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㈡、四脚农机是在铰接式底盘全档位四轮同步行驶的技术条件下,增设四脚步行机构、变距系统、高地隙全驱传动系统、液压控制系统、四轮转向电控系统而成。
㈢、四脚农机产品积木式设计可组装成多项产品其⑴整机装备型式:
为铰接式高地隙全驱拖拉机,在其设计范围内,可无级调整地隙高度,无级调节车轮距离;
⑵基础产品型式:
为铰接式山地拖拉机;
⑶拆分拓展产品型式:
为履带式水田拖拉机,三者在不同的使用环境均具有良好的稳定性、通过性及对山地水田的适应性。
㈣、信息化、智能化。
对多功能的、多自由度的四脚农机产品进行自动定位控制、实现重复编程,赖以完成各种作业的自走式农业机械实体——农业机器人。
1.2.2四脚农机项目产品创新点相比现有技术,项目产品拓展了农机底盘的使用空间,提高了拖拉机对工作环境的适应能力和设备利用率,有如下创新点:
1.2.2.1首次在高地隙自走式底盘上引入传动腿概念1.2.2.2采用高地隙全驱机械传动系统
1.2.2.3采用“动态结构设计”1.2.2.4采用柔性机械传动方法释放内部功率流1.2.2.5铰接式底盘四轮任意时段同步驱动,后车PTO/三点悬挂结构
1.2.2.6模仿动物行为设计,控制传动腿、蟹脚动作
1.2.2.7立式变速箱,多点、多扭矩动力输出,前/后动力输出'
差速设计1.2.2.8采用宽幅变距系统(调节轮距)1.2.2.9“机-电-液”自动控制→→→信息化、智能化1.2.2.10传动腿通用性设计,可挂接在任意一款自走式底盘上
1.2.3项目实施第二阶段
本阶段主要对多功能的、多自由度的四脚农机进行研究,使其实现自动定位控制、可重复编程赖以完成各种作业的自走式农业机械实体——农业机器人。
(一)农业机器人的组成(见下图)
(二)农业机器人各组成部分的关系(见下图)
本案在条件具备时启动,详细方案另述。
农业机器人是什么样的?
在第三届中国农机高端论坛上,中国农业大学工学院张铁中教授作了题为《农业机器人离我们有多远》的演讲,告诉我们农业机器人是什么样的:
“农业机器人,其实就是融合了机械技术、自动控制技术和图像处理技术等,能够进行农业相关作业自动化的机械或装置,并不一定是要像人一样有胳膊有腿的机器人”。
现在已经到了可以大力发展农业机器人及其技术的时候了。
随着山区、丘陵区域自走式底盘问题的解决,底盘功能不断拓展,有必要加快实现信息化、智能化。
项目“农业机器人——四脚农机”可发展为采摘机器人、自动导航作业机器人、植保机器人………等农机装备。
就环境保护而言,实现化肥、农药的精量化、少量化使用,一种底盘载喷雾植保装备作业,实现对靶精准施药降低环境污染成为可能。
多年来,中国民族农机在测绘模仿国外品牌产品中立足,约束和局限了自己的思维。
在当前供给侧改革之时,企业应当积极思考怎样针对自己的情况进行结构性改革。
事实说明:
通过符合企业结构的“源创新”产品进行结构性调整,应该是上上之策。
“农业机器人——四脚农机产业化、信息化、智能化”项目恰逢其时。
欢迎相关企业咨询了解并合作。
1.3农机行业形势
1.3.1国内农机总形势根据2010年7月国务院发布的《关于促进农业机械化和农机工业又好又快发展的意见》,到2020年我国农机总动力要达到12亿千瓦,耕种收综合机械化水平达到65%。
要实现这个目标,10年内我国将增加农机总动力3.8亿千瓦,耕种收综合机械化水平要提高3.8个百分点。
2015年农业装备进入中国制造2025重点发展10大领域。
农业装备是融合生物和农艺技术,集成机械、电子、液压、信息等高新技术的自动化、信息化、智能化的先进装备,发展重点是粮、棉、油、糖等大宗粮食和战略性经济作物育、耕、种、管、收、运、贮等主要生产过程使用的装备。
要求农业装备产业拓展领域、增加品种,并加快向自动化、信息化、智能化发展。
从投资机会来看,未来整体综合机械化率继续较快提升是个必然。
但更大的着眼点还是顺着三条主线:
进口替代机会、山区丘陵和部分作物机械化率较低带来的机会、农机走出去的机会。
山地丘陵综合机械化率低、水稻田、棉花、蔬菜、莲藕、甘蔗、红枣、水果、油茶、竹木之类常见作物机械化率很低甚至是空白,市场呼唤农机填补机械化“真空”,为国产农机另辟蹊径寻找自己的发展空间打开了一扇门。
当然,我们也不会放弃对创新的追求、对技术的改进、对品质的提升。
拖拉机市场作为成熟的市场,正处于急剧转型阶段,市场变数增多,企业面临着十分复杂而严峻的市场形势。
尤其是产能严重过剩,中低端产品市场竞争激烈,风险加剧。
为控制经营风险,许多企业加大市场管控力度,提升运行质量成为首要选项。
这一变化与利润大幅攀升遥相呼应,宣示了拖拉机行业开启了一个崭新的发展阶段,即效益型增长之路。
1.3.2粮食作物生产全程机械化情况中央提出“加快推进粮食作物生产全程机械化”是“四化”同步推进的重要内容。
就粮食而言,最薄弱的滞后环节玉米机收和水稻机械种植都取得了突破性快速发展。
1.3.3水稻生产全程机械化情况水稻机械种植难度很大,从2009年起已沦为三大粮食作物耕、种、收机械化环节中,机械化水平最低的“瓶颈”环节。
2012年我国水稻机械种植在北方稻区获得突破,其水平已达31.7%,水稻耕种收综合机械化水平在三大作物中也是最低的。
1.3.4中西部地区农业机械发展倾向顶层设计原则:
引导丘陵山地农机化生产向省力、高效、有序的方向发展。
下面借用吉峰易购《山区丘陵讲课》的几张图片作进一步了解。
(一)国家大力支持山区丘陵和水田机械发展
(二)山区丘陵和水田机械发展空间巨大(三)丘陵山区耕种地机械、田间管理机械发展展望
第二章创造发明的背景
2.1问题引导
从上表可知:
目前,山区、丘陵地域推广使用的农用机械为什么多为步进式农机,要实现真正意义上的农业机械化,还缺失在15°
~25°
(含25°
)耕地坡度环境下能承载农机具自走作业的底盘。
由于丘陵山区地域的特殊性,在解决机械关键技术难题上,一直处在技术引进、吸收、创新阶段。
日、韩及我国台湾,虽单位耕地面积农业机械拥有量大,但年作业量少,另外,还有些水土不服,价还高。
农业机械利用率低是引进产品水稻生产机械化中的共性问题。
问题来了:
⑴自走式底盘在15°
)耕地坡度环境下的通过性、稳定性;
⑵作业底盘的全年利用率。
2.2技术冲突
要攻克丘陵山地及水田中耕“自走式底盘”技术,得找出“自走式底盘”运行环境下主要技术冲突:
㈠机器在丘陵山地及水田中的通过性:
主要触及纵向堕坡、横向侧坡行驶环境下机器的稳定性;
水田深泥脚情况下底盘能浮行自走;
植物高度不等情况下底盘离地高度的匹配;
植株行距变化的情况下底盘轮距的匹配。
㈡机器在丘陵、山地环境中换田作业或换行作业:
田块小、田间道路狭窄怎样使自走式机器转向;
在上下田块平面高差300~400mm环境下怎样使机器自走越沟过埂;
㈢农事作业时间短、量少怎样提高机器的年利用率和年收益率。
㈣其他:
机器、安全生产、工况速度、人机一体及工作效率等。
2.3创新技术的产生
2.3.1创新研究过程
根据以上问题:
⑵作业的底盘的全年利用率。
及找出的技术冲突展开研究,采取如下措施:
2.3.1.1确定采用铰接式全驱底盘作为基础底盘
为什么要采用铰接式底盘,铰接式底盘具有哪些结构优势?
答:
铰接式底盘由于铰接牵引器的嵌入使底盘获得如下功效:
a.横向使前车、后车相对于自身轴线可作一定角度的左右旋转,使前车/后车的车轮紧贴山坡或丘陵起伏的地面滚动;
b.纵向使前车、后车沿着自身轴线获得小角度的上下折弯摆动,使前车/后车车轮紧贴坑洼的地面转动,取得优于整体底盘的通过性;
c.铰接式底盘通过左右折腰实现转向,能获得小于整体底盘(相关技术参数接近)的转向半径;
d.铰接式底盘的前车(主机),组装生产其它自走式农机产品;
e.铰接式底盘的后车可根据不同农事需要配置(多功能)。
2.3.1.2引入传动腿概念
所述传动腿分别悬挂装于铰接式全驱底盘的前车、后车变距系统的左、右胯架内与前后轮轴联接。
所述传动腿包括:
大腿、小腿、蟹脚,传动腿的小腿通过螺栓固装于大腿下侧,蟹脚通过轴承组、立轴垂直固装于小腿下方,蟹脚动力输出端装设轮轴,行走轮系装设在蟹脚轮轴上。
这种设计有助于拖拉机跨越田埂、纵向堕坡行驶、横向侧坡行驶,并能获得良好的稳定性;
有助于解决高地隙底盘工作中的相关技术难点。
2.3.1.3采用高地隙全驱柔性机械传动系统
现今,国内高地隙底盘多是引用日、韩技术,全液压四轮同步驱动。
但存在以下不足:
①机体易发生转向滑移;
②功率损耗,传动效率降低。
为了消除这些不足,本项目产品采用柔性机械传动系统,它由前驱系、后驱系、腿脚传动系组成。
提供底盘四轮驱动、四轮转向功能。
赋予拖拉机横向蟹行、原地转向特性。
2.3.1.4采取动态结构设计方法提高设备的年利用率
㈠、产品间可型式转换:
如以上⑴铰接式高地隙山地/水田拖拉机⑵铰接式山地拖拉机两种产品型式,可相互转换状态:
在⑵的型式上,挂装传动腿,加装高地隙调节机构和轮距调节机构、四轮转向电控系统,就可转换成⑴的产品型式;
反之亦然。
㈡、产品间可拆分拓展:
如以上⑶履带式水田拖拉是⑵铰接式山地拖拉机的前车+传动腿+机架+履带行走机构+三点悬挂PTO结构组装而成。
㈢、传动腿通用设计:
传动腿作为一个独立的产品进行设计,可配套其他自走式底盘,使其转化成高地隙底盘和山地农机底盘进行农事作业。
2.3.2改进提高
2.3.2.1实现四轮任意时段同步,在节能降耗的同时提高底盘的通过性
先看看现有技术铰接式四轮驱动拖拉机或全液压四轮驱动田间管理机存在的现象(用户信息:
在正常驾驶的情况下):
现象一:
铰接式四轮驱动拖拉机行进中,前轮或后轮产生间断拖痕,检查轮胎,台面被严重擦伤;
现象二:
铰接式四轮驱动拖拉机转向时发生转向滑移;
现象三:
全液压四轮驱动田间管理机转向时发生转向滑移;
分析一:
铰接式四轮驱动拖拉机,在理论计算上四轮线速度一致或很接近,但在底盘运行环境中,以下参数随时都在发生变化:
如①各驱动轮承载负荷;
②胎压及轮胎的径向、周向变形和滑转程度;
③车轮与路面附着条件的差异以及土壤的垂直变形不一样等;
这些变化的因素,使行进中的前轮与后轮间,产生间断性的闪时不同步。
分析二:
液压四轮传动是通过高压油驱动四个马达实现的,但由于液压系统的滞后性导致四轮传动闪间不同步。
结论:
这种前轮与后轮间产生间断性的闪时不同步,导致底盘产生内部功率流,其产生的力大于车轮与地面的摩擦力时,车轮闪时制动,在与地面摩擦或滑移的过程中得以释放,而此时轮胎严重擦伤或底盘转向滑移。
改进措施:
底盘设计采用专利“一种变速器”技术,通过传动系统内部功率释放点,有效消除前、后轮间产生的这种内部功率流,实现四轮任意时段同步。
2.3.2.2降低两履带底盘的功率损耗,提高底盘运行质量近年南方开发了“履带式轻型拖拉机”、“自走式履带旋耕机”两者都用于水田旋耕。
但使用过程中存在以下的现象。
履带底盘最小半径转向时,履带横扫泥浆,使田块出现局部泥浆堆积。
严重时出现履带脱轨,导致机器深陷水田不能自拔。
履带式轻型拖拉机断半轴。
履带式轻型拖拉机大牛拉小犁现象,过田埂困难。
上两款机型转向原理是依靠分配两侧履带不同的驱动力,使两侧履带具有不同的行驶速度,实现机体转向,其转向原理见履带底盘转向原理图、受力分析见履带底盘转向阻力分布图。
履带底盘转向原理图履带底盘转向阻力分布图
当V2=0时,内侧履带停止不动,在外侧履带的带动下将绕自己的质心旋转而将泥浆扫起。
此时所有动力都由外侧半轴输出,外侧半轴承受着2倍的负荷,随着泥浆的堆积负荷不断加大,导致以上“现象一”和“现象二”的产生。
结论一:
从“履带底盘转向原理图”、“履带底盘转向阻力分布图”两图可知:
当V2=-V1时,两履带实现正反转,产生的横向力矩相互抵消。
也就是说,要解决“现象一”的问题,必须解决履带拖拉机两履带能正反转的技术问题,“现象一”解决后,“现象二”便不复存在。
目前国内外履拖实现两履带正/反转的技术方案,大多都是采用液压传动系统驱动行星齿轮汇流转向,结构复杂,造价高,不太适宜我们相对贫困的山地、丘陵区域。
分析二(对现象三):
进口设备多采用液压传动,特别是在田间管理机四轮液压传动系统的应用和近年国内履带式底盘无极变速液压传动系统的应用。
液压传动虽有机械传动不可比拟的优势,但将其用于底盘行走驱动上(尤其是在南方高温下作业的农机底盘上)就不太理想了。
原因之一:
液压传动用于底盘的传动系统,其热效应(油温随工作频次的增加不断升高)致使传动效率大幅降低;
此现象在南方履带式拖拉机上表现突出,有违节能减排的宗旨。
原因之二:
南方履带式轻型拖拉机,设计时主要考虑轻型化,附着力不足,牵引力不大;
另一方面,设计忽略了该机是属牵引作业的拖拉机(非整体结构),其拖拉机挂接旋耕机后,整个装备的重心位置多在履带接地长度中点的后面,这样就出现拖拉机翘头现象;
拖拉机翘头行驶缩短了履带接地长度,既降低了拖拉机的牵引力。
同时又使机体下陷,阻力增加;
另外,拖拉机上坡的稳定性降低,拖拉机过田埂时,履带前端没有足够的附着力,不能顺利越过。
结论二:
①农用自走底盘行走驱动的动力传递,不宜采用液压传动方法(有制冷降温措施的除外);
②履带式拖拉机不同于整体式履带旋耕机,设计时应与配套旋耕机一起进行稳定性计算。
㈠采用“一种底盘”传动腿技术,实现两履带正反转。
提高底盘运行质量。
㈡采用“一种变速器”专利技术,利用机械传动系统,提高履带底盘传动效率,降低底盘功率损耗;
2.3.3创新总结和展望
2.3.3.1创新体会
坚信外国人能做到的,中国人一定能做到,只不过是去做了没有,是否尽心尽力,持之以恒,坚持不懈地做。
赞赏是在鼓励,批评是在帮助,它提醒我寻找到更佳技术方案。
2.3.3.2创新是一种技术积累
近10年来不断努力、探索,随着工作的展开相继申请专利共15项,其中发明专利4项。
2.3.3.3山区、丘陵自走式底盘设计总结
㈠山区、丘陵自走式底盘四驱行走系统的动力传递,最好采用机械传动,这样传动效率高,直接无滞后;
维修保养及使用成本远比液压元件及高压密封件的费用低。
㈡山区长坡环境下要充分考虑变速箱的润滑,否侧易出现上坡前部缺油、下坡后部缺油,烧坏传动件的现象。
㈢国家提倡节能减排,农机设计应重视提高农机设备的动力利用率,降低设备自耗。
㈣应考虑农机的年利用率,既可给农民增效,又能降低固定资产投入,促使农民将本不多的钱用于多购农具,同时节约停放场地。
㈤山区、丘陵自走式底盘设计,其抵抗翻倾和滑移的能力不容忽视,应作为一个安全问题去对待。
2.3.3.4发展农业机器人的时机已经成熟
习主席在2015世界机器人大会的致信中表示“随着信息化、工业化不断融合,以机器人科技为代表的智能产业蓬勃兴起,成为现时代科技创新的一个重要标志。
中国将机器人和智能制造纳入了国家科技创新的优先重点领域。
"在第三届中国农机高端论坛上,中国农业大学工学院张铁中教授作了题为《农业机器人离我们有多远》的演讲,告诉我们农业机器人是什么样的,“农业机器人,其实就是融合了机械技术、自动控制技术和图像处理技术等,能够进行农业相关作业自动化的机械或装置,并不一定是要像人一样有胳膊有腿的机器人。
”现在已经到了可以大力发展农业机器人及其技术的时候了。
利用本项目“农业机器人——四脚农机”可发展采摘机器人、自动导航作业机器人、植保机器人等农机装备。
2.3.3.5一名老农机的中国梦
本人是一名从事农机研发工作35年的工程师,早年企业改制后下岗,现已退休,但从未放弃。
适逢我国农机振兴,很想利用自己多年的经验和拥有的知识为农机化薄弱环节的山区、丘陵区域提供一种广泛而适用的技术。
——这是一名老农机的中国梦!
“我们都不是洞悉世事的智者,但交互的力量可以支撑我们走的更远更长”。
这是我们论坛的激励语,也可以说是本创新项目的前景!
本项目“发明专利”为非职务发明,期望与企业合作,让我们走的更远更长。
第三章项目产品
3.1专利简要说明
3.1.1发明专利“一种底盘”包括前车、后车,在前车和后车上装设有行车制动系统,后车通过牵引器铰接在前车中轴线后,组成铰接式全驱动底盘状态;
在全驱动底盘状态的前车和后车上装设变距系统、高地隙全驱传动系统、液压控制系统和推杆控制系统,形成铰接式高地隙全驱状态。
本发明在设计范围内无级调整地隙高度和轮距,特别适合丘陵山区:
上下坡和过田埂,山地横向侧坡行驶时,通过液压控制系统可使左右传动腿自动找平,田块作业时可通过电动推杆和传动腿的脱档结构或车轮换向结构实现蟹行和原地转向功能。
3.1.2发明专利“一种变速器”包括主变速箱、前副箱、后副箱、同步挂箱;
使一种变速器成为组合式多点变速输出结构。
满足不同机具转速需求,其前后驱动轴间,具有差速运转、同速运转两特征,前后轮同步性好。
附:
专利简讯:
㈠发明专利:
一种底盘,专利申请日:
2012年12月26日,2015年12月4日,获“授予发明专利权通知书”发文序号:
2015112000976410.
㈡发明专利:
一种变速器,专利申请日:
2012年12月26日,于2015年12月4日咨询:
回复“经实质审查已没有发现驳回理由”等待授权。
3.2专利产品介绍:
铰接式高地隙山地/水田拖拉机、铰接式山地拖拉机、履带式水田拖拉
3.2.2项目产品信息
3.2.2.1产品型式、技术特点和技术创新点:
见以上1.2.1、1.2.2内容
3.2.2.2产品工况简图这张照片是研发团队开发的铰接式四驱拖拉机(09年获发明专利),标定功率25.7kW;
最大牵引力:
8.3kN(车轮),挂三角履带时实验情况远大于8.3kN(但暂缺数据);
动力输出轴功率21.85kW。
我们今天所讨论的“农业机器人——四脚农机”项目是在该机型基础上的进一步研究。
第四章农机市场分析及产品市场定位
4.1我国已进入农机化快速发展的关键时期
农机工业“十二五”规划中提出,到2015年,农机工业生产总值将由2010年的2800亿元增加至4000亿元。
“十二五”乃至2020年将是我国农机化快速发展的关键时期。
2004年国家开始采取农机购置补贴政策,支持力度持续加大。
近年,国家对农机购置补贴的支持力度单位:
亿元人民币政府补贴引导下的农机市场已进入高速发展期,见下图:
最近5年,我国农业机械工业的总产值增长趋势单位:
亿元人民币4.2农机市场快速增长的诸要素分析
4.2.1宏观环境
农业机械装备进入中国制造2025重点发展10大领域,要求农业机械装备产业拓展领域、增加品种,并加快向自动化、信息化、智能化发展。
我国农机市场面临着良好的发展环境,譬如工业化、城镇化、现代化同步协调发展,需要从农村吸纳大批青壮年劳动力;
保障国家粮食安全,必须加快发展农业机械化。
就底盘产品而言,拖拉机需求结构调整,效益大幅攀升。
2015上半年拖拉机市场最值得称道的变化是走出了低效益增长的老路,呈现出利润大幅度攀升,发展增速趋缓,运行质量明显提高的新常态。
4.2.2农机更新
随着我国农机水平的不断提高,每年将出现大量更新,有机构对2000多名终端消费者进行了一个大型调查,其中一项是关于农机产品使用寿命的调查,其统计结果对照我国主要农机产品当年的拥有量,得出今后我国农机市场需求的70%将来自更新。
未来我国农机市场需求存在巨大的发展潜力。
4.2.3新农村建设
随着我国新农村建设的深入,新农村建设中的节水、节油、节肥、节种及资源综合利用、化肥、农药的精量化、少量化使用、农业废弃物的资源化利用、保护性耕作的实施等将强力推动复合式农机的快速发展、深刻影响农机市场的需求结构。
4.2.4消费者购买力(从三个方面分析)
一是山区、丘陵家庭农场、农机专业合作社崛起,显示出了强大的生命力;
二是农村金融改革发展的扶持和引导,切实加大商业性金融支农力度;
三是国家相关创新政策、农业政策、农机政策的支持,将大大提高农机的购买力。
4.2.5山区、丘陵区域农机化水平发展远不及平原,决定了市场发展潜力巨大总之,从多角度分析均可判断出我国山区、丘陵区域农机市场前景广阔,发展潜力巨大。
4.3项目产品市场细分
4.3.1中低市场项目产品以适应丘陵、山区地貌特征的铰接式全驱拖拉机、高地隙水田拖拉机、履带式水田拖拉机为突破,配套急需的自走式农机研发和生产,同步开发具有市场互补性、品牌升级换代符合市场细分要求的同品牌多品类、同品类多品种的产品体系。
4.3.2中高市场将中低市场“机-电-液”控制的具有代表性的产品实现信息化、智能化,强化结构性竞争优势。
4.3.3就技术市场而言本项目适合收割机、中小型拖拉机、微耕机、田园管理机等企业承接。
这些企业成熟的生产技术、工艺控制,设备设施符合或基本符合项目生产的生产必备条件;
生产人员所需基础知识及技能符合要求,只要针对性地施以必要培训,即可满足项目生产素质要求;
产品营销同渠道,商业运管的条件和结果比较优良。
所以不需要进行大规模的投资。
4.4项目产品需求分析
4.4.1宏观需求见4.2.1宏观环境
4.4.2水稻生产机械化区域目标《全国水稻生产机械化十年发展规划》制定2006-2015年全国水稻生产机械化目标值,摘录丘陵山区区域目标如下:
西南稻区包括四川、重庆、贵州、湖北和云南大部分地区区域目标南方长江流域双季稻区区域目标华南双季稻区区域目标4.4.3丘陵山地水稻生产机械化及种植作物生产机械化
2013年情况:
水稻机械种植水平刚突破30%,达31.7%,但南方丘陵山区
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