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国内外农用拖拉机先进技术研究及对比分析

时间:2021-09-24     【转载】   阅读

自2004年《农业机械化促进法》实施以来,农业机械行业发展迅速,基本解决了产量不足的问题,也带来了质量水平不高,有效供给不足的矛 盾。作为动力机械,拖拉机企业较多,同质化严重,且技术水平依然处于发达国家20世纪末的水平,发展步伐缓慢。为此,有必要开展国内外拖拉机先 进技术及我国拖拉机技术现状的研究,准确把握国外先进拖拉机的技术、了 解我国拖拉机的发展水平、意识到存在的差距,为我国拖拉机技术的研究提 供参考,明确发展发现及技术路线,不断提高我国拖拉机的技术水平,同时 也为其他农业机械的发展提供参考。


1 先进技术介绍


 拖拉机属于动力机械,作业高质高效是其根本发展方向。智能化、信息化、多功能是先进拖拉机体的主要特点,具体表现在电子控制技术、液压技术、传感器、控制策略、制造工艺等方面的应用。


1.1液压技术


拖拉机上的液压系统主要有液压悬挂系统、液压转向系统、液压传动系系统、液压润滑系统及部 分液压控制的操控系统等,具体应用有液压提升、液压输出、液压制动、液压操控差速锁、液压离合器(PTO、变速箱)、液压减震驾驶室等,主要应用如表1 所示。随着机电液一体化技术的发展,液压技术的应用水平直接决定了拖拉机的智能化水平,比如说电控液压悬挂技术、电控液压转向或线控液压转向技术、液压悬浮减震技术等,这些技术在国外已 经是较为成熟的技术。


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1.2 电动拖拉机


电动拖拉机已有百余年的发展历史,近些年随着电池的性能得到提高,电动拖拉机的优点逐渐明显。与传统的燃油拖拉机相比,其扭矩较大,且可以实现无级变速,具有高效、底噪、低污染等优点。但针对电动拖拉机的能源管理技术、电机技术、控制技术等与拖拉机的满足恶劣环境工作、续航时长高、安全性好等要求还有差距,其应用范围仍然较窄。


2017年,在法国SIMA展上,约翰迪尔发布了其开发的纯电动拖拉机:SESAM(SustainableEnergySupplyforAgriculturalMachines),该电动拖拉机已经完成田间作业试验,功率为260 kW,可持续工作4 h或满足55 km的运输作业。以中国农业大学、南京农业大学为主的高校就电动拖拉机构、驱动系统、CAN总线传输、控制策略、试验台架进行了理论分析、仿真试验、台架试验,取得了一定的研究成果,部分学者研究并试制了果园用小功率的电动拖拉机样机,基本满足果园旋耕、中耕、施肥等作业要求,但是中大功率的电动拖拉机仍无成熟样机。2012年,中国拖拉机公司与美国公司合作开展电动拖拉机相关技术的研究,但至今未见关于推出样机的相关信息。2018年由国家农机装备创新中心研发的以自主知识产权的电控系统为核心,集成应用北斗导航、毫米波雷达、视觉等无人驾驶系统的国内第一台纯电动无人驾驶拖拉机进入人们视线,并已开始田间试验阶段。


1. 3 电控液压悬挂


悬挂是拖拉机的关键组成部分,是实现拖拉机耕地、播种、施肥等作业功能的基本配置。早期,作业机具多以绳索或链条连接,直至19世纪30年代出现了液压三点悬挂装置,到现在拖拉机上已基本标配液压悬挂系统。传统的液压悬挂采用机械液压方式实现反馈控制,随着传感器技术的发展,反馈信号可以通过相应的传感器来获取,加上电子控制技术的应用,电控液压悬挂技术逐渐成熟。电控液压悬挂是指,数据采集系统通过力、位置、转速等传感器获取拖拉机耕作时的耕作阻力、耕作深度、拖拉机滑转率,并提高处理器输出指令进而控制液压油缸的伸缩实现控制悬挂的提升与下降,保证悬挂最佳的工作状态或调整到预设的耕作位置,实现耕作深度的自动控制,现常用的液压悬挂控制方式有力、位综合控制或者力、位、滑转率综合控制。


电控液压悬挂控制系统(EHR)技术较为成熟,在国外先进企业得到了广泛应用,该系统在实现耕作深度自动控制的基础上还可以实现故障诊断、主动减震、扩展控制、前提升器高度控制、接地压力控制等功能。试验表明,该系统控制误差较小,精度较高。中国农业大学、南京农业大学、江苏大学等高校就自动耕深控制技术的智能控制算法、CAN总线传输技术、多参数调节技术等进行了深入的研究,取得了丰富的理论成果,制作了样机,取得了一定的研究成果。部分公司也推出了较为成熟的产品,其中悦达智能农业装备有限公司在综合市场与成本的前提下,研制了新型的适合中国国情的力位综合控制的电控液压悬挂系统。


1.4导航驾驶系统


拖拉机自动导航驾驶具有直线行驶偏差小、满足夜间作业、降低驾驶员疲劳强度、减少人力资源、提高作业效率等优点,是精准农业的基础。实现拖拉机导航的方法有多种,包括卫星导航、视觉导航、电磁导航等,现在拖拉机上应用较多的就是卫星导航方法,自动导航驾驶技术的关键在于环境感知技术、地图构建技术、路径规划技术、转向控制技术等。根据驾驶的自动程度,拖拉机导航驾驶系统又可以分为辅助驾驶系统、自动驾驶系统、无人驾驶系统,各有优缺点,具体分类如表2所示。国外先进拖拉机企业现已有成熟的导航产品,且已实现模块化,移植性较好,通过参数的调整设置,可以灵活的应用到不同的拖拉机上。

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上世纪70年代美国发明GPS以来,其在农业上的应用范围、方式得到不断拓展。如今北斗导航系统工作卫星已达33颗,服务性能不断提高,民用范围逐渐扩大,基于北斗导航的自动驾驶拖拉机也在研发试用当中。中国农业大学、南京农业大学、华中农业大学、重庆理工大学等高校就自动导航转向控制系统、控制决策方法、障碍物识别等关键技术进行了研究试验,取得了丰富的理论成果。部分企业也推出了自动导航拖拉机,雷沃重工股份有限公司、中国一拖集团有限公司均推出了自主研发的自动导航拖拉机,以雷沃重工为例,其自动导航拖拉机可实现定位、导航、机具自动调节等功能,控制精度高,可满足多种田间作业。


1.5驾驶室技术


传统的拖拉机驾驶室较为简易,以遮风挡雨为基本功能,如今拖拉机驾驶室在保证视野的基础上更加注重安全性、舒适性、可靠性,更加智能化、信息化,可完成拖拉机的大部分信息显示记录、驾驶操控、机具控制、远程通讯等功能。综合来看,其先进性主要体现在如下几个方面。


安全性是拖拉机驾驶室的基本要求,同样也是先进性的体现。作为防护装置,拖拉机驾驶室须满足压垮、侧翻等强度要求,须有满足逃生的紧急出口;视野需要满足标准要求,后视镜位置须合理,保证视野良好,满足安全驾驶,可选装摄像头及辅助显示系统;须安装工作灯满足夜间安全作业及照明需求;驾驶座须安装安全带;前挡风玻璃应为安全玻璃;内饰材料的阻燃性能需满足标准要求。


驾驶舒适性上,先进的技术主要有:在驾驶室与车架的连接处加装减振悬架、减震弹簧或阻尼装置,降低整机的振动水平;方向盘及操纵杆件避振安装,减少整机振动对手臂的冲击,提高驾驶方向的准确性;安装冷暖空调,可实现温度、风速的控制;密封驾驶室,可满足降低噪声,隔断沙尘、农药的要求;减震驾驶座椅,可自主调整座椅的阻尼程度,降低整机振动对驾驶员身体直接冲击。


操控人机工程上,先进性主要体现在:操纵按钮、杆件、界面分类集中合理布置,方便驾驶员操纵使用;信息显示仪表、警示灯布置简洁明了,操作简单、信息简明;阶梯扶手满足标准要求的同时充分考虑到驾驶员活动自如、操作方便的要求;设置有副驾驶座、杯托、文件柜、音响系统、点烟器、遮阳帘等,满足驾驶员多元需求。


智能化方面,先进性主要表现在驾驶室内实现拖拉机的大部分智能控制。控制按钮、界面、杆件,显示界面等已经是驾驶室的重要组成部分,且多数先进驾驶室将部分信息显示界面设置于右前立柱,基本已经融为一体。部分拖拉机将大部分操作按键设置于与驾驶座为一体的扶手上,与座椅同步转动,其基本上可以实现大部分的拖拉机功能的操作,十分智能、简便。


以 CASE Magnum 系列拖拉机驾驶室为例,其配置减震悬架,可以隔离底盘振动,保证驾驶平稳;空气悬浮系统的转椅,可以40°右转,实  现180°的全方位视野,驾驶室的控件也位于右上方,一切都在视野之内。


装有 MultiControl扶手控制台与ICP直观控制面板,可选 AFSPro700TM 触屏监视器,可随驾驶座同步转动,所有重要操作都集成在一个简单的控制器上,可以实现速度选择、换向、油门、地头管理控制、电子遥控阀、后端挂接控制、PTO、操纵杆等功能。配备智能空调,可以实现温度自动控制;方向盘可以倾斜并调节高度;右前立柱设有显示与监控面板,显示清晰、简洁、易读,综合性能监视器可提供额外的反馈,包括拖拉机系统状态、滑转率、已耕作面积和维护提醒等,如果存在任何警告信息,显示器会向驾驶员报警,并在必要时自动关闭发动机以保护机器。


1.6动力换挡


动力换挡是拖拉机上先进的动力传动方案,其是机电液一体化技术在拖拉机的典型应用,其主要是利用电控液压离合器、制动器,在不断开动力传动的前提下实现快速换挡。动力换挡技术克服了传统传动系统停顿换挡、动力中断的缺点,更加方便快捷,提高了工作效率。动力换挡技术已有60余年的历史,上世纪50年代末,动力换挡变速箱首次应用于卡特彼勒履带拖拉机上,20世纪90年代,该技术在普遍应用在大功率或重型拖拉机上。动力换挡变速箱主要由机械传动系统、液压控制系统和电子控制系统三部分组成。技术难点主要在液压技术及电子控制策略上。如今国外 先 进 农 机 企 业 该 技 术 已 经 成 熟,如 Case、JohnDeere、Claas、Challenger、Fendt、MasseyFerguson、Deutz-Fahr等,我国拖拉机企业在收购国外公司的基础上开发出了自主的动力换挡技术,部分企业在积极的研发自主知识产权的动力换挡技术,即将开展型式试验。


1.7无极变速


无极变速是指速比可连续变换。拖拉机作业环境恶劣,如果要达到较高的动力性及经济性,便需要根据作业负荷或速度实时调整传动系的传动比,使发动机工作在传动效率较高区间,经济性较好,是拖拉机传动技术发展的重要方向。


无级变速按传动方式可以分为机械传动、流体传动、电气传动、液压机械双流传动等。功率分流式无级变速传动系已普遍使用,根据德国农业协会试验研究,该方式较动力换挡变速箱作业燃油消耗率更低。


无级变速种类主要分为四类,具体情况如表3所示。

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在日本、韩国等国家,其作业田块面积不大,拖拉机以中小功率为主,其对大功率、大扭矩要求不高,主要采用静液压变速的无级变速。


如今,ACGO、CNH、JohnDeer、Claas、SameDeutz-Fahr等公司均推出了无级变速技术,技术路线略有区别。中国仅有一拖东方红LW4004无级变速重型拖拉机以及常州东风农机集团有限公司的链条传动的无级变速拖拉机,且东方红 LW4004并没有批量生产销售,东风仍处于型式试验阶段。


1.8 电功率


随着拖拉机智能化、大型化及作业机械复式化的发展,传统的动力输出轴和液压输出已经不能完全满足动力供应的需求。在2007年,JohnDeere公司发布了提供电功率的拖拉机,2009年,Belarus公司也向市场推出了一台配置电功率输出的拖拉机。近几年,ZF(ZFFriedrichshafenAG)公司研制出成熟的集成发电机解决方案:TERRA+,该系统最大可以提供70kW的电功率,更加节能高效。


1.9 拖拉机ABS


制动防抱死系统(ABS:AntilockBrakingSystem)是一种车辆刹车制动力控制系统,可防止制动时车轮抱死,保证车辆整机可转向性。如今,拖拉机最大行驶速度较高(在中国拖拉机最高速度限制在40km/h,但一些国家高于此速度),尤其是挂车运输或道路转运行驶时,传统制动系统便不能保证高速制动的安全,因此ABS制动系统有必要应用到高速拖拉机或专业拖拉机上,满足高速行驶时的制定安全性。国外先进企业如 New Holland、JohnDeere、Deutz-Fahr等企业均已具备拖拉机ABS制动技术,且已可以应用到拖拉机上,我国在拖拉机ABS技术上基本没有开展研究。


如图1为John Deere的拖拉机ABS系统示意图。其主要由轮速传感器、制动单元、液压系统(图中未画出)、控制单元(图中未画出)等组成,其可以根据各轮转速、各制动单元液压压力控制控制阀的开闭,进而控制各轮的制动力,在防止车轮抱死的情况下实现车轮的最大减速度。


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1.10 先进耕作系统


先进耕作系统是指在电子控制、液压控制、传感器、数据传输等基础技术的基础上,集成物联网、卫星导航驾驶、能源管理、电控液压悬挂等拖拉机技术,联接人、拖拉机、土地、控制中心(包括基于手机的app软件和基于电脑的控制中心),实现拖拉机各项功能的全面、精确、智能控制,其是基于拖拉机的精确农业,是拖拉机技术的高级阶段。世界先进拖拉机企业在先进耕作系统的研究起步较早,已有十余年的历史,由于其基础技术与各项集成技术已经较为成熟,现阶段先进耕作系统已经成功走向市场,代表了前沿的拖拉机技术。CaseIH耕作系统(AFSTM)为仅为典型的先进耕作系统,该系统主要由个模块组成,分别是车辆控制、车辆导航、AFSTM农场管理软件、AFSCNO-NECTTM远程信息处理,各模块分工明确,功能强大,可实现对整机的控制、自动导航驾驶、信息显示存储等基础功能,同时还可以实现农田信息、作业情况、产量信息等的记录,并在此数据的基础上进行分析统计,帮助农场主或机手进行田间管理作业的正确决策,是物联网的具体应用,是精确农业的载体。


2对比分析


通过以上分析并进一步查阅文献,在掌握国内外主流拖拉机产品技术特点的基础上,分别就发动机、底盘、驾驶室与车身、工作装置等部分分别就国内外拖拉机先进水平的拖拉机技术特点进行的总结概括,列出国内外主流拖拉机产品先进技术对比情况,如表4所示。

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3 总结分析


经过上述先进技术分析以及国内外拖拉机主流技术对比,可以发现我国拖拉机技术水平较国外先进企业差距较大,主要在智能化与信息化上面,具体表现在智能控制策略、机电液一体化技术、制造工艺、人机工程等四个方面。


1)智能控制策略。智能控制策略是智能化、信息化拖拉机的核心,如自动导航驾驶、电控液压悬挂、动力换挡、无级变速等技术,其关键也在于智能控制策略。国外先进企业在上述先进技术上均具有成熟的智能控制策略,如ACGO的无级变速器、CaseIH先进耕作系统(AFSTM)。我国部分高校及科研院所针对动力换挡、自动导航等技术进行了丰富的控制策略理论研究及台架试验,如基于模糊控制算法的耕深控制技术、基于模糊神经网络的直线行走控制策略、无级变速拖拉机智能变速规律等,但是多处于研究阶段,应用水平较低。


2)机电液一体化技术。我国拖拉机机电液一体化技术水平较差,从全液压转向液压悬挂、动力换挡、无级变速、ABS到自动导航等技术均需要机械、电控、液压等技术的有效结合,我国液压技术相对落后,尤其是液压阀可靠性有待提高。国外先进拖拉机,电子控制技术、液压技术、控制策略运用成熟,引领拖拉机技术的发展,整体来看,我国拖拉机机电液一体化技术与国外仍存在较大差距。


3)制造工艺。我国拖拉机企业众多,且多数为中小企业,部分还是以组装为主的家庭作坊式工厂,且我国农机工业基础较差,生产过程控制水平较低,对质量体系要求不高,工艺要求低,导致拖拉机整体装备质量不高,直接结果就是振动、噪声水平高,寿命下降,可靠性有待提高,维护成本高。


4)人机工程。我国拖拉机人机工程仍处于起步阶段,国外先进拖拉机企业比较注重人机工程,尤其在驾驶室上面,可以协调操作显示与安全性、舒适性于一体,振动、噪声水平较小,驾驶员可以方面操作,大大降低劳动强度,提高了舒适性。


我国农业机械相关高校、科研院所或者拖拉机企业应该以《农机装备发展行动方案(2016—2025)》的落实为契机,以《关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》为指导,充分把握国家对新型高效农业机械,尤其是拖拉机提出的具体发展要求,以培养优质人才、提高科研投入、提升制造工艺、攻克关键技术为发展路线,加强关键零部件的研发力度,如传感器、液压阀、控制器等,集中精力攻克关键技术如无级变速技术、智能控制策略,进一步关注拖拉机人机工程,改善拖拉机的可靠性与舒适性,提高智能化、信息化水平,不断提升我国拖拉机技术水平。


(来源:拖拉机与农用运输车杂志)

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