速度最大峰值增長(zhǎng)幅度為0.276 m/s，阻力矩和土壤波動(dòng)速度的增加，減小了車輪通過(guò)性，降低了采收機(jī)田間通過(guò)性能，因此自走式藍(lán)莓采收機(jī)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能需適應(yīng)輪壤接觸力學(xué)行為的變化。

3 行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證藍(lán)莓采收機(jī)作業(yè)過(guò)程中通過(guò)性能始終處于良好狀態(tài)，根據(jù)上述各狀態(tài)車輪阻力矩分析，設(shè)計(jì)藍(lán)莓采收機(jī)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)要求為四輪驅(qū)動(dòng)，滿足行駛速度要求，車輪輸出具有一致性，整機(jī)可以平穩(wěn)行走；車輪發(fā)生沉陷時(shí)，可以快速越障。

3.1 行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理

藍(lán)莓集中成熟季節(jié)，雨季土壤濕潤(rùn)蓬松及路面質(zhì)量差，輪壤接觸阻力矩變化復(fù)雜，車輪容易發(fā)生沉陷，為確保行駛驅(qū)動(dòng)有效，采用四輪行走液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[23-24]。閉式液壓回路具有高功率重量比、無(wú)級(jí)調(diào)速和控制精確的優(yōu)點(diǎn)，本文基于閉式容積調(diào)速液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工作原理圖如8 所示。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)1 為整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源，帶動(dòng)變量泵2 工作；變量泵2 為軸向柱塞變量泵，通過(guò)調(diào)節(jié)缸3可以調(diào)節(jié)變量泵2 的斜盤(pán)傾角，實(shí)現(xiàn)泵的正反轉(zhuǎn)，三位四通換向閥4 可鎖緊調(diào)節(jié)缸3 的位置；安全閥5、6 防止液壓系統(tǒng)超載，保證安全；沖洗閥7 使系統(tǒng)中的液壓油循環(huán)冷卻、過(guò)濾，分流閥8、9 可在土壤阻力引起各車輪負(fù)載變化時(shí)自動(dòng)分配流量，解決了四輪驅(qū)動(dòng)不同步的問(wèn)題；液壓馬達(dá)10、11、12、13 為雙排量馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)車輪的正反轉(zhuǎn)，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)形式為單輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式；液壓馬達(dá)連接形式為對(duì)角連接，該連接形式能夠解決左右車輪負(fù)載不一致時(shí)，采收機(jī)非目的性轉(zhuǎn)向問(wèn)題。

圖8 行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖 Fig.8 Working principle diagram of walking driving system

根據(jù)圖6 中各車輪的阻力矩變化范圍約為0～690 N·m，同時(shí)考慮到車輪沉陷時(shí)，未沉陷車輪的輸出性能表現(xiàn)，對(duì)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件-液壓馬達(dá)和動(dòng)力元件-液壓泵進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)選擇[25]，如表5 所示。

表5 液壓元件技術(shù)參數(shù) Table 5 Technical parameters of hydraulic components

3.2 行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多物理場(chǎng)模型

行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)完成車輪同步驅(qū)動(dòng)及車輪沉陷等多種工況，因此為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的四輪行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的適應(yīng)情況，參考圖8 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖，利用多物理系統(tǒng)建模和仿真平臺(tái)—AMESIM 建立如圖9 所示的四輪行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)AMESim 模型[26]。

圖8 與圖9 相比，以斜盤(pán)傾角控制信號(hào)23 代替了調(diào)節(jié)缸和三位四通換向閥，實(shí)現(xiàn)變量泵2 的斜盤(pán)傾角控制和位置固定；旋轉(zhuǎn)負(fù)載7、10、13、16 用來(lái)施加車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所承受的負(fù)載力矩，車輪力矩控制信號(hào)8、9、14、15 可以分別調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)負(fù)載7、10、13、16 上的負(fù)載力矩大小，模擬采收機(jī)行走過(guò)程中車輪所受的不同阻力矩。

3.3 行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適應(yīng)性工況分析

行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在藍(lán)莓采收機(jī)田間作業(yè)過(guò)程中，在保證實(shí)現(xiàn)車輪同步平穩(wěn)行走的基礎(chǔ)上，還要克服車輪卡死或車輪沉陷等工況，確保行駛穩(wěn)定性，因此需要對(duì)建立的AMESim 行走驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行工況適應(yīng)性仿真分析。

根據(jù)輪壤接觸仿真分析，設(shè)置4 個(gè)車輪的阻力矩為300 N·m，通過(guò)分流閥5、18 調(diào)節(jié)流量，運(yùn)行AMESim 軟件，仿真時(shí)間為10 s，數(shù)據(jù)輸出間隔為0.1 s，仿真完成后，導(dǎo)出液壓馬達(dá)6、11、12、17 的輸出力矩和轉(zhuǎn)速曲線，如圖10 所示，分析可知4 個(gè)車輪克服阻力矩300 N·m后，輸出力矩快速升至為86.8 N·m，輸出轉(zhuǎn)速快速增至83.6 r/min，若以輪胎205/60R15 行走，該轉(zhuǎn)速使藍(lán)莓采收機(jī)以約10 km/h 速度行走，表明4 個(gè)車輪行走輸出具有一致性，滿足采收機(jī)平穩(wěn)行走需要。

圖9 行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)AMESim 模型 Fig.9 AMESim model of walking driver system

圖10 平穩(wěn)工況馬達(dá)輸出特性 Fig.10 Output characteristic of motor in stable condition

輪壤接觸仿真可知后輪所受阻力矩普遍大于前輪，設(shè)后輪發(fā)生沉陷，阻力矩為700 N·m，其他仿真設(shè)置條件不變，液壓馬達(dá)6、11、12、17 的輸出力矩和轉(zhuǎn)速曲線如圖11 所示，分析可知當(dāng)藍(lán)莓采收機(jī)遭遇車輪沉陷時(shí)，4 個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)輸出力矩同時(shí)升高，以克服阻力矩的提高，前車輪的馬達(dá)輸出力矩上升幅度約為25.5 N·m，后車輪的馬達(dá)輸出力矩上升幅度約為44.1 N·m，約3 s 后恢復(fù)至初始值；前車輪的馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速由平穩(wěn)行進(jìn)的75.6 r/min 分別提升至120.3 r/min 和103.4 r/min，后車輪的馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速由于阻力矩變大，由平穩(wěn)行進(jìn)的75.6 r/min 分別下降至44.3 r/min 和24.8 r/min，沉陷工況發(fā)生約3 s 后，各車輪轉(zhuǎn)速恢復(fù)至初始值，表明藍(lán)莓采收機(jī)克服車輪沉陷工況。

圖11 沉陷工況馬達(dá)輸出特性 Fig.11 Output characteristic of motor in subsidence condition

綜上所述，所設(shè)計(jì)的行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在車輪遭遇沉陷時(shí)，4 個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力矩不同程度的提高來(lái)克服阻力矩的增大，遭遇沉陷的車輪轉(zhuǎn)速降低，未沉陷車輪轉(zhuǎn)速增加幫助沉陷車輪快速越障，且在沉陷車輪越障成功后，車輪輸出力矩和轉(zhuǎn)速回歸到平穩(wěn)行走數(shù)值，則所設(shè)計(jì)的行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠適應(yīng)平穩(wěn)行走和車輪沉陷的工況要求。

4 田間試驗(yàn)與分析

4.1 樣機(jī)搭建

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能及與藍(lán)莓采收機(jī)采收系統(tǒng)的匹配性，依據(jù)行走系統(tǒng)原理圖搭建行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，考慮底盤(pán)離地間隙，輪胎型號(hào)選擇為205/60R15，并裝配到自走式藍(lán)莓采收機(jī)上，完成樣機(jī)搭建和調(diào)試，試驗(yàn)樣機(jī)如圖12 所示。

圖12 試驗(yàn)樣機(jī) Fig.12 Experimental prototype

4.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

選擇藍(lán)莓成熟季節(jié)進(jìn)行樣機(jī)測(cè)試，于2017 年7 月在南京藍(lán)莓種植基地進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表6 所示。參照GB/T5667—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》[27]確定測(cè)試方法如下：

1）行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平穩(wěn)路面行駛性能：在平整的路面上畫(huà)長(zhǎng)為100 m 的直線段，藍(lán)莓采收機(jī)一側(cè)車輪沿直線段以約10 km/h 速度行駛，行駛過(guò)程中駕駛?cè)藛T不得糾正采收機(jī)行進(jìn)軌跡，通過(guò)路面上的車輪軌跡測(cè)量車輪中心線偏離直線段最大距離，測(cè)試10 次取平均值，通過(guò)最大距離值判斷四輪驅(qū)動(dòng)一致性；測(cè)試行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)行駛速度范圍，前進(jìn)和后退功能。

2）行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沉陷越障性能：在高叢藍(lán)莓種植基地中選擇10 處坑洼路況或人工制造10 處坑洼路況，在采收機(jī)經(jīng)過(guò)各處坑洼路況時(shí)，觀察每處坑洼處的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)及采收機(jī)越障過(guò)程，分別記錄每處坑洼路況下的采收機(jī)越障時(shí)間，人工處理取平均值，并詢問(wèn)駕駛?cè)藛T操作體感。

3）行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與采收系統(tǒng)匹配性能：隨機(jī)選擇 10壟為測(cè)試區(qū)，藍(lán)莓采收機(jī)以3.1 km/h 速度作業(yè)，分別記錄每壟果實(shí)采收效率、果樹(shù)采凈率及果樹(shù)損傷率，人工處理記錄10 壟的各項(xiàng)指標(biāo)平均值。

① 果實(shí)采收效率

式中P1為果實(shí)采收效率，%；M 為采收質(zhì)量，kg；t 為采收用時(shí)，s。

② 果樹(shù)采凈率

式中P2為果樹(shù)采凈率，%；N1為采收前估測(cè)的成熟果實(shí)總數(shù)量；N2為采收后估測(cè)的成熟果實(shí)總數(shù)量。

③ 果樹(shù)損傷率

式中P3為果樹(shù)損傷率，%；Q1為采收前隨機(jī)選擇標(biāo)記完好的枝條總數(shù)；Q2為采收后擦傷的枝條總數(shù)。

試驗(yàn)過(guò)程如圖13 所示，試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。

表6 試驗(yàn)條件 Table 6 Experimental condition

圖13 試驗(yàn)過(guò)程 Fig.13 Experimental process

表7 試驗(yàn)結(jié)果 Table 7 Experimental result

由表7 可知，藍(lán)莓采收機(jī)行駛速度范圍為0～11 km/h，行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)正常，車輪前進(jìn)和后退操作控制自如，系統(tǒng)安全，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求；直線行駛時(shí)，駕駛員無(wú)糾正車輪軌跡，單側(cè)車輪中心線最大偏移量為180 mm，驗(yàn)證行走系統(tǒng)四輪輸出具有一致性，整機(jī)可以平穩(wěn)行駛，偏移量的產(chǎn)生是由于路面引起的顛簸等因素造成。整機(jī)越障平均時(shí)間為3.3 s，越障過(guò)程整機(jī)無(wú)非目的性轉(zhuǎn)向偏移，與仿真結(jié)果基本一致，駕駛?cè)藛T操作體感正常，驗(yàn)證行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以使整機(jī)安全越障。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和采收系統(tǒng)的動(dòng)力源，動(dòng)力使用滿足要求；整機(jī)采收效率7.01 kg/min，果樹(shù)采凈率為92%，滿足藍(lán)莓機(jī)械化采收需要，表明采收系統(tǒng)工作正常；由于機(jī)械化采收果實(shí)，不可避免地造成機(jī)械對(duì)果樹(shù)枝條的擦傷，果樹(shù)損傷率為11.5%；上述結(jié)果都表明行駛系統(tǒng)與采收系統(tǒng)匹配性良好。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿足自走式藍(lán)莓采收機(jī)行駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠保證藍(lán)莓采收機(jī)田間作業(yè)通過(guò)性和穩(wěn)定性，行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能滿足藍(lán)莓機(jī)械化采收需要。

5 結(jié) 論

1）建立了藍(lán)莓采收機(jī)作業(yè)條件下的輪壤接觸力學(xué)模型，分析了輪壤接觸過(guò)程中驅(qū)動(dòng)力矩、車輪負(fù)載、車輪沉陷量和表征車輪通過(guò)性的掛鉤牽引力，得到了車輪通過(guò)性影響因素為車輪結(jié)構(gòu)、土壤屬性和行走速度。

2）提出了以離散元法對(duì)藍(lán)莓采收機(jī)作業(yè)條件下的輪壤接觸力學(xué)特性數(shù)值模擬，建立了藍(lán)莓采收機(jī)輪壤接觸離散元仿真模型，仿真得到輪壤接觸壓力以接觸點(diǎn)為中心向四周減小，行駛過(guò)的路面，輪壤接觸壓力逐漸歸0，即將行駛的路面，接觸壓力開(kāi)始上升；后輪阻力矩普遍大于前輪阻力矩，當(dāng)車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)和行走速度增加時(shí)，車輪所受阻力矩增加，阻力矩最大峰值差的最大值為452.3 N·m，土壤波動(dòng)速率也隨之增加，峰值差的最大值為0.276 m/s。

3）基于閉式容積調(diào)速液壓驅(qū)動(dòng)回路設(shè)計(jì)了自走式藍(lán)莓采收機(jī)四輪行走液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，建立了該系統(tǒng)的多物理場(chǎng)AMESIM 仿真模型，仿真得到阻力矩為300 N·m 時(shí)，4 個(gè)車輪克服阻力矩后升至86.8 N·m，轉(zhuǎn)速為83.6 r/min，車輪輸出具有一致性，若以輪胎205/60R15 行走，該轉(zhuǎn)速使采收機(jī)以約10 km/h 平穩(wěn)行走；后車輪沉陷時(shí)，阻力矩為 700 N·m 時(shí)，前車輪馬達(dá)輸出力矩上升幅度約為25.5 N·m，后車輪馬達(dá)輸出力矩上升幅度約為44.1 N·m；前車輪的馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速由 75.6 r/min 分別提升至120.3 r/min 和103.4 r/min，后車輪的馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速分別下降至44.3 r/min 和24.8 r/min，沉陷工況發(fā)生約3 s 后，各車輪輸出力矩和轉(zhuǎn)速恢復(fù)至初始值，后輪越過(guò)沉陷區(qū)。通過(guò)樣機(jī)田間試驗(yàn)驗(yàn)證行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4 個(gè)車輪輸出具有一致性，整機(jī)直線行駛輪胎中心線最大偏移量為180 mm；沉陷越障時(shí)間約3.3 s，整機(jī)無(wú)非目的性轉(zhuǎn)向偏移，行駛系統(tǒng)與采收系統(tǒng)匹配性良好，采收效率為7.01 kg/min，果樹(shù)采凈率為92%，果樹(shù)損傷率為11.5%。

藍(lán)莓采收機(jī)輪壤接觸力學(xué)行為及行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究可提高中國(guó)藍(lán)莓采收機(jī)作業(yè)的適應(yīng)性和高效性，對(duì)促進(jìn)中國(guó)小漿果采收機(jī)械的整體水平提升具有理論意義和實(shí)用價(jià)值。