切段式甘蔗聯(lián)合收割機履帶底盤設計與試驗

梁宇達，鄒小平，胡圣榮，劉慶庭

(華南農(nóng)業(yè)大學 南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣東廣州510642)

切段式甘蔗聯(lián)合收割機履帶底盤設計與試驗

梁宇達，鄒小平，胡圣榮，劉慶庭*

(華南農(nóng)業(yè)大學 南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣東廣州510642)

本文設計了一種適合HN4GDL-132型切段式甘蔗聯(lián)合收割機作業(yè)使用的履帶底盤，依據(jù)行走系統(tǒng)所承受的行駛阻力，經(jīng)負載分析，確定履帶底盤主要性能指標，確定液壓傳動系統(tǒng)相關參數(shù)選取液壓元件，并制造樣機進行田間試驗，測試收割機液壓系統(tǒng)參數(shù)在前進工作、后退和空車3種工況下的變化。試驗結果表明，收割機勻速作業(yè)時，行走系統(tǒng)流量和壓力穩(wěn)定，行駛速度約為0.507 m/s，消耗功率小于10 kW，小于預定值，行走系統(tǒng)能滿足收割機的工作要求，試驗結果為履帶式甘蔗收割機行走系統(tǒng)的使用和改進提供參考。

甘蔗；收割機；履帶底盤；液壓驅(qū)動；試驗

0 引言

我國的甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到許多因素的制約，如甘蔗品種、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體制、蔗農(nóng)觀念、氣候地形、農(nóng)機農(nóng)藝配套、制糖企業(yè)和國家政策問題等，其中甘蔗的收獲是一個重要的制約因素。到目前為止，我國甘蔗生產(chǎn)種植區(qū)的生產(chǎn)基本上還是人畜作業(yè)完成，勞動強度大，生產(chǎn)成本高[1]。因此，研發(fā)及生產(chǎn)適合我國甘蔗生產(chǎn)種植區(qū)使用的甘蔗收割機，對提高我國甘蔗及制糖產(chǎn)業(yè)有著重要意義。

在廣東湛江、廣西等甘蔗主產(chǎn)區(qū)，甘蔗收獲窗

口期在1～3月份，近幾年在該時間段經(jīng)常會陰雨連綿，影響收割機下田作業(yè)[2]。據(jù)國外相關資料介紹，土壤濕度增大1%，履帶拖拉機滾動阻力增大約2.8%，輪式拖拉機增大約4.2%[3]，這表明在潮濕土壤中，相比于履帶式底盤，輪式底盤滾動阻力的增長要更快。且在潮濕土壤環(huán)境下輪式底盤的附著性能和牽引性能遠遜于履帶式底盤[4]，且容易發(fā)生陷車現(xiàn)象，而履帶底盤在坡地、沙地、土壤黏重的田地具有更好的性能[5]。結合甘蔗收割機作業(yè)地區(qū)的氣候和土壤等條件，本實驗室研發(fā)的HN4GDL-132型切段式甘蔗聯(lián)合收割機將采用履帶式底盤行走系統(tǒng)。

目前國內(nèi)中小型甘蔗聯(lián)合收割機的底盤常用輪式或履帶式2種。在水田[6]、林業(yè)[7]作業(yè)等機械化應用中表明，2種行走方式各有其特點。輪式底盤的優(yōu)勢在于行走速度較快、機動性好、輪胎對路面損壞?。涣觿菔墙拥乇葔捍?、附著性能和爬坡能力較弱。履帶式底盤的優(yōu)勢在于接地比壓小、穩(wěn)定性好、負載能力和附著性能強；劣勢是行走速度低、零件磨損快、結構復雜、制造成本高。

本文對HN4GDL-132型切段式甘蔗聯(lián)合收割機履帶式底盤行走系統(tǒng)進行田間試驗，了解履帶底盤的性能特點，為后續(xù)機型的改進和優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 履帶式底盤參數(shù)設定

1.1 兩側(cè)履帶中心距的確定

我國傳統(tǒng)甘蔗種植行距為0.8～0.9 m，中大型切段式聯(lián)合收割機要求行距不小于1.3 m[8]，其他收割機不小于1.0 m。要實現(xiàn)甘蔗機械化，就必須改變傳統(tǒng)種植模式。陳超君和陳傳華等對甘蔗“噸糖田”不同種植模式的研究結果表明，采用行距1.25 m的蔗莖產(chǎn)量和含糖量顯著高于行距為1.0 m的[9]。

湛江農(nóng)墾一直大力開展甘蔗機械化的研究和推廣工作，為適應目前主流甘蔗聯(lián)合收割機的作業(yè)，供機收的甘蔗將逐步采用1.2 m的種植行距。從機械作業(yè)的要求看，以1.2 m和1.3 m行距種植的甘蔗不僅適宜機械作業(yè)，而且相對于1.2 m以下的窄行距，寬行距種植可以改善甘蔗生長環(huán)境，提高個體長勢，通過提升株高、莖徑、單莖重等農(nóng)藝性狀彌補有效莖數(shù)的不足[10]，產(chǎn)量更高[11]。因此設計甘蔗收割機時按照1.3 m的種植行距來設計，保證兩側(cè)履帶中心距為1.3 m，履帶板寬0.32 m，底盤總寬度為1.62 m，保證收割機在作業(yè)時不壓實旁側(cè)蔗壟以及不碾壓旁側(cè)的甘蔗，并留有一定的作業(yè)空間，能夠順利開展收割作業(yè)。

1.2 爬坡能力的確定

我國蔗區(qū)地形復雜，60%屬于丘陵坡地。廣西是中國最大的蔗糖基地，種植面積和蔗糖產(chǎn)量均占全國約60%，坡度小于15°的甘蔗地占總面積的87.6%。云南省是我國第2大甘蔗和食糖生產(chǎn)基地，蔗區(qū)地形復雜多樣，主要蔗區(qū)坡度小于15?的甘蔗地占其總面積的62.6%。廣東省甘蔗種植面積位居全國第3，其主要甘蔗生產(chǎn)地區(qū)湛江農(nóng)墾的甘蔗地地勢總體平坦，沒有坡地和陡坡地，非常適合大型甘蔗機械的工作，甘蔗地≤6?的平地和緩坡地占甘蔗總耕地的50%，6～15°的丘陵地則占甘蔗總耕地的50%[12]。

根據(jù)我國主要甘蔗種植區(qū)大部分坡度小于15?的現(xiàn)況，甘蔗收割機應具備不小于15°的爬坡能力。

1.3 接近角和離去角的確定

接近角和離去角是機器接近或離開障礙物時不產(chǎn)生碰撞的可能性表示，接近角與離去角越大通過性越好[13]。

1.4 液壓系統(tǒng)的要求

由于蔗地地塊窄小、無機耕路，為使收割機能在田間作業(yè)時獲得更高的效率，履帶底盤必須具有良好的機動靈活性。甘蔗收割機作業(yè)時，為保證良好的切蔗效果，前進速度必須與切割器轉(zhuǎn)速相匹配[14]，為適應切割器的切割速度，甘蔗收割機作業(yè)時最佳前進速度為1 m/s?？紤]收割機自重及收割作業(yè)時受到的阻力，為達到甘蔗收割機作業(yè)性能要求，本機型將采用14 t級別工程車輛的液壓系統(tǒng)，履帶的驅(qū)動輪、支重輪、導向輪、托鏈輪、履帶板等零件采用小松PC-120液壓挖掘機的同型號配件。

1.5 其他尺寸的確定

HN4GDL-132型切段式甘蔗收割機總長約為9 m(輸送臂折疊時)，為實現(xiàn)順利裝配，履帶底盤應具備足夠的載重及剛性，并為割臺和輸送臂轉(zhuǎn)臺留有足夠的空間，避免部件的干涉。依據(jù)刀盤位置高度、二級輸送通道截面積尺寸和收割機各系統(tǒng)的尺寸和布局，確定履帶底盤總長度不大于3.5 m，總高度不大于0.8 m。履帶的驅(qū)動輪、支重輪、導向輪、托鏈輪、履帶板等零件采用小松PC-120液壓挖掘機的同型號配件。

2 液力行走系統(tǒng)測試

甘蔗收割機行駛分為作業(yè)行駛，倒車和空車行駛3種情況。倒車和空車行駛時，行走系統(tǒng)只受到來自田間不平路面的干擾等情況下，測試行走液壓系統(tǒng)的流量、壓力變化。而在前進作業(yè)中，行走系統(tǒng)除了空車的影響因素外，還會受到收獲機推倒?jié)L筒阻力、割臺砍切甘蔗阻力和一級輸送喂入阻力，其前進阻力的變化反映在液壓系統(tǒng)中壓力的變化，即底盤液壓系統(tǒng)的壓力變化是由前進阻力所決定的，其變化與阻力變化相一致。機器工作時，輸送臂向左擺，左側(cè)履帶承受壓力比右側(cè)大，測試左側(cè)的液壓行走系統(tǒng)的流量、壓力變化。

2.1 試驗器材及步驟

試驗地點：廣前甘蔗試驗田。

實驗儀器：HN4GDL-132甘蔗收獲機，Thinkpad E50 筆記本，CHPM液壓測試儀，2個渦輪流量傳感器(型號CT60-5V-B-B，量程為0～60 mL/min，輸出電壓0～5 V，精度為量程顯示度數(shù)的±1%，深圳雷諾智能測試有限公司)，2個壓力傳感器(系列PPT，量程為0～15 MPa，輸出電壓0～5 V，精度為量程顯示度數(shù)的±1%，深圳雷諾智能測試有限公司)，秒表1個，皮尺1個，連接油管接頭若干，數(shù)據(jù)采集線若干。

試驗步驟：

⑴將傳感器接在左側(cè)行走液壓油路上。設液壓系統(tǒng)沿油路順時針流動時，即a→b→c→d，收割機向前行駛。a-b為進油路，c-d為回油路，壓力傳感器p1和流量傳感器q1接在a-b油路上，壓力傳感器p2和流量傳感器q2接在c-d油路上。

⑵將液壓測試儀、傳感器、筆記本電腦連接好，把測試儀的數(shù)據(jù)采集時間設置為最短采集時間10 ms。

⑶收割機啟動發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制在約為1500～2300 r/min，變量泵排量在0～1500 ms內(nèi)從0勻速增大至35 mL/r。

⑷收割機正常作業(yè)前進、空車前進和后退時，記錄其行駛過程中液壓系統(tǒng)流量和壓力變化、行駛路程，并推算其前進速度、滑轉(zhuǎn)率和消耗功率。

⑸收割機正常作業(yè)前進時，記錄整個行駛過程(包括起動，行駛和停車)的液壓系統(tǒng)流量和壓力變化、行駛路程。

2.2 前進作業(yè)工況

前進行駛距離：56.20 m；

試驗時間：110.81 s；

平均速度：0.507 m/s；

測試結果如表1所示。

表1 前進作業(yè)工況試驗結果

在整個作業(yè)過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定后，流量變化不大，大約在50～60 L/min的范圍內(nèi)上下浮動，這也反映出收割機行駛速度的變化情況，收割機理論平均行駛速度為0.590 m/s，實際平均前進速度為0.507 m/s，滑轉(zhuǎn)率δ為1.4 %。系統(tǒng)壓力在整個過程中，除起動超調(diào)峰值外出現(xiàn)了4個峰值，液壓系統(tǒng)的壓力反映了負載的變化情況，當系統(tǒng)壓力升高時，收割機前進阻力增大，這可能是受到甘蔗形狀、生長密度和甘蔗倒伏情況的影響，當甘蔗彎曲或倒伏得比較嚴重時，就較難進入輸送通道，或甘蔗生長密度較大時，增大刀盤切割阻力和甘蔗的喂入量。與此同時，在壓力升高的時間段內(nèi)，系統(tǒng)的流量相應降低，降低行駛速度，相對減少甘蔗的喂入量，這樣有利于防止輸送通道堵塞。還偶爾出現(xiàn)了回油壓力大于進油壓力的現(xiàn)象，這是前進阻力稍大時，收割機可以適當?shù)叵蚝蟮雇?，緩沖一下切割阻力和甘蔗喂入阻力[15]。

在收獲機前進工作的整個過程中，進油量總是大于回油量，平均流量差為9.49 L/4 min，液壓馬達的平均容積效率為82.134 %，損失的流量是由液壓元件、油路的泄漏和溢流閥的泄壓所引起。收割機前進作業(yè)時，行走所消耗的功率約為4.33 kW。

2.3 后退工況

后退行駛距離：80 m；

試驗時間：81.33 s； 測試結果如表2所示。

表2 后退行駛工況試驗結果

收割機向后行駛時，系統(tǒng)流量波動不大，其平均值和前進工況大致相同；但壓力波動得比較厲害，原因可能是收割機后退時，駕駛員的只能通過倒后鏡來操控收割機，并不能準確觀察到田間地勢情況，收割機在后退行駛時不如前進平穩(wěn)；但系統(tǒng)壓力總體上比前進工作情況要大一些，這是因為前進作業(yè)時，收割機的全部系統(tǒng)都工作，但發(fā)動機的輸出功率為一定值，收割機各工作系統(tǒng)都分配到相應的功率，行走系統(tǒng)所占的功率較少，當收割機后退時，收割機上的工作系統(tǒng)都不運行，發(fā)動機輸出的功率只傳給行走系統(tǒng)，因此后退行駛動力充足，理論速度為0.906 m/s，實際平均速度為0.762 m/s，液壓馬達的平均容積效率為87.33%，滑轉(zhuǎn)率δ為1.6%，消耗平均功率為8.04 kW。

2.4 空車前進工況

前進行駛距離：152 m；試驗時間：292.56 s；測試結果如表3所示。

表3 空車工況試驗結果

空車行駛時，影響系統(tǒng)流量和壓力的因素只有田間地勢。在液壓泵輸出流量不變的情況下，馬達排量減小，行駛速度加快。盡管行駛速度可以加快，但田間地勢起伏不平，收割機在田間不允許快速行駛，因此試驗時把發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制在2300 r/min。從表中可以看到，空車工況下，系統(tǒng)流量和壓力基本保持平穩(wěn)，變化不大，收割機理論平均行駛速度為0.895 m/s，實際平均前進速度為0.870 m/s，液壓馬達的平均容積效率為87.60%，滑轉(zhuǎn)率δ為1.7%，平均消耗功率4.46 kW，與前進作業(yè)消耗功率相接近。

2.5 實際作業(yè)工況

而在實際的收割作業(yè)中，駕駛員要以甘蔗的生長情況和壟的高低來決定行駛速度，在正常收割中會出現(xiàn)前進、后退和停車。收割機在收割甘蔗過程中，系統(tǒng)流量和壓力變化斷斷續(xù)續(xù)，在0～191 s內(nèi)，行走系統(tǒng)內(nèi)的流量基本上是q1＞q2，p1＞p2，收割機總體是向前行駛，但在整個行駛過程中出現(xiàn)了q2＞q1的現(xiàn)象，這是行駛速度挫頓而導致回油流量急劇變化，這段時間收割機收獲了80 m甘蔗；在191～302 s內(nèi)，q2＞q1，收割機退回原地，開始另一行作業(yè)。在302～365 s內(nèi)，收割機調(diào)整收割位置。373～569 s內(nèi)收割機正常收割74 m甘蔗，系統(tǒng)流量和壓力變化與開始前進收割的情況相似，在492 s時，發(fā)現(xiàn)收割機刀盤入土太深，割臺纏草嚴重，一級滾筒和二級輸送之間輸送損失率嚴重，收割機停車，重新調(diào)節(jié)刀盤位置，清理雜草，在50.5 s繼續(xù)前進作業(yè)。在工作了60 s后，收割機的輸送通道出現(xiàn)堵塞，這時停機修整，輸送通道疏通后，收割機調(diào)整位置，繼續(xù)向前作業(yè)，收獲整體比較順利。

3 結論

收割機在甘蔗田里前進作業(yè)、倒退、空車3種工況下運行，測試左側(cè)行走系統(tǒng)的流量和壓力。試驗結果為，在前進工況下，收割機勻速前進工作，系統(tǒng)流量壓力變化穩(wěn)定，收割機平均行駛速度約為0.5 m/s，平均流量51.60 L/min，平均壓力8928 kPa，所消耗的功率為4.33 kW，從收割機作業(yè)情況來看，行走系統(tǒng)的行駛速度能與收割機工作系統(tǒng)合理匹

配；在倒車和空車工況下，系統(tǒng)流量壓力變化穩(wěn)定，行駛平穩(wěn)，基本能滿足收割機作業(yè)要求。

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(本篇責任編校：李金玉)

Design and Test on Tracked Chassis of Sugarcane Billet Harvester

LIANG Yu-da, ZOU Xiao-ping, HU Sheng-rong, LIU Qing-ting
(Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment/South China Agricultural University, Ministry of Education, Guangzhou 510642)

The technology mechanized harvesting is a key of cane industrial growth. Development of self-propelled sugarcane harvester is a new way to solve disadvantages by direct mounted harvester. However, the driving system must be meet requirements of other parts in harvester, and it must be low speed, high torque, less power and it running stable. The performance of driving system has some effect on efficiency of harvester directly. Therefore, design the driving system for harvest is meaningfulness on the development of sugarcane harvester. This article made field test of sugarcane harvester. Measurement of hydraulic parameters when the harvester forward work and backed off and empty ran in test. The test result is close to theoretical analysis, so the state-space model of driving system is corrected. When harvester works at driving speed of 0.507 m/s, the flow and pressure of hydraulic system is stable. Therefore, the drive system is appropriated for sugarcane harvester.

Sugarcane; Harvester; Tracked chassis; Hydraulic transmission; Testing

S566.1

A

1005-9695(2015)05-0023-05

2015-06-02；

2015-10-09

國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B00)，國家甘蔗產(chǎn)業(yè)技術體系（CARS20-4-1）

梁宇達(1989-)，男，華南農(nóng)業(yè)大學碩士研究生

*通訊作者：劉慶庭(1967-)，男，華南農(nóng)業(yè)大學工程學院教授

梁宇達，鄒小平，胡圣榮，等. 切段式甘蔗聯(lián)合收割機履帶底盤設計與試驗[J]. 甘蔗糖業(yè)，2015(5)：23-27.