丘陵山地动力底盘发展现状与展望

向文博, 汤晶宇*, 范志远, 杨 兰, 张丽平, 王 东, 寇 欣

(1.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所,黑龙江 哈尔滨 150086;2.国家林业和草原局林业机电工程重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150086;3.国家林业和草原局林业装备工程技术研究中心,黑龙江 哈尔滨 150086)

丘陵是指海拔高度在500 m以下,地面起伏小,坡度较缓,并且连成片的地区。山地是指海拔高度在500 m以上,相对高度差200 m以上的高地,地面起伏大,坡度陡峭,多以脉状分布。我国丘陵山地面积6.66亿hm2,占国土总面积的69.4%,全国有19个省份(包括中国台湾地区)50%以上的地域是丘陵山地[1, 2]。丘陵山地动力底盘是指用于丘陵山地环境下的农林生产,具有较好的爬坡和越障能力,以及较高的行驶稳定性和平顺性的作业装备。我国的耕地主要集中在丘陵山区、高原,据有关资料统计,山区粮食产量及油料作物的产量占全国总产量的50%左右[3, 4]。由于丘陵山地地形复杂,高低起伏,地面凹凸不平,坡度大,所以目前适合丘陵山地使用的农林机械较少,主要依靠人工作业,劳动强度大,成本高,效率低,机械化程度与当前发展需求不匹配。因此,实现丘陵山地机械化作业的前提是实现装备的“上山入林”,解决装备底盘问题是发展丘陵山地作业装备的基础,是实现装备顺利上山入林的关键,底盘的好坏制约着丘陵山地机械化作业的发展。

丘陵山地动力底盘有多种不同的分类方式。按作业环境可分为果园、田间和设施动力底盘。果园作业底盘包括栽植抚育、喷药除草、采收运输等;田间作业底盘包括播种施肥、除草浇水、采收运输等;设施作业底盘包括森林灭火、林间巡检、信息收集等;按行走方式的不同可分为轮式、履带式、轮履结合式和仿生式。本文按照行走方式的不同阐述了国内外丘陵山地动力底盘的研究现状,结合不同环境分析了底盘的特点与适用场景,在我国现阶段发展基础上对未来的发展方向进行展望,为其发展提供参考。

1 丘陵山地轮式动力底盘

轮式动力底盘是以轮胎作为行走装置的移动平台,是最常见的底盘形式之一,具有结构简单、速度快、机动性强、质量轻的特点;轮胎的刚度与地面相比较低,对地表的破坏较小,被广泛应用于拖拉机、林间抚育机、采收运输机等。轮式底盘可分为轮桥式和轮摆式,共同点是都有折腰转向结构和轮式行走系统。轮桥式底盘按照轮胎数量不同又分为四轮、六轮和八轮三种。丘陵山地地形复杂、道路崎岖不平,四轮底盘难以适应复杂的路况,相关的应用和研究较少。六轮底盘自由度大,车桥的左右摆动增加了轮胎与地面的接触面积,避免了轮胎悬空造成的侧翻和倾覆,增强了底盘的行驶稳定性和通过性。八轮底盘结构与六轮类似,多自由度的结构特点使得底盘可以根据路面变化情况动态调整车身,行驶稳定性和通过性强,其整体体积相对较大,质量大,多应用于林木采伐作业环境。轮摆式底盘是指具有摆臂结构的轮式底盘,该结构将底盘上车架通过摆臂结构与轮胎连接在一起,具有地形适应性强、动力强劲、通过性与稳定性好的特点[5]。

孙治博[6]等为提高林区作业机器人的越障平稳性,实现智能化越障功能,设计了一种主动摆臂六轮腿式底盘(图1)。底盘由前后两部分组成,前半部分由前车架和两组双摆臂轮腿组成,后半部分由后车架和两个独立的摆臂轮组成,运动时通过轮腿的摆动和折腰转向能够实时调整车身平稳度以及轮胎与地面的接地面积,保证了底盘行驶稳定性,增强了底盘在林区作业的通过性和安全性。

图1 主动摆臂六轮腿式底盘

丁素明[7]等针对丘陵山地果园植保机械通过性低的问题,研发了一种低矮型自走式果园喷雾机动力底盘(图2)。采用液压四轮驱动,提高了整车的动力性,增强了爬坡和越障能力;驾驶室前置,发动机后置,扩展驾驶员视野的同时保证了整体车辆的行驶稳定性;在底盘后部增加了可铰接不同形式的雾化作业装置,实现一机多用。

图2 低矮型自走喷雾机底盘

John deere公司生产的1470G六轮式收获机(图3)采用前四后二的布置方式,驾驶室置于底盘中部,能实现290°旋转,保证驾驶员获得全方位视图,增强作业安全性;采用双液压驱动,可同时驱动作业臂和末端执行器;底盘前后连接采用铰接技术,提高了底盘的转向能力,增强了车辆灵活性。

图3 六轮底盘收获机

程钰晶[8]等为解决丘陵山地林用六轮摆臂底盘在林区崎岖路况下转向能力差等问题,基于旋量理论,设计了一种六轮摆臂底盘(图4),改变摆臂液压缸的变化量,调节底盘的高度和重心高度,仿真实验表明整体稳定度提升10%,有效提高底盘的行走稳定性。王东[9]等设计了振动式油茶果采收机六轮仿形高越障动力底盘,解决丘陵山地复杂立地条件下油茶采收机械通过难的问题(图5)。底盘采用前置摆动仿形轮,底盘工作平台安装采摘机械臂,驾驶室后置,重心后移,提高了驾驶的安全性和行驶的稳定性,爬坡能力强。

图4 六轮摆臂底盘虚拟样机

图5 振动式油茶采收机底盘

2 丘陵山地履带式动力底盘

履带式底盘是以履带作为行走装置的底盘,主要由传动系、制动系、转向系、履带和回转轮(驱动轮、导向轮、支重轮和张紧轮)等组成[10]。按履带材质的不同可分为橡胶履带底盘和钢制履带底盘;按履带数量的不同又可分为双履带底盘和多履带底盘。履带式底盘通常将车架和履带部分焊为一个整体,少部分采用前后车架铰接的连接模式。前者作为一体式底盘具有结构紧凑、转向半径小、机动灵活的特点;后者与轮式底盘类似,可看成是将履带作为轮式底盘的行走装置。履带式底盘具有较好的越障和爬坡能力,稳定性好、牵引力大。

王斌斌[11]等设计了履带自走式风送喷雾机(图6),外形尺寸为3 430 mm×1 630 mm×1 260 mm,行驶速度最高可达5.6 km/h,底盘机架与支重轮在中部铰接,行驶时支重轮可绕铰接点转动。依据地形实时调整整车行驶状态,有效降低行驶过程中受到的震动,提高驾驶员舒适性与整车通过性,能满足丘陵山地果园的喷雾需求。

图6 自走式果园风送喷雾机

杨子增[12]等针对甘蔗在我国丘陵山地的种植特点,设计了履带式自走切段收获机(图7)。履带宽度为0.35 m,轨距为1.35 m,满足当前甘蔗农艺种植要求,在进行收割机作业的同时不会对其他甘蔗造成破坏。底盘采用“一”字型设计,降低整车重心,增加该收获机在丘陵山地的作业能力与环境适应性,具有转向灵活、转弯半径小,对甘蔗根系破坏小等特点。

图7 4GQ-1C型甘蔗收获机

徐高伟[13]等为解决现有电动式山地果园底盘动力不足的问题,设计了一种新型电动自走式履带底盘(图8)。底盘利用无线遥控进行控制,实现无人作业。通过控制两侧电机转速来调节履带行驶速度,实现底盘的各种转向,省略了差速器装置,简化了底盘控制系统结构。最高行驶速度均值为6.52 km/h,续航里程可17.8 km,能满足果园作业动力与续航需求。

图8 电动自走式履带底盘

陈继清[14]等为解决现有的以轮式拖拉机和卡车为承载车的绿篱修剪装备环境适应性差等问题,设计了一款以履带底盘为承载结构的小型绿篱修剪机(图9)。通过试验得出结论:建立的底盘模型最大爬坡角32°,最大跨越壕沟宽度275 mm,最大翻越垂直壁高度145 mm。与轮式相比,履带式底盘在狭窄、高低起伏不平等复杂路面有较好的通过性,行驶稳定性、爬坡和越障能力都有所增强。

图9 小型绿篱修剪机履带底盘

孙术发[15]等通过对第一代消防车履带底盘进行优化改造,设计了一台大型履带式消防车(LF1352JP)(图10)。履带底盘在结构上采用5个支重轮,增大了轴间距与轨距,增加了排障器装置;在动力上将发动机功率提高到99.3 kW。改进后的履带式底盘有更高的行驶稳定性,发动机动力的增强提高了底盘的爬坡和越障能力,行进时能实时清除杂草、碎石等路障,使得消防车能更快到达火灾现场。

图10 LF1352JP履带式消防车

韩振浩[16]等为提高山地果园运输车在不同复杂地形下的通过性与适应性,基于重心位置变化对运输机械作业性能的影响规律,设计了重心自适应调控的山地果园运输车(图11)。通过控制可移动载物台的相对位置从而对底盘的重心位置进行实时调节,使得整车最大牵引力、极限侧翻角、最大越障高度与跨越壕沟宽度均不同程度增加,提高了果园山地运输车在复杂路况下的环境适应性。

祝露[17]等设计了履带式林间草带收割机(图12),采用履带底盘使得整机在林木间距小、地形狭窄、地表不平的路况下仍然有较好的通过性。使用旋转式切割器相较于往复式切割器对长势茂盛的硬质杂草具有更好的适应性,同时提升了整机的适用性。

图12 履带式林间草带收割机

杜小强[18]等设计了集采收于一体的履带式高地隙油茶果振动采收机(图13)。整机尺寸为3 965 mm×3 850 mm×2 800 mm,四个液压驱动三角履带轮为行走装置。设备动力强劲,具有较好的行驶稳定性与通过性。

图13 履带式高地隙油茶果采收机

3 丘陵山地轮履结合式动力底盘

传统的轮式底盘具有机动灵活、速度快的特点,适用于路况良好的地面,可在相对崎岖、凹凸不平的路面通过;履带式底盘能适应复杂路况,在障碍和泥泞道路通过性高、越障能力强,对地面原有结构有相对破坏。针对两者在使用工况上的局限性和单一性,国内外研究学者将两者结合,研发出了轮履结合式移动底盘。根据结构不同,轮履结合式底盘分为两类:一类是同时安装轮胎和履带两种行走装置;第二类是采用轮履复合变形方式[19]。轮履结合式底盘既有轮式底盘的高机动性和灵活性,同时也具有履带式底盘较强的越障能力和稳定性的特点,给未来林用动力底盘的发展提供了新的方向[20]。

陈铭[21]等结合轮式和履带式底盘在林业应用中的优缺点,设计了轮-履复合可变换底盘(图14)。由可变履带轮与车轮组成,在以林地为主要作业环境时采用履带式行走模式;当使用环境为正常地面时可以切换为轮式行走模式。通过地形的变换切换适宜的行走模式,提高了底盘在不同路况下的环境适应性,提高了整车的通过性。

图14 轮-履可变换底盘

胡军中[22]等针对现有的轮履复合底盘操作复杂,结构单一,缺乏实用性等问题,基于轮履复合技术,提出了一种新型轮履变体式结构设计方案(图15)。轮履复合底盘包括液压驱动机构、伸展机构和变形轮等机构,液压驱动机构调节变形履带,实现轮履状态的切换。在普通路面上行驶时采用轮式状态;在遇到障碍物时收缩在车轮表面的变形履带在伸展轮的拉力作用下延伸至三角履带状态,利用履带轮顺利通过障碍物,在雪地、泥泞和草地等复杂路面有较好的通过性与机动性。

图15 变体轮整体

聂建军[23]等针对丘陵山地狭窄的工作环境设计了弓腰式移动底盘(图16)。采用前履后轮的布置方式,履带轮为驱动轮,当遇到无法越过的障碍物时,履带轮抬起一定高度,带动整车完成爬坡与越障。折腰转向的方式增加了底盘转向的灵活性,更有利于在狭小地块工作。底盘上布置了两条传动路线,能分别用于耕作与驱动工作。

图16 弓腰式移动底盘

4 丘陵山地仿生式动力底盘

丘陵山地动力底盘需要在布满沟壑、山石障碍物以及植株的环境中工作,地形复杂,不确定性大。轮式底盘灵活性强,地形适应性和爬坡越障能力相对较差;履带式底盘在非结构路面下的适应性优于轮式,对丘陵山地的复杂地形适应也有局限性。研究人员从自然界中对地形适应能力极强的动物中获得灵感,将目标转向仿生类底盘的研究。

美国波士顿公司设计的Big Dog机器人采用的是四足底盘,质量为20 kg,长度约为1.1 m ,强大的平衡能力和环境适应性使得其能在山地行走自如,是世界上第一个能在野外行走的机器人(图17a)。2016年该公司又推出了SpotMini四足仿生机器人(图17b),与大型四足仿生机器人相比更小更轻,在崎岖山地的适应能力更强[24]。

图17 波士顿公司仿生机器人

国内的仿生类底盘起步较晚,取得了一些突出成果。宇数科技公司推出的一款名为“莱卡狗”四足机器人(图18),高0.6 m、长0.56 m、宽0.35 m,仅重25 kg,瞬时输出功率高达18 kW。它能在草地坡度20°左右的地形自主行走,在外力的干扰下也能保持极强的稳定性。

图18 莱卡狗机器人

罗红艳[25]等通过摄影机对生物狗运动轨迹的捕捉,参考其生物学特征,设计了一款仿生四足机器人(图19)。足端轨迹的Walk步态、Trot步态分别以直线、多项式的方式规划,仿真结果表明该设计能在规划的单一步态下平稳运动,可完成快速步态切换。

图19 仿生四足机器人三维模型与腿部结构

张建婷[26]等基于路径规划,结合山羊行进步态、迈步顺序、各关节角变化范围等,设计了仿山羊步态的林地底盘(图20)。实验结果表明,底盘质心行驶过程中变化稳定,偏移程度较小,没有发生跳跃或倾翻,能有效提升林地作业底盘的行驶稳定性与环境适应性。

图20 仿山羊步态的林地底盘

5 展望

目前,针对丘陵山地动力底盘研究成果从国内外相关研究来看多处于理论和实验室研究阶段,相关基础理论与技术仍需探明和突破,与实际应用还有差距,难以满足“上山入林”的要求[27]。为促进丘陵山地动力底盘的发展,缩短理论与实用差距,将从多方面开展研究探索,以加速完成其从理论研究到实际应用的转变。

(1)底盘与地面作用机理基础研究

丘陵山地动力底盘行驶安全性、稳定性、通过性、平顺性和越障爬坡能力均可受到丘陵山地特殊地形、地貌影响,当前国内外专家学者对车辆行驶性能做了较多的研究,大都是针对拖拉机、工程机械等大型设备,对丘陵山地农林设备研究较少[28]。研究丘陵山地不同路面的动力学响应和路面结构的应变、位移变化等,探究丘陵山地地面-底盘耦合作用机理,明确影响底盘行驶性能的关键因素。

(2)底盘多功能模块化和轻量化研究

底盘通用化是丘陵山地动力底盘的发展趋势和要求,当前我国丘陵山地作业装备的通用性较差,作用场景单一。加强通用化研究,通过更换行走装置、调整轴/轨距和安装其它功能性附件等方式,增强底盘在山区、果园、农田、林间等不同作业环境下的适应性。由于果园,农作物等作物栽植面积大、间距小、杂草丛生等导致留给林间作业设备的可用空间小,加强底盘轻量化研究,通过选用轻质材料、采用先进的制造工艺和优化底盘结构设计等使得底盘整体机构紧凑,降低质量,减少对地面和农林作物的破坏。

(3)底盘智能化和信息化研究

随着物联网、无人驾驶、卫星导航等技术的快速发展,丘陵山地动力底盘作为移动式丘陵山地动力机械的“双腿”,也将会朝着智能化和信息化方向发展。通过智能化控制技术、信息化技术与传统底盘结构设计的融合,突破底盘行走系统、制动系统、转向系统和传动系统与环境感知机理等技术,建立底盘内外智能调控系统,实现底盘的智能感知、决策、驱动、作业等技术和功能。