履帶自走式苜蓿切割壓扁機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙建柱，孫 佳，陳宏偉，孫鳳濤，王德成

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

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履帶自走式苜蓿切割壓扁機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙建柱，孫 佳，陳宏偉，孫鳳濤，王德成

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

為適應(yīng)西部地區(qū)苜蓿收獲的需要，研制了一臺(tái)履帶自走式苜蓿切割壓扁機(jī)。為此，進(jìn)行了整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和總體布置，完成了零部件的選型、設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了樣機(jī)試制。該機(jī)采用靜液壓無級(jí)變速驅(qū)動(dòng)橋，實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)速，操控簡(jiǎn)便。試驗(yàn)結(jié)果表明：樣機(jī)爬坡度可達(dá)30%以上，最高作業(yè)速度可達(dá)10km/h，接地比壓29kPa，能夠較好地滿足山地苜蓿切割壓扁作業(yè)的需求。

苜蓿切割壓扁機(jī)；履帶；自走式；靜液壓無級(jí)變速

0 引言

近些年，國(guó)內(nèi)外在平原地區(qū)已普遍使用大型拖拉機(jī)牽引幅寬較大的切割壓扁機(jī)對(duì)苜蓿進(jìn)行收獲，效率高、效果好[1-2]；而我國(guó)苜蓿主產(chǎn)區(qū)的甘肅、寧夏等西北地區(qū)，苜蓿多種植在山坡、丘陵地帶，地形復(fù)雜多變，加上苜蓿種植區(qū)域中田鼠、野兔等中小型嚙齒類動(dòng)物巢穴較多，使用輪式機(jī)械收獲較為困難[3-4]。目前，山區(qū)丘陵地帶收割苜蓿主要采用手持式切割機(jī)或者小型割草機(jī)進(jìn)行，雖然能夠完成收獲作業(yè)，但因?yàn)槿鄙賶罕猸h(huán)節(jié)，不能保證苜蓿莖葉同速干燥。在收儲(chǔ)運(yùn)的過程中，苜蓿葉片脫落嚴(yán)重，致使蛋白質(zhì)損失嚴(yán)重，減少了營(yíng)養(yǎng)成分的含量，苜蓿草的品質(zhì)不高；收獲作業(yè)效率低，人力成本高，影響了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[5-6]。

鑒于此，本文研制了一臺(tái)使用靜液壓無級(jí)變速驅(qū)動(dòng)橋的履帶自走式苜蓿切割壓扁機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量小，具有較好的通過性和爬坡能力、可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速等優(yōu)點(diǎn)，可以較大幅度提高苜蓿收獲效率，并能保證苜蓿干草料的品質(zhì)[7]。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

履帶自走式苜蓿切割壓扁機(jī)主要由切割壓扁工作裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)、靜液壓無級(jí)變速驅(qū)動(dòng)橋、皮帶傳動(dòng)裝置、懸架系統(tǒng)、液壓升降系統(tǒng)、油箱和車架等組成，如圖1所示。切割壓扁工作裝置前置；靜液壓無級(jí)變速圖驅(qū)動(dòng)橋位于車架下側(cè)前端兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間，前置驅(qū)動(dòng)；發(fā)動(dòng)機(jī)在車架后端縱置，動(dòng)力直接從皮帶輪傳出。

履帶自走式苜蓿切割壓扁機(jī)作業(yè)時(shí)，行走部分與工作裝置共用同一套動(dòng)力裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶輪帶動(dòng)靜液壓無級(jí)變速驅(qū)動(dòng)橋，為行走部分提供前進(jìn)動(dòng)力。作業(yè)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶輪帶動(dòng)切割器上的刀盤高速旋轉(zhuǎn)，苜蓿被高速旋轉(zhuǎn)的割刀切割后甩入調(diào)制器，并在上、下壓扁輥的擠壓下被壓扁、拋出，在草茬上鋪成具有一定寬度的草條。通過液壓系統(tǒng)控制工作裝置的升降可改變割茬高度，平行四連桿支架保證割刀角度不變。

1.切割壓扁工作裝置 2.靜液壓無級(jí)變速驅(qū)動(dòng)橋 3.儀表盤 4.座椅 5.操縱桿 6.燃油箱 7.散熱器 8.液壓油箱 9.發(fā)動(dòng)機(jī) 10.車架 11.皮帶輪及傳動(dòng)系統(tǒng) 12.懸架

2 主要技術(shù)參數(shù)及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)確定

根據(jù)地形和種植狀況確定切割壓扁機(jī)割幅l為1.2m，要求生產(chǎn)率θ=0.4hm2/h，則各參數(shù)計(jì)算如下[8-10]：

切割壓扁作業(yè)時(shí)，整機(jī)車速為

代入數(shù)據(jù)，最小工作車速為3.3km/h。

本切割壓扁機(jī)采用旋轉(zhuǎn)式割刀，刀盤邊緣線速度vg約為65m/s，刀盤半徑r為0.325m，則切割器轉(zhuǎn)速為

壓扁輥線速度約為整機(jī)前進(jìn)速度的3.5～4倍，壓輥直徑d為0.225m，則壓扁輥工作轉(zhuǎn)速為

整機(jī)在工作過程中受到的行駛阻力分為內(nèi)部行駛阻力和外部行駛阻力。其中，內(nèi)部行駛阻力可換算成驅(qū)動(dòng)輪上的摩擦阻力矩Mr，則

式中 Fk—切線牽引力；

rk—驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)力半徑；

Mk—驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

履帶車輛行駛時(shí)的外部阻力Ff1為

式中 b—履帶板寬度；

p—履帶支承段單位面積上承受的壓力；

z0—軌轍深度。

土壤單位面積上承受的壓力(即履帶接地比壓)為

所以

式中 L0—履帶接地長(zhǎng)度；

Kc—土壤變形的內(nèi)聚模量；

Kφ—土壤變形的內(nèi)摩擦模量；

通常，n取0.3～0.4之間，Kc取5.77～11.42之間，Kφ取538.55～808.96之間[11]。代入數(shù)據(jù)，行駛阻力F1為4 575N。

履帶式車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)的驅(qū)動(dòng)功率大于正常行走時(shí)的驅(qū)動(dòng)功率，一般是直線行駛功率的1.15～1.5倍，則行駛驅(qū)動(dòng)功率最大消耗為

P1=1.15F1vmax/3600

取最高工作車速vmax為10km/h，計(jì)算得行駛驅(qū)動(dòng)功率最大消耗P1為14.6kW。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)切割功率消耗曲線，可得切割器消耗總功率P2=2.16kW，壓扁輥消耗總功率P3=2.58kW。升降機(jī)構(gòu)不與行走驅(qū)動(dòng)和工作裝置同時(shí)工作，在此不考慮升降機(jī)構(gòu)功率分配問題。

整機(jī)匹配總功率為

取整機(jī)的效率θ=0.85，計(jì)算得整機(jī)匹配總功率[Pe]max為27.3kW。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)我國(guó)西北部山區(qū)、丘陵苜蓿種植地帶路面不平度、松軟度、坡度、寬度等實(shí)際情況，以及苜蓿種植狀態(tài)，結(jié)合苜蓿收獲作業(yè)的要求，確定了履帶的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

在社會(huì)的科技發(fā)展中，一些新興學(xué)科常從某些相關(guān)學(xué)科借用一些詞匯并賦予新的意義內(nèi)涵，而成為該學(xué)科的詞匯。例如，石油專業(yè)中的bit“鉆頭”被機(jī)械加工行業(yè)借用表示“切削刀”。

表1 履帶自走式苜蓿切割壓扁機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

Table 1 The main technical parameters of crawler self-propelled alfalfa cutting and flattening machine

參數(shù)項(xiàng)單位參數(shù)值主機(jī)外形尺寸mm2500×1300×1500整機(jī)質(zhì)量kg1335整機(jī)匹配功率kW27.3工作車速km/h>0～3.3最高車速km/h10切割器轉(zhuǎn)速r/min1937壓扁輥轉(zhuǎn)速r/min312最大爬坡度/爬坡角%≥60切割寬度mm1200接地比壓kPa29

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)方案

本機(jī)采用三角帶將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力分別傳遞給行走部分和工作裝置。

行走部分采用靜液壓無級(jí)變速驅(qū)動(dòng)橋，通過驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)的左右離合制動(dòng)齒輪和左右驅(qū)動(dòng)軸系上的傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)左右驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)、制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)切割壓扁機(jī)前進(jìn)、倒退、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)。

切割壓扁工作裝置動(dòng)力傳遞路線，分為以下3部分：升降作業(yè)，即工作臺(tái)的升降；切割作業(yè)，即切割器旋轉(zhuǎn)割草部分；壓扁作業(yè)，即上下壓扁輥旋轉(zhuǎn),如圖2所示。切割壓扁作業(yè)與舉升不是同時(shí)動(dòng)作，因此分為兩套獨(dú)立的傳動(dòng)路線。其中，工作裝置舉升部分通過液壓系統(tǒng)控制；切割壓扁部分的動(dòng)力直接由發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶輪傳遞，經(jīng)過分動(dòng)機(jī)構(gòu)分兩路輸出給壓扁輥旋轉(zhuǎn)動(dòng)力和割刀切割旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。

圖2 工作裝置傳動(dòng)路線示意圖

2.4 行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

由于作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，外界負(fù)荷不斷地波動(dòng)，因此車輛需要適時(shí)地變更轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩以保證良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。傳統(tǒng)變速箱雖能通過換檔達(dá)到一定的要求，但無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化，而增加檔位會(huì)使變速箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加，操縱困難。本機(jī)采用靜液壓-機(jī)械驅(qū)動(dòng)是一種將靜液壓無級(jí)變速器(HST)與機(jī)械式驅(qū)動(dòng)橋組合串聯(lián)的履帶動(dòng)力底盤驅(qū)動(dòng)方式，如圖3所示。這種驅(qū)動(dòng)方式能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)變速，且操縱簡(jiǎn)單，性能可靠，降低了整機(jī)成本。

圖3 靜液壓無極變速驅(qū)動(dòng)橋

靜液壓無級(jí)變速器是一個(gè)完整的閉式液壓系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)整機(jī)在一定范圍內(nèi)無級(jí)變速及負(fù)載換擋，主要由以下5部分組成：動(dòng)力裝置，主要為液壓泵；執(zhí)行元件，主要為液壓缸或者馬達(dá)；調(diào)節(jié)控制裝置，主要為壓力閥、流量閥和控制閥等；輔助裝置，主要包括各種管接頭、油管、油箱、過濾器及壓力表等；還有工作介質(zhì)。

機(jī)械驅(qū)動(dòng)橋具有兩個(gè)輸出軸，動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)通過HST輸入，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)部中央傳動(dòng)及離合制動(dòng)器輸出給機(jī)械驅(qū)動(dòng)橋輸出端，驅(qū)動(dòng)整機(jī)行駛。機(jī)械驅(qū)動(dòng)橋兩側(cè)輸出軸均配有離合制動(dòng)器，可通過轉(zhuǎn)動(dòng)耳軸帶動(dòng)撥叉進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)行駛過程中驅(qū)動(dòng)輪的差速、整機(jī)的轉(zhuǎn)向和制動(dòng)。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

3.1 行駛及工作性能試驗(yàn)

行駛及工作性能試驗(yàn)在裸露苜蓿種植試驗(yàn)田間進(jìn)行,測(cè)試在不進(jìn)行作業(yè)時(shí)的運(yùn)輸車速及在工作裝置工作情況下的最高作業(yè)速度能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求；測(cè)試啟動(dòng)、制動(dòng)性能是否正?？煽?；測(cè)試各項(xiàng)操作是否靈活可靠；測(cè)試工作裝置工作狀況。

試驗(yàn)結(jié)果表明：樣機(jī)在運(yùn)輸(工作裝置不工作)工況下最高車速可達(dá)10km/h，作業(yè)(工作裝置工作)工況下最高車速可達(dá)3.3km/h，滿足設(shè)計(jì)要求；樣機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)性能良好，操縱靈活，工作裝置性能良好。

圖4 速度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.2 爬坡試驗(yàn)

爬坡試驗(yàn)在人工坡道進(jìn)行，坡度30%。試驗(yàn)采用角度測(cè)量?jī)x測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果顯示樣機(jī)爬坡度滿足設(shè)計(jì)要求，可在30%的坡道上正常行駛。

圖5 爬坡試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.3 越障性能試驗(yàn)

越障礙性能試驗(yàn)在裸露苜蓿種植試驗(yàn)田間進(jìn)行，越障性能試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置長(zhǎng)度約為0.8m、寬度為0.5m的地坑模擬動(dòng)物巢穴。不同路面狀況下樣機(jī)能否正常行駛的試驗(yàn)結(jié)果顯示：樣機(jī)可順利通過模擬巢穴，在多地洞路面行駛通過性良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 越障性能試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)論

1)整機(jī)布置合理、結(jié)構(gòu)緊湊、重心穩(wěn)定，滿足山區(qū)苜蓿收獲作業(yè)要求。

2)采用靜液壓無級(jí)變速驅(qū)動(dòng)橋，實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)速，操作簡(jiǎn)便，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

3)試驗(yàn)表明：樣機(jī)有較好的越障礙通過性，爬坡度可達(dá)30%以上，最高作業(yè)速度可達(dá)10km/h，接地比壓29 kPa。

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Crawler Self-propelled Alfalfa Cutting and Flattening Machinary Design and Experimental Study

Zhao Jianzhu, Sun Jia, Chen Hongwei, Sun Fengtao, Wang Decheng

(College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

In order to meet the requirements of alfalfa harvest of the western region，the paper developed a crawler self-propelled alfalfa cutting and flattening machinery.The whole structure design，general layout，parts selection and design，and prototype trial-production have been completed. Hydro static transmission has been used to achieve the variable speed and easy manipulation. The results showed that the maximum climbable gradient is 30%, the highest working speed is 10km/h，the ground specific pressure is 29 kPa. The prototype can meet the requirements of alfalfa working in mountainous region.

alfalfa cutting and flattening machinary; crawler；self-propelled；hydro static transmission

2016-03-18

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203024)

趙建柱( 1963- )，男，山東青島人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)zhjzh@cau.edu.cn。

王德成(1965-)，男，吉林吉林人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)wdc@cau.edu.cn。

S817.11

A

1003-188X(2017)04-0103-04