農(nóng)機(jī)作業(yè)載荷檢測技術(shù)規(guī)范研究
——以青飼料收獲機(jī)為例

劉聲春，朱良，金紅偉，王明磊

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定總站，北京 100122）

由于我國地域廣闊，農(nóng)田地勢、土壤情況、作業(yè)環(huán)境、作物品種及種植模式多種多樣，對農(nóng)機(jī)可靠性提出了較高要求。目前，農(nóng)機(jī)可靠性試驗(yàn)大多是通過樣機(jī)多作業(yè)季節(jié)田間試驗(yàn)來進(jìn)行的，該方法受季節(jié)性因素影響較大，不利于大面積開展。國內(nèi)部分企業(yè)及學(xué)者通過計(jì)算機(jī)仿真的方式進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，但由于農(nóng)作物屬生物性材料，成分組成復(fù)雜且不均勻，對仿真結(jié)果可靠性影響較大，實(shí)際應(yīng)用過程中效果有限。因此找到一種科學(xué)高效的可靠性試驗(yàn)方法顯得十分重要。

可靠性試驗(yàn)主要是通過農(nóng)機(jī)承受作業(yè)載荷來驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。據(jù)研究，農(nóng)機(jī)作業(yè)過程中承受著復(fù)雜的交變載荷，零部件的早期損壞故障屬于典型的疲勞破壞。傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，盡管將動(dòng)載荷系數(shù)轉(zhuǎn)化為靜載荷加大了設(shè)計(jì)載荷的強(qiáng)度，但無法反映載荷隨機(jī)變化的規(guī)律，不能估算因載荷作用順序、幅值大小及出現(xiàn)頻次對零件造成的損傷程度，并且人為選取的安全系數(shù)誤差較大，無法在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確預(yù)估零部件壽命和可靠性。交變載荷雖然看似雜亂無章，但具有統(tǒng)計(jì)分布的規(guī)律，而載荷譜通過載荷大小與出現(xiàn)頻次之間的關(guān)系能夠反映這種統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。如果能夠?qū)⑥r(nóng)機(jī)作業(yè)過程中的載荷譜編制出來，那么就可以通過實(shí)驗(yàn)室模擬加載的方式來實(shí)現(xiàn)可靠性試驗(yàn)，極大地提高農(nóng)機(jī)可靠性試驗(yàn)的效率和科學(xué)性。農(nóng)機(jī)作業(yè)載荷譜是指作業(yè)條件下，受外界激勵(lì)作用農(nóng)機(jī)零部件的轉(zhuǎn)速、扭矩、應(yīng)力、應(yīng)變等載荷隨時(shí)間變化情況。通過對農(nóng)機(jī)作業(yè)載荷的研究，可以縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高使用壽命和可靠性，減輕重量和體積，對增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭能力具有重要意義。

但目前缺乏統(tǒng)一的載荷測試技術(shù)規(guī)范，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)不具可比性，大量數(shù)據(jù)資源無法使用，因此技術(shù)規(guī)范的制定尤為重要，將填補(bǔ)相關(guān)領(lǐng)域空白。下面以青飼料收獲機(jī)為例說明技術(shù)規(guī)范編制的主要方法、過程及內(nèi)容。

1 研究對象的確定

飼料收獲機(jī)是指用來收獲或收集農(nóng)作物，把作物切成碎段并把碎物料送到物料箱或單獨(dú)的掛車內(nèi)的農(nóng)業(yè)機(jī)械。青貯飼料是喂養(yǎng)羊、奶牛和肉牛等草食家畜的理想飼料，青飼料收獲則為畜牧養(yǎng)殖過程中的重要環(huán)節(jié)[1～3]。

青飼料中以青貯玉米為主，特別是近年來國家相繼出臺鼓勵(lì)政策大力發(fā)展青貯玉米。2015年中央1號文件提出：“深入推進(jìn)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，加快發(fā)展草牧業(yè)，支持青貯玉米和苜蓿等飼草料種植，開展糧改飼和種養(yǎng)結(jié)合模式試點(diǎn)，促進(jìn)糧食、經(jīng)濟(jì)作物、飼草料三元種植結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)發(fā)展”。農(nóng)業(yè)部發(fā)布了《關(guān)于“鐮刀灣”地區(qū)玉米結(jié)構(gòu)調(diào)整的指導(dǎo)意見》，到2020年，“鐮刀彎”地區(qū)玉米種植面積比目前減少5 000萬畝。重點(diǎn)發(fā)展青貯玉米、飼草、雜糧雜豆、經(jīng)濟(jì)林果和生態(tài)功能植物。2016年1號文件提出：“著力構(gòu)建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系、生產(chǎn)體系、經(jīng)營體系，實(shí)施藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略，推動(dòng)糧經(jīng)飼統(tǒng)籌、農(nóng)林牧漁結(jié)合、種養(yǎng)加一體、一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展”。明確提出進(jìn)一步擴(kuò)大糧改飼試點(diǎn)，加快建設(shè)現(xiàn)代飼草料產(chǎn)業(yè)體系。2016年4月，農(nóng)業(yè)部印發(fā)《全國種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃（2016-2020年）》（農(nóng)農(nóng)發(fā)[2016]3號），提出：“按照以養(yǎng)帶種、以種促養(yǎng)的原則，因地制宜發(fā)展青貯玉米，到2020年達(dá)到2500萬畝”。2017年5月，農(nóng)業(yè)部印發(fā)《糧改飼實(shí)施方案》（農(nóng)牧發(fā)[2017]8號），方案中提出：“擴(kuò)大青貯玉米等優(yōu)質(zhì)飼草料種植面積、增加收儲量”，“到2020年，基本實(shí)現(xiàn)奶牛規(guī)模養(yǎng)殖場青貯玉米全覆蓋”。因此，青貯玉米收獲機(jī)應(yīng)成為重點(diǎn)研究對象。玉米青貯收獲機(jī)可分為懸掛式、牽引式和自走式三種形式。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，懸掛式、牽引式作業(yè)效率相對較低，適合小規(guī)模生產(chǎn)使用，且產(chǎn)品種類較少，自走式成為近年來國內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)重點(diǎn)研發(fā)的機(jī)型。綜上，確定自走式玉米青貯收獲機(jī)作為研究對象。

2 玉米青貯作業(yè)要求

按照農(nóng)業(yè)部玉米專家指導(dǎo)組制定的《2017年青貯玉米生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)意見》中的青貯玉米定義是指：“在最佳收獲期將包括果穗在內(nèi)的玉米地上部植株收獲，經(jīng)過整株切碎、加工或貯藏發(fā)酵，并以一定比例配置成用以飼喂以牛、羊?yàn)橹鞯牟菔臣倚蟮娘暳献魑铩?。從中可以看出青貯是指全株青貯。確定青貯作業(yè)相關(guān)要求是制定技術(shù)規(guī)范的前提。青貯作業(yè)效果必須符合標(biāo)準(zhǔn)要求，從而實(shí)現(xiàn)青貯收獲機(jī)的價(jià)值?；谝陨锨疤釡y試出的數(shù)據(jù)才具有意義。經(jīng)查閱相關(guān)資料，目前涉及玉米青貯作業(yè)的要求主要有以下幾點(diǎn)：①作物條件：青貯玉米，適宜收獲期為蠟熟期，原料收獲作業(yè)不早于乳熟末期，不晚于蠟熟末期，適宜的含水量為65%～70%。②作業(yè)質(zhì)量：玉米收獲時(shí)，留茬高度不低于15cm（不同于玉米收獲機(jī)等機(jī)械收獲要求割茬低于15cm[4]。因?yàn)橛衩赘绮糠帜举|(zhì)程度高，不利于畜禽消化，且質(zhì)量大，不能滿足牧場需要），不得帶入泥土等雜物。切碎長度為1～2cm，宜將玉米籽粒破碎。③標(biāo)準(zhǔn)草長率（%）：是指標(biāo)準(zhǔn)長度草的總質(zhì)量與小樣質(zhì)量之比。即從切碎物料中取500g樣品（葉除外），草段長度在0.7～1.2倍的設(shè)計(jì)草長（數(shù)值取小數(shù)點(diǎn)后一位）數(shù)量占樣品全部數(shù)量的比值[5]，標(biāo)準(zhǔn)草長率不低于85%。

通過以上內(nèi)容，可以確定技術(shù)規(guī)范中所需記錄的作業(yè)條件（比如：青貯玉米品種、含水率等），作業(yè)質(zhì)量（留茬高度、標(biāo)準(zhǔn)草長率等）。

3 測試參數(shù)的設(shè)置

目前，載荷譜編制主要集中在工程機(jī)械、飛機(jī)、汽車等領(lǐng)域，測試對象主要集中在軸類零件上，測試參數(shù)主要有：轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油壓、位移等。結(jié)合農(nóng)機(jī)作業(yè)實(shí)際，確定農(nóng)機(jī)作業(yè)載荷測試參數(shù)選取的原則有3個(gè)：①可靠性高。測試參數(shù)的設(shè)置需要結(jié)合玉米青貯作業(yè)實(shí)際，而青貯作業(yè)面臨的對象和環(huán)境十分復(fù)雜。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1988年至2017年國審專用青貯玉米青貯品種就有30個(gè)，加上糧飼通用品種則更多。玉米種植所采用的模式也多種多樣。在這種條件下，對測試參數(shù)所需測試方法和設(shè)備的可靠性要求較高。②可操作性強(qiáng)。測試參數(shù)應(yīng)在現(xiàn)有技術(shù)手段下能夠?qū)崿F(xiàn)，特別是在作業(yè)條件下。測試參數(shù)也不是越多越好，越精確越好，應(yīng)適應(yīng)目前我國農(nóng)機(jī)行業(yè)整體水平。③經(jīng)濟(jì)性好。測試參數(shù)不是為單點(diǎn)式的研究而設(shè)置，而是為滿足大范圍推廣應(yīng)用需要，所以要求測試參數(shù)所需設(shè)備應(yīng)能在主流機(jī)型上快速安裝，不需要定制加工樣機(jī)。

目前，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測試參數(shù)主要有：生產(chǎn)率、標(biāo)準(zhǔn)草長率、駐車制動(dòng)、噪聲、拋送最大水平距離、拋送最大高度等。其中可以體現(xiàn)作業(yè)載荷的參數(shù)為生產(chǎn)率、噪聲。生產(chǎn)率大小直接決定了自走式玉米青貯收獲機(jī)所受載荷的大小。噪聲是發(fā)聲體做無規(guī)則振動(dòng)時(shí)發(fā)出的聲音，聲音由物體的振動(dòng)產(chǎn)生，以波的形式在一定的介質(zhì)（如固體、液體、氣體）中進(jìn)行傳播。同一自走式玉米青貯收獲機(jī)所受載荷越大，噪聲越大。所以通過測定作業(yè)時(shí)噪聲大小可以表征作業(yè)載荷的大小。結(jié)合拖拉機(jī)及柴油機(jī)試驗(yàn)鑒定并征求相關(guān)自走式玉米青貯收獲機(jī)生產(chǎn)企業(yè)意見，增加以下測試參數(shù)：①作業(yè)時(shí)間及速度。包括樣機(jī)作業(yè)時(shí)間、空行時(shí)間、空轉(zhuǎn)時(shí)間。速度包括作業(yè)時(shí)的行進(jìn)速度、空行時(shí)的行進(jìn)速度。作業(yè)時(shí)間雖然不是直接反映作業(yè)載荷的，但卻是編制載荷譜所需要的。作業(yè)速度直接影響生產(chǎn)率，從而影響作業(yè)載荷大小。②油耗。油耗指標(biāo)是用戶比較關(guān)注的，也能反映自走式青貯玉米收獲機(jī)作業(yè)時(shí)所承受載荷大小。③加速度。這里的加速度是指自走式玉米青貯收獲機(jī)特定點(diǎn)受載荷影響而產(chǎn)生的振動(dòng)加速度。加速度越大，可反映自走式玉米青貯機(jī)所受載荷越大。④軸轉(zhuǎn)速和扭矩。通過測試相關(guān)軸的轉(zhuǎn)速和扭矩，可以得到功率消耗變化情況。從中可以看到克服載荷消耗功率情況。

4 測試方法及設(shè)備的選擇

測試參數(shù)設(shè)置完成后，需要確定測試方法，測試方法需要滿足方便性、準(zhǔn)確性及科學(xué)性的要求，能滿足大面積采集工作需要，盡量減少人為因素影響。同時(shí)要考慮數(shù)據(jù)能由系統(tǒng)自動(dòng)采集和人工統(tǒng)計(jì)方式兩種方式得到，這也是為了擴(kuò)大技術(shù)規(guī)范使用范圍。根據(jù)研究，青貯玉米最大種植密度為60 000株/hm2，株距0.23m，按照最大作業(yè)速度5m/s計(jì)算，載荷頻率在22Hz，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，測試設(shè)備采樣頻率應(yīng)為載荷頻率的3～5倍。結(jié)合實(shí)際最終將采樣頻率確定在100Hz，采樣時(shí)間間隔為0.01s。如果采用人工統(tǒng)計(jì)方式進(jìn)行，考慮到可操作性，采樣間隔為2min。相關(guān)參數(shù)測試方法如下。

4.1 生產(chǎn)率

生產(chǎn)率采用估算法計(jì)算，將田間調(diào)查得到的作物產(chǎn)量換算成含水率65%時(shí)的產(chǎn)量[6]。生產(chǎn)率按式（1）計(jì)算。采用估算法時(shí)，可以直接輸入割臺工作幅寬和作物產(chǎn)量，只測青貯作業(yè)時(shí)的行進(jìn)速度就可得到。

式中：Q為生產(chǎn)率（t/h）；S為割臺工作幅寬（m）；C為作物產(chǎn)量（含水率65%時(shí)的產(chǎn)量，kg/hm2）；Uzy為青貯作業(yè)時(shí)的行進(jìn)速度（km/h）。

4.2 噪聲

噪聲測試位置為駕駛員耳位處。此處噪聲對駕駛員人身健康影響較大。測試時(shí)，背景噪聲至少比測量噪聲級低10dB(A)。如果裝有駕駛室，應(yīng)關(guān)閉門窗、天窗、擋風(fēng)玻璃。除駕駛員和測試人員外，其他人員不得在操作位置處或駕駛室內(nèi)。傳感器應(yīng)放在座位中心面一側(cè)250mm±20mm處，傳感器應(yīng)沿軸線水平向前，中心應(yīng)位于駕駛座標(biāo)志點(diǎn)上方700mm±20mm、前方100mm±20mm處。聲級計(jì)讀數(shù)應(yīng)在慢檔特性下讀取，測量的量為A計(jì)權(quán)聲壓級[7]。

4.3 作業(yè)時(shí)間及速度

記錄樣機(jī)青貯作業(yè)時(shí)間、空行時(shí)間、空轉(zhuǎn)時(shí)間。記錄樣機(jī)青貯作業(yè)時(shí)的行進(jìn)速度，空行時(shí)的行進(jìn)速度，記錄樣機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)，狀態(tài)數(shù)據(jù)為作業(yè)過程中的實(shí)時(shí)時(shí)間、每秒鐘間隔內(nèi)對應(yīng)的平均速度以及不同作業(yè)切換的狀態(tài)信號。

4.4 油耗

樣機(jī)各階段作業(yè)消耗的燃油質(zhì)量如以人工統(tǒng)計(jì)方式得到，需記錄各狀態(tài)穩(wěn)定工作2h消耗的燃油質(zhì)量，測試3次，以算術(shù)平均值作為樣機(jī)該狀態(tài)油耗，包括樣機(jī)空行油耗、空轉(zhuǎn)油耗?？招杏秃臏y試時(shí)按作業(yè)時(shí)行進(jìn)速度進(jìn)行測試，記錄作業(yè)行進(jìn)速度。測試方法可通過稱取油箱加滿前后油桶質(zhì)量差或其他方式得到，也可通過相應(yīng)傳感器自動(dòng)采集。以人工統(tǒng)計(jì)方式進(jìn)行時(shí)，小時(shí)油耗按式（2）計(jì)算。

式中：Gph為樣機(jī)青貯作業(yè)小時(shí)油耗（kg/h）；Gzy為樣機(jī)的總耗油量（kg）；Gkx為樣機(jī)空行小時(shí)油耗（kg/h）；Gkz為樣機(jī)空轉(zhuǎn)小時(shí)油耗（kg/h）；tzy為樣機(jī)青貯作業(yè)時(shí)間（h）；tkx為樣機(jī)空行時(shí)間（h）；tkz為樣機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)間（h）。

4.5 加速度

加速度傳感器應(yīng)安裝在駕駛座標(biāo)志點(diǎn)[8]在底板上的垂直投影點(diǎn)處。加速度測試可以滿足駕駛員座椅處產(chǎn)生的振動(dòng)測試。傳感器安裝應(yīng)符合GB/T 14412要求[9]。記錄后側(cè)至車前方向（X）、左側(cè)至右側(cè)方向（Y）、底部至頂部方向（Z）3個(gè)方向加速度。

參數(shù)測試用儀器設(shè)備應(yīng)處于完好狀態(tài)，使用前應(yīng)經(jīng)過計(jì)量檢定或校準(zhǔn)且在有效期內(nèi)，確保在規(guī)定條件下使用。準(zhǔn)確度要求見表1。

表1 儀器設(shè)備準(zhǔn)確度要求

5 評價(jià)參數(shù)的設(shè)置

評價(jià)參數(shù)分為整機(jī)負(fù)荷參數(shù)和部件負(fù)荷參數(shù)，整機(jī)負(fù)荷參數(shù)表征整機(jī)所受載荷狀況，部件負(fù)荷參數(shù)表征部件所受載荷狀況。整機(jī)負(fù)荷參數(shù)包括：作業(yè)振動(dòng)、作業(yè)功率、負(fù)荷系數(shù)、噸料油耗。部件負(fù)荷參數(shù)包括：作業(yè)功率。

5.1 作業(yè)振動(dòng)

作業(yè)振動(dòng)是指自走式玉米青貯收獲機(jī)駕駛座標(biāo)志點(diǎn)在底板上垂直投影點(diǎn)處的振動(dòng)。表征青貯作業(yè)整機(jī)承受載荷而在特定位置產(chǎn)生振動(dòng)的程度，用頻率加權(quán)加速度均方值表示[10]。頻率加權(quán)加速度均方值按式（3）計(jì)算。

5.2 作業(yè)功率

作業(yè)功率是指自走式玉米青貯收獲機(jī)用于青貯作業(yè)的功率。表征青貯作業(yè)部件承受載荷而消耗功率的程度。通過測試軸轉(zhuǎn)速與扭矩乘積得到。作業(yè)功率按式（4）計(jì)算。

式中：Pzy為作業(yè)功率（kW）；nzy為測試軸轉(zhuǎn)速（r/min）；Tzy為測試軸扭矩（N·m）。

5.3 負(fù)荷系數(shù)

負(fù)荷系數(shù)是指自走式玉米青貯收獲機(jī)用于青貯作業(yè)功率與其標(biāo)定功率的比值。表征用于青貯作業(yè)過程中整機(jī)承受載荷而消耗功率的程度。作業(yè)功率由轉(zhuǎn)矩、扭矩測試得到或采用G_ph值在動(dòng)力輸出軸特性曲線上查得的平均功率近似值。負(fù)荷系數(shù)按式（5）計(jì)算。

式中：εph為樣機(jī)青貯作業(yè)時(shí)的負(fù)荷系數(shù)；Pzy為作業(yè)功率（kW）；Pbd為標(biāo)定功率（kW）。

5.4 噸料油耗

噸料油耗是指自走式玉米青貯收獲機(jī)收集每噸碎物料所消耗的燃油質(zhì)量。表征每噸玉米青貯作業(yè)中整機(jī)承受載荷而消耗燃油的程度。噸料油耗按式（6）計(jì)算。

式中：Gth為樣機(jī)青貯作業(yè)時(shí)每噸物料耗油質(zhì)量（t/kg）。

5.5 作業(yè)耳位噪聲

作業(yè)耳位噪聲是指自走式玉米青貯收獲機(jī)青貯作業(yè)時(shí)駕駛員耳位處的噪聲。表征青貯作業(yè)時(shí)整機(jī)承受載荷而在駕駛員耳位處產(chǎn)生噪聲的程度。

6 測試要求

（1）試驗(yàn)地塊地勢應(yīng)符合樣機(jī)作業(yè)要求，記錄地塊位置、地塊坡度、地塊面積和形狀等信息。

（2）所測樣機(jī)技術(shù)參數(shù)應(yīng)符合制造廠的規(guī)定，并按制造廠的使用說明書進(jìn)行操作。記錄樣機(jī)信息，包括：配套動(dòng)力、發(fā)動(dòng)機(jī)型號名稱及生產(chǎn)日期、樣機(jī)生產(chǎn)日期、樣機(jī)編號、工作幅寬、整機(jī)質(zhì)量、生產(chǎn)率、作業(yè)行進(jìn)速度等。測試前，發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)應(yīng)正常運(yùn)行15min以上。測試時(shí)，滿幅寬全油門作業(yè)，作業(yè)面積至少1hm2。

（3）玉米品種、種植模式應(yīng)能代表試驗(yàn)地區(qū)情況，無明顯倒伏，長勢均勻，表面無明水，處于蠟熟期。記錄玉米品種、種植模式、作物產(chǎn)量、含水率等信息。作物產(chǎn)量按五點(diǎn)法取樣，取樣面積1m2，割取玉米植株距地15cm以上部分稱重，以五點(diǎn)平均質(zhì)量作為地塊作物產(chǎn)量。含水率等試驗(yàn)條件要符合GB/T 5262的規(guī)定。

（4）物料穩(wěn)定拋送10s后至少接取2kg樣品。按四分法進(jìn)行分析，標(biāo)準(zhǔn)草長率（%）不低于85%（切碎長度為1～2cm）。隨機(jī)測10個(gè)點(diǎn)，留茬高度不低于15cm。

7 評價(jià)規(guī)則

測試數(shù)據(jù)用于不同廠家同一型號間作業(yè)載荷情況評價(jià)時(shí)可多次測量，以算術(shù)平均值作為評價(jià)依據(jù)。

7.1 評價(jià)指標(biāo)及權(quán)重

評價(jià)指標(biāo)分整機(jī)負(fù)荷參數(shù)和部件負(fù)荷參數(shù)，經(jīng)調(diào)研和咨詢相關(guān)專家，各類指標(biāo)權(quán)重見表2。

表2 各類指標(biāo)權(quán)重

7.2 綜合評價(jià)

對評價(jià)項(xiàng)目逐項(xiàng)評價(jià)。滿分100分，綜合評價(jià)結(jié)果根據(jù)各指標(biāo)得分按權(quán)重計(jì)算得到。